CN113943057A - 一种潜流人工湿地系统及离子型稀土矿区氨氮污水的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污水处理技术领域，提供了一种潜流人工湿地系统及离子型稀土矿区氨氮污水的处理方法。本发明的潜流人工湿地系统的潜流人工湿地池的内腔填充有基质层，和生长于所述基质层的湿地植物；所述基质层自下至上依次包括第一基质层、第二基质层和第三基质层；所述第一基质层的材质包括砾石；所述第二基质层的材质包括生物炭；所述第三基质层的材质包括沸石或火山岩。本发明利用生物炭的大比表面积、高有机质含量高和高孔隙率，提高了潜流人工湿地系统中的溶解氧含量；同时，为微生物提供更多附着点、为异养微生物提供碳源，提高了潜流人工湿地系统基质中产碱杆菌属和硝酸菌属的比例，进而提高了潜流人工湿地系统脱氮效率。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种潜流人工湿地系统及离子型稀土矿区氨氮污水的处理方法。
背景技术
离子型稀土矿区氨氮污水氨氮浓度常年在120mg/L～300mg/L，严重超标，对离子型稀土矿区氨氮污水治理迫在眉睫。离子型稀土矿区氨氮污水的传统治理方法主要包括吹脱法、沸石吸附法、化学沉淀法、折点氯化法以及膜吸收法。但是，上述方法普遍存在运行成本高、难以达到排放标准并可能存在二次污染的问题。
人工湿地作为一种低成本、生态化的治理技术，现已被广泛应用于污废水的脱氮治理。人工湿地中氮素的去除主要依靠微生物的硝化-反硝化作用。在传统的潜流人工湿地中，因氧气扩散过低，导致溶解氧长期处于较低水平，从而限制了微生物的增长及硝化反应的发生；而且，离子型稀土矿区氨氮污水中有机质COD含量低(30～50mg/L)，限制了微生物的生长；上述因素的存在，使得潜流人工湿地对离子型稀土矿区氨氮污水中氮素去除效率低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种潜流人工湿地系统及离子型稀土矿区氨氮污水处理方法。本发明提供的潜流人工湿地系统具有优异的氮素去除效率。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种潜流人工湿地系统，包括潜流人工湿地池、进水管道和出水管道；
所述潜流人工湿地池的内腔填充有基质层，和生长于所述基质层的湿地植物；
所述基质层自下至上依次包括第一基质层、第二基质层和第三基质层；
所述第一基质层的材质包括砾石；
所述第二基质层的材质包括生物炭；
所述第三基质层的材质包括沸石或火山岩。
优选地，所述生物炭的粒径≤2mm；所述生物炭为生物质原料在缺氧条件下热解制成；所述生物质原料包括水稻秸秆和/或玉米秸秆；所述热解的温度为300～500℃。
优选地，所述湿地植物包括狐尾藻；所述湿地植物的种植密度为4～8株/m2。
优选地，所述砾石的粒径为4～8mm。
优选地，所述沸石或火山岩的粒径独立地为8～15mm。
优选地，所述基质层中，第一基质层的体积含量为10～25％，第二基质层的体积含量为10～25％，第三基质层的体积含量为50～80％。
优选地，所述潜流人工湿地池包括水平潜流人工湿地池或垂直潜流人工湿地池。
本发明还提供了一种离子型稀土矿区氨氮污水的处理方法，包括以下步骤：
将离子型稀土矿区氨氮污水和复合菌剂混合，得到含菌剂污水；
将所述含菌剂污水进入人工湿地系统，进行氮素去除；
所述人工湿地系统为上述技术方案所述的潜流人工湿地系统。
优选地，所述含菌剂污水中复合菌剂的浓度为1～3g/L；所述复合菌剂包括硝化菌和反硝化菌。
优选地，所述含菌剂污水在人工湿地系统中的水力停留时间为10～24h。
本发明提供了一种潜流人工湿地系统，包括潜流人工湿地池、进水管道和出水管道；所述潜流人工湿地池的内腔填充有基质层，和生长于所述基质层的湿地植物；所述基质层自下至上依次包括第一基质层、第二基质层和第三基质层；所述第一基质层的材质包括砾石；所述第二基质层的材质包括生物炭；所述第三基质层的材质包括沸石或火山岩。在本发明中，生物炭的高孔隙率，为微生物的硝化过程提供更多的溶解氧；而且，生物炭含有有机碳，其释放的易分解的有机碳为反硝化菌提供碳源；另外，生物炭的大比表面积和高孔隙率，可提供更多的微生物附着点；即生物炭的大比表面积、高有机质含量和高孔隙率，为微生物提供更多附着点、为异养微生物提供碳源、同时也可提高湿地系统中的溶解氧含量，进而提高潜流人工湿地系统基质层中产碱杆菌属和硝酸菌属的比例，提高了潜流人工湿地系统的脱氮效率。此外，生物炭的使用降低了温度对潜流人工湿地系统脱氮效果的影响，进而提高潜流人工湿地系统的稳定性。第三基质层的沸石或火山岩的大比表面积也为微生物提供更多附着点位；同时，沸石或火山岩的孔隙率高的特点也可起到吸附污染物的作用。综上，本发明提供的潜流人工湿地系统具有优异的氮素脱除效果。
进一步地，狐尾藻发达的根系能够吸收污水中的氨氮并加以利用；同时其丰富的根系分泌物，可促使根系形成复杂的根系微生物群落结构，能进一步提高潜流人工湿地系统对污水中氨氮的去除效率。另外，狐尾藻对恶劣天气和温度变化的耐受性好，可提高潜流人工湿地系统的稳定性。
本发明还提供了一种离子型稀土矿区氨氮污水的处理方法，包括以下步骤：将离子型稀土矿区氨氮污水和复合菌剂混合，得到含菌剂污水；将所述含菌剂污水通过进水管道进入人工湿地系统，进行氮素去除；所述人工湿地系统为上述技术方案所述的潜流人工湿地系统。由于本发明提供的潜流人工湿地系统能够提高产碱杆菌属和硝酸菌属的比例，进而提高了离子型稀土矿区氨氮污水中氮素的去除率。
附图说明
图1为由垂直潜流人工湿地池构成的潜流人工湿地系统示意图；
图2为由水平潜流人工湿地池构成的潜流人工湿地系统示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种潜流人工湿地系统，包括潜流人工湿地池、进水管道和出水管道；
所述潜流人工湿地池的内腔填充有基质层，和生长于所述基质层的湿地植物；
所述基质层自下至上依次包括第一基质层、第二基质层和第三基质层；
所述第一基质层的材质包括砾石；
所述第二基质层的材质包括生物炭；
所述第三基质层的材质包括沸石或火山岩。
在本发明中，如无特殊说明，本发明所用原料均优选为市售产品。
本发明提供的潜流人工湿地系统包括潜流人工湿地池。在本发明中，所述潜流人工湿地池的内腔填充有基质层。在本发明中，所述基质层自下至上依次包括第一基质层、第二基质层和第三基质层。
在本发明中，所述第一基质层的材质包括砾石；所述砾石的粒径优选为4～8mm。在本发明中，所述基质层中，第一基质层的体积含量优选为10～25％。在本发明中，砾石能够流通水体，防治堵塞。
在本发明中，所述第二基质层的材质包括生物炭；所述生物炭的粒径优选≤2mm。在本发明中，所述生物炭优选为生物质原料在缺氧的条件下热解制成。在本发明中，所述生物质原料优选包括水稻秸秆或玉米秸秆，优选为水稻秸秆。在本发明中，所述热解的温度优选为300～500℃，进一步优选为400℃；由室温升温至所述热解的温度的速率优选为20℃/min；所述热解的时间优选为1h；所述热解后，本发明优选还包括将所得热解产物研磨后过2mm筛。在本发明中，所述基质层中，第二基质层的体积含量优选为10～25％。在本发明中，所述第二基质层和第一基质层之间优选铺设透水纱布。在本发明中，所述透水纱布的铺设能够表面第二基质层中的生物炭渗透到第一基质层。在本发明中，生物炭的大比表面积、高有机质含量和高孔隙率，为微生物提供更多附着点、为异养微生物提供碳源、同时也可提高湿地系统中的溶解氧含量，进而提高潜流人工湿地系统基质层中产碱杆菌属和硝酸菌属的比例，提高了潜流人工湿地系统的脱氮效率。此外，生物炭的加入可减少温度对潜流人工湿地系统脱氮效果的影响，提高潜流人工湿地系统的稳定性。
在本发明中，所述第三基质层的材质包括沸石或火山岩，优选为沸石。在本发明中，所述沸石或火山岩的粒径优选为8～15mm。在本发明中，所述基质层中，第三基质层的体积含量优选为50～80％。在本发明中，沸石或火山岩的大表面积为微生物提供更多附着点位；同时，沸石或火山岩的高孔隙率能够吸附污染物。
本发明提供的潜流人工湿地系统中的潜流人工湿地池包括生长于所述基质层的湿地植物。在本发明中，所述湿地植物优选包括狐尾藻。在本发明中，所述湿地植物的种植密度优选为4～8株/m2。在本发明中，狐尾藻发达的根系能够吸收污水中的氨氮并加以利用；同时其丰富的根系分泌物，可促使根系形成复杂的根系微生物群落结构，能进一步提高潜流人工湿地系统对污水中氨氮的去除效率。另外，狐尾藻对恶劣天气和温度变化的耐受性好，提高了潜流人工湿地系统的稳定性。
本发明提供的潜流人工湿地系统包括进水管道。本发明提供的潜流人工湿地系统包括出水管道。在本发明中，所述出水管道上优选设置有出水调节阀。本发明对所述进水管道或出水管道的材质不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的进水管道或出水管道材质即可。
在本发明中，所述潜流人工湿地池包括水平潜流人工湿地池或垂直潜流人工湿地池。在本发明中，所述水平潜流人工湿地池或垂直潜流人工湿地池通过进水管道和出水管道的相对位置进行区分。在本发明中，当所述进水管道和出水管道水平设置，且均设置于第三基质层时，所述潜流人工湿地池为水平潜流人工湿地池。在本发明中，当所述进水管道设置于第三基质层，所述出水管道设置于第一基质层时，所述潜流人工湿地池为垂直潜流人工湿地。
图1为由垂直潜流人工湿地池构成的潜流人工湿地系统示意图。
图2为由水平潜流人工湿地池构成的潜流人工湿地系统示意图。
本发明还提供了一种离子型稀土矿区氨氮污水的处理方法，包括以下步骤：
将离子型稀土矿区氨氮污水和复合菌剂混合，得到含菌剂污水；
将所述含菌剂污水进入人工湿地系统，进行氮素去除；
所述人工湿地系统为上述技术方案所述的潜流人工湿地系统。
本发明将离子型稀土矿区氨氮污水和复合菌剂混合，得到含菌剂污水。
在本发明中，所述离子型稀土矿区氨氮污水中氨氮含量优选为120mg/L～300mg/L，COD含量优选为30mg/L～50mg/L。
在本发明中，所述复合菌剂优选包括硝化菌和反硝化菌。在本发明中，所述含菌剂污水中复合菌剂的浓度优选为1～3g/L。
得到含菌剂污水后，本发明将所述含菌剂污水进入人工湿地系统，进行氮素去除。
在本发明中，所述人工湿地系统为上述技术方案所述的潜流人工湿地系统。
在本发明中，所述含菌剂污水在人工湿地系统中的水力停留时间优选为10～24h，进一步优选为10～15h。
下面结合实施例对本发明提供的潜流人工湿地系统及离子型稀土矿区氨氮污水的处理方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
某离子型稀土矿区污染水体水质参数指标见表1。
表1某离子型稀土矿区污染水体水质参数指标检测结果
参照某离子型稀土矿区污染水体水质参数指标检测结果，在实验室内模拟矿区污染水体进行实验。
生物炭的制备：将洗净风干粉碎过5mm筛后的水稻秸秆放于坩埚中，在向气氛炉中通入N220 min后，再以20℃/min升至400℃，于设定温度下热解1h后冷却至室温，冷却过程继续通N2，待样品冷却后研磨过2mm筛后密封保存备用。
按照图1的示意图构建4套潜流人工湿地系统：每套系统均由配水水箱、蠕动泵、潜流人工湿地池模拟装置三部分组成。潜流人工湿地池模拟装置的长*宽*高尺寸为60*30*100cm，材质为PVC板。
离子型稀土矿区污染水体模拟污水的配置：模拟污水采用人工配水的方式，使用C6H12O6、NH4Cl为主要营养物质。通过厂区自来水进行配置，模拟污水中COD和NH4 +-N的浓度分别为35mg/L和230mg/L。模拟污水配好后，测的污水中的COD和NH4 +-N浓度分别为32.36mg/L和223.97mg/L。
实施例1
步骤1、系统启动前，在模拟污水中投加高效脱氮复合微生物菌剂(硝化菌和反硝化菌混合菌剂)，得到复合微生物菌剂浓度为1g/L的含菌剂污水；
步骤2、潜流人工湿地池模拟装置的内腔填充基质层，所述基质层的装填高度为90cm；所述基质层由下之上依次为第一基质层、第二基质层和第三基质层；其中，第一基质层的材质为粒径为4～8mm的砾石，装填高度为15cm；所述第二基质层的材质为粒径≤2mm的生物炭，装填高度为15cm；所述第三基质层的材质为粒径为8～15mm的沸石，装填高度为60cm；第一基质层和第二基质层之间铺设一层透水纱布；在所述第三基质层表面种植4株湿地植物狐尾藻；
步骤3、通过蠕动泵将含菌剂污水通过进水管道进入潜流人工湿地系统中，浸没基质层，含菌剂污水在潜流人工湿地池中的水力停留时间维持在12h，系统启动的前五天含菌剂污水全部回流；五天后开始往潜流人工湿地池中通入模拟离子型矿区污水；同时在配水箱中进行24h不间断曝气，使进水中的溶解氧维持在5mg/L左右；
步骤4、湿地系统启动5天后每隔3天对水样进行COD、总氮、氨氮、硝态氮等含量的检测；连续运行70天，系统运行35天后水质各项指标波动不大，系统运行成功。第44天、第47天、第50天各项检测指标的平均数如表2所示。
对比例1
与实施例1的区别为：将狐尾藻替换为美人蕉。
对比例2
与实施例1的区别为：潜流人工湿地池模拟装置的内腔填充基质层，所述基质层的装填高度为90cm；所述基质层由下之上依次为第一基质层和第二基质层；所述第一基质层的材质为粒径为4～8mm的砾石，装填高度为15cm；所述第二基质层的材质为粒径为8～15mm的沸石，装填高度为75cm；然后在所述第二基质层表面种植4株湿地植物狐尾藻。
对比例3
与对比例2的区别为：将湿地植物狐尾藻替换为美人蕉。
表2各项指标检测结果(第44天、第47天、第50天平均值)
从表2可以看出：生物炭的添加可以促进反硝化过程的进行，从而减少NO3-N的累积，同时水生植物狐尾藻的种植也可提高氨氮的去除效果。较传统人工湿地相比，本发明可强化人工湿地脱氮效率，提高总氮的去除率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种潜流人工湿地系统，其特征在于，包括潜流人工湿地池、进水管道和出水管道；
所述潜流人工湿地池的内腔填充有基质层，和生长于所述基质层的湿地植物；
所述基质层自下至上依次包括第一基质层、第二基质层和第三基质层；
所述第一基质层的材质包括砾石；
所述第二基质层的材质包括生物炭；
所述第三基质层的材质包括沸石或火山岩。
2.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述生物炭的粒径≤2mm；所述生物炭为生物质原料在缺氧条件下热解制成；所述生物质原料包括水稻秸秆和/或玉米秸秆；所述热解的温度为300～500℃。
3.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述湿地植物包括狐尾藻；所述湿地植物的种植密度为4～8株/m2。
4.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述砾石的粒径为4～8mm。
5.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述沸石或火山岩的粒径独立地为8～15mm。
6.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述基质层中，第一基质层的体积含量为10～25％，第二基质层的体积含量为10～25％，第三基质层的体积含量为50～80％。
7.根据权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述潜流人工湿地池包括水平潜流人工湿地池或垂直潜流人工湿地池。
8.一种离子型稀土矿区氨氮污水的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
将离子型稀土矿区氨氮污水和复合菌剂混合，得到含菌剂污水；
将所述含菌剂污水进入人工湿地系统，进行氮素去除；
所述人工湿地系统为权利要求1～7任一项所述的潜流人工湿地系统。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于，所述含菌剂污水中复合菌剂的浓度为1～3g/L；所述复合菌剂包括硝化菌和反硝化菌。
10.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于，所述含菌剂污水在人工湿地系统中的水力停留时间为10～24h。
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