CN114349181B - 一种非耗能增氧人工湿地系统、运行方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，具体公开一种非耗能增氧人工湿地系统、运行方法及应用，包括系统主体，系统主体内部填充有基质层，系统主体底部设有供水管，供水管进口通过蠕动泵供水，蠕动泵进口通过插入配水池内的进水管供水，所述系统主体顶部还设有出水管，所述系统主体内壁与基质层外侧之间设有多个硅胶管，所述硅胶管底部向下延伸至系统主体底部，硅胶管向上伸出系统主体顶部外侧，本发明通过借助于硅胶管的透气不透水的特性应用于人工湿地来代替传统的曝气方式，从而为系统提供氧气，是一种经济高效的提高污染物去除效率的方法。

Description

一种非耗能增氧人工湿地系统、运行方法及应用
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种非耗能增氧人工湿地系统、运行方法及应用。
背景技术
随着城市化进程的不断加速和人民生活水平日益提高，生活污水的处理问题日益凸显，人工湿地作为一种绿色且可持续发展的生物技术，具有氮磷去除率高、能耗低以及运行操作简便的优点，已被广泛应用于各种废水的处理中，传统人工湿地常出现供氧不足现象，从而进一步影响有机物和氮等污染物的去除，有限的氧气供应和输送能力是造成这一现象的主要因素之一。
近年来，人们通过连续或者间歇曝气方式能够有效地提高人工湿地中的溶解氧浓度，从而增强有机物的氧化和氨根的硝化过程，虽然增氧效果显著，但这些方法都会产生一定的能耗，加大了人工湿地的运行成本。在植物生理学研究领域，硅胶管由于能够限制水分流失，但不干扰气流交流和光合作用，从而广泛应用于抗蒸腾研究，已知硅胶管可透过土壤大气中的各种气态化合物，如CO2、O2、CH4和N2，但却很少人将其应用于人工湿地来模拟植物根系部位放氧的功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种非耗能增氧人工湿地系统、运行方法及应用，通过借助于硅胶管的透气不透水的特性应用于人工湿地来代替传统的曝气方式，从而为系统提供氧气，是一种经济高效的提高污染物去除效率的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种非耗能增氧人工湿地系统，包括系统主体，系统主体内部填充有基质层，系统主体底部设有供水管，供水管进口通过蠕动泵供水，蠕动泵进口通过插入配水池内的进水管供水，所述系统主体顶部还设有出水管，所述系统主体内壁与基质层外侧之间设有多个硅胶管，所述硅胶管底部向下延伸至系统主体底部，硅胶管向上伸出系统主体顶部外侧。
进一步的，所述硅胶管顶部伸出系统主体侧壁并通过橡皮筋将其固定于系统主体的外壁，所述硅胶管为四根，硅胶管为外1.3mm、内径0.5mm、厚度0.4mm的无色毛细管。
进一步的，所述基质层为砾石、焦炭或石油焦中的一种，所述基质的粒径3.5~6.3mm，厚度为450 mm，基质层底部设有一层砾石垫层，砾石垫层的粒径为20-40 mm。
进一步的，所述供水管和出水管上均设有阀门，系统主体为顶部开口的圆柱形有机玻璃，系统主体的高度为500 mm，直径为50 mm。
一种非耗能增氧人工湿地系统的运行方法，包括以下步骤：
（1）微生物驯化：用添加了初沉猪粪废水和糖浆的人工配水进行微生物驯化，
其中，人工配水具体组成为：NH4 +-N 40-50 mg/L，NO3 --N 10-15 mg/L，KH2PO4 10-15 mg/L，余量为水；将500-800 ml初级猪粪废水和1-2 ml 80%的糖浆加入5 L人工配水混合均匀，pH 6.5-8，将基质放入该人工配水中进行微生物驯化，每三天更换一次人工配水，驯化周期为3周，将形成成熟生物膜的基质装入系统主体即可启动；
（2）系统启动及稳定运行：系统启动及稳定运行：使用管道连接配水池、蠕动泵和阀门，启动及稳定运行期间，均采用下进上出的连续流动方式。正式启动时的配水组成：COD250-300 mg/L，NH4 +-N 15-25 mg/L，NO3 --N 25-30 mg/L，PO4 3--P 4-6 mg/L，采用逐步增加流速的启动方式：第一阶段流速为系统主体有效体积的1/6000 -1/5000 每分钟，运行8周，第二阶段将流速增大至系统主体有效体积的1/3000 -1/2000每分钟，运行8周即可稳定运行，同样采用连续流动方式，运行时水力停留时间可设定为2-4天，处理废水能力在上述污染物浓度范围内即可。
进一步的，所述步骤（1）和步骤（2）中均不需要曝气处理。
一种非耗能增氧人工湿地系统的应用，该人工湿地系统应用于生活污水、工业废水的净化或对富营养化湖泊与河流水体的治理中。
本发明具有的优点是：
1.本系统的优势是硅胶管的合理分布使系统内部形成了一个从外部到内部的“好氧-缺氧-厌氧”环境，这种供氧方式不同于动力式的曝气方式，它可使系统内部形成一个自然且渐变的O2浓度梯度，从而使好氧型的氨氧化菌在外层，厌氧型的反硝化菌在内层，兼性厌氧型的聚磷菌跨层进行污染物的去除，功能微生物合理分布在基质上运行污染物的转化与去除；
2.本系统在未外加曝气装置的情况下，即可达到较高的COD和氨氮去除效率，与之前的研究相比，同样的基质和进水浓度，在未加曝气情况下，COD去除率80-90%，NH4 +-N 的去除率30-45%；而本方法中的非耗能增氧人工湿地系统则可以在保证COD的高去除率（85-90%）的同时，大大增了NH4 +-N 的去除率，最高可达90%以上，这是由于NH4 +-N通常通过硝化细菌的硝化作用去除，而COD的降解将优先消耗系统内部的氧气，所以硝化细菌在硝化过程中是需要获得较高的氧浓度才能达到氨氮的高效去除，本发明所公开的毛细硅胶管则可作为人工植物根，依据系统内外的氧气浓度梯度差将空气扩散到系统内部，供给硝化细菌进行硝化作用，从而使系统达到较高的氨氮去除效率。
3.传统的供氧方法会抑制厌氧型的反硝化菌的生长和功能，而本方法则可有效避免这个缺点，在系统稳定时，对硝氮的去除率达到78-95%，主要由反硝化细菌Trichococcus和Sulfuricurvum的富集起到的作用，毛球菌可以从电子供体接收电子，在好氧或缺氧条件下还原硝酸盐和亚硝酸盐，由于其呼吸的多功能性，毛球菌可以在生化过程中将化学能转化为电能，如果系统中有电路，电力生产可能会得到改善；
4.该系统的运行方式有效富集了一种未被报道过的聚磷菌的生长，常见的聚磷菌有Candidatus Accumulibacter和Tetrasphaera，在本系统稳定运行且达到较高磷酸盐去除率，未检测到以上两种聚磷菌，却检测到了一种从未报道过的与之磷去除率呈显著相关的细菌Propionicicella，它的作用使系统去磷酸盐的去除率达到90%，这为污水处理厂进行生物除磷提供了又一个新菌种，聚磷菌是靠好氧吸磷、厌氧释磷进行生物除磷，“好氧”和“厌氧”环境是聚磷菌富集生长与生物除磷的必要条件，好氧区需要较多的溶解氧，以更利于聚磷菌分解储存的PHB获得能量来吸收废水中溶解性的磷酸盐合成细胞聚磷；厌氧区要保持较低的溶解氧值以利于其厌氧功发酵产酸，从而使聚磷菌更快地释磷，聚磷菌的富集生长与本申请所公开的毛细硅胶管在系统内的合理布置息息相关，硅胶管的合理布置使系统内部形成了一个从系统主体外圈到中心的“好氧-缺氧-厌氧”环境，这种供氧方式不同于动力式的曝气方式，它可使系统内部形成明显的O2浓度梯度，给聚磷菌营造了一个适宜的“好氧”和“厌氧”环境，而且，本发明对废水的pH的限定也有利于聚磷菌的生长。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是硅胶管的横截面剖视图。
图3是本发明中硅胶管工作原理图。
具体实施方式
实施例1
如图所示，一种非耗能增氧人工湿地系统，包括系统主体9，系统主体9为顶部开口的圆柱形有机玻璃，系统主体9的高度为500 mm，直径为50 mm，系统主体9内部填充有基质层5，系统主体底部设有供水管，供水管上设有供水阀4，供水管进口通过蠕动泵3供水，蠕动泵3进口通过插入配水池内的进水管2供水，所述系统主体9顶部还设有出水管8，出水管上设有出水阀7，所述系统主体9内壁与基质层5外侧之间设有多个硅胶管6，所述硅胶管6底部向下延伸至系统主体底部，硅胶管6向上伸出系统主体顶部外侧并通过绳子牵引固定，所述硅胶管为四根，硅胶管为外1.3mm、内径0.5mm、厚度0.4mm的无色毛细管；所述基质层为石油焦，所述基质的粒径3.5~6.3 mm，厚度为450 mm，基质层底部设有一层砾石垫层，砾石垫层的粒径为20-40 mm。
一种非耗能增氧人工湿地系统的运行方法，包括以下步骤：
（1）微生物驯化：用添加了初沉猪粪废水和糖浆的人工配水进行微生物驯化，
其中，人工配水具体组成为：NH4 +-N 40-50mg/L,NO3—N 10-15mg/L,KH2PO4 10-15mg/L，余量为水；将500-800ml初级猪粪废水和1-2ml 80%的糖浆加入5L人工配水混合均匀，将基质放入加了初沉猪粪废水和糖浆的人工配水中进行微生物驯化，每三天更换一次人工配水，驯化周期为3周，将形成成熟生物膜的基质装入系统主体即可启动，整个过程不需要曝气；
（2）系统启动及稳定运行：使用管道连接配水池、蠕动泵和阀门，运行期间，采用下进上出的连续流动方式，正式启动时的配水组成：COD 250-300 mg/L，NH4 +-N 15-25mg/L，NO3—N 25-30mg/L,，PO4 3--P 4-6mg/L，采用逐步增加流速的连续流动启动方式，第一阶段流速为系统主体有效体积的1/6000 -1/5000每分钟，运行8周，第二阶段将流速增大至系统主体有效体积的1/3000 -1/2000每分钟，运行8周即可，经过逐步启动阶段，系统即可稳定运行，同样采用连续流动方式，运行时水力停留时间可设定为2-4天，处理废水能力在上述污染物浓度范围内即可，整个过程不需要曝气。
根据以上运行方法，当进水COD (269-283 mg/L)、NH4 +-N (17.7-23.8 mg/L)、NO3 --N (24.8-28.4 mg/L)、PO4 3--P (4.02-5.18 mg/L)，水力停留时间为4天时，COD去除率为86%，氨氮去除率为75%，硝氮去除率为95%，总氮去除率为81%。
一种非耗能增氧人工湿地系统的应用，该人工湿地系统应用于生活污水、工业废水的净化或对富营养化湖泊与河流水体的治理中。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于：以砾石为基质，当进水COD (269-283 mg/L)、NH4 +-N (17.7-23.8 mg/L)、NO3 --N (24.8-28.4 mg/L)、PO4 3--P (4.02-5.18 mg/L)，水力停留时间为4天时，COD去除率为82%，NH4 +-N去除率为93%，总氮去除率为83%，PO4 3--P去除率为61%；水力停留时间为2天时，COD去除率为94%，NH4 +-N去除率为90%，总氮去除率为78%，PO4 3--P去除率为20%。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于：以焦炭为基质，当进水COD (269-283 mg/L)、NH4 +-N (17.7-23.8 mg/L)、NO3 --N (24.8-28.4 mg/L)、PO4 3--P (4.02-5.18 mg/L)，水力停留时间为4天时，COD去除率为90%，NH4 +-N去除率为84%，总氮去除率为83%，PO4 3--P去除率为96%；水力停留时间为2天时，COD去除率为92%，NH4 +-N去除率为85%，总氮去除率为81%，PO4 3--P去除率为92%。

Claims (4)

1.一种非耗能增氧人工湿地系统的运行方法，包括系统主体，系统主体内部填充有基质层，系统主体底部设有供水管，供水管进口通过蠕动泵供水，蠕动泵进口通过插入配水池内的进水管供水，所述系统主体顶部还设有出水管，其特征在于：所述系统主体内壁与基质层外侧之间设有多个硅胶管，所述硅胶管底部向下延伸至系统主体底部，硅胶管向上伸出系统主体顶部外侧，所述硅胶管顶部伸出系统主体侧壁并通过橡皮筋将其固定于系统主体的外壁，所述硅胶管为四根，硅胶管为外1.3mm、内径0.5mm、厚度0.4mm的无色毛细管；其特征在于：运行方法包括以下步骤：
（1）微生物驯化：用添加了初沉猪粪废水和糖浆的人工配水进行微生物驯化，
其中，每升人工配水具体组成为：NH4 +-N 40-50 mg/L，NO3 --N 10-15 mg/L，KH2PO4 10-15 mg/L，余量为水；将500-800 ml初级猪粪废水和1-2 ml 80%的糖浆加入5 L人工配水混合均匀，pH 6.5-8，将基质放入该人工配水中进行微生物驯化，每三天更换一次人工配水，驯化周期为3周，将形成成熟生物膜的基质装入系统主体即可启动；
系统启动及稳定运行：使用管道连接配水池、蠕动泵和阀门，启动及稳定运行期间，均采用下进上出的连续流动方式，正式启动时的配水组成：COD 250-300 mg/L，NH4 +-N 15-25mg/L，NO3 --N 25-30 mg/L，PO4 3--P 4-6 mg/L，采用逐步增加流速的启动方式：第一阶段流速为系统主体有效体积的1/6000 -1/5000 每分钟，运行8周，第二阶段将流速增大至系统主体有效体积的1/3000 -1/2000每分钟，运行8周即可稳定运行，采用连续流动方式，运行时水力停留时间设定为2-4天，处理废水能力在上述污染物浓度范围内即可；
所述步骤（1）和步骤（2）中均不需要曝气处理。
2.如权利要求1所述的非耗能增氧人工湿地系统的运行方法，其特征在于：所述基质层为砾石、焦炭或石油焦中的一种，所述基质的粒径3.5~6.3 mm，厚度为450 mm，基质层底部设有一层砾石垫层，砾石垫层的粒径为20-40 mm。
3.如权利要求2所述的非耗能增氧人工湿地系统的运行方法，其特征在于：所述供水管和出水管上均设有阀门，系统主体为顶部开口的圆柱形有机玻璃，系统主体的高度为500mm，直径为50 mm。
4.如权利要求1所述的非耗能增氧人工湿地系统的运行方法，其特征在于：该人工湿地系统应用于生活污水、工业废水的净化或对富营养化湖泊与河流水体的治理中。
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