CN114133106A - 一种人工湿地-等离子体耦合系统及高效废水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人工湿地‑等离子体耦合系统及高效废水处理方法，适用于氮磷和有机污染废水的深度处理技术，属于水污染控制领域。本发明适用于污水处理厂深度处理区，将污水流经等离子体放电池内，等离子体将大分子有机物矿化为小分子物质。处理后的污水经等离子体放电池出水口流入湿地表层布水管使其均匀分布到湿地系统中，小分子有机物不仅易被生物降解，还为反硝化过程提供了碳源从而提高氮磷的去除效果。本发明将放电等离子技术与人工湿地技术相结合，通过等离子体将污水中难降解的大分子有机物矿化为小分子物质，提高有机微污染物的可生化性，促进人工湿地中氮的去除，有效提升污水净化效率，同时可延缓湿地系统堵塞的发生。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种人工湿地-等离子体耦合系统及高效废水处理方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着化学工业的迅速发展以及不断累积叠加，人工合成的有机物，如合成染料、杀虫剂、有机农药、塑料制品等，在给人们的生活带来便利的同时，也在环境中逐渐累积。这些化学物质虽然在环境中检测到的含量低，但是具有难降解性和持久性，而且在人类等生物体内具有蓄积性，通过食物链进行放大和富集，对生态系统和人体健康造成严重影响。水环境作为污染物的重要归趋，近年来不断被检出含有有机微污染物，如酞酸酯类、酚类污染物、多环芳烃、抗生素、微塑料等。同时，随着我国社会经济的快速发展，污水营养元素结构发生变化，城镇生活污水逐渐呈现低碳高氮的趋势。因此，如何同步去除废水中的氮磷和有机微污染物成为目前水处理领域所要解决的问题之一。
放电等离子体技术是一种高级氧化技术，具有操作简便、处理效率高、不易产生二次污染的特点。该技术是利用放电直接在水溶液中溶液中产生等离子体，如活性自由基、离子、激发态原子和分子等，将气体中放电产生的活性粒子导入水中，与水中的有机物发生作用从而达到降解目的。此外，放电等离子体技术亦可杀死污水中的沙门氏菌、大肠杆菌等致病菌，对污水净化有一定的重要意义。
人工湿地污水处理系统具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资少、运行成本低、维护管理方便以及景观效益的优点，被广泛用于处理各种类型的废水。但是，随着有机微污染物的种类逐渐增多，毒性增强，且大分子有机微污染物的支链较长，导致人工湿地的降解效果较差。
发明内容
针对如何高效去除污水体系中的有机微污染物，本发明提供一种强化处理效果好、运行成本低、不易堵塞的人工湿地技术。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种高效人工湿地-等离子体耦合系统，包括：等离子体电解装置、人工湿地系统；所述等离子体电解装置的出水口与人工湿地系统的布水系统的进水口相连。
本发明将放电等离子体技术与人工湿地技术相结合，解决了人工湿地系统在实际运用中的问题，实现了污水中有机微污染物的高效净化。
本发明的第二个方面，提供了一种高效人工湿地-等离子体耦合系统处理废水的方法，包括：
处理污水时，使等离子体放电池保持持续通气状态，待反应器干燥后，将污水注入等离子体放电池中，调节空气流量计，打开电源，施加高压电处理；
等离子体处理后的污水引入人工湿地系统进行处理；
当等离子体放电池内的污水排尽后，注入新的污水开始新一轮处理，当达到人工湿地系统处理的水量要求后，等离子体放电池停止工作。
本发明的第三个方面，提供了任一上述的高效人工湿地-等离子体耦合系统在污水处理中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明将放电等离子体技术与人工湿地技术耦合，污水通过等离子体放电池处理后，将大分子的有机物降解为小分子物质，提高了难降解有机物的生物可利用性，强化人工湿地工艺对有机微污染物的处理效能。
(2)本发明中放电等离子体产生的活性氧化粒子，如·OH、·HO2、H2O2、O3等，可杀死污水中的大肠杆菌、病原菌等病原微生物，也可延缓人工湿地系统堵塞的发生。
(3)本发明在人工湿地系统填料层中选用新型填料，具有较强的机械强度、较大的比表面积、良好的稳定性，可强化脱氮除磷；且人工湿地系统设置曝气体系，采用间歇曝气方式，为微生物提供交替的厌氧-好氧环境，促进硝化-反硝化作用，提高氮的去除效果。
(4)本发明所提供的系统具有污水处理效果好，能量消耗低，建造、运行、维护成本低，管理简单等优点，解决了有机微污染物和低碳高氮废水脱氮除磷的问题。
(5)与现有的等离子体和人工湿地的组合系统相比，本发明通过对等离子体、人工湿地各自的结构上的独特设计，可更有效同步高效去除废水中氮磷和有机微污染物。比如：可通过调控适宜的等离子体电压和时间，将难降解有机物去除的同时，将其降解为小分子有机物，有利于为人工湿地系统强化脱氮提高碳源；人工湿地中石油焦或油页岩等填料组合，可通过碳源储存和缓慢释放进一步强化系统脱氮效率，同时，煤矸石、磁铁矿等填料可大幅提升系统的除磷效果，即：实现了等离子体、人工湿地在污水处理上协同高效配合。本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明放电等离子体技术耦合人工湿地系统的主体结构示意图。
图2为介质阻挡等离子体反应电极结构示意图。
图3为人工湿地系统结构示意图。
其中：1、电源控制箱，2、臭氧检测仪，3、数字示波器，4、低压电极，5、等离子体放电池，6、出气口，7、放电介质管，8、曝气头，9、高压电极，10、进气口，11、气体流量计，12、鼓风机，13、潜水泵，14、潜水泵引水管，15、人工湿地布水管，16、曝气引管，17、人工湿地系统，18、曝气系统，19、防渗层，20、湿地植物，21、表面基质，22、填料层，23、承托层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术所介绍的，现有的有机微污染物和低碳氮比污水处理工艺存在净化效果差，污染物去除率低，处理成本高的问题，难以满足现有有机微污染物和低碳氮比污水高效处理的需求。
为此，本发明提供了一种同步去除废水中氮磷和有机微污染物的放电等离子体耦合人工湿地系统及运行方法，所述耦合系统包括等离子体放电池、电源控制箱、臭氧检测仪、数字示波器、人工湿地系统、输水管以及流量计和鼓风机，所述池体和底部均设有防渗层。
所述等离子体放电池，其特征在于由施加电压的高压和低压电极、放电介质管及用于将放电生成的活性离子转移到水体中的曝气头组成。
高压电极由不锈钢丝、铜丝、铝丝、铁丝、铂丝等材质中的一种或多种构成，将其通过顺时针扭转为螺旋弹簧；低压电极，即接地电极，主要是指待处理溶液和插入到等离子体放电池中的低压线，材质与高压电极相同；放电介质管由普通玻璃、石英玻璃、氧化钛、云母等材质中的一种或多种构成，高压电极被放置在放电介质管内，紧贴介质管内壁，放电介质管的上端留有进气口，用于连接气体流量计和鼓风机。
一种强化有机微污染物和低碳高氮废水处理的系统，包括：等离子体放电池和人工湿地。
所述人工湿地设置有填料层；
等离子放电池处理后的污水进入人工湿地的填料层进一步处理。
其中，污水中的有机微污染物成分复杂，且分子结构较大，如果直接采用人工湿地进行处理，微生物难以降解，同时，污水中的氮污染物也不易去除，因为污水中碳源的可生化性较低，反硝化反应难以进行，致使脱氮效果差。本发明将等离子体放电池与人工湿地相结合，将污水先通入等离子体放电池处理，等离子放电池通过放电作用产生的活性氧化粒子将污水中难降解的有机微污染物分解为小分子有机物，提高有机物的生物可利用性，为人工湿地反硝化作用提供碳源，提高氮磷污染物的处理效能。
然而，仅凭等离子体放电池提供的碳源，难以支撑大量氮污染物的去除，因此，本发明还针对人工湿地进行了改进，采取新型填料作为人工湿地的填料层，并在人工湿地出水口设置了曝气系统。等离子体放电池处理后的污水进入人工湿地，能够实现有机微污染物和氮磷的高效去除。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述等离子体放电池为了能够有效分解有机微污染物，等离子体放电池设置有电源控制箱、臭氧检测仪、数字示波器、放电介质管、高压电极、低压电极、气体流量计与鼓风机，潜水泵和潜水泵引水管。
具体的，电源控制箱所用交流高压电源，放电电压范围为0-30kV，放电频率范围为50Hz-20kHz，放电时间为15-30min；
具体的，臭氧检测仪可检测在放电过程中所产生的臭氧浓度；
具体的，数字示波器配备有电压、电流探头，可随时监测在放电过程中电压、电流信号的变化情况，计算输入、输出能量；
具体的，高压电极被放置在放电介质管内并紧贴管内壁，放电介质管上端留有进气口，用于连接气体流量计和鼓风机；
具体的，低压电极即接地电极，将低压线放在待处理溶液的等离子体放电池中，避免安全隐患的发生。
具体的，等离子放电池内设有潜水泵和潜水泵引水管，可将池内污水引入人工湿地中作进一步处理。
在本发明的一个或多个实施方式中，人工湿地，自上而下依次设置有植物、表面基质、填料层和承托层；等离子体放电池处理后的污水通过布水管均匀送至人工湿地；
具体的，所述湿地植物选择芦苇、菖蒲、美人蕉、鸢尾等挺水植物中的一种或多种，交叉种植；
所述表面基质为10-20cm厚的细砂覆盖；
所述填料层为煤矸石、磁铁矿、锰铁矿、石油焦或油页岩等一种或多种，与砾石以1～3:1的质量比混合，这些材料具有较强的机械强度、较大的比表面积、良好的稳定性，可强化吸附性能；这些材料也能够释放铁、锰、硫等元素，可进行自养脱氮过程；基质材料的平均粒径为2-3cm，厚度为40-60cm；填料层能够强化脱氮除磷，去除有机污染物；
所述承托层为平均粒径4-7cm的砾石，厚度为20-30cm；
所述人工湿地出水口曝气系统中，曝气头安装在承托层之下防渗层之上。出水口曝气区采用间歇曝气方式，每天间歇曝气两小时，曝气阶段溶解氧浓度控制在2-4mg L-1，为微生物创造交替的好氧-厌氧环境，不仅能去除有机物，还能提高氮的去除效果。人工湿地系统水力停留时间为3-5天。
本发明的工作流程如下：处理污水时，先打开鼓风机使等离子体放电池保持持续通气状态，待反应器干燥后，将污水注入等离子体放电池中，调节空气流量计，打开电源，施加高压电处理。处理后的污水通过放置在等离子体放电池底部的潜水泵，经潜水泵引水管将污水引入人工湿地系统做进一步处理，其中潜水泵经潜水泵引水管与人工湿地系统的布水管相连通。当等离子体放电池内的污水排尽后，注入新的污水开始新一轮处理，当达到人工湿地系统处理的水量要求后，等离子体放电池停止工作。当等离子体放电池处理完毕后，逐渐降低放电电压，关闭交流电源，将污水全部通入人工湿地系统后，通风干燥等离子体放电池，将曝气头吹干，关闭鼓风机，以防发生危险。经等离子体放电处理后的污水，通过人工湿地布水管进入人工湿地系统内，出水口曝气区采用间歇曝气方式，每天间歇曝气两小时，曝气阶段溶解氧浓度控制在2-4mg L-1，水力停留时间为3-5天，处理达标后排放或回用。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
如图1所示，一种同步去除废水中氮磷和有机微污染物的放电等离子体耦合人工湿地系统，包括电源控制箱1、臭氧检测仪2、数字示波器3、等离子体放电池5和人工湿地系统17；所述介质阻挡等离子体反应电极高压电极9与电源控制箱1、数字示波器3相连，且介质阻挡等离子体反应电极进气口10与气体流量计11、鼓风机12相连，所述臭氧检测仪2与等离子体放电池5的出气口6相连，所述等离子体放电池5内潜水泵13与潜水泵引水管14和人工湿地布水管15相连，所述人工湿地系统17从上至下依次包括湿地植物20、表面基质21、填料层22和承托层23，所述表面基质为10-20cm厚的细砂覆盖，表面种植芦苇、菖蒲、美人蕉、鸢尾等一种或多种挺水植物，所述填料层为煤矸石、磁铁矿、锰铁矿、石油焦或油页岩等一种或多种，与砾石以1～3:1的质量比混合，平均粒径2-3cm的碎块，厚度为40-60cm，所述承托层为粒径4-7cm的砾石碎块，厚度为20-30cm。
实施例2
一种采用实施例1中的系统进行氮磷和有机微污染物污水处理的工艺：
待处理的污水进入等离子体放电池前，打开鼓风机使等离子体放电池保持持续通气状态，待反应器干燥后，将污水注入等离子体放电池中，调节空气流量计，流速设定为160L min-1，打开电源，选择交流电压24kV，施加高压电处理，处理过程中可同步监测放电过程中产生的电压、电流和臭氧浓度，处理时间为20min，然后将污水全部通入人工湿地系统后，将新的污水注入等离子体放电池，开始新一轮处理，直至达到人工湿地污水处理量，等离子体放电池停止工作，处理完毕后，逐渐降低放电电压，并关闭交流电源，通风干燥等离子体放电池，将曝气头吹干，关闭鼓风机，以防发生危险。经等离子体放电处理后的污水进入人工湿地系统内，出水口曝气区于每天0:00-1:00、12:00-13:00间歇曝气两小时，曝气阶段溶解氧浓度在2.5mg L-1左右，水力停留时间为5天，在处理达标后排放或回用。
采用该工艺处理某小型养猪场养殖污水，经检测待处理废水中磺胺甲恶挫含量为1.5mg L-1，COD含量为300mg L-1，氨氮含量为786mg L-1，总磷含量为18mg L-1。将上述待处理废水依次通过上述等离子体放电池及耦合人工湿地系统，处理后检测出水中磺胺甲恶挫含量为0.25mg L-1，COD含量为26mg L-1，氨氮含量为37mg L-1，总磷含量为2.1mg L-1，处理效果显著。
实施例3
一种采用实施例1中的系统进行氮磷和有机微污染物污水处理的工艺：
待处理的污水进入等离子体放电池前，打开鼓风机使等离子体放电池保持持续通气状态，待反应器干燥后，将污水注入等离子体放电池中，调节空气流量计，流速设定为120L min-1，打开电源，选择交流电压16kV，施加高压电处理，处理过程中可同步监测放电过程中产生的电压、电流和臭氧浓度，处理时间为15min，然后将污水全部通入人工湿地系统后，将新的污水注入等离子体放电池，开始新一轮处理，直至达到人工湿地污水处理量，等离子体放电池停止工作，处理完毕后，逐渐降低放电电压，并关闭交流电源，通风干燥等离子体放电池，将曝气头吹干，关闭鼓风机，以防发生危险。经等离子体放电处理后的污水进入人工湿地系统内，出水口曝气区于每天9:00-10:00、21:00-22:00间歇曝气两小时，曝气阶段溶解氧浓度在2.8mg L-1左右，水力停留时间为3天，在处理达标后排放或回用。
采用该工艺处理某市生活污水，经检测邻苯二甲酸酯含量为0.9mg L-1，COD含量为180mg L-1，氨氮含量为23mg L-1，总氮含量为32mg L-1，总磷含量为4mg L-1。处理后检测出水中邻苯二甲酸酯含量为0.19mg L-1，COD含量为14mg L-1，氨氮含量为1.5mg L-1，总氮含量为7.1mg L-1，总磷含量为0.56mg L-1，处理效果显著。
效果分析：实施例2中采用本发明所提供的污水处理工艺，磺胺甲恶挫去除率为83％，COD去除率为91％，氨氮去除率为95％，总磷去除率为88％；实施例3中，邻苯二甲酸酯去除率为79％，COD去除率为92％，氨氮去除率为93％，总氮去除率为78％，总磷去除率为86％；上述结果显著高于现有水平，这主要归功于放电等离子体与人工湿地技术的结合运用，以及在人工湿地内设置新型填料和间歇曝气协同作用，促进有机微污染物和氮、磷的高效去除，提高了污染物的净化效率。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高效人工湿地等离子体耦合系统，其特征在于，包括：等离子体电解装置、人工湿地系统；所述等离子体电解装置的出水口与人工湿地系统的布水系统的进水口相连。
2.如权利要求1所述的高效人工湿地等离子体耦合系统，其特征在于，所述等离子体电解装置包括：等离子体电解池、放电介质管、高压电极、低压电极；所述等离子体电解池内设置放电介质管，所述放电介质管的内壁设置有高压电极，所述等离子体电解池内、放电介质管外间隔设置有多个低压电极，所述放电介质管一端设置有进气口，一端设置有曝气头。
3.如权利要求1所述的高效人工湿地等离子体耦合系统，其特征在于，高压电极由不锈钢丝、铜丝、铝丝、铁丝、铂丝等材质中的一种或多种构成，将其通过顺时针扭转为螺旋弹簧；
或，低压电极，即接地电极，为待处理溶液和插入到等离子体放电池中的低压线，材质与高压电极相同；
或，放电介质管由普通玻璃、石英玻璃、氧化钛、云母中的一种或多种构成。
4.如权利要求1所述的高效人工湿地等离子体耦合系统，其特征在于，高压电极与交流高压电源相连，电压可调节范围为0-30kV，频率范围为50Hz-20kHz，放电时间为15-30min。
5.如权利要求1所述的高效人工湿地等离子体耦合系统，其特征在于，所述等离子体电解装置还设置有臭氧检测仪和数字示波器，优选地，数字示波器配有电压探头和电流探头。
6.如权利要求1所述的高效人工湿地等离子体耦合系统，其特征在于，所述人工湿地系统的底部由下到上设置有防渗层和承托层，所述承托层上设置有填料层，所述填料层上设置有人工湿地布水管和表面基质层，所述表面基质层上设置有湿地植物；所述防渗层和承托层之间设置有曝气系统。
7.如权利要求1所述的高效人工湿地等离子体耦合系统，其特征在于，所述填料层为煤矸石、磁铁矿、锰铁矿、石油焦或油页岩等一种或多种，与砾石混合而成，优选的，混合比例为1～3:1。
8.如权利要求1所述的高效人工湿地等离子体耦合系统，其特征在于，所述表面基质为10-20cm厚的细砂覆盖；
或，所述承托层为平均粒径4-7cm的砾石，厚度为20-30cm；
或，所述湿地植物选择挺水植物，如：芦苇、菖蒲、美人蕉、鸢尾等，选择其中一种或多种交错种植。
9.一种高效人工湿地等离子体耦合系统处理废水的方法，其特征在于，包括：
处理污水时，使等离子体放电池保持持续通气状态，待反应器干燥后，将污水注入等离子体放电池中，调节空气流量计，打开电源，施加高压电处理；
等离子体处理后的污水引入人工湿地系统进行处理；
当等离子体放电池内的污水排尽后，注入新的污水开始新一轮处理，当达到人工湿地系统处理的水量要求后，等离子体放电池停止工作。
10.权利要求1-8任一项所述的高效人工湿地等离子体耦合系统在污水处理中的应用。
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