申请日2015.07.17
公开(公告)日2015.12.23
IPC分类号C02F3/30; C02F101/30; C02F103/20; C02F3/32
摘要
本发明公开了一种处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，包括串联设置的强化总氮去除区(1)、强化硝化区(2)和强化反硝化区(3)。本发明所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统可以合理利用养殖废水的水质特征，实现有机物、N和P的协同及高效去除。
权利要求书
1.一种处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其特征在于：包括串联设置的强化总 氮去除区(1)、强化硝化区(2)和强化反硝化区(3)。
2.根据权利要求1所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其特征在于：所述 强化总氮去除区(1)包括第一基质区和第一排水区，所述第一基质区从上至下依次包括沸石 快速吸附-再生动态平衡层(5)、反硝化层(6)和第一集水层(7)，在所述第一集水层(7) 中设置有第一集水管(8)，其出水口端设置在所述第一排水区的下部。
3.根据权利要求2所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其特征在于：在所 述沸石快速吸附-再生动态平衡层(5)中设置有第一布水管(4)，其进水口端与外部进水管 相连通，在所述强化总氮去除区(1)中沿竖直方向均匀设置有多个复氧管(16)，所述复氧 管(16)的上端高于所述沸石快速吸附-再生动态平衡层(5)的表面，下端与所述第一集水 管(8)相连通。
4.根据权利要求3所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其特征在于：所述 强化硝化区(2)包括第二基质区和第二排水区，所述第二基质区从上至下依次包括强化硝化 层(10)、强化总磷吸附层(11)和第二集水层(19)，在所述第二集水层(19)中设置有第 二集水管(20)，其出水口端设置在所述第二排水区的下部，在所述强化硝化层(10)中设置 有第二布水管(18);
所述强化总氮去除区(1)和所述强化硝化区(2)之间通过第一虹吸排水管(9)相连， 所述第一虹吸排水管(9)的前端为第一虹吸进水管，所述第一虹吸进水管竖直设置在所述第 一排水区的上部，所述第一虹吸排水管(9)的后端与所述第二布水管(18)相连通。
5.根据权利要求4所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其特征在于：所述 强化反硝化区(3)包括第三基质区和第三排水区，所述第三基质区从上至下依次包括固体碳 源强化反硝化层(13)、净化层(14)和第三集水层(23)，在所述第三集水层(23)中设置 有第三集水管(22)，其出水口端设置在所述第三排水区的下部，在所述固体碳源强化反硝化 层(13)上设置有第三布水管(21)，在所述第三排水区的上部设置有排放管(15);
所述强化硝化区(2)和所述强化反硝化区(3)之间通过第二虹吸排水管(12)相连， 所述第二虹吸排水管(12)的前端为第二虹吸进水管，所述第二虹吸进水管竖直设置在所述 第二排水区的上部，所述第二虹吸排水管(12)的后端与所述第三布水管(21)相连通。
6.根据权利要求5所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其特征在于：所述 沸石快速吸附-再生动态平衡层(5)所采用的基质为沸石，填充厚度为30～40cm，沸石的粒 径为3～10mm;反硝化层(6)所采用的基质为红砖砖渣，粒径为5～15mm，填充厚度为 30～80cm;
所述复氧管(16)采用直径为5～10cm的PVC管，其上端管口在沸石快速吸附-再生动 态平衡层(5)的上表面以上10～20cm处，从所述沸石快速吸附-再生动态平衡层(5)下表 面向上不超过30cm的高度内的所述复氧管(16)的管壁上交错开有多排直径为2～3mm的 圆形通气孔，所述圆形通气孔由外壁向内壁方向向上倾斜45度，相邻的两排圆形通气孔的圆 心间的间距为8～20mm，同排相邻的圆形通气孔的圆心间的间距为8～15mm;多个所述复 氧管(16)之间及所述复氧管(16)与强化总氮去除区(1)的四周之间的间距均不小于50cm。
7.根据权利要求6所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其特征在于：所述 强化硝化层(10)所采用的基质为沸石，填充厚度为20～30cm，沸石的粒径为3～10mm; 所述强化总磷吸附层(11)所采用的基质为红砖砖渣，粒径为5～15mm，填充厚度为30～ 50cm;
所述固体碳源强化反硝化层(13)填充的固体碳源为农林废弃物，为水稻秸秆、小麦秸 秆、玉米秸秆、玉米芯、高粱秸秆、林业废弃物的一种或多种组合，填充高度为20～40cm; 所述净化层(14)采用的基质为红砖砖渣，粒径为5～15mm，填充厚度为20～40cm。
8.根据权利要求7所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其特征在于：所述 第一虹吸进水管的顶端与所述沸石快速吸附-再生动态平衡层(5)下表面之间的垂直距离为 25～35cm，所述第一虹吸进水管的进水口与所述沸石快速吸附-再生动态平衡层(5)的下表 面平齐;所述第二虹吸进水管的顶端与所述强化硝化层(10)下表面之间的垂直距离为17～ 27cm，所述第二虹吸进水管的进水口与所述强化硝化层(10)的下表面平齐;
在所述第一集水层(7)、所述第二集水层(19)和所述第三集水层(23)中填充的基质 为砾石，粒径为3～5cm，填充厚度为5cm;
在所述沸石快速吸附-再生动态平衡层(5)和所述强化硝化层(10)上种植有湿地植物， 在所述沸石快速吸附-再生动态平衡层(5)上种植的湿地植物为美人蕉或芦苇，在所述强化 硝化层(10)上种植的湿地植物为空心菜或黑麦草。
9.一种采用权利要求8所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统进行废水处理的 方法，其特征在于：分为进水期和落干期，包括如下步骤：
经厌氧处理后的养殖废水经布水管依次通过强化总氮去除区(1)中的沸石快速吸附-再 生动态平衡层(5)、反硝化层(6)、第一集水层(7)和第一集水管(8)，由第一虹吸排水管 (9)进入强化硝化区(2)中的强化硝化层(10)，流经强化总磷吸附层(11)后由第二虹吸 排水管(12)进入强化反硝化区(3)的固体碳源强化反硝化层(13)，经过净化层(14)后 由排放管(15)排出;
其中，所述强化总氮去除区(1)利用进水中的有机物为碳源，通过反硝化途径去除部分 进水中的总氮，在进水期，进水中的部分有机物和氨氮在沸石快速吸附-再生动态平衡层(5) 被沸石和微生物快速吸附;落干期，在复氧管(16)强化复氧的作用下，沸石吸附的氨氮被 硝化菌转化为硝酸盐和亚硝酸盐;进水中未被沸石快速吸附-再生动态平衡层(5)吸附的有 机物和落干期产生的硝酸盐和亚硝酸盐在反硝化层(6)通过反硝化微生物作用，实现总氮去 除，所述强化硝化区(2)通过生物沸石的作用进一步将强化总氮去除区(1)出水中的氨氮 转化为硝酸盐和亚硝酸盐;所述强化反硝化区(3)以固体碳源为反硝化底物，将强化总氮去 除区(1)和强化硝化区(2)产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述固体碳源强化反硝化层(13)的固 体碳源消耗量大于初次投加量的1/3时，需要补加至初始投加高度;所述强化反硝化区(3) 的饱和液位为所述固体碳源强化反硝化层(13)的上表面;所述湿地的单次进水量为所述沸 石快速吸附-再生动态平衡层(5)孔隙体积的1.05～1.2倍;所述强化硝化层(10)的体积是 所述沸石快速吸附-再生动态平衡层(5)的0.8～0.9倍;所述湿地系统以间歇进水的方式运 行，每天进水1～2次，单次的进水时间为0.5～1.5h，其余时间为落干静置。
说明书
一种处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种适用于处理养殖废水的功能分区型人工湿地系 统。
背景技术
近年来，随着人们生活质量的不断改善，畜产品的需求量日渐增加，促使我国畜牧业的 快速发展。与此同时，畜禽养殖排放的COD、N、P等污染物量不断增加，造成的环境污染 问题越来越突出。根据2010年2月发布的《第一次全国污染源普查公报》，畜禽养殖业主要 污染物中，COD排放量高达1268万吨，占全国的41.8%;总氮排放量为102万吨，占全国 的22%;总磷排放量为16万吨，占全国的37.9%。动物粪便产生量2.4亿吨，尿液产生量1.6 亿吨，大部分粪尿并未采取有效处理措施就直接排放至附近水体，已经成为很多农村地区环 境污染的头号污染源。
人工湿地生态处理技术是一种独特的“植物—微生物—基质”生态系统，在系统中植物、 微生物以及基质的共同作用下，使污水中的污染物得到降解。人工湿地技术具有造价低、处 理效果好、操作简单、能耗小、缓冲容量大、具有美学价值以及集环境、生态和社会效益于 一体等优点。但是人工湿地存在脱氮能力较弱的显著缺陷。由于人工湿地中微生物的硝化、 反硝化作用是最主要的脱氮途径。因此，常规人工湿地脱氮能力较弱主要是由两个因素导致 的，一是复氧效果较差，抑制了硝化;二是碳源不足，抑制了反硝化。
源分离被认为是控制畜禽养殖污染的有效手段，源分离后的养殖废水仍具有高浓度的 COD、N和P。厌氧处理是一种经济有效的处理养殖废水的方法，但是厌氧处理只能去除部分 COD，对N和P的去除不明显，仍需进一步的处理。为此，经厌氧处理后的养殖废水以常规人 工湿地继续处理时，存在一系列问题。降解有机物的异养微生物对自养的硝化菌形成抑制， 养殖废水中较高的COD将严重抑制氨氮的硝化。同时，由于有机物在湿地前部或上层被微生 物优先利用，导致反硝化区域碳源不足，抑制了反硝化过程。
为此，需要根据养殖废水的水质特征，针对性的开发具有强化去除功能的人工湿地系统。
发明内容
本发明提供了一种适宜处理养殖废水(经厌氧工艺处理后)的功能分区型人工湿地，合 理利用养殖废水的水质特征，实现有机物、N和P的协同及高效去除。
一种处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，包括串联设置的强化总氮去除区、强化 硝化区和强化反硝化区。
本发明所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其中所述强化总氮去除区包括 第一基质区和第一排水区，所述第一基质区从上至下依次包括沸石快速吸附-再生动态平衡 层、反硝化层和第一集水层，在所述第一集水层中设置有第一集水管，其出水口端设置在所 述第一排水区的下部。
本发明所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其中，在所述沸石快速吸附-再 生动态平衡层中设置有第一布水管，其进水口端与外部进水管相连通，在所述强化总氮去除 区中沿竖直方向均匀设置有多个复氧管，所述复氧管的上端高于所述沸石快速吸附-再生动态 平衡层的表面，下端与所述第一集水管相连通。
本发明所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其中所述强化硝化区包括第二 基质区和第二排水区，所述第二基质区从上至下依次包括强化硝化层、强化总磷吸附层和第 二集水层，在所述第二集水层中设置有第二集水管，其出水口端设置在所述第二排水区的下 部，在所述强化硝化层中设置有第二布水管;
所述强化总氮去除区和所述强化硝化区之间通过第一虹吸排水管相连，所述第一虹吸排 水管的前端为第一虹吸进水管，所述第一虹吸进水管竖直设置在所述第一排水区的上部，所 述第一虹吸排水管的后端与所述第二布水管相连通。
本发明所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其中所述强化反硝化区包括第 三基质区和第三排水区，所述第三基质区从上至下依次包括固体碳源强化反硝化层、净化层 和第三集水层，在所述第三集水层中设置有第三集水管，其出水口端设置在所述第三排水区 的下部，在所述固体碳源强化反硝化层上设置有第三布水管，在所述第三排水区的上部设置 有排放管;
所述强化硝化区和所述强化反硝化区之间通过第二虹吸排水管相连，所述第二虹吸排水 管的前端为第二虹吸进水管，所述第二虹吸进水管竖直设置在所述第二排水区的上部，所述 第二虹吸排水管的后端与所述第三布水管相连通。
本发明所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其中所述沸石快速吸附-再生动 态平衡层所采用的基质为沸石，填充厚度为30～40cm，沸石的粒径为3～10mm;反硝化层 所采用的基质为红砖砖渣，粒径为5～15mm，填充厚度为30～80cm;
所述复氧管采用直径为5～10cm的PVC管，其上端管口在沸石快速吸附-再生动态平衡 层的上表面以上10～20cm处，从所述沸石快速吸附-再生动态平衡层下表面向上不超过30cm 的高度内的所述复氧管的管壁上交错开有多排直径为2～3mm的圆形通气孔，所述圆形通气 孔由外壁向内壁方向向上倾斜45度，相邻的两排圆形通气孔的圆心间的间距为8～20mm， 同排相邻的圆形通气孔的圆心间的间距为8～15mm;多个所述复氧管之间及所述复氧管与强 化总氮去除区四周之间的间距均不小于50cm。
本发明所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其中所述强化硝化层所采用的 基质为沸石，填充厚度为20～30cm，沸石的粒径为3～10mm;所述强化总磷吸附层所采用 的基质为红砖砖渣，粒径为5～15mm，填充厚度为30～50cm;
所述固体碳源强化反硝化层填充的固体碳源为农林废弃物，为水稻秸秆、小麦秸秆、玉 米秸秆、玉米芯、高粱秸秆、林业废弃物的一种或多种组合，填充高度为20～40cm;所述 净化层采用的基质为红砖砖渣，粒径为5～15mm，填充厚度为20～40cm。
本发明所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统，其中所述第一虹吸进水管的顶 端与所述沸石快速吸附-再生动态平衡层下表面之间的垂直距离为25～35cm，所述第一虹吸 进水管的进水口与所述沸石快速吸附-再生动态平衡层的下表面平齐;所述第二虹吸进水管的 顶端与所述强化硝化层下表面之间的垂直距离为17～27cm，所述第二虹吸进水管的进水口 与所述强化硝化层的下表面平齐;
在所述第一集水层、所述第二集水层和所述第三集水层中填充的基质为砾石，粒径为3～ 5cm，填充厚度为5cm;
在所述沸石快速吸附-再生动态平衡层和所述强化硝化层上种植有湿地植物，在所述沸石 快速吸附-再生动态平衡层上种植的湿地植物为美人蕉或芦苇，在所述强化硝化层上种植的湿 地植物为空心菜或黑麦草。
一种采用所述的处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统进行废水处理的方法，包括如 下步骤：
其中，经厌氧处理后的养殖废水经布水管依次通过强化总氮去除区中的沸石快速吸附- 再生动态平衡层、反硝化层、集水层和集水管，由虹吸进水管进入强化硝化区中的强化硝化 层，流经强化总磷吸附层后由虹吸排水管进入强化反硝化区的固体碳源强化反硝化层，经过 净化层后由排放管排出;
所述强化总氮去除区利用进水中的有机物为碳源，通过反硝化途径去除部分进水中的总 氮，在进水期，进水中的部分有机物和氨氮在沸石快速吸附-再生动态平衡层被沸石和微生物 快速吸附;落干期，在复氧管强化复氧的作用下，沸石吸附的氨氮被硝化菌转化为硝酸盐和 亚硝酸盐;进水中未被沸石快速吸附-再生动态平衡层吸附的有机物和落干期产生的硝酸盐和 亚硝酸盐在反硝化层通过反硝化微生物作用，实现总氮去除，所述强化硝化区通过生物沸石 的作用进一步将强化总氮去除区出水中的氨氮转化为硝酸盐和亚硝酸盐;所述强化反硝化区 以固体碳源为反硝化底物，将强化总氮去除区和强化硝化区产生的硝酸盐和亚硝酸盐还原为 氮气。
本发明所述的方法，其中所述固体碳源强化反硝化层的固体碳源消耗量大于初次投加量 的1/3时，需要补加至初始投加高度;所述强化反硝化区的饱和液位为固体碳源强化反硝化 层的上表面;所述湿地的单次进水量为所述沸石快速吸附-再生动态平衡层孔隙体积的1.05～ 1.2倍;所述强化硝化层的体积是所述沸石快速吸附-再生动态平衡层的0.8～0.9倍;所述湿 地系统以间歇进水的方式运行，每天进水1～2次，单次的进水时间为0.5～1.5h，其余时间 为落干静置;所述强化总氮去除区和所述强化硝化区为虹吸排水。
本发明处理养殖废水的功能分区型人工湿地系统与现有技术不同之处在于：
本发明所述湿地系统具有以下优点：
1、本发明针对经厌氧处理后养殖废水的水质特性，将人工湿地分为不同的功能分区，减 弱了异养菌对自养硝化菌的抑制，充分利用了废水中的有机物作为反硝化碳源，减少了外加 碳源的投加量。
2、有机物去除和氨氮硝化所需的氧气通过落干期湿地自然复氧实现，无需曝气，运行成 本低。
3、以农林废弃物作为反硝化所需的固体碳源，避免了传统液体碳源生物脱氮工艺中碳源 投加量不易控制的缺点，同时成本低廉。
4、复氧管的圆形通气孔由外壁向内壁方向向上倾斜45度，可以避免进水由通气孔短流 至第一集水管的风险。复氧管与第一集水管连通，有助于排放反硝化层产生的氮气。