CN117263388A - 一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统。本发明中，根据不同基质的粒径和功能，配合折流式人工湿地好氧‑缺氧‑厌氧区域，对砾石、沸石、石灰石和污泥生物炭基质进行合理的分区分层组合，通过好氧区中沸石基质的吸附作用及硝化菌的降解作用来去除氨氮；通过缺氧区和厌氧区中石灰石和污泥生物炭可为反硝化菌提供有机/无机碳源的能力，配合反硝化菌的降解作用达到脱氮效果；通过污泥生物炭的孔隙结构、矿物质和表面官能团的吸附、离子交换、沉淀和络合等作用来强化氮磷的去除；四种基质协同作用，通过自身的吸附净化作用及其在人工湿地中形成的生物膜结构，最大程度地提高了人工湿地的脱氮除磷效果。
Description
技术领域
本发明属于生活污水处理技术领域，具体为一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统。
背景技术
人工湿地是在自然湿地的基础上开发的工程生态系统，传统人工湿地主要由基质、微生物和水生植物组成，通过物理、化学和生物三者协同作用来去除污水中污染物质，具有成本低、效率高、生态安全等优点。在分散污水、农村生活污水和城市尾水等方面有一定的处理能力，但传统人工湿地及其组合很难实现污染物的高效去除。
目前，人工湿地污水处理系统按结构不同主要有表面流、水平潜流、垂直流人工湿地。其中，垂直流人工湿地是目前应用最广的湿地处理系统。在此系统中，污水从人工湿地表面垂直流过基质床底部或从底部垂直向上流向表面，利用填料本身的吸附能力及其表面的生物膜使污水得以净化。但在运行过程中，垂直流人工湿地存在硝化效果差、有机物去除效率低等缺点，从而限制了其进一步推广应用。
但是现有人工湿地系统有如下缺点：
1.人工湿地的溶解氧含量较低，使硝化细菌生长繁殖受到限制，从而导致其对氨氮的降解效果差；
2.人工湿地主要依靠负载于基质表面微生物的降解作用以及基质本身的吸附作用来净化污水的有机物和氮磷等污染物。常用的基质分为沸石、石灰石等天然基质和生物陶粒等人造基质但天然基质孔隙结构少、比表面积小，对微生物和污染物的吸附量较少，导致净化污水的能力有限，污水中氮、磷及COD的去除效果较差，人造基质具有较高的孔隙度和吸附能力，但成本较高，推广受限。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统。
本发明采用的技术方案如下：一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统，所述低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统包括：好氧区、缺氧区和厌氧区的折流式人工湿地，采用砾石基质、沸石基质、石灰石基质以及体积配比为1:1的污泥生物炭与石灰石组合基质形成湿地组合基质系统；
所述沸石基质填充于好氧区，利用沸石对氨氮、磷良好的吸附能力，结合微生物好氧硝化和聚磷菌好氧吸磷作用来去除氮磷；将石灰石基质及污泥生物炭与石灰石组合基质填充于缺氧区及厌氧区，利用石灰石和污泥生物炭缓释有机碳源的能力，为反硝细菌提供碳源，强化脱氮效果，并通过污泥生物炭的孔隙结构、矿物质和表面官能团的吸附、离子交换、沉淀和络合等作用来强化氮磷的去除。
在一优选的实施方式中，所述折流式人工湿地通过两个折流板将传统垂直流人工湿地分为三个区域，最前端区域池体底部加入曝气盘，使其形成好氧区，中间区域和最末端区域依次为缺氧区和厌氧区。
在一优选的实施方式中，所述组合基质由砾石、沸石、石灰石和污泥生物炭组成，所述好氧区在填料柱底部填充粒径20-40mm的砾石基质，在砾石基质上填充8-16mm的沸石基质，在沸石基质上再填充3-5mm的沸石基质。
在一优选的实施方式中，所述缺氧区和厌氧区在填料柱底部填充粒径20-40mm的砾石基质，在砾石基质上填充6-13mm的石灰石基质，在石灰石基质上再粒径3-5mm，体积比为1:1的污泥生物炭和石灰石混合基质。在所述的好氧区砾石层底部安装进水管；在所述的厌氧区污泥生物炭和石灰石组合基质层顶部安装出水管。
在一优选的实施方式中，所述污泥生物炭选择生活污水处理厂的二沉池剩余污泥制备而成，来源广泛，价格低廉，将用其制备的污泥生物炭再次用于污水处理中，可起到以废治废的目的。
在一优选的实施方式中，所述污泥生物炭的制备方法包括：污泥经自然风干后，在80℃条件下烘干6h，干化后磨碎至5-10mm，在500℃的炭化炉中炭化3h，炭化炉升温速率为15℃·min-1，筛分获得3-5mm粒径、含水率小于5％的污泥生物炭。
在一优选的实施方式中，所述污泥生物炭的孔隙结构可为厌氧菌提供丰富的缺氧-厌氧环境，增加湿地中微生物群落的多样性；其次，污泥生物炭的较大比表面积及多孔结构可增对污染物的吸附作用，丰富的矿物质和官能团也可以与污染物发生离子交换、沉淀及络合作用。
在一优选的实施方式中，所述污泥生物炭可以缓释有机碳源来弥补湿地反硝化过程中碳源不足等问题，为反硝化菌的生长提供能量，促进反硝化脱氮过程的进行。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，采用的组合基质为天然基质和污泥废弃物制备获得，具有来源广泛、价格低廉，无二次污染等优势，并起到以废治废的作用。
2、本发明中，将折流式人工湿地通过折流板，结合间歇性曝气方式将人工湿地分为好氧-缺氧-厌氧三个区域，可提高湿地脱氮效果，节约能耗、减少投资，有效解决传统湿地溶解氧不足、氨氮去除效果差以及曝气湿地能耗高、投资大等问题。
3、本发明中，根据不同基质的粒径和功能，配合折流式人工湿地好氧-缺氧-厌氧区域，对砾石、沸石、石灰石和污泥生物炭基质进行合理的分区分层组合，通过好氧区中沸石基质对氨氮的吸附作用及硝化菌对氨氮的降解来去除氨氮；通过缺氧区和厌氧区中石灰石和污泥生物炭为反硝化菌提供有机碳源，达到脱氮效果；通过污泥生物炭的孔隙结构、矿物质和表面官能团的吸附、离子交换、沉淀和络合等作用来强化氮磷的去除；四种基质协同作用，通过自身的吸附净化作用及其在人工湿地中形成的生物膜结构，最大程度地提高了人工湿地的脱氮除磷效果。
附图说明
图1为本发明的人工湿地组合基质系统的结构示意图；
图2为本发明中对实际生活污水TP、的去除效果图；
图3为本发明中对实际生活污水TN的去除效果图；
图4为本发明中对实际生活污水氨氮的去除效果图；
图5为本发明中对实际生活污水COD的去除效果图。
图中标记：1-进水口；2-砾石层；3-8～16mm沸石层；4-6～13mm石灰石层；5-3～5mm体积配比为1:1的污泥生物炭与石灰石组合基质层；6-3～5mm沸石层；7-好氧区；8-缺氧区；9-厌氧区；10-折流板；11-曝气盘；12-折流式人工湿地池体；13-出水口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-5，
实施例:
一种低成本-高效脱氮除磷折流式人工湿地组合基质系统，适用于处理农村生活污水。通过折流板结合间歇性曝气方式将垂直流湿地分为具有好氧区、缺氧区和厌氧区的折流式人工湿地，采用砾石基质、沸石基质、石灰石基质以及体积配比为1:1的污泥生物炭与石灰石组合基质形成湿地组合基质系统。该组合基质系统价格低廉、来源广泛、能充分利用废弃物资源、实用性强。根据不同基质的粒径和功能不同，对各基质进行合理的分区分层填充。将沸石基质填充于好氧区，利用沸石对氨氮、磷良好的吸附能力，结合微生物好氧硝化和聚磷菌好氧吸磷作用来去除氮磷；将石灰石基质及污泥生物炭与石灰石组合基质填充于缺氧区及厌氧区，利用石灰石和污泥生物炭缓释有机碳源的能力，为反硝细菌提供碳源，强化脱氮效果，并通过污泥生物炭的孔隙结构、矿物质和表面官能团的吸附、离子交换、沉淀和络合等作用来强化氮磷的去除；四种基质协同作用，再结合间歇性曝气折流式人工湿地的好氧-缺氧-厌氧的交替环境，使湿地中好氧和厌氧微生物群落生物膜迅速形成。通过自身的吸附净化作用及其在人工湿地中形成的生物膜结构，最大程度地提高了人工湿地的脱氮除磷效果。
所述的折流式人工湿地通过两个折流板将传统垂直流人工湿地分为三个区域，最前端区域池体底部加入曝气盘，使其形成好氧区，中间区域和最末端区域依次为缺氧区和厌氧区。
所述的组合基质由砾石、沸石、石灰石和污泥生物炭组成，所述好氧区在填料柱底部填充粒径20-40mm的砾石基质，在砾石基质上填充8-16mm的沸石基质，在沸石基质上再填充3-5mm的沸石基质；所述缺氧区和厌氧区在填料柱底部填充粒径20-40mm的砾石基质，在砾石基质上填充6-13mm的石灰石基质，在石灰石基质上再粒径3-5mm，体积比为1:1的污泥生物炭和石灰石混合基质。在所述的好氧区砾石层底部安装进水管；在所述的厌氧区污泥生物炭和石灰石组合基质层顶部安装出水管。
优选地，所述的污泥生物炭选择生活污水处理厂的二沉池剩余污泥制备而成，来源广泛，价格低廉，将用其制备的污泥生物炭再次用于污水处理中，可起到以废治废的目的；污泥经自然风干后，在80℃条件下烘干6h，干化后磨碎至5-10mm，在500℃的炭化炉中炭化3h，炭化炉升温速率为15℃·min-1，筛分获得3-5mm粒径、含水率小于5％的污泥生物炭；获得的污泥生物炭具有比表面积大、孔隙结构发达、矿物质含量和表面官能团种类丰富等优势，能充分的吸附污水中氮、磷和有机物等污染物质。首先，污泥生物炭的孔隙结构可为厌氧菌提供丰富的缺氧-厌氧环境，增加湿地中微生物群落的多样性；其次，污泥生物炭的较大比表面积及多孔结构可增对污染物的吸附作用，丰富的矿物质和官能团也可以与污染物发生离子交换、沉淀及络合作用；最后，污泥生物炭可以缓释有机碳源来弥补湿地反硝化过程中碳源不足等问题，为反硝化菌的生长提供能量，促进反硝化脱氮过程的进行。
本发明的工作原理为：
折流式人工湿地最底层为砾石层，主要起承托支撑作用，污水从好氧区的底部砾石基质层流入，由下向上流经好氧区沸石基质，在曝气条件下，污水与基质上好氧微生物充分接触，通过硝化菌的硝化作用将污水中氨氮转化成硝酸盐氮，聚磷菌的好氧吸磷作用除磷，并配合沸石基质较大的比表面积大、发达的孔隙结构、较强的吸附和离子交换能力来吸附氮磷，从而在好氧区实现氨氮和磷的去除；之后依次流经缺氧区和厌氧区中体积比1:1的石灰石基质和污泥生物炭混合基质和石灰石基质，缺氧区和厌氧区中微生物利用污水中有机物及污泥生物炭和石灰石基质释放的有机碳源，为湿地补充微生物生长所需的碳源，并通过反硝化作用将好氧区产生的硝酸盐氮转化成氮气，从而降低TN含量，实现脱氮。而聚磷菌在缺氧区和厌氧区释放的磷，可通过混合基质层中污泥生物炭表面较大的比表面积、发达的孔隙结构及丰富的矿物质和官能团与磷酸盐发生吸附、离子交换、沉淀和络合作用，从实现磷的去除。最终净化后的污水从厌氧区上方出水口排出。
本发明具有如下优点：
1.本发明采用的组合基质为天然基质和污泥废弃物制备获得，具有来源广泛、价格低廉，无二次污染等优势，并起到以废治废的作用。
2.本发明将折流式人工湿地通过折流板，结合间歇性曝气方式将人工湿地分为好氧-缺氧-厌氧三个区域，可提高湿地脱氮效果，节约能耗、减少投资，有效解决传统湿地溶解氧不足、氨氮去除效果差以及曝气湿地能耗高、投资大等问题。
3.本发明根据不同基质的粒径和功能，配合折流式人工湿地好氧-缺氧-厌氧区域，对砾石、沸石、石灰石和污泥生物炭基质进行合理的分区分层组合，通过好氧区中沸石基质对氨氮的吸附作用及硝化菌对氨氮的降解来去除氨氮；通过缺氧区和厌氧区中石灰石和污泥生物炭为反硝化菌提供有机碳源，达到脱氮效果；通过污泥生物炭的孔隙结构、矿物质和表面官能团的吸附、离子交换、沉淀和络合等作用来强化氮磷的去除；四种基质协同作用，通过自身的吸附净化作用及其在人工湿地中形成的生物膜结构，最大程度地提高了人工湿地的脱氮除磷效果。
提供一种低成本-高效脱氮除磷折流式人工湿地组合基质系统，如图1所示。模拟的折流式人工湿地小试系统装置采用长×宽×高为54cm×35cm×90cm的PVC长方体，其中组合基质总填充高度为75cm。以砾石、沸石、石灰石和生物炭为填料构建了折流式湿地系统。在好氧区7、缺氧区8和厌氧区9的底部均填充粒径为20-40mm的砾石层2作为承托层，高度为20cm；在好氧区砾石层上填充粒径为8-16mm的沸石层3，高度为25cm，在沸石层上再上填充粒径为3-5mm的沸石层6，高度为25cm；在缺氧区和厌氧区的砾石层上填充粒径为6-13mm的石灰石层4，高度为25cm，在石灰石层上再上填充粒径为3-5mm，体积比为1:1的污泥生物炭和石灰石组合基质层5，高度为25cm；基质表面不再种植植物。进水管1安装在好氧区砾石层底部，生活污水由水箱通过蠕动泵流入进水管1，进入好氧区砾石层，依次流经好氧区沸石层、厌氧区石灰石层及污泥生物炭和石灰石组合基质层、缺氧区石灰石层及污泥生物炭和石灰石组合基质层，最后经距组合基质5cm处的出水管13流出。好氧区底部设置曝气盘11，并连接转子流量计和空气压缩机来控制曝气流量。采用间歇性曝气方式，每运行2h停2h；曝气速率为0.5L·min-1，曝气时间为4h/d；水利负荷为0.56m3/(m2·h)，水力停留时间为3d。污水水质为城市某区生活污水处理厂，进水水质监测结果如表1。
表1进出水水质表
实验结果表明：该低成本-高效脱氮除磷折流式人工湿地系统可以有效地去除COD、氨氮、总氮和总磷等污染物，降解效果见图2。随着湿地系统的运行，各污染物出水浓度稳定，COD、TN、氨氮及TP的平均浓度为17.41mg/L、1.49mg/L、6.65mg/L、0.72mg/L，其中COD、总氮、氨氮可达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A排放标准，总磷达到一级B排放标准。湿地对COD、TN、TP的去除率均达到80％以上，对氨氮的去除率达90％以上。
本发明根据不同基质的粒径和功能，配合折流式人工湿地好氧-缺氧-厌氧区域，对砾石、沸石、石灰石和污泥生物炭基质进行合理的分区分层组合，四种基质协同作用，通过自身的吸附净化作用及其在人工湿地中形成的生物膜结构，最大程度地提高了人工湿地的脱氮除磷效果。
本发明中，采用的组合基质为天然基质和污泥废弃物制备获得，具有来源广泛、价格低廉，无二次污染等优势，并起到以废治废的作用。
本发明中，将折流式人工湿地通过折流板，结合间歇性曝气方式将人工湿地分为好氧-缺氧-厌氧三个区域，可提高湿地脱氮效果，节约能耗、减少投资，有效解决传统湿地溶解氧不足、氨氮去除效果差以及曝气湿地能耗高、投资大等问题。
本发明中，根据不同基质的粒径和功能，配合折流式人工湿地好氧-缺氧-厌氧区域，对砾石、沸石、石灰石和污泥生物炭基质进行合理的分区分层组合，通过好氧区中沸石基质对氨氮的吸附作用及硝化菌对氨氮的降解来去除氨氮；通过缺氧区和厌氧区中石灰石和污泥生物炭为反硝化菌提供有机碳源，达到脱氮效果；通过污泥生物炭的孔隙结构、矿物质和表面官能团的吸附、离子交换、沉淀和络合等作用来强化氮磷的去除；四种基质协同作用，通过自身的吸附净化作用及其在人工湿地中形成的生物膜结构，最大程度地提高了人工湿地的脱氮除磷效果。
工作原理：折流式人工湿地最底层为砾石层，主要起承托支撑作用，污水从好氧区的底部砾石基质层流入，由下向上流经好氧区沸石基质，在曝气条件下，污水与基质上好氧微生物充分接触，通过硝化菌的硝化作用将污水中氨氮转化成硝酸盐氮，聚磷菌的好氧吸磷作用除磷，并配合沸石基质较大的比表面积大、发达的孔隙结构、较强的吸附和离子交换能力来吸附氮磷，从而在好氧区实现氨氮和磷的去除；之后依次流经缺氧区和厌氧区中体积比1:1的石灰石基质和污泥生物炭混合基质和石灰石基质，缺氧区和厌氧区中微生物利用污水中有机物及污泥生物炭和石灰石基质释放的有机碳源，为湿地补充微生物生长所需的碳源，并通过反硝化作用将好氧区产生的硝酸盐氮转化成氮气，从而降低TN含量，实现脱氮。而聚磷菌在缺氧区和厌氧区释放的磷，可通过混合基质层中污泥生物炭表面较大的比表面积、发达的孔隙结构及丰富的矿物质和官能团与磷酸盐发生吸附、离子交换、沉淀和络合作用，从实现磷的去除。最终净化后的污水从厌氧区上方出水口排出。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统，其特征在于：所述低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统包括：好氧区、缺氧区和厌氧区的折流式人工湿地，采用砾石基质、沸石基质、石灰石基质以及体积配比为1:1的污泥生物炭与石灰石组合基质形成湿地组合基质系统；
所述沸石基质填充于好氧区，利用沸石对氨氮、磷良好的吸附能力，结合微生物好氧硝化和聚磷菌好氧吸磷作用来去除氮磷；将石灰石基质及污泥生物炭与石灰石组合基质填充于缺氧区及厌氧区，利用石灰石缓释无机碳源和污泥生物炭缓释有机碳源的能力，为反硝细菌提供碳源，强化脱氮效果，并通过污泥生物炭的孔隙结构、矿物质和表面官能团的吸附、离子交换、沉淀和络合等作用来强化氮磷的去除。
2.如权利要求1所述的一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统，其特征在于：所述折流式人工湿地通过两个折流板将传统垂直流人工湿地分为三个区域，最前端区域池体底部加入曝气盘，使其形成好氧区，中间区域和最末端区域依次为缺氧区和厌氧区。
3.如权利要求1所述的一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统，其特征在于：所述组合基质由砾石、沸石、石灰石和污泥生物炭组成，所述好氧区在填料柱底部填充粒径20-40mm的砾石基质，在砾石基质上填充8-16mm的沸石基质，在沸石基质上再填充3-5mm的沸石基质。
4.如权利要求1所述的一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统，其特征在于：所述缺氧区和厌氧区在填料柱底部填充粒径20-40mm的砾石基质，在砾石基质上填充6-13mm的石灰石基质，在石灰石基质上再粒径3-5mm，体积比为1:1的污泥生物炭和石灰石混合基质，在所述的好氧区砾石层底部安装进水管；在所述的厌氧区污泥生物炭和石灰石组合基质层顶部安装出水管。
5.如权利要求1所述的一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统，其特征在于：所述污泥生物炭选择生活污水处理厂的二沉池剩余污泥制备而成，来源广泛，价格低廉，将用其制备的污泥生物炭再次用于污水处理中，可起到以废治废的目的。
6.如权利要求5所述的一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统，其特征在于：所述污泥生物炭的制备方法包括：污泥经自然风干后，在80℃条件下烘干6h，干化后磨碎至5-10mm，在500℃的炭化炉中炭化3h，炭化炉升温速率为15℃·min-1，筛分获得3-5mm粒径、含水率小于5％的污泥生物炭。
7.如权利要求1所述的一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统，其特征在于：所述污泥生物炭的孔隙结构可为厌氧菌提供丰富的缺氧-厌氧环境，增加湿地中微生物群落的多样性；其次，污泥生物炭的较大比表面积及多孔结构可增对污染物的吸附作用，丰富的矿物质和官能团也可以与污染物发生离子交换、沉淀及络合作用。
8.如权利要求1所述的一种低成本折流式高效脱氮除磷湿地组合基质系统，其特征在于：所述污泥生物炭可以缓释有机碳源来弥补湿地反硝化过程中碳源不足等问题，为反硝化菌的生长提供能量，促进反硝化脱氮过程的进行。
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