CN113754062A - 一种生物质潜流人工湿地及在污水处理方面的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物质潜流人工湿地及在污水处理方面的应用，所述生物质潜流人工湿地包括：配水渠、集水渠、水生植物，其特征在于：所述生物质潜流人工湿地还包括基质系统，所述基质系统布置在配水渠与集水渠之间且连通配水渠与集水渠，所述基质系统的上方布置种植水生植物的土壤层；所述基质系统自配水渠向集水渠方向依次布置砾石区、沸石区和赤铁矿区，所述砾石区内预埋生物质作为反硝化碳源，所述沸石区内布置沸石，所述赤铁矿区内布置赤铁矿。本发明所提供的生物质潜流人工湿地及在污水处理方面的应用，可以有效解决生物质碳源释放先快后慢所引起的人工湿地脱氮效能低以及出水水质不稳定的工程问题。

Description

一种生物质潜流人工湿地及在污水处理方面的应用
技术领域
本发明属于水环境技术领域，尤其是涉及一种生物质潜流人工湿地及在污水处理方面的应用，适用于污水处理厂尾水深度脱氮。
背景技术
城镇污水处理厂尾水中通常存在硝酸盐，给地表水环境的维持以及尾水的回用均带来了一定的风险。因此，污水处理厂深度脱氮一直以来都是解决城市缺水问题和改善生态环境的重中之重。
潜流人工湿地是城镇污水处理厂尾水深度处理的重要技术单元，其床体的缺氧和厌氧状态给反硝化提供了良好的环境条件。然而，可生物利用的有机物往往在污水厂生物处理系统中降解殆尽，尾水中残留的多为难以生物降解的高分子有机物，无法有效驱动湿地中的反硝化，因此，向湿地中投加碳源是强化湿地脱氮效能的重要工程措施。在不同类型的碳源中，生物质具有显著的优势。其作为固体碳源，在充当反硝化电子供体的同时，还可作为载体为反硝化微生物提供良好的生长环境。此外，生物质还具有来源广泛，价格低廉的优势，具有良好的经济、环境和生态效益。已有研究将麦秸、稻草、玉米穗、棉花和香蒲生物质作为有机碳源投加入人工湿地，均显著提升了湿地的反硝化效能。
然而，在生物质投加后的运行期内，碳源释放往往呈现前期快，后期慢的特征，导致人工湿地碳源输入在时间上的不均衡，对系统脱氮潜能的发挥产生了不利影响。上述问题具体阐述如下：
(1)生物质人工湿地运行前期，生物质碳源释放速率高，COD浓度可高达100mg/L，使得碳源释放速率与进水硝酸盐负荷之比显著高于反硝化理论C/N比，这将引起异化硝酸盐还原的发生，导致氨氮的生成。受限于溶解氧数量，这些氨氮在潜流人工湿地中将无法通过硝化作用去除，最终随湿地出水排出；不仅如此，污水厂尾水中通常含有硫酸盐，常见浓度为50～300mg/L(以硫元素计)；生物质释放的过量碳源还将引起异化硫酸盐的发生，生成的硫化物随湿地出水排出，将对受纳水体水环境造成严重影响。
(2)生物质人工湿地运行后期，生物质碳源释放速率低，COD浓度可低至10mg/L以下，使得碳源释放速率与进水硝酸盐负荷之比显著低于反硝化理论C/N比，这不仅将导致硝酸盐去除不完全，而且还会引起短程反硝化的发生，导致亚硝酸盐的生成。
可见，无论在生物质人工湿地运行前期还是后期，生物质碳源释放的非均匀性均显著影响了生物质人工湿地脱氮潜能的发挥，造成湿地出水水质的不稳定。上述工程问题对生物质人工湿地的工程应用以及人工湿地尾水深度脱氮提出了新的技术挑战。
发明内容
本发明的第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种生物质潜流人工湿地。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种生物质潜流人工湿地，所述生物质潜流人工湿地包括：配水渠、集水渠、水生植物，其特征在于：所述生物质潜流人工湿地还包括基质系统，所述基质系统布置在配水渠与集水渠之间且连通配水渠与集水渠，所述基质系统的上方布置种植水生植物的土壤层；所述基质系统自配水渠向集水渠方向依次布置砾石区、沸石区和赤铁矿区，所述砾石区内预埋生物质作为反硝化碳源，所述沸石区内布置沸石，所述赤铁矿区内布置赤铁矿。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述配水渠包括进水管、钢筋混凝土、土工防渗膜、木质盖板、砖墙和穿孔花墙，所述钢筋混凝土作为配水渠的底部基础，所述进水管伸入至配水渠内部，所述砖墙作为配水渠的渠身，所述土工防渗膜覆盖至配水渠的非下游内侧，所述穿孔花墙作为配水渠的下游内侧渠身，所述木质盖板用于覆盖配水渠的顶部。
作为本发明的优选技术方案：所述集水渠包括出水管、钢筋混凝土、土工防渗膜、木质盖板和砖墙，所述钢筋混凝土作为集水渠的底部基础，所述出水管由基质系统伸入至集水渠内部，所述砖墙作为集水渠的渠身，所述土工防渗膜覆盖至集水渠的内侧，所述木质盖板用于覆盖集水渠的顶部。
作为本发明的优选技术方案：所述基质系统与配水渠、集水渠之间分别以卵石层间隔，所述基质系统内砾石区、沸石区和赤铁矿区的相邻两者之间也以卵石层间隔。
作为本发明的优选技术方案：所述基质系统的底部自上而下依次布置细沙层和碎石层以实现对基质系统向上承托。
作为本发明的优选技术方案：所述砾石区内预埋生物质为麦秸、稻草、玉米穗、棉花和水生植物枯叶中的一种或几种的任意组合。
作为本发明的优选技术方案：所述砾石区内预埋生物质与砾石的质量比为1:400～1:100。
作为本发明的优选技术方案：生物质平均长度为2～4cm，砾石区内砾石的粒径为20～25mm，沸石区内沸石的粒径为15～20mm，赤铁矿区内赤铁矿的粒径为10～15mm。
作为本发明的优选技术方案：所述砾石区、沸石区和赤铁矿区的厚度为500～600mm，砾石区、沸石区和赤铁矿区下方布置的细沙层的厚度为40～60mm，细沙层下方布置的碎石层的厚度为80～120mm。
本发明还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种生物质潜流人工湿地在污水处理方面的应用。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
根据前文所述的生物质潜流人工湿地在污水处理方面的应用，其特征在于：所述应用包括：
含硝酸盐的污水厂尾水进入配水渠，然后进入至基质系统，先后流经基质系统内的砾石区、沸石区、赤铁矿区，完成污水处理后，进入集水渠，最后经与集水渠相连的出水管排出该生物质潜流人工湿地，水力停留时间为1～3天；
其中：
(1)生物质潜流人工湿地运行前期：
砾石区内预埋生物质释放出有机碳源驱动反硝化，然而较高的碳源释放速率将引发异化硝酸盐还原和异化硫酸盐还原；
异化硝酸盐还原生成的氨氮在沸石区与沸石中的阳离子发生交换，而被沸石吸附，反应式如下：
Z-Na++NH4 +→Z-NH4 ++Na+ (1)
异化硫酸盐还原生成的硫化物在赤铁矿区与三价铁发生反应，以硫化亚铁和单质硫的形态沉积在基质中，反应式如下：
Fe2O3+3HS-+3H+→2FeS+S0+3H2O (2)
(2)生物质潜流人工湿地运行后期：
砾石区生物质较低的碳源释放速率将引发短程反硝化，生成的亚硝酸盐可在沸石区与解吸下来的氨氮发生厌氧氨氧化而去除，同时实现沸石再生，反应式如下：
NH4 ++1.32NO2 -+0.066HCO3 -+0.13H+→1.02N2+0.066CH1.8O0.5N0.2+0.26NO3 -+2.03H2O(3)
过量的硝酸盐可在赤铁矿区以基质中的硫化亚铁和单质硫为电子供体，发生自养反硝化而去除，同时实现赤铁矿再生，反应式如下：
FeS+1.8NO3 -+1.6H2O→Fe(OH)3+SO4 2-+0.9N2+0.2H+ (4)
Figure BDA0003220883850000041
本发明提供一种生物质潜流人工湿地及在污水处理方面的应用，可以有效解决生物质碳源释放先快后慢所引起的人工湿地脱氮效能低以及出水水质不稳定的工程问题。
附图说明
图1为本发明所提供的生物质潜流人工湿地的结构示意图；
图中：1-进水管；2-钢筋混凝土；3-土工防渗膜；4-木质盖板；5-砖墙；6-穿孔花墙；7-卵石层；8-土壤层；9-砾石区；10-沸石区；11-赤铁矿区；12-细沙层；13-碎石层；14-出水管；15-水生植物。
图2为本发明所提供的生物质潜流人工湿地的运行前期主要物质转化过程示意图；
图中：1为生物质碳源释放过程；2为反硝化过程；3为异化硝酸盐还原过程；4为异化硫酸盐还原过程；5为氨氮吸附过程；6为硫化物氧化过程；7为三价铁还原过程；8为硫化亚铁生成过程。
图3为本发明所提供的生物质潜流人工湿地的运行后期主要物质转化过程示意图；
图中：1为生物质碳源释放过程；2为反硝化过程；3为短程反硝化过程；4为氨氮解吸过程；5为厌氧氨氧化过程；6为自养反硝化过程；7为单质硫氧化过程；8为硫化亚铁氧化过程。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，一种新型生物质潜流人工湿地包括：配水渠、基质系统、集水渠、水生植物。其中，配水渠包括进水管1、钢筋混凝土2、土工防渗膜3、木质盖板4、砖墙结构5、穿孔花墙6，基质系统包括卵石层7、土壤层8、砾石区9、沸石区10、赤铁矿区11、细沙层12、碎石层13，砾石区9预埋生物质作为反硝化碳源，集水渠包括出水管14、钢筋混凝土2、土工防渗膜3、木质盖板4、砖墙结构5，水生植物15种植在基质系统之上。
生物质潜流人工湿地长宽比为3:1～5:1。砾石区9粒径为20～25mm，沸石区10粒径为15～20mm，赤铁矿区11粒径为10～15mm。三个区域各占基质系统总体积的30％～40％；卵石层7厚度为30～35cm，粒径为50～100mm。
砾石区9预埋生物质质量与砾石质量之比为1:400～1:100，生物质平均长度2～4cm，为麦秸、稻草、玉米穗、棉花和水生植物枯叶中的一种或几种的任意组合。
土壤层8厚度为100～200mm，砾石区8、沸石区9和赤铁矿区10厚度为500～600mm，细沙层12厚度为40～60mm，碎石层13厚度为80～120mm。
水生植物15为芦苇、香蒲、菖蒲、旱伞草、美人蕉、水葱、灯芯草中的至少一种，栽种密度为15～20株/m2。
采用上述生物质潜流人工湿地处理污水厂尾水方法如下：
污水厂尾水通过进水管1进入配水渠，经穿孔花墙6进入基质系统；经卵石层7布水后，流经砾石区9、沸石区10、赤铁矿区11，完成处理后，最后再次经卵石层补水，通过集水管14进入集水渠，最后经出水管(与集水渠相连)排出系统，水力停留时间为1～3天。
如图2所示，在生物质潜流人工湿地的运行前期，当尾水流经砾石区时，砾石区中生物质较高的碳源释放(如图2中1所示)速率在驱动反硝化(如图2中2所示)的同时，将引发异化硝酸盐还原(如图2中3所示)。此外，城镇污水处理厂尾水中通常含有硫酸盐，常见浓度为50～300mg/L(以硫元素计)；因此，较高的碳源释放速率还将引发异化硫酸盐还原(如图2中4所示)。
异化硝酸盐还原(如图2中3所示)生成的氨氮在沸石区与沸石中的阳离子发生交换，而被沸石吸附(如图2中5所示)，避免了氨氮随出水排出系统。
异化硫酸盐还原生成的硫化物在赤铁矿区与三价铁发生反应而被氧化为单质硫(如图2中6所示)，并沉积在基质中；与此同时，硫化物还可与铁还原(如图2中7所示)生成的亚铁离子结合生成硫化亚铁(如图2中8所示)，同样沉积在基质中；避免了硫化物随出水排出系统。
如图3所示，在生物质潜流人工湿地的运行后期，砾石区中生物质较低的碳源释放(如图3中1所示)速率在驱动反硝化(如图3中2所示)的同时，将引发短程反硝化(如图3中3所示)。
短程反硝化生成的亚硝酸盐可在沸石区与解吸(如图3中4所示)下来的氨氮发生厌氧氨氧化(如图3中5所示)而去除，同时实现沸石的再生。
过量的硝酸盐和亚硝酸盐可在赤铁矿区以基质中的单质硫和硫化亚铁为电子供体，发生自养反硝化而去除(如图3中6所示)，并将单质硫和硫化亚铁氧化为硫酸盐和三价铁(如图3中7和图3中8分别所示)。由此避免了硝酸盐和亚硝酸盐随出水排出系统。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物质潜流人工湿地，所述生物质潜流人工湿地包括：配水渠、集水渠、水生植物，其特征在于：所述生物质潜流人工湿地还包括基质系统，所述基质系统布置在配水渠与集水渠之间且连通配水渠与集水渠，所述基质系统的上方布置种植水生植物的土壤层；所述基质系统自配水渠向集水渠方向依次布置砾石区、沸石区和赤铁矿区，所述砾石区内预埋生物质作为反硝化碳源，所述沸石区内布置沸石，所述赤铁矿区内布置赤铁矿。
2.根据权利要求1所述的生物质潜流人工湿地，其特征在于：所述配水渠包括进水管、钢筋混凝土、土工防渗膜、木质盖板、砖墙和穿孔花墙，所述钢筋混凝土作为配水渠的底部基础，所述进水管伸入至配水渠内部，所述砖墙作为配水渠的渠身，所述土工防渗膜覆盖至配水渠的非下游内侧，所述穿孔花墙作为配水渠的下游内侧渠身，所述木质盖板用于覆盖配水渠的顶部。
3.根据权利要求1所述的生物质潜流人工湿地，其特征在于：所述集水渠包括出水管、钢筋混凝土、土工防渗膜、木质盖板和砖墙，所述钢筋混凝土作为集水渠的底部基础，所述出水管由基质系统伸入至集水渠内部，所述砖墙作为集水渠的渠身，所述土工防渗膜覆盖至集水渠的内侧，所述木质盖板用于覆盖集水渠的顶部。
4.根据权利要求1所述的生物质潜流人工湿地，其特征在于：所述基质系统与配水渠、集水渠之间分别以卵石层间隔，所述基质系统内砾石区、沸石区和赤铁矿区的相邻两者之间也以卵石层间隔。
5.根据权利要求1所述的生物质潜流人工湿地，其特征在于：所述基质系统的底部自上而下依次布置细沙层和碎石层以实现对基质系统向上承托。
6.根据权利要求1所述的生物质潜流人工湿地，其特征在于：所述砾石区内预埋生物质为麦秸、稻草、玉米穗、棉花和水生植物枯叶中的一种或几种的任意组合。
7.根据权利要求1或6所述的生物质潜流人工湿地，其特征在于：所述砾石区内预埋生物质与砾石的质量比为1:400～1:100。
8.根据权利要求1所述的生物质潜流人工湿地，其特征在于：生物质平均长度为2～4cm，砾石区内砾石的粒径为20～25mm，沸石区内沸石的粒径为15～20mm，赤铁矿区内赤铁矿的粒径为10～15mm。
9.根据权利要求1所述的生物质潜流人工湿地，其特征在于：所述砾石区、沸石区和赤铁矿区的厚度为500～600mm，砾石区、沸石区和赤铁矿区下方布置的细沙层的厚度为40～60mm，细沙层下方布置的碎石层的厚度为80～120mm。
10.根据权利要求1所述的生物质潜流人工湿地在污水处理方面的应用，其特征在于：所述应用包括：
含硝酸盐的污水厂尾水进入配水渠，然后进入至基质系统，先后流经基质系统内的砾石区、沸石区、赤铁矿区，完成污水处理后，进入集水渠，最后经与集水渠相连的出水管排出该生物质潜流人工湿地，水力停留时间为1～3天；
其中：
(1)生物质潜流人工湿地运行前期：
砾石区内预埋生物质释放出有机碳源驱动反硝化，然而较高的碳源释放速率将引发异化硝酸盐还原和异化硫酸盐还原；
异化硝酸盐还原生成的氨氮在沸石区与沸石中的阳离子发生交换，而被沸石吸附，反应式如下：
Z-Na++NH4 +→Z-NH4 ++Na+ (1)
异化硫酸盐还原生成的硫化物在赤铁矿区与三价铁发生反应，以硫化亚铁和单质硫的形态沉积在基质中，反应式如下：
Fe2O3+3HS-+3H+→2FeS+S0+3H2O (2)
(2)生物质潜流人工湿地运行后期：
砾石区生物质较低的碳源释放速率将引发短程反硝化，生成的亚硝酸盐可在沸石区与解吸下来的氨氮发生厌氧氨氧化而去除，同时实现沸石再生，反应式如下：
NH4 ++1.32NO2 -+0.066HCO3 -+0.13H+→1.02N2+0.066CH1.8O0.5N0.2+0.26NO3 -+2.03H2O (3)
过量的硝酸盐可在赤铁矿区以基质中的硫化亚铁和单质硫为电子供体，发生自养反硝化而去除，同时实现赤铁矿再生，反应式如下：
FeS+1.8NO3 -+1.6H2O→Fe(OH)3+SO4 2-+0.9N2+0.2H+ (4)
Figure FDA0003220883840000031
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