申请日2015.11.02
公开(公告)日2016.01.20
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及自清式微曝气复合人工湿地污水处理系统及处理方法。本发明要解决的技术问题是传统人工湿地溶解氧偏低，占地面积较大，填料易堵塞，对高浓度污水处理效果差等问题。本发明污水处理系统包括依次水流连通的包括由管道依次连接的预处理构筑物、自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置、ANAMMOX脱氮型侧向潜流人工湿地污水处理装置和生物观测塘。本发明的污水处理系统处理效率高，可适应不同的水质变化，脱氮效果好，自清式的人工湿地不易堵塞，可进行反冲洗，出水水质稳定，确保了湿地系统的长期稳定运行。
权利要求书
1.自清式微曝气复合人工湿地污水处理系统，包括依次水流连通的预处理构筑物、自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置、可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置和生物观测塘;其特征在于：
所述预处理构筑物上设置有系统进水管;
所述自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置由配水区、池体和集水区组成;待处理污水经进水管流入配水区，再以溢流的方式从配水区流入池体，经池体处理后的出水采用溢流的方式流入集水区;所述池体为多级不同处理功能的竖向折流湿地串联而成，沿水流方向依次为厌氧湿地、碳氧化湿地和短程硝化-反硝化湿地，厌氧湿地和碳氧化湿地各采用一个单元池，短程硝化-反硝化湿地由若干单元池组成;厌氧湿地从底部到顶部依次设置有反冲洗管和填料层，碳氧化湿地和短程硝化-反硝化湿地从底部到顶部依次设置有反冲洗管、微曝气管、填料层和水生植物，采用分级微曝气方式，总的曝气量的气水比小于2︰1，并控制碳氧化湿地的曝气量大于短程硝化-反硝化湿地，使碳氧化湿地中水的溶解氧达到1～2mg/L，短程硝化 -反硝化湿地水中的溶解氧达到0.5mg/L;
可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置由自然复氧槽、侧向潜流湿地床组成，其中一个自然复氧槽连接一个侧向潜流湿地床组成一组单元池，多组单元池串联沿梯度向下共同组成所述湿地污水处理装置;所述自然复氧槽为跌跃式薄水层自然复氧槽;所述侧向潜流湿地床包含湿地床体、布水管、集水管、填料、湿地植物和含ANAMMOX菌的沉积物;布水管和集水管均设置在侧向潜流湿地床底部，分别布置在侧向潜流湿地床的进水端和出水端，以实现侧向潜流湿地床中的水流均匀性，含ANAMMOX菌的沉积物铺在填料上;
生物观测塘中栽种水生植物，还设置有出水管，通过溢流的方式出水。
2.如权利要求1所述的污水处理系统，其特征在于：所述自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置的池体设置有横向隔墙，将池体沿水流方向分隔为单独的单元池，上一个单元池的出水采用穿孔溢流的方式流入下一个单元池，并在穿孔处设置有一个阀门，以控制单元池的进水和出水;每个单元池内均设置有一个与水流方向垂直的横向挡墙，将单元池分为前后两段，横向挡墙底部开孔，使每个单元池内的水流能够在湿地池中上下翻腾通过，形成折流式水流形态，避免死水区。
3.如权利要求1或2所述的污水处理系统，其特征在于：所述的微曝气管包含曝气主管、曝气干管和曝气支管，曝气主管沿人工湿地外一侧布置，曝气主管上分出数根曝气干管，每个单元池内有至少一根曝气干管，曝气干管沿池壁向下并在池底横向布置，曝气干管上分出数根曝气支管，曝气支管纵向并排布置，曝气主管和每根曝气干管上均设置有阀门，所述曝气管支管的曝气孔直径大小为1～3mm;所述的反冲洗管包含反冲洗主管、反冲洗干管和反冲洗支管，反冲洗管布置在池体底部，反冲洗主管沿人工湿地外一侧布置，并接出数根反冲洗干管，每一根反冲洗干管横向伸入一个单元池，反冲洗干管再接出纵向并排布置的反冲洗支管，反冲洗主管和每根干管上均设置有阀门;反冲洗主管上还设置有放空管;单元池还设置有溢流管，用于将反冲洗产生的污水排出。
4.如权利要求3所述的污水处理系统，其特征在于：所述的曝气孔沿曝气支管轴向设置为两排，两排曝气孔的中心线过曝气支管轴心线的夹角为90°。
5.如权利要求1～4任一项所述的污水处理系统，其特征在于：可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置的湿地床体的有效水深高度为0.4～0.6m。
6.如权利要求1～5任一项所述的污水处理系统，其特征在于：所述自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置的湿地填料粒径为10～50mm，根据水流方向，单元池内填料粒径依次降低。
7.如权利要求1～6任一项所述的污水处理系统，其特征在于：可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置的填料为碎石、混凝土骨料或瓦砾中的一种或几种，粒径为5～10mm，根据水流方向，单元池内填料粒径依次降低。
8.权利要求1～7任一项所述污水处理系统的处理方法，其特征在于：污水从系统进水管进入预处理构筑物，然后依次由自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置和可实现 ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置处理，然后进入生物观测塘;
自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置池体沿水流方向分为厌氧、好氧和微氧三段，其中厌氧段和好氧段各为1个单元池，分别作为厌氧湿地和碳氧化湿地，微氧段可根据水质设置1或1个以上单元池，作为短程硝化-反硝化湿地;来自预处理构筑物的污水由配水区流入厌氧段的厌氧湿地内，在厌氧的环境中降解掉大部分难降解有机物;再流入好氧段的碳氧化湿地内，在微曝气和植物根系泌氧的协同作用下，使水中的溶解氧达到1～2mg/L，将碳污染物高效降解;最后流入微氧段的短程硝化-反硝化湿地内，在微曝气和植物根系泌氧的协同作用下，使水中的溶解氧达到0.5mg/L，为短程硝化反硝化提供适宜的环境，使得污水中的N 污染物得到高效去除，微氧段短程硝化-反硝化湿地的出水采用溢流的方式流入集水区;整个自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置采用连续进水、连续出水的运行方式，湿地表面水力负荷控制在2m3/(m2.d)以下，总的竖向折流湿地的水力停留时间控制在24h以上;
来自自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置集水区的污水由进水管流入可实现 ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置，污水由进水管流入第一组单元池的自然复氧槽中，通过跌跃式薄水层自然复氧的方式增加污水中的溶解氧，再流入侧向潜流湿地床中，湿地床体中布置有布水管、集水管、填料、湿地植物和含ANAMMOX菌的沉积物，湿地床竖向断面上水质条件均匀，整个湿地床内部沿水流方向为一个以厌缺氧为主的好氧、缺氧、厌氧的交替环境，在植物根系泌氧的协同作用下，污水总体处于微氧状态，待处理污水中亚硝酸盐的流入与厌缺氧的微环境为ANAMMOX菌生长提供适宜的环境，使得污水在侧向潜流湿地中同时发生硝化、反硝化以及ANAMMOX反应，污水中的碳源有机物沿程逐渐被消耗，C/N比不断降低，同时去除污水中的N污染物;随后污水流入下一组单元池的自然复氧槽中，再流入侧向潜流湿地床中，继续进行反应，经过多组单元池循环处理，直至达到出水标准;整个处理过程采用连续进水、连续出水的运行方式，进水通过预处理方法控制COD 与TN浓度比值在2:1以下，进水COD浓度在60mg/L以下，通过连续自然稳定进水，湿地床表面水力负荷控制在0.3m3/(m2.d)，总的侧向潜流湿地的水力停留时间控制在18h以上。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置的湿地床中没有导板阻隔。
说明书
自清式微曝气复合人工湿地污水处理系统及处理方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及自清式微曝气复合人工湿地污水处理系统。
背景技术
人工湿地是根据天然湿地净化污水的原理，通过人工建造和监督控制来强化其净化能力的污水处理技术。它是由透水性的基质、植物、水体、好氧或厌氧微生物种群和动物共同组成的复合系统。污水在人工湿地中经过包括生物降解、过滤、沉淀和吸附等作用处理后，污水中的有机化合物、悬浮固体、一些含氮化合物、磷和病原菌都得到了极大的削减。
人工湿地处理技术是未来水质提标一大热门处理技术，其具有投资省、效率高、环境效益好等优点，非常适合中、小城镇的污水处理。传统的人工湿地包括表面流型、潜流型和垂直流型，但由于自身构造的限制，使得溶解氧浓度偏低，占地面积较大，填料易堵塞等。在传统的污水处理中，曝气量通常为气水比>3:1，有的甚至为10:1。而在污水厂的运行中，曝气机的耗电费用占了很大部分，因此，如何在保证出水水质的情况下又能降低气水比，成为现今研究的热点。根据美国于2000年对多个运行中的人工湿地进行调查，发现有近50%的人工湿地系统在投入使用5年后出现了不同程度的堵塞。堵塞不仅会引起湿地过水能力的降低，从而导致大量污水壅积在湿地表面并阻隔氧气向基质层内扩散，降低湿地对污染物的去除效果，使出水水质达不到设计标准，此外堵塞还会缩短人工湿地的运行寿命。尤其是对垂直流人工湿地，其堵塞问题较为严重。
氮素污染的加剧也是近年来引起我国湖泊、河流以及近海等水域水华和赤潮大规模爆发的重要因素之一，因此，如何去除氮素污染引起了人们的广泛关注。近年来，随着生物脱氮理论与技术的突破，以ANAMMOX工艺为代表的新型生物脱氮技术逐渐进入人们视野。与传统生物脱氮技术相比，ANAMMOX菌为化学自养型细菌，并且ANAMMOX反应途径较短，因此ANAMMOX反应不需要碱度补偿和投加有机碳源，只需要维持较低的溶解氧，即可实现当废水进水C/N<3.4时或高氨氮废水的脱氮反应，从而节约了大量的能源和物料，节省运行成本，具有可持续发展的意义。ANAMMOX反应是微生物直接将NH4+-N和NO2-N反应转化为N2，达到脱氮的目的，其中作为电子受体的NO2-一般由氨转化而来。
已见公知的人工湿地如CN102531187A“一种层叠式垂直流-水平潜流组合湿地处理生活污水的方法”、CN203639245U“一种组合人工湿地系统”、CN103708621A“一种组合人工湿地系统及其污水处理方法”等主要是对人工湿地的流态、填料进行改造组合，其填料易堵塞，不适宜处理较高浓度的污水，占地面积较大。而在人工湿地中，将反冲洗自清技术、微曝气技术和基于ANAMMOX脱氮原理的侧向潜流湿地技术同时系统的应用于人工湿地则未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是传统人工湿地溶解氧偏低，占地面积较大，填料易堵塞，对高浓度污水处理效果差。
本发明的技术方案如下：
本发明提出的自清式微曝气复合人工湿地污水处理系统包括依次水流连通的预处理构筑物、自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置、可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置和生物观测塘;整个系统各部分的组成关系如下：
预处理构筑物上设置有系统进水管;
自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置由配水区、池体和集水区组成;待处理污水经进水管流入配水区，再通过溢流的方式从配水区流入池体，经池体处理后的出水采用溢流的方式流入集水区;所述池体为多级不同处理功能的竖向折流湿地串联而成，沿水流方向依次为厌氧湿地、碳氧化湿地和短程硝化-反硝化湿地，厌氧湿地和碳氧化湿地各采用一个单元池，短程硝化-反硝化湿地由若干单元池组成;厌氧湿地从底部到顶部依次设置有反冲洗管和填料层，碳氧化湿地和短程硝化-反硝化湿地从底部到顶部依次设置有反冲洗管、微曝气管、填料层和水生植物，采用分级微曝气方式，总的曝气量的气水比小于2︰1，并控制碳氧化湿地的曝气量大于短程硝化-反硝化湿地，使碳氧化湿地中水的溶解氧达到1～2mg/L，短程硝化-反硝化湿地水中的溶解氧达到0.5mg/L;
可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置由自然复氧槽、侧向潜流湿地床组成，其中一个自然复氧槽连接一个侧向潜流湿地床组成一组单元池，多组单元池串联沿梯度向下共同组成所述湿地污水处理装置;所述自然复氧槽为跌跃式薄水层自然复氧槽;所述侧向潜流湿地床包含湿地床体、布水管、集水管、填料、湿地植物和含ANAMMOX菌的沉积物;布水管和集水管均设置在侧向潜流湿地床底部，分别布置在侧向潜流湿地床的进水端和出水端，以实现侧向潜流湿地床中的水流均匀性，含ANAMMOX菌的沉积物铺在填料上;
生物观测塘中栽种水生植物，还设置有出水管，通过溢流的方式出水。
其中，自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置的池体设置有横向隔墙，将池体沿水流方向分隔为单独的单元池，上一个单元池的出水采用穿孔溢流的方式流入下一个单元池，并在穿孔处设置有一个阀门，以控制单元池的进水和出水;每个单元池内均设置有一个墙体与水流方向垂直的横向挡墙，将单元池分为前后两段，横向挡墙底部开孔，使每个单元池内的水流能够在湿地池中上下翻腾通过，形成折流式水流形态，避免死水区。
其中，微曝气管包含曝气主管、曝气干管和曝气支管，曝气主管沿人工湿地外一侧布置，曝气主管上分出数根曝气干管，每个单元池内有至少一根曝气干管，曝气干管沿池壁向下并在池底横向布置，曝气干管上分出数根曝气支管，曝气支管纵向并排布置，曝气主管和每根曝气干管上均设置有阀门，所述曝气管支管的曝气孔直径大小为1～3mm;所述的反冲洗管包含反冲洗主管、反冲洗干管和反冲洗支管，反冲洗管布置在池体底部，反冲洗主管沿人工湿地外一侧布置，并接出数根反冲洗干管，每一根反冲洗干管横向伸入一个单元池，反冲洗干管再接出纵向并排布置的反冲洗支管，反冲洗主管和每根干管上均设置有阀门;反冲洗主管上还设置有放空管;单元池还设置有溢流管，用于将反冲洗产生的污水排出。
其中，曝气孔沿曝气支管轴向设置为两排，两排曝气孔的中心线过曝气支管轴心线的夹角为90°。
其中，可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置的湿地床体的有效水深高度为0.4～0.6m。
其中，自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置的湿地填料粒径为10～50mm，根据水流方向，单元池内填料粒径依次降低。
其中，可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置的填料为碎石、混凝土骨料或瓦砾中的一种或几种，粒径为5～10mm，根据水流方向，单元池内填料粒径依次降低。
本发明还提供了所述污水处理系统的处理方法，总的过程是：污水从系统进水管进入预处理构筑物，然后依次由自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置和可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置处理，然后进入生物观测塘。
具体方法是：
自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置池体沿水流方向分为厌氧、好氧和微氧三段，其中厌氧段和好氧段各为1个单元池，分别作为厌氧湿地和碳氧化湿地，微氧段可根据水质设置1或1个以上单元池，作为短程硝化-反硝化湿地;来自预处理构筑物的污水由配水区流入厌氧段的厌氧湿地内，在厌氧的环境中降解掉大部分难降解有机物;再流入好氧段的碳氧化湿地内，在微曝气和植物根系泌氧的协同作用下，使水中的溶解氧达到1～2mg/L，将碳污染物高效降解;最后流入微氧段的短程硝化-反硝化湿地内，在微曝气和植物根系泌氧的协同作用下，使水中的溶解氧达到0.5mg/L，为短程硝化反硝化提供了适宜的环境，使得污水中的N污染物得到高效去除，微氧段短程硝化-反硝化湿地的出水采用溢流的方式流入集水区;整个自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置采用连续进水、连续出水的运行方式，湿地表面水力负荷控制在2m3/(m2.d)以下，总的竖向折流湿地的水力停留时间控制在24h以上;
来自自清式微曝气竖向折流湿地污水处理装置集水区的污水由进水管流入可实现 ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置，污水由进水管流入第一组单元池的自然复氧槽中，通过跌跃式薄水层自然复氧的方式增加污水中的溶解氧，再流入侧向潜流湿地床中，湿地床体中布置有布水管、集水管、填料、湿地植物和含ANAMMOX菌的沉积物，湿地床竖向断面上水质条件均匀，整个湿地床内部沿水流方向为一个以厌缺氧为主的好氧、缺氧、厌氧的交替环境，在植物根系泌氧的协同作用下，污水总体处于微氧状态，待处理污水中亚硝酸盐的流入与厌缺氧的微环境为ANAMMOX菌生长提供适宜的环境，使得污水在侧向潜流湿地中同时发生硝化、反硝化以及ANAMMOX反应，污水中的碳源有机物沿程逐渐被消耗，C/N比不断降低，同时去除污水中的N污染物;随后污水流入下一组单元池的自然复氧槽中，再流入侧向潜流湿地床中，继续进行反应，经过多组单元池循环处理，直至达到出水标准;整个处理过程采用连续进水、连续出水的运行方式，进水通过预处理方法控制COD 与TN浓度比值在2:1以下，进水COD浓度在60mg/L以下，通过连续自然稳定进水，湿地床表面水力负荷控制在0.3m3/(m2.d)，总的侧向潜流湿地的水力停留时间控制在18h以上。
其中，可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置的湿地床中没有导板阻隔。
本发明中，自清式微曝气竖向折流湿地采用微曝气的方式，进一步提升了湿地填料层内部的溶解氧含量，植物根系释氧和曝气相结合保证了有机物能够被顺利的去除。与传统的曝气方式相比，微曝气量小缓慢，适量的曝气促进了湿地中生物膜的发展,使其不会因大量曝气对生物膜造成冲刷，同时减少矿物质的积累,保证了填料之间的水流通路。另外微曝气的方式也在保证出水水质条件下，更加节省能耗，减少了运行成本。
另外，自清式微曝气竖向折流湿地所采用的是可调节的微曝气方式，可通过阀门的启闭对每一反应单元的曝气量进行调节，使得本反应器可以较灵活的适应各种不同的水质变化。当进水COD含量高时，可通过控制阀门使部分反应单元进行曝气或者进行间歇曝气，进而强化了反应池的好氧—缺氧环境，强化有机物的去除效果;当进水COD含量较低时，可关闭微曝气采用自然复氧来维持填料层溶解氧水平，进一步节省能耗。
人工湿地的堵塞问题一直比较严重，运行一段时间后均会出现不同程度的堵塞，且一旦堵塞难以修复。经试验研究证明，人工湿地其污水中的有机质主要被吸附截留在反应器进水部分，且沿污水流动方向填料层中的有机质含量逐渐递减。因而在本发明的自清式微曝气竖向折流湿地中，前一个反应池的填料粒径较后一个反应池的填料粒径大，并配合微曝气所形成的局部紊流冲刷作用，使得填料不易堵塞，并且使得反应池靠后端也能吸附截留一定量的有机质，使得后端也有较为充足的碳源来保证生物脱氮除磷的效果。在自清式微曝气竖向折流湿地中增设了反冲洗系统，当填料开始堵塞之后进行反冲洗，可以提高填料层的渗透系数，保证了系统出水效果的稳定，也有效地延长了人工湿地的使用寿命。
本发明的基于ANAMMOX脱氮原理的侧向潜流湿地污水处理装置的设置，进一步吸附了前段出水的氮磷。同时，由于前端反应池消耗了大部分的碳源，而氮元素未得到充分的去除，使得侧向潜流湿地的进水中C/N较低。为保证最终的出水达标排放，在侧向潜流床的前端设置有一个自然复氧槽，从而保证了在侧向潜流床中进行ANAMMOX生物脱氮提供适宜的环境。其中，自然复氧槽为已公开的CN102583760A“跌跃式薄水层人工湿地复氧槽”，水在通过自然复氧槽时，会形成5～20毫米厚薄水层，水在槽内与空气广泛接触，增加了侧向潜流湿地床内的溶解氧。
本发明的人工湿地的折流式和潜流式流态使水固接触面积大，微曝气的人工湿地通过底部曝气，提高了水体中的溶解氧，强化了水体中的微生物的作用，进而提高了湿地的水力负荷，故本系统的占地面积与同类湿地相比大幅减小。
本发明的生物观测塘相当于清水池的作用，塘中栽种水生植物，进一步去除水中的污染物质及病原菌等其他有毒有害物质，最后通过溢流的方式出水。
本发明的有益效果：
1)微曝气人工湿地可灵活调节微曝气方式，处理效率高，可适应不同的水质变化，有机物的去除效果好：
2)自清式的人工湿地不易堵塞，可进行反冲洗，出水水质稳定;确保了湿地系统的长期稳定运行;
3)基于ANAMMOX脱氮原理的侧向潜流湿地床进一步保证了出水中氮元素的去除;在每一级之间增设的自然复氧槽优化了湿地的富氧能力，无需人工曝气即可保证整个侧向潜流湿地床中形成低氧环境，即可实现ANAMMOX生物脱氮，节省能耗;
4)自清式微曝气负荷人工湿地污水处理系统占地面积较小，工艺流程短、运行管理简便;本发明中各管路上均设有阀门，通过控制阀门的启闭即可实现运行模式的控制切换，加之整个反应器结构简单，不易堵塞，故此种反应器的工艺流程短、运行管理简便;
5)由于本发明的湿地系统存在着反冲洗等情况，可以将本发明中的自清式微曝气人工湿地和侧向潜流人工湿地进行多组平行运行，以保证连续处理来水，并且可以根据实际水质水量等增加或减少单元格，合理使用，提高效率。