申请日2016.11.24
公开(公告)日2017.02.22
IPC分类号C02F3/32
摘要
一种针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置及应用，所述人工湿地装置自上而下依次为植被层、粗砂层、第一砾石基质层、第二砾石基质层、承托层和集水区，第一砾石基质层与第二砾石基质层均匀掺杂铁炭，承托层下方为集水区，集水区顶部装有穿孔有机玻璃集水板。本发明结构简单、运行管理方便，能有效净化污水处理厂尾水，特别是提高人工湿地脱氮效率，实现了装置全年高效脱氮、稳定运行的目标，可进一步降低污水处理厂出水污染物浓度，有利于水环境的持续改善。
权利要求书
1.一种针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置从上到下依次为植被层(4)、粗砂层(5)、第一砾石基质层(6)、第二砾石基质层(7)、承托层(8)和集水区(10);
所述第一砾石基质层(6)中部设有第一砾石基质层在线ORP电极(14);
所述第二砾石基质层(7)中部设有第二砾石基质层在线ORP电极(13);
所述集水区(10)顶部设有穿孔集水板(9)，集水区(10)底部设有坡度为5%且呈漏斗状的斜坡，所述斜坡中心设有排渣口(11)，此外，集水区(10)底部设有支撑柱(17);
所述针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置顶部设有进水口，底部设有出水口;
所述第一砾石基质层(6)均匀掺杂铁炭Ⅰ(15)，所述铁炭Ⅰ(15)中铁炭质量比MFe：MC=2:1～6:1;
所述第二砾石基质层(7)均匀掺杂铁炭Ⅱ(16)，所述铁炭Ⅱ(16)中铁炭质量比MFe：MC=0.5:1～2:1。
2.根据权利要求1所述的针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述铁炭Ⅰ(15)为直径10～30mm的块状，铁炭中铁炭质量比优选为MFe：MC=5:1。
3.根据权利要求1所述的针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述铁炭Ⅱ(16)为直径10～30mm的块状，铁炭中铁炭质量比优选为MFe：MC=1:1。
4.根据权利要求1所述的针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述粗砂层(5)的粗砂粒径为2～4mm。
5.根据权利要求1、2或3所述的针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述砾石基质层的砾石粒径为4～8mm，所述铁炭的掺杂比例为砾石基质层总质量的0.5%～3%。
6.根据权利要求5所述的针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述铁炭的掺杂比例优选为砾石基质层总质量的1%。
7.根据权利要求1所述的针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述承托层(8)由砾石组成，所述砾石粒径为8～16mm。
8.根据权利要求1所述的针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置，其特征在于：所述穿孔集水板(9)开孔孔径为5mm，开孔率为8.25%。
9.根据权利要求1所述人工湿地装置在污水处理厂尾水深度脱氮中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：
1)尾水从湿地装置上部进入植被层(4)，利用植物直接吸收污水中的氮磷元素;
2)进行初步吸收后尾水进入到粗砂层(5)，去除大颗粒的悬浮物;
3)预处理后的尾水进入第一砾石基质层(6)，通过铁炭原电池将复杂大分子有机物分解为小分子有机物;
4)处理后的尾水进入第二砾石基质层(7)，经过反硝化菌异养反硝化和电解产氢反硝化作用对尾水进行脱氮，所述反硝化菌为微球反硝化菌。
说明书
针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置及应用
技术领域
本发明涉及污水处理领域，特别是涉及一种用于污水处理厂尾水深度处理的人工湿地高效脱氮装置。
背景技术
目前，我国大多数污水处理厂仍以二级处理为主，虽然污水二级生物处理可削减大部分污染物，尾水中有机物、氮、磷浓度仍然较高。2010-2014年，我国南方城镇污水处理厂二级出水主要水质指标如下：COD 51.64±22.11mg/L、NH4+-N 12.63±9.02mg/L、TN21.54±12.49mg/L、TP 1.94±1.28mg/L。可见，尾水中污染物含量依然很高，尤其是TN浓度偏高，有些污水处理厂还经常面临着出水TN超标的风险。即使污水厂尾水达到最高排放要求的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准，仍属于劣Ⅴ类水，对于受纳水体而言还是重要的污染源。特别是对于自净能力有限的受纳水体来说，污水二级处理并不能从根本上解决其富营养化问题，只能延缓其发展趋势。另外，国际公认的水体富营养化临界值为[TN 0.2mg/L，TP 0.2mg/L]，因此，二级出水仍是造成受纳水体富营养化的重要原因之一。
将污水厂尾水进行深度处理，可以减小尾水对受纳水体的影响，改善我国水环境;经深度处理的尾水水质达到一定标准后，还可回用于工农业及市政用水、补充地表水、进行地下水回灌等，从而增大了水供给，降低了人类行为对环境的影响。人工湿地是近年来发展起来的一种新型生态处理技术，在有机污染物、细菌、痕量有机物去除方面均有良好的效果，已经广泛应用于污染水体的水质净化与恢复、面源污染控制、雨水处理与利用、污水处理等领域，具有污染物去除效果稳定、投资省、运行成本低等显著优点，是削减二级出水中氮磷等污染物的有效工艺之一，为污水处理厂尾水的深度处理开辟了一条新途径。
垂直流人工湿地由于占地面积少、处理效果好、卫生条件好等优点受到越来越广泛的关注。同时，垂直流人工湿地形成的好氧、缺氧、厌氧环境，有利于微生物硝化、反硝化作用的进行，从而提高装置的脱氮效率。但是，在采用垂直流人工湿地处理污水处理厂尾水时，由于尾水特殊的水质，发现仍存在如下缺陷：(1)经过二级处理后，尾水的碳源低、可生化性差(BOD5/COD为0.1～0.35，BOD5/TN约为1)，尾水中的有机物主要是富里酸、腐殖酸、表面活性剂和其他痕量难降解有机物，这些有机物难以被微生物所利用，湿地装置可利用碳源不足是限制微生物反硝化作用导致脱氮效率低的主要原因;(2)由于冬季气温低，植被层枯萎，植物对污染物的去除能力下降，甚至会向水中释放部分氮磷;另一方面，温度下降会降低微生物细胞内电子传递速率，导致微生物活性和生物脱氮能力下降，最终影响了整个湿地装置的脱氮效果。
发明内容
解决的技术问题：针对污水处理厂二级处理尾水中氮含量偏高，目前垂直流人工湿地处理污水厂尾水存在碳源低、可生化性差、冬季气温低影响湿地装置的去污能力，从而导致其脱氮效率低等问题，本发明提供一种针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置及应用。
技术方案：所述针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置，包括从上到下依次排列的植被层、粗砂层、第一砾石基质层、第二砾石基质层、承托层和集水区;
所述第一砾石基质层中部设有第一砾石基质层在线ORP电极;
所述第二砾石基质层中部设有第二砾石基质层在线ORP电极;
所述集水区顶部设有穿孔集水板，集水区底部设有坡度为5%且呈漏斗状的斜坡，所述斜坡中心设有排渣口，此外，集水区底部设有支撑柱;
所述针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置顶部设有进水口，底部设有出水口;
所述第一砾石基质层均匀掺杂铁炭Ⅰ，所述铁炭Ⅰ中铁炭质量比为MFe：MC=2:1～6:1;
所述第二砾石基质层均匀掺杂铁炭Ⅱ，所述铁炭Ⅱ中铁炭质量比为MFe：MC=0.5:1～2:1。
作为优选，铁炭Ⅰ为直径10～30mm的块状，铁炭中铁炭质量比为MFe：MC=5:1。
作为优选，铁炭Ⅱ为直径10～30mm的块状，铁炭中铁炭质量比为MFe：MC=1:1。
作为优选，所述粗砂层的粗砂粒径为2～4mm。
作为优选，所述砾石基质层的砾石粒径为4～8mm，所述砾石基质层与铁炭的掺杂比例为砾石基质层总质量的0.5%～3%。
作为优选，所述砾石基质层与铁炭的掺杂比例为砾石基质层总质量的1%。
作为优选，所述承托层由砾石组成，所述砾石粒径为8～16mm。
作为优选，所述穿孔集水板开孔孔径为5mm，开孔率为8.25%。
本发明的另一种技术方案还包括所述人工湿地装置在污水处理厂尾水深度脱氮中的应用。
所述应用步骤为：
1)尾水从湿地装置上部进入植被层(4)，利用植物直接吸收污水中的氮磷元素;
2)进行初步吸收后尾水进入到粗砂层(5)，去除大颗粒的悬浮物;
3)预处理后的尾水进入第一砾石基质层(6)，通过铁炭内电解将复杂大分子有机物分解为小分子有机物;
4)处理后的尾水进入第二砾石基质层(7)，经过反硝化菌的反硝化作用和电解产氢反硝化作用对尾水进行脱氮，所述反硝化菌为微球反硝化菌。
有益效果：1、本发明在第一砾石基质层的基质中均匀掺杂了铁炭Ⅰ(铁炭质量比为MFe：MC=2:1～6:1)，直径10～30mm的块状铁炭，铁炭在具有一定电导率的污水中形成原电池，发生内电解反应，与现有的垂直流人工湿地相比，能够将污水中复杂的大分子有机物分解为小分子有机物，消耗氧气的同时为微生物的反硝化作用提供更多可利用碳源。
2、本发明在第二砾石基质层的基质中均匀掺杂了铁炭Ⅱ(铁炭质量比为MFe：MC=0.5:1～2:1)，直径10～30mm的块状铁炭，在厌氧条件下，本砾石基质层除了发生传统的异养反硝化作用外还会发生电解产氢自养反硝化，自养反硝化菌以电极产生的H2为电子供体，将氮氧化物作为电子受体还原成N2。与现有的垂直流人工湿地相比，不仅能够实现传统的异养反硝化脱氮，还可促进微生物的自养反硝化脱氮，从而提高了湿地装置的脱氮效率。
3、与现有的垂直流人工湿地相比，本发明通过从上到下依次设置植被层、粗砂层、第一砾石基质层、第二砾石基质层和承托层，递进吸收处理氮元素，提高了湿地装置的脱氮效率。
4、与现有的垂直流人工湿地相比，本发明在第一砾石基质层和第二砾石基质层中掺杂的铁炭发生原电池反应，产生的新生态铁离子能够参与到细胞中通过Fe2+和Fe3+之间氧化还原反应来进行的电子传递，从而提高了生化反应的速率，并有效改善碳源可生化性;两层铁炭的分别设置可促进异养反硝化和自养反硝化的同步顺利进行，进一步提高湿地装置脱氮效率，特别是改善冬季低温时湿地的脱氮效果。