CN211283881U

CN211283881U - 基于生物质炭功能填料的人工湿地结构

Info

Publication number: CN211283881U
Application number: CN201921883894.8U
Authority: CN
Inventors: 刘伟; 张增胜; 李飞鹏; 葛鹏彪
Original assignee: Shanghai Youli Environment Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Youli Environment Technology Co ltd
Priority date: 2019-11-04
Filing date: 2019-11-04
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2029-11-04

Abstract

一种基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，包括依次设置的第一生物质炭功能填料层、第二生物质炭功能填料层、第三生物质炭功能填料层、生物质炭透水砖层、进水层、出水层；生物质炭功能填料来自于炉排炉生物质电厂发电作业产生的底部炉渣，经筛分，淋洗，晾干等工艺后所制得的用于人工湿地的生物质炭填料；填料单元可作为人工湿地中水平潜流湿地与垂直流湿地的填料床，生物质炭填料具有优良的物理特性与生物亲和性，以生物质电厂固废资源化产物为原材料带来了较为突出的价格优势，不同规格粒径分层铺设可有效解决传统人工湿地基质堵塞与吸附饱和的问题，为促进我国生物质电厂可持续发展做出了应有贡献。

Description

基于生物质炭功能填料的人工湿地结构

技术领域

本实用新型属于人工湿地技术领域，具体涉及一种基于生物质炭功能填料的人工湿地结构。

背景技术

人工湿地是一项通过人为地控制条件，利用湿地复杂特殊的物理、化学和生物综合功能净化污水的技术，能够利用生态系统中植物—基质—微生物的联合效应发挥物理、化学和生物的三重协同作用去除污水中的污染物，具有构造简单、处理费用低、景观效果优等特点，因而在微污染水体的生态修复以及各类有机污(废)水的处理中发挥越来越大的作用。

人工湿地中的填料基质又称滤料、基质。湿地填料基质不仅为植物和微生物提供生长介质，还通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物。传统人工湿地中砾石、陶粒、沸石、粉煤灰等颗粒填料，比表面积有限、孔隙率较大，使得微生物难以附着，从而影响污水处理的生化作用；而土壤、砂粒等填料，比表面积较大、孔隙率较小，又容易导致基质堵塞。

湿地基质在人工湿地发挥脱氮除磷功能中有至关重要的作用，而每种填料性能各有优缺点，为了综合发挥各填料优势，湿地填料往往由多种填料组成，填料级配十分重要，以有效去除各种污染物质，同时有效避免堵塞，提高运行周期。因此，新型、廉价、高效的多组分填料及分级结构配制应是今后人工湿地基质填料研究的重点发展方向。

发明内容

本实用新型公开了一种基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，填料单元采用与现有技术不同的配级结构，在保持处理效果的基础上提高处理效率，尤其是设置生物质炭透水砖，提高了水处理除磷效果。

一种基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，包括第一生物质炭功能填料层、第二生物质炭功能填料层、第三生物质炭功能填料层、生物质炭透水砖层、进水层、出水层；所述进水层、第一生物质炭功能填料层、第二生物质炭功能填料层、第三生物质炭功能填料层、生物质炭透水砖层、出水层依次设置。优选的，所述第一生物质炭功能填料层上设置植物层。

本实用新型中，生物质炭透水砖层具有多孔结构，可以通水，该结构首次出现在人工湿地中，流水从生物质炭透水砖孔中流过，进一步提高整个单元的水处理效果，尤其是与填料层结构配合，在提高水处理效率的同时提高污水处理效果；优选的，生物质炭透水砖的孔的孔径小于第三生物质炭功能填料层的填料粒径。

本实用新型中，第一生物质炭功能填料层的厚度为180～210mm，第二生物质炭功能填料层的厚度为180～210mm，第三生物质炭功能填料层的厚度为150～170mm，生物质炭透水砖层的厚度为220～250mm；厚度涉及污水处理效率与污水处理效果，层级结构的设计配合厚度的选择可以实现提高污水处理效率的同时增加污水处理的效果。

本实用新型中，第三生物质炭功能填料层的填料粒径位于第一生物质炭功能填料层的填料粒径、第二生物质炭功能填料层的填料粒径之间；优选的，第一生物质炭功能填料层的填料粒径为10-15 mm，第二生物质炭功能填料层的填料粒径为45-60 mm，第三生物质炭功能填料层的填料粒径为20-30 mm；分级结构的设计使得污水在不同层级有不同处理效果，得到不同程度的净化，而且不会造成堵塞，尤其是本实用新型创造性的将最大粒径层置于中间，而不是现有技术位于最外侧，在污水处理过程中，提高了填料单元对杂质的承载吸附能力，尤其是提高了填料单元对污水中悬浮物的吸附承载能力，从而达到提高整体处理效率的目的；作为实际应用的产品，人工湿地在污水处理过程不可避免的吸附泥沙等细小杂质，一经使用，污水处理效率会逐步下降，同时污水净化效果会逐步下降，这是任何一个人工湿地固有的缺陷，现有技术没有解决方法，也没有考虑解决，只是到了一定程度后更换新的填料单元，本实用新型将最大粒径层放在最小粒径层与中间粒径层之间，水流从最小粒径层流入最大粒径层，其所带的杂质大部分留存在该层，且该层容量大，既可以承受更多量的杂质，又对水流影响小，从而到达中间粒径层的水流相对杂质少，减弱了对中间粒径层的堵塞，这样提高了污水处理效率以及填料单元的使用寿命；如果仅仅这种结构的话，对污水处理效果有消弱，本实用新型设计生物质炭透水砖层，让污水流经生物质炭透水砖的孔，提高了污水处理效果。

本实用新型中，生物质炭透水砖表面以及孔壁设有三氧化二铁层，可以提高磷处理效果；当水在生物质炭透水砖之间的间隙或者孔内流动时，生物质炭透水砖表面以及孔壁的三氧化二铁层会提高磷的处理效果。

本实用新型中，进水层可以为进水管，也可以为进水槽；出水层可以为出水管，也可以为出水槽；基于生物质炭功能填料的人工湿地结构实际应用时，污水从进水层流经植物层后依次流经第一生物质炭功能填料层、第二生物质炭功能填料层、第三生物质炭功能填料层、生物质炭透水砖层，再进入出水层，得到处理后的水，可以直接排至管网或者河道。

本实用新型中，生物质炭功能填料、生物质炭透水砖的原料来自于以炉排炉为燃烧炉的生物质电厂发电作业产生的底部炉渣；比如炉排炉生物质电厂发电作业产生的底部炉渣首先筛分祛除杂质、选取合适粒径，再水淋洗，清洗表面飞灰，最后自然条件晾干，降低含水率，得到生物质炭功能填料；将生物质炭功能填料、造孔剂、分散剂混合后加入模具，再煅烧，得到带孔的生物质炭透水砖，其大小不做限定；可根据工程需求进行不同规格的定制。

本实用新型中，植物为芦苇、香蒲和风车草等挺水植物，第一生物质炭功能填料层提供生长基质。

本实用新型的优势：

a)本实用新型基于生物质炭功能填料用于人工湿地的填料单元，其原料为炉排炉生物质电厂固废资源化产物，在具备水处理填料应有的优良特性时，价格优势明显；

b)生物质炭功能材料的粒径分布广泛，脱氮除磷性能优良，亦可以制成透水砖铺设至填料床底部作为防渗层，可满足人工湿地填料多元化需求。

附图说明

图1为基于生物质炭功能填料的人工湿地填料单元示意图；

图2为带三氧化二铁的生物质炭透水砖结构示意图；

图3为带有三氧化二铁的生物质炭透水砖孔壁的红外表征图；

图4为带有三氧化二铁的生物质炭透水砖孔壁的XRD表征图；

图5为基于生物质炭功能填料的人工湿地结构示意图；

图6为基于生物质炭功能填料的人工湿地结构示意图；

图7为基于生物质炭功能填料的人工湿地结构示意图；

其中第一生物质炭功能填料层1、进水层12、植物层13、出水层14、第二生物质炭功能填料层2、第三生物质炭功能填料层3、生物质炭透水砖层组成4、三氧化二铁层41。

具体实施方式

炉排炉生物质电厂发电作业产生的底部炉渣首先筛分祛除杂质、选取合适粒径，再水淋洗，清洗表面飞灰，最后自然条件晾干，降低含水率，得到生物质炭功能填料。

将生物质炭功能填料（粒径4mm-6mm）、造孔剂淀粉、水按照质量比100∶25∶45混合后加入模具，再550℃煅烧2小时，得到带孔的生物质炭透水砖（长*宽*高=240*115*100mm），最大孔的孔径为8mm。

将带孔的生物质炭透水砖浸入三氧化二铁与水的混合液（1wt%），15分钟后取出烘干，得到带有三氧化二铁的生物质炭透水砖。

实施例一

参见图1，基于生物质炭功能填料的人工湿地填料单元，由依次设置的第一生物质炭功能填料层1、第二生物质炭功能填料层2、第三生物质炭功能填料层3、生物质炭透水砖层组成4；第一生物质炭功能填料层的填料粒径为10-15 mm，第二生物质炭功能填料层的填料粒径为45-60 mm，第三生物质炭功能填料层的填料粒径为20-30 mm；第一生物质炭功能填料层的厚度为200mm，第二生物质炭功能填料层的厚度为200mm，第三生物质炭功能填料层的厚度为160mm，生物质炭透水砖层的厚度为200mm，生物质炭透水砖为带孔的生物质炭透水砖。

实验室模拟垂直污水处理，进水水质为：BOD：10.5mg/L，总氮：1.92 mg/L，总磷：0.39 mg/L，水力负荷：0.65 m³·m^-2·d^-1，依次流经第一生物质炭功能填料层、第二生物质炭功能填料层、第三生物质炭功能填料层、生物质炭透水砖层，出水水质为：BOD5.5 mg/L，总氮1.2 mg/L，总磷0.25 mg/L。

实施例二

将实施例一的带孔的生物质炭透水砖替换为带有三氧化二铁的生物质炭透水砖，其余不变，得到基于生物质炭功能填料的人工湿地结构；图2、图3为带有三氧化二铁的生物质炭透水砖孔壁的结构示意图，其中砖表面的三氧化二铁层没有标出，不影响本领域技术人员的理解，图3、图4为带有三氧化二铁的生物质炭透水砖孔壁的红外图、XRD图，将孔壁刮成粉末（以带孔的生物质炭透水砖孔壁刮成的粉末为对比）进行测试，说明其含有三氧化二铁。

实验室模拟垂直水处理，进水水质为：BOD：10.5mg/L，总氮：1.92 mg/L，总磷：0.39mg/L，水力负荷：0.65 m³·m^-2·d^-1，依次流经第一生物质炭功能填料层、第二生物质炭功能填料层、第三生物质炭功能填料层、生物质炭透水砖层，出水水质为：BOD5.1 mg/L，总氮1.1 mg/L，总磷0.17mg/L。

对比例一

将实施例一的生物质炭透水砖层去除，其余不变，得到基于生物质炭功能填料的人工湿地填料单元；实验室模拟垂直水处理，进水水质为：BOD：10.5mg/L，总氮：1.92 mg/L，总磷：0.39 mg/L，水力负荷：0.65 m³·m^-2·d^-1，依次流经第一生物质炭功能填料层、第二生物质炭功能填料层、第三生物质炭功能填料层、生物质炭透水砖层，出水水质为：BOD7.6mg/L，总氮1.37 mg/L，总磷0.33 mg/L。

实施例三

参见图5，一种基于生物质炭功能填料的人工湿地结构（图中箭头表示水流方向），由依次设置进水层、第一生物质炭功能填料层、第二生物质炭功能填料层、第三生物质炭功能填料层、生物质炭透水砖层、出水层组成；第一生物质炭功能填料层的填料粒径为10-15mm，第二生物质炭功能填料层的填料粒径为45-60 mm，第三生物质炭功能填料层的填料粒径为20-30 mm；第一生物质炭功能填料层的厚度为200mm，第二生物质炭功能填料层的厚度为200mm，第三生物质炭功能填料层的厚度为160mm，生物质炭透水砖层的厚度为200mm，生物质炭透水砖为带孔的生物质炭透水砖；进水层为进水槽、出水层为出水槽；表面种的植物为香蒲和风车草，种植密度为9~10株/m²。

该基于生物质炭功能填料的人工湿地结构用于水平潜流湿地，进水水质为：BOD：9.3mg/L，总氮：1.8 mg/L，总磷：0.36 mg/L，水力负荷：0.48 m³·m^-2·d^-1，水力停留时间为2天；进水槽均匀布水后，水平流入水平潜流湿地填料单元，水平潜流湿地填料单元出水汇集至水平潜流湿地出水槽，最后通过常规水平潜流湿地出水流出，经检测，出水水质为均达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类水质或以上，BOD5.6mg/L，总氮1.1 mg/L，总磷0.23 mg/L。

实施例四

参见图6（图中箭头表示水流方向），一种基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，由依次设置的植物层13、进水层12、第一生物质炭功能填料层1、第二生物质炭功能填料层2、第三生物质炭功能填料层3、生物质炭透水砖层4、出水层14组成；第一生物质炭功能填料层的填料粒径为10-15 mm，第二生物质炭功能填料层的填料粒径为45-60 mm，第三生物质炭功能填料层的填料粒径为20-30 mm；第一生物质炭功能填料层的厚度为200mm，第二生物质炭功能填料层的厚度为200mm，第三生物质炭功能填料层的厚度为160mm，生物质炭透水砖层的厚度为200mm，生物质炭透水砖为带孔的生物质炭透水砖；进水层为带孔进水管、出水层为带孔出水管，植物为芦苇、香蒲，种植密度为11~12株/m²。

该基于生物质炭功能填料的人工湿地结构用于垂直流人工湿地，进水水质为：BOD：12.5mg/L，总氮：1.98mg/L，总磷：0.41 mg/L，水力负荷：0.65 m³·m^-2·d^-1，水力停留时间为1.5天。进水管均匀布水后，在重力作用下，垂直向下流入垂直流湿地填料单元，垂直流湿地填料单元出水汇集至垂直流湿地底部，最后通过垂直流湿地出水口流出。经检测，出水水质为均达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类水质或以上（BOD4.9 mg/L，总氮1.0mg/L，总磷0.21mg/L）。

实施例五

参见图7（图中箭头表示水流方向），一种基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，由依次设置的植物层13、进水层12、第一生物质炭功能填料层1、第三生物质炭功能填料层3、第二生物质炭功能填料层2、生物质炭透水砖层4、出水层14组成；第一生物质炭功能填料层的填料粒径为10-15 mm，第二生物质炭功能填料层的填料粒径为20-30 mm，第三生物质炭功能填料层的填料粒径为45-60 mm；第一生物质炭功能填料层的厚度为200mm，第二生物质炭功能填料层的厚度为200mm，第三生物质炭功能填料层的厚度为160mm，生物质炭透水砖层的厚度为200mm，生物质炭透水砖为带孔的生物质炭透水砖；进水层为带孔进水管、出水层为带孔出水管，植物为芦苇、香蒲，种植密度为11~12株/m²。

该基于生物质炭功能填料的人工湿地结构用于垂直流人工湿地，进水水质为：BOD：12.5mg/L，总氮：1.92 mg/L，总磷：0.40mg/L，水力负荷：0.65 m³·m^-2·d^-1，水力停留时间为1.5天。进水管均匀布水后，在重力作用下，垂直向下流入垂直流湿地填料单元，垂直流湿地填料单元出水汇集至垂直流湿地底部，最后通过垂直流湿地出水口流出。经检测，出水水质为均达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类水质或以上（BOD5.7mg/L，总氮1.1mg/L，总磷0.23 mg/L）。

以上实施例的结果为首次出水的结果；使用至30天，实施例五的水力负荷下降为0.50 m³·m^-2·d^-1，实施例四水力负荷下降为0.62 m³·m^-2·d^-1，超过水力负荷后出现溢流现象；而且此时实施例四出水水质为，BOD5.0 mg/L、总氮1.0mg/L、总磷0.21mg/L，实施例五出水水质为，BOD5.9mg/L、总氮1.2mg/L、总磷0.25mg/L。

Claims

1.一种基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，其特征在于，包括第一生物质炭功能填料层、第二生物质炭功能填料层、第三生物质炭功能填料层、生物质炭透水砖层、进水层、出水层；所述进水层、第一生物质炭功能填料层、第二生物质炭功能填料层、第三生物质炭功能填料层、生物质炭透水砖层、出水层依次设置。

2.根据权利要求1所述基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，其特征在于，第一生物质炭功能填料层的厚度为180～210mm；第二生物质炭功能填料层的厚度为180～210mm；第三生物质炭功能填料层的厚度为150～170mm。

3.根据权利要求1所述基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，其特征在于，所述第一生物质炭功能填料层上设置植物层。

4.根据权利要求1所述基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，其特征在于，生物质炭透水砖层的厚度为220～250mm。

5.根据权利要求1所述基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，其特征在于，第三生物质炭功能填料层的填料粒径位于第一生物质炭功能填料层的填料粒径、第二生物质炭功能填料层的填料粒径之间。

6.根据权利要求5所述基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，其特征在于，第一生物质炭功能填料层的填料粒径为10-15 mm，第二生物质炭功能填料层的填料粒径为45-60mm，第三生物质炭功能填料层的填料粒径为20-30 mm。

7.根据权利要求1所述基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，其特征在于，进水层为进水管或者进水槽；出水层为出水管或者出水槽。

8.根据权利要求1所述基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，其特征在于，基于生物质炭功能填料的人工湿地结构为水平潜流填料单元或者垂直流填料单元。

9.根据权利要求1所述基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，其特征在于，生物质炭透水砖层具有多孔结构。

10.根据权利要求9所述基于生物质炭功能填料的人工湿地结构，其特征在于，生物质炭透水砖的表面以及孔壁设有三氧化二铁层。