CN205368030U - 一种氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于水污染控制与治理技术领域，更具体地涉及一种氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统。所述人工湿地系统包括表面土壤层、混合基质床及砾石层，在表面土壤层内设置有缓释碳源层，混合基质床为两种以上基质材料混合而成的床体，在所述垂直流人工湿地系统运行之前，将好氧活性污泥装填于所述混合基质床中；砾石层内水平设置有排水管道，所述排水管道的一端收集排水，另一端向上弯折，呈水平L型，以保证混合基质床中具有一定的淹水高度，通风排气管道由一层水平铺设的管道与垂直管道组成，垂直管道与水平铺设的管道垂直连通，且伸出人工湿地系统。

Description

一种氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统

技术领域

本实用新型属于水污染控制与治理技术领域，更具体地涉及一种氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统。

背景技术

水体富营养化的主要成因是氮磷浓度过高，而地表径流(如城市地表径流、农田径流)中的含氮污染物已成为水体氮素的一个重要来源，控制地表径流中的氮污染成为近年来水体环境治理的重点。随着研究的深入，生物脱氮越来越受到研究者的重视。人工湿地作为生物处理的一种设施，可有效去除废水中的悬浮物、有机物、氮、磷和重金属等，由于其具有污染物去除能力强、耐冲击负荷能力强、开发和维护费用少、效果好等优点，同时具有美化环境、缓解温室效应的功效，而在径流污染控制中得到广泛应用。

依据人工湿地中的水流特性，可将人工湿地系统分成两大类：表面流人工湿地系统和潜流人工湿地系统。表面流人工湿地系统的水深一般在0.2-0.6m之间，阳光可照射到水底，种植植物的密度较大，湿地床的可渗透性较好。当地表径流流入时，通过填料的过滤、植物的吸收以及藻类的光合作用等，削减污染物。表面流式人工湿地的基建费用低，运行及管理简单，但与潜流人工湿地系统相对比，表流人工湿地系统对污染物的削减作用一般较弱。潜流人工湿地系统是表面为植物层，中部为土壤、砂石等填料，让水自然透过的兼具景观效果与污染物削减功能的构筑物，它表面无水、占地面积小，效率高、运行管理维护方便。通常，潜流人工湿地一般可分为水平潜流和垂直潜流2种，水平潜流人工湿地水位于填料中，水呈水平流动方向，垂直潜流人工湿地是水流呈垂直方面通过填料基质层，垂直流人工湿地水力负荷大、处理效果较好，由于适合气候温暖地方使用，在南方应用较多。

在湿地中，氮的去除机理十分复杂，主要原因是氮在水中的存在多种形态，包括有机氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮，它们之间可以通过各种作用相互转化。主要包括微生物的氨化作用、硝化作用、反硝化作用、同化作用以及植物的吸收作用。其中微生物的作用是氮去除的主要途径，氨化作用是在有氧条件下，氨化细菌将有机氮转化成氨态氮的过程；硝化作用是在有氧条件下，硝化菌将氨氮转化为硝态氮的过程，由于它只改变了氮素在水中的化合态，并没有降低水体中氮素的含量，因此对于防止水体富营养化，并没有从根本解决；而要使氮素得以有效去除，最重要的途径就是反硝化作用，即反硝化菌在缺氧条件下将硝态氮转化成氮气的过程。在人工湿地系统中，氮素去除的特征是硝化速率比反硝化速率和氨化速率要慢得多，以及在反硝化过程中需要有一定量的有机碳源，因此，人工湿地系统中，影响脱氮的主要环境因素是氧气供应和有机碳源。

在垂直流人工湿地中，当地表径流自上而下通过湿地系统时，由于含碳有机污染物质(COD)的降解速率较快，在湿地上部分很快得到去除，当地表径流进入湿地下部时，由于碳源的缺乏，脱氮效果下降。另外，垂直流湿地系统中的溶解氧也是自上而下减少，在湿地中下部分，由于溶解氧的下降，导致硝化作用减弱，而在湿地底部位置，由于处于厌氧状态，部分含氮物质(包括硝氮和亚硝氮)又重新转化为氨氮，导致出水中氨氮浓度上升。针对这些问题，目前主要采用的方法是通过曝气设备在湿地系统内部进行曝气，但是这样对能源的消耗较大，或者是在进水处人工投加碳源或在湿地内部增加碳源的投加，这些措施较少考虑氮素在垂直流湿地内自上而下沿程的相互转化规律。

本实用新型在考虑垂直流人工湿地系统的结构和空间特征以及水力学条件的基础上，采取在特定位置和区域布设通气管道、设置湿地淹水高度和添加缓释碳源层的具体措施，调控氮素的相互转化，提高垂直流人工湿地氨氮和总氮去除的目的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于为解决上述问题而提供一种氨氮与总氮强化去除的垂直流人工湿地系统，用于地表径流中污染控制与污染物消减。

根据本实用新型的氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统，所述人工湿地系统由上至下依次包括表面土壤层2、混合基质床3，

在表面土壤层1内设置有缓释碳源层5，所述缓释碳源层5为湿地植物干化物与砂石的混合物，当径流经过缓释碳源层5时，与湿地植物干化物充分接触，淋溶出植物干化物的分解产物，作为补充碳源；

所述的混合基质床2为两种以上基质材料混合而成的床体，在所述垂直流人工湿地系统运行之前，将好氧活性污泥装填于所述混合基质床2中；

所述混合基质床2的底部铺设有通风排气管道3，所述通风排气管道3由一层水平铺设的管道与垂直管道组成，位于混合基质床2的底部，周围以砾石层进行铺装，以增加透水和透气性，垂直管道与水平铺设的管道垂直连通，且伸出人工湿地系统；

所述混合基质床2的下方水平设置有排水管道4，所述排水管道4的一端收集排水，另一端向上弯折，呈水平L型，以保证混合基质床2中具有一定的淹水高度，使地表径流在所述基质床中进行滞留，以延长硝化反应时间，同时，所述排水管道5与所述基质床2之间的距离保证了空气通过土壤进入湿地系统内，改善了湿地内部的溶解氧水平，提高了总氮的处理效果。

根据本实用新型的氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统在土壤层3表面上种植有净化植物；

所述的缓释碳源层5在表面土壤层2内，距土壤表面5-10cm，铺设的厚度为1-5cm间，缓释碳源5为湿地植物干化物与砂石的混合物；

所述的混合基质床2为两种以上基质材料混合而成的床体，在垂直流人工湿地系统运行之前，将城市污水处理厂浓缩后的好氧活性污泥装填于所述混合基质床2中，好氧活性污泥的MLSS浓度为3000-8000mg/L；

所述的排水管道5的为径流排出端为一段弯管，有一定抬升高度，以保证混合基质床2中具有一定的淹水高度，淹水水面距离基质床表面的距离为10-30cm；

所述的通风排气管道3为一层水平铺设管道与垂直管道组成的管道网络，其中水平管道铺设在砾石排水层上方，位于混合基质床2的底部；垂直管道与底部水平铺设管道相连通且伸出土壤表面，伸出土壤表面的管道为一段弯管，伸出部分总长在20-80cm，垂直管道与其它垂直管道的间距在300-1000cm间，管道直径在5-25cm间，管道上均匀布置有孔洞；

所述的排水管道的一端水平铺设在湿地系统底部，用于收集湿地的出水，并通过排水管道排出。

由于采用上述技术方案，本实用新型的有益效果在于：

(1)当地表径流通过缓释碳源层时，湿地植物粉碎物所分解的有机类化合物可以为基质床中的反硝化过程提供碳源，由于植物粉碎物中所含的物质主要是以植物纤维为主，因此，分解和降解的速率比较慢，能够发挥出缓释效果；

(2)处于湿地下方的通风排气管道可以提高基质床下部的溶解氧含量，减少厌氧发生的状况，降低了出水中氨氮浓度，避免了硝态氮类物质转化为氨氮，同时也可以提高基质床中微生物生长所释放的有机氮类物质氨化后的氨态氮转化为硝态氮的效果。

(3)排水管道的淹水高度保证湿地中基质床的水位高低，适度的高度可以使基质床上部维持较好的溶解氧状态，又能提高地表径流的停留时间，提高湿地硝化处理效果。

(4)混合基质床中所添加的城市污水处理厂好氧活性污泥，活性污泥中的丰富微生物可以使湿地系统快速启动，并具有运行稳定的特点。

以上技术措施使垂直流湿地系统的氨氮和总氮处理得到强化。

附图说明

图1是本实用新型的氨氮与总氮强化去除的垂直流人工湿地系统的总体结构主视(示意)图；

图2是本实用新型的氨氮与总氮强化去除的垂直流人工湿地系统的通风排气管道(示意)图；

图3是本实用新型的氨氮与总氮强化去除的垂直流人工湿地系统的集水管道(示意)图。

附图标记

1—土壤层，2—混合基质床，3—通风排气管道，4—排水管道，5—缓释碳源层，6----径流入水管道

具体实施方式

为了使本实用新型目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例1

参见图1、2和3，根据本实用新型的氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统，所述人工湿地系统由上至下依次包括表面土壤层2、混合基质床3，

在表面土壤层1内设置有缓释碳源层5，所述缓释碳源层5为湿地植物干化物与砂石的混合物，当径流经过缓释碳源层5时，与湿地植物干化物充分接触，淋溶出植物干化物的分解产物，作为补充碳源；

所述的混合基质床2为两种以上基质材料混合而成的床体，在所述垂直流人工湿地系统运行之前，将好氧活性污泥装填于所述混合基质床2中；

所述混合基质床2的底部铺设有通风排气管道3，所述通风排气管道3由一层水平铺设的管道与垂直管道组成，位于混合基质床2的底部，周围以砾石层进行铺装，以增加透水和透气性，垂直管道与水平铺设的管道垂直连通，且伸出人工湿地系统；

所述混合基质床2的下方水平设置有排水管道4，所述排水管道4的一端收集排水，另一端向上弯折，呈水平L型，以保证混合基质床2中具有一定的淹水高度，使地表径流在所述基质床中进行滞留，以延长硝化反应时间，同时，所述排水管道5与所述基质床2之间的距离保证了空气通过土壤进入湿地系统内，改善了湿地内部的溶解氧水平，提高了总氮的处理效果。

本实例中所述的缓释碳源层5在表面土壤层1内，距土壤表面5-10cm间，具体可选5cm；铺设的厚度为1-5cm间，具体可选3cm；所述缓释碳源层5为湿地植物干化物与砂石的混合物，具体可选芦苇、美人蕉、香蒲、莎草、灯心草、水葱等湿地植物；植物干化物是在植物收割后，进行自然凉干，然后进行粉碎所得，长度在3-20cm间，具体可选10cm；当径流经过缓释碳源层时，与植物干化物充分接触，可淋溶出植物干化物的分解产物，作为补充碳源。

本实施例中所述的混合基质床2为两种以上基质材料混合而成的床体，具体可选火山岩、陶瓷环、沸石、砾石、卵石等；混合基质床高度为80-120cm间，具体可选100cm；在垂直流人工湿地运行之前，将城市污水处理厂的好氧活性污泥装填于混合基质床中，好氧活性污泥的MLSS浓度为3000-8000mg/L，具体可选5000mg/L；城市污水处理厂活性污泥中存在大量的氨化、硝化、反硝化以及其它微生物种群，可以大大提高基质床中氨氮和总氨的去除。

本实施例中所述的排水管4为湿地系统砾石层所收集排水的排出管道，管道为一段弯管，有一定抬升高度，呈以保证混合基质床4中具有一定的淹水高度10，淹水水面距离基质床4表面的距离为10-30cm，具体可选15cm；排水管道所具有的抬升高度可以使地表径流在基质床中进行滞留，以延长硝化反应时间，同时，排水管道水位与基质床表面的距离保证了空气通过土壤能够进入湿地系统内，改善了湿地内部的溶解氧根据本实用新型的氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统，所述人工湿地系统由上至下依次包括表面土壤层2、混合基质床3，

在表面土壤层1内设置有缓释碳源层5，所述缓释碳源层5为湿地植物干化物与砂石的混合物，当径流经过缓释碳源层5时，与湿地植物干化物充分接触，淋溶出植物干化物的分解产物，作为补充碳源；

所述的混合基质床2为两种以上基质材料混合而成的床体，在所述垂直流人工湿地系统运行之前，将好氧活性污泥装填于所述混合基质床2中；

所述混合基质床2的底部铺设有通风排气管道3，所述通风排气管道3由一层水平铺设的管道与垂直管道组成，位于混合基质床2的底部，周围以砾石层进行铺装，以增加透水和透气性，垂直管道与水平铺设的管道垂直连通，且伸出人工湿地系统；

所述混合基质床2的下方水平设置有排水管道4，所述排水管道4的一端收集排水，另一端向上弯折，呈水平L型，以保证混合基质床2中具有一定的淹水高度，使地表径流在所述基质床中进行滞留，以延长硝化反应时间，同时，所述排水管道5与所述基质床2之间的距离保证了空气通过土壤进入湿地系统内，改善了湿地内部的溶解氧水平，提高了总氮的处理效果，提高了总氮的处理效果。

所述的通风排气管3为一层水平铺设管道与垂直管道组成的管道网络，其中水平管道铺设在砾石排水层上方，位于混合基质床的底部，周围以砾石层5进行铺装，以增加透水和透气性；垂直管道与底部水平铺设管道相连通且伸出湿地系统，伸出湿地的管道长在20-80cm，具体可选40cm；垂直管道与其它垂直管道的间距在100-1000cm间，具体可选300cm；管道直径在5-25cm间，具体可选15cm；管道上均匀布置有孔洞。

本实施例所述的排水管道4在湿地系统底部，位于基质床下方，周围铺设有砾石层；地表径流由径流入水管道6进入湿地系统，通过表面土壤层1、缓释碳源层5和基质床2，进入排水管道4收集并排出。

本实施例所述的净化植物种植在表面土壤层1上，可以种植芦苇、美人蕉、香蒲、莎草、灯心草、水葱、象革、风车草、再力花和香根草等。

通过实施本实用新型的氨氮和总氮强化去除垂直流湿地系统，当地表径流COD、NH₃-N和TN分别为150mg/L、5.0mg/L、16mg/L，通过垂直流人工湿地的时间为12h时，出水污染物质为COD45mg/L，NH₃-N1.5mg/L，TN3.5mg/L，实验结果表明通过增加缓释碳源层、通风排气管和控制淹水高度，显著提高了湿地去除氨氮和总氮的效果。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并一局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而一是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (5)

1.一种氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统，所述人工湿地系统由上至下依次包括表面土壤层、混合基质床，其特征在于，

在表面土壤层内设置有缓释碳源层，所述缓释碳源层为湿地植物干化物与砂石的混合物，当径流经过缓释碳源层时，与湿地植物干化物充分接触，淋溶出植物干化物的分解产物，作为补充碳源；

所述的混合基质床为两种以上基质材料混合而成的床体，在所述垂直流人工湿地系统运行之前，将好氧活性污泥装填于所述混合基质床中；

所述混合基质床的底部铺设有通风排气管道，所述通风排气管道由一层水平铺设的管道与垂直管道组成，位于混合基质床的底部，周围以砾石层进行铺装，以增加透水和透气性，垂直管道与水平铺设的管道垂直连通，且伸出人工湿地系统；

所述混合基质床的下方水平设置有排水管道，所述排水管道的一端收集排水，另一端向上弯折，呈水平L型，以保证混合基质床中具有一定的淹水高度，使地表径流在所述基质床中进行滞留，以延长硝化反应时间，同时，所述排水管道与所述基质床之间的距离保证了空气通过土壤进入湿地系统内，改善了湿地内部的溶解氧水平，提高了总氮的处理效果。

2.根据权利要求1所述的氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统，其特征在于，所述的缓释碳源层距土壤表面5-10cm，铺设的厚度为1-5cm。

3.根据权利要求1所述的氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统，其特征在于，所述混合基质床中的基质材料为火山岩、陶瓷环、沸石、砾石和卵石；

所述混合基质床高度为80-120cm；

所述好氧活性污泥的MLSS浓度为3000-8000mg/L。

4.根据权利要求1所述的氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统，其特征在于，所述排水管道的垂直管道伸出人工湿地系统20-80cm；

相邻垂直管道间距为100-1000cm。

5.根据权利要求1所述的氨氮与总氮强化去除的垂直潜流人工湿地系统，其特征在于，所述排水管道的周围铺设有砾石层。