申请日2014.08.29
公开(公告)日2014.12.17
IPC分类号C02F3/32
摘要
本发明公开了一种回流立式湿地污水处理工艺和装置及应用。本发明是自上而下将垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地和储水池组合成立式结构，通过布设水位监控器以控制循环泵的运行工况，实现污水的循环处理，并搭配继电器以控制调节每批次污水处理量和处理时间。本发明与传统的人工湿地相比，具有占地面积小、水力负荷大、低能耗、易操作和快速去除污染物的优点，其常规水质出水指标CODCr、SS、TN、NH4+～N远低于城市污水处理一级A标准所限定的浓度阈值(GB18918-2002)，出水农药含量符合生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)，出水重金属含量达到地表水Ⅱ类水标准(GB3838-2002)。本发明还实现了人工湿地类污水的自动化处理，解决了污水中有机物和氮污染物单次通过人工湿地去除效果差的问题。
权利要求书
1.一种回流立式湿地污水处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1.自上而下将垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地和储水池组合成立式污水处理系统;垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地和储水池通过集水管和布水管连接;
所述垂直流人工湿地底层设置填料，填料表面种植植物;所述水平潜流人工湿地设置填料;
S2.循环泵将污水从储水池抽水，通过单次抽水的过程中实现对污水的充氧，污水抽出后经过垂直流人工湿地中的植物吸收、吸附污水中的营养物质，并通过光合放氧对水体进行充氧，降低污水的有机负荷，垂直流人工湿地中的填料截留、吸附污水中的悬浮颗粒物和污水中的重金属及难降解类物质，NH4+～N转化为NO2-～N和NO3-～N;然后，污水经水平潜流人工湿地的吸附作用，污水中的NO2-～N和NO3-～N转化成氮气;
S3.污水反复通过所述立式污水处理系统最终实现出水水质的达标;
其中，所述立式污水处理系统为自动化控制，所述自动化控制的实现方法为：通过水位监控控制循环泵的启动和关闭，实现污水的循环处理，通过继电器控制调节单批次污水处理量和处理时间。
2.根据权利要求1所述回流立式湿地污水处理工艺，其特征在于，S1所述垂直流人工湿地底层设置填料，填料结构为砾石和陶粒两种填料，其中砾石在上，陶粒在下;所述两种填料的装填高度比例为1:1。
3.根据权利要求1所述回流立式湿地污水处理工艺，其特征在于，S1所述植物为挺水植物，种植挺水植物的密度为12株/m2。
4.根据权利要求1所述回流立式湿地污水处理工艺，其特征在于，S1所述水平潜流人工湿地设置填料为砾石。
5.根据权利要求1所述回流立式湿地污水处理工艺，其特征在于，所述自动化控制的实现方法是：通过继电器设置储水池出水管路继电器工作时间t1，时间t1保证储水池内处理过的污水能够排放至出水管的最低液面处，设置进水管路继电器工作时间t2，时间t2保证进水水量达到储水池的高液位处;设置t1 和t2的间隔时间为t3，时间t3为污水进入循环处理的时间;
手动打开开关，出水管路上的继电器率先工作，运行时间t1结束后，系统自动关闭出水管路上的继电器，同时自动打开进水管路上的继电器，当运行时间t2结束后，装置将不再进水，循环泵开始间歇性自动运行，污水进入循环处理的状态直至运行时间t3结束，单批次污水处理时间t= t1 +t2 +t3。
6.根据权利要求1所述回流立式湿地污水处理工艺，其特征在于，所述时间t3为300～360min。
7.权利要求1至6所述工艺的应用，其特征在于应用于生活污水、受农药污染的污水、受重金属污染的污水、受抗生素和/或内分泌干扰物污染的污水治理方面。
8.一种实现权利要求1至6任一项所述回流立式湿地污水处理工艺的装置，其特征在于，包括垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地、储水池、循环泵和机电箱，利用支架自上而下将垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地和储水池组合成立式结构;
所述垂直流人工湿地内部装填砾石和陶粒，砾石在上，陶粒在下，砾石表面种植风车草，垂直流人工湿地设有布水管，布水管的一端连接循环泵，循环泵连接储水池，垂直流人工湿地底部布设集水管，垂直流人工湿地的出水口设于湿地底部，出水口的一侧连接集水管，另一侧连接一个三通;三通的一侧连接阀门，三通的另一侧连接水平潜流人工湿地的布水管;
所述水平潜流人工湿地内部装填砾石，水平潜流人工湿地布设布水管，布水管连接所述垂直流人工湿地集水管，水平潜流湿地底部布设集水管，湿地底部设置出水口，出水口一侧连接集水管，另一侧连接一个三通，三通一侧连接一个阀门，三通的上部连接水管，水管设置阀门，并与储水池相连接;
所述储水池一侧底部设有出水管路，出水管路连接三通，三通一侧连接循环泵，另一侧连接出水管;储水池的另一侧布设进水管路;所述储水池内布设水位监控器，所述进水管路和出水管路上布设继电器，继电器受机电箱控制。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述垂直流人工湿地底部集水管为 “田字形”，集水管底部两侧左右对称45°角开孔，开孔位置间隔5cm，孔径为0.5cm;垂直流人工湿地的出水口设于湿地与布水管进入湿地一端相对侧的湿地底部中央位置;
所述的水平潜流人工湿地的布水管布设于与垂直流人工湿地的出水口位于同一侧的水平潜流人工湿地的表面，布水管的中部位置连接上层垂直流人工湿地集水管的出水管，布水管底部两侧左右对称45°角开孔，孔间距为5cm，孔径为0.5cm，水平潜流湿地与其布水管相对一侧的湿地底部布设集水管，集水管底部两侧左右对称45°角开孔，孔间距为5cm，孔径为0.5cm，出水口设置于与集水管同一侧的湿地底部中央处。
10.权利要求8或9所述装置的应用，其特征在于应用于生活污水、受农药污染的污水、受重金属污染的污水、受抗生素和/或内分泌干扰物污染的污水治理方面。
说明书
回流立式湿地污水处理工艺和装置及应用
技术领域
本发明涉及环境工程污水处理技术领域，更具体地，涉及一种回流立式湿地污水处理工艺及装置。
背景技术
人工湿地可分表面流和潜流湿地两大类。表面流人工湿地建造运行费用低，能有效缓和水力污染负荷冲击，但占地面积大，设计运行参数不准确。潜流人工湿地又分水平潜流和垂直潜流，其建造费用较表面流人工湿地高，但能充分利用湿地空间发挥植物、基质和微生物等要素之间的协同作用，提高去除有机污染物的能力，其中垂直流人工湿地复氧能力较强，硝化作用好，水平潜流人工湿地由于污水在基质下水平流动，复氧能力较差，容易形成以厌氧微生物或兼性厌氧微生物为主的环境，其反硝化作用较好。
单一类型的人工湿地往往无法达到水质处理要求，因此国内逐渐出现了各种组合型人工湿地，以期减少占地面积和提高污染物去除效率。申请号为200303157161.1的中国专利申请公开了一种污水的组合人工湿地处理的系统和方法，申请号为200310111813.X的中国专利申请公开了一种城市污水复合人工湿地脱氮除磷方法，申请号为200620022790.4的中国专利申请公开了一种复合人工湿地，申请号为200710015966.3的中国专利申请公开了一种潜-表流复合型人工湿地，申请号为200710164456.1的中国专利申请公开了一种用于污水处理的立体型人工湿地系统，申请号为200810197811.X的中国专利申请公开了复合垂直流人工湿地增氧系统，申请号为201110091785.4的中国专利申请公开了多级复合藕联人工湿地系统及其应用，申请号为201310721638.X的中国专利申请公开了一种组合人工湿地系统及其污水处理方法，申请号为201320152135.0的中国专利申请公开了多功能复合人工湿地系统，申请号为201410013794.5的中国专利申请公开了组合型人工湿地污水处理系统等等。但上述文献公开的系统仅局限于在水平结构上对不同类型的人工湿地进行组合串联，并未实际解决湿地占地面积大的问题，而且都无法达到快速去除污染物的目的，其水力停留时间往往超过1d以上，大大降低了污水的处理效率，甚至由于串联的湿地构型过多，导致管理困难，对人工管理要求较高。
人工湿地对氨态氮污染物的去除效果较好，但对硝态氮污染物的去除效果不甚理想，甚至呈负去除效率，最终导致总氮的去除效率低下。公开号为101423297的中国专利申请公开了一种复合垂直流人工湿地增氧系统，该方法通过在垂直流人工湿地底部设置排空管进行间歇曝气，创造了好氧和厌氧交替变化的环境条件，但该系统需要人工调节空气压缩机的比曝气速率和手动开停，日常操作较为繁琐且装置运行参数不易调节。如何在保证高脱氮效果的同时，实现装置的自动化运行和管理简便问题是本领域要解决的技术难题和研究的重要方向。
人工湿地出水回流能有效提高污染物的去除效率，申请号为200310111813.X的中国专利申请公开了城市污水复合人工湿地脱氮除磷方法，申请号为201120098642.1的中国专利申请公开了人工湿地出水回流装置，申请号为201410013794.5的中国专利申请公开了组合型人工湿地污水处理系统等等。然而上述涉及人工湿地出水回流的湿地工艺均是将循环泵置于不断运行抽水的工况，其电能损耗较多，循环泵的使用寿命不长，如何控制回流泵的运行条件以减少能耗成本，并达到最佳的去除效果是本领域要解决的另一技术难题。
此外，随着微量有毒污染物如农药、药物和内分泌干扰物等在水体环境中的检出频率和检出浓度不断升高，引起了人们对这类污染物所具有的毒性效应和富集作用，以及对水生生态系统结构和功能稳定影响的高度关注。人工湿地作为一种新型的生态污水处理技术，在我国的水处理中得到广泛应用，然而与国外的研究进展相比，国内仍处于研究人工湿地去除常规污染物的效率和机理阶段，关于人工湿地去除微量有毒污染物的人工湿地工艺尚未有报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可自动化运行，可直接处理原生活污水，并且能够快速去除COD、总氮和微量有毒污染物，节省占地面积和减少能耗的回流立式湿地污水处理装置，在保证高脱氮效果的同时，实现装置的自动化运行和简便管理。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
提供一种回流立式湿地污水处理工艺，包括以下步骤：
S1.自上而下将垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地和储水池组合成立式污水处理系统;垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地和储水池通过集水管和布水管连接;
所述垂直流人工湿地底层设置填料，填料表面种植植物;所述水平潜流人工湿地设置填料;
S2.循环泵将污水从储水池抽水，通过单次抽水的过程中实现对污水的充氧，污水抽出后经过垂直流人工湿地中的植物吸收、吸附污水中的营养物质，并通过光合放氧对水体进行充氧，降低污水的有机负荷，垂直流人工湿地中的填料截留、吸附污水中的悬浮颗粒物和污水中的重金属及难降解类物质，NH4+～N转化为NO2-～N和NO3-～N;然后，污水经水平潜流人工湿地的进一步吸附作用，污水中的NO2-～N和NO3-～N转化成氮气;
S3.污水反复通过所述立式污水处理系统最终实现出水水质的达标;
其中，所述立式污水处理系统为自动化控制，所述自动化控制的实现方法为：通过水位监控控制循环泵的启动和关闭，实现污水的循环处理，通过继电器控制调节单批次污水处理量和处理时间。
优选地，S1所述垂直流人工湿地底层设置填料，填料结构为砾石和陶粒两种填料，其中砾石在上，陶粒在下。进一步优选地，所述两种填料的装填高度比例为1：1。进一步优选地，所述两种填料的装填高度均为20cm。
优选地，所述砾石规格ε=0.4～0.5，所述陶粒规格ε=0.5～0.6。
优选地，S1所述植物为挺水植物，种植挺水植物的密度为12株/m2。进一步优选地，所述挺水植物选择风车草。
优选地，S1所述水平潜流人工湿地设置填料为砾石。进一步优选地，所述砾石的装填高度为40cm。优选地，所述砾石规格ε=0.4～0.5。
本发明提供一种可选的自动化控制实现方法是：在储水池内布设水位监控器，设定高液位(例如40cm)和低水位(例如10cm)。通过继电器设置储水池出水管路继电器工作时间t1，时间t1保证储水池内处理过的污水能够排放至出水管的最低液面处，设置进水管路继电器工作时间t2，时间t2保证进水水量达到设置的高液位处;设置t1 和t2的间隔时间为t3，时间t3为污水进入循环处理的时间;
手动打开开关，出水管路上的继电器率先工作，运行时间t1结束后，系统自动关闭出水管路上的继电器，同时自动打开进水管路上的继电器，当运行时间t2结束后，装置将不再进水，循环泵开始间歇性自动运行，污水进入循环处理的状态直至运行时间t3结束，单批次污水处理时间t= t1 +t2 +t3。
优选地，所述时间t3为300～360min。进一步优选地，所述时间t3为330min。
本发明同时提供一种所述回流立式湿地污水处理工艺的装置，包括垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地、储水池、循环泵和机电箱，利用支架自上而下将垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地和储水池组合成立式结构;
所述垂直流人工湿地内部装填砾石和陶粒，砾石在上，陶粒在下，砾石表面种植风车草，垂直流人工湿地设有布水管，布水管的一端连接循环泵，循环泵连接储水池，垂直流人工湿地底部布设集水管，垂直流人工湿地的出水口设于湿地底部，出水口的一侧连接集水管，另一侧连接一个三通;三通的一侧连接阀门，三通的另一侧(下部)连接水平潜流人工湿地的布水管;
所述水平潜流人工湿地内部装填砾石，水平潜流人工湿地布设布水管，布水管连接所述垂直流人工湿地集水管，水平潜流湿地底部布设集水管，湿地底部设置出水口，出水口一侧连接集水管，另一侧连接一个三通，三通一侧连接一个阀门，三通的上部连接水管，水管设置阀门，并与储水池相连接;
所述储水池一侧底部设有出水管路，出水管路连接三通，三通一侧连接循环泵，另一侧连接出水管;储水池的另一侧布设进水管路;所述储水池内布设水位监控器，所述进水管路和出水管路上布设继电器，继电器受机电箱控制。
优选地，所述垂直流人工湿地底部集水管为 “田字形”，集水管底部两侧左右对称45°角开孔，开孔位置间隔5cm，孔径为0.5cm;垂直流人工湿地的出水口设于湿地与布水管进入湿地一端相对侧的湿地底部中央位置;
所述的水平潜流人工湿地的布水管布设于与垂直流人工湿地的出水口位于同一侧的水平潜流人工湿地的表面，布水管的中部位置连接上层垂直流人工湿地集水管的出水管，布水管底部两侧左右对称45°角开孔，孔间距为5cm，孔径为0.5cm，水平潜流湿地与其布水管相对一侧的湿地底部布设集水管，集水管底部两侧左右对称45°角开孔，孔间距为5cm，孔径为0.5cm，出水口设置于与集水管同一侧的湿地底部中央处。
进一步优选地，所述垂直流人工湿地的长宽、水平潜流人工湿地和储水池的长宽相同，本发明提供一种典型的规格设计是：所述垂直流人工湿地的长宽、水平潜流人工湿地和储水池的长宽分别为80cm和60cm，但垂直流人工湿地的高度比水平潜流人工湿地和储水池高15cm，为65cm，这是为了更好地确保污水被循环泵快速抽至垂直流人工湿地后不会溢出。
优选的垂直流人工湿地的布水管设计是在连接循环泵的水管处接一个三通后再连接两个弯通，当储水池内的水位到达高液位处，循环泵开始工作，在2～3分钟内将污水抽至低液位处，使垂直流人工湿地内部的水位超出基质表面10～20cm，调节垂直流人工湿地的出水管阀门，污水快速下渗通过集水管流至水平潜流人工湿地表面。所述垂直流人工湿地基质表层种植挺水植物，如风车草，种植密度为12株/m2。
本发明所述回流立式湿地污水处理装置采用陶粒和砾石作为填料，两种填料均廉价易得。本领域常规使用的填料种类较多，本发明通过仔细分析研究结合大量实验对比，采用陶粒和砾石两种填料作为组合，有效发挥二者的互补和增效作用，获得意想不到的良好效果。发挥陶粒比表面积大的特点，保证微生物挂膜的效果，能够快速降解污水中的COD、BOD5、NH4+～N和有机物，并能强烈吸附疏水性的有机物，而由于陶粒质轻，将其与砾石以填充高度1：1的比例压于砾石下部;砾石层有效截留污水中的SS，为植物的生长提供固定条件，在垂直流人工湿地内部将进行快速的氨氮硝化作用和有机物降解过程。本发明在水平潜流人工湿地的集水管周围，选择粒径较大的砾石以防止集水管的堵塞，有利于湿地内部形成以兼性厌氧微生物为主的环境，提高装置对NO3-～N的去除能力，污水在流经装置的过程中将交替进入有好氧微生物和兼性厌氧微生物的环境。
本发明所述回流立式湿地污水处理处理装置具有较高的水力负荷，能有效防止湿地内部发生堵塞。
污水在回流式立式湿地污水处理装置中的流速可通过调节垂直流人工湿地出水管的阀门和水平潜流人工湿地出水管的阀门进行控制，控制流速保证污染物顺利充分降解和必要的污水循环次数，最终保证去除效果。
回流式立式湿地污水处理装置对污染物的去除过程主要包括，循环泵在单次抽水的过程中实现对污水的充氧，提高污水的可生化性;垂直流人工湿地中的植物吸收、吸附污水中的营养物质，并通过光合放氧对水体进行充氧，降低污水的有机负荷;表层砾石基质截留污水中的悬浮颗粒物;由于陶粒比表面积较大，利于微生物生长，当污水下渗至陶粒层，污水中的氨氮类物质和有机物发生快速氧化作用，NH4+～N向NO2-～N和NO3-～N转化，有机物氧化形成二氧化碳;另外由于砾石和陶粒的吸附作用，污水中的重金属和难降解类物质均可以有效去除，在水平潜流人工湿地，这些污染物将发生进一步的吸附作用;在垂直流人工湿地内已转化的NO2-～N和NO3-～N在水平潜流人工湿地的以兼性厌氧微生物为主的环境下发生反硝化作用转化成氮气;污水反复通过回流式立式湿地污水处理装置从而最终实现出水水质的达标。
采用本发明方法，通过监测各污染物的衰减变化总结得出每批次污水处理时间为6h左右即可达到污染物的最佳去除效果，本发明装置可连续运行，每天可处理4批次污水。
本发明产生的有益效果：
本发明巧妙设计立式湿地污水处理系统，并能科学地与自动控制方法有机结合，采用单批次污水处理和间歇性循环回流污水的运行方式，从而切实有效地减少了湿地的占地面积，并解决污水单次通过湿地系统处理效果差的问题，其脱氮和降解有机物的速率和效率都要优于国内的组合型人工湿地，其最大的优点是整座装置落成后可彻底实现自动化运行，自动控制污水的进出排放，同时利用水位监控器实现循环泵间断性地自动开启和关闭，整个污水处理过程无需人工操作，彻底实现自动化和智能化运行，并有效降低能耗，可连续运行，除前期运行调试外，日常无需人工管理。
本发明工艺设计简明，运行管理简单，利用机电箱操控继电器的开关，自动控制污水的进出排放，同时利用水位监控器实现循环泵间断性地自动开启和关闭，整个污水处理过程无需人工操作，彻底实现自动化和智能化运行，并有效降低能耗，可连续运行。
与当前国内的组合型人工湿地系统相比，本发明创造性地将垂直流人工湿地、水平潜流人工湿地和储水池在垂直空间上串联，切实有效地减少了湿地的占地面积，减少能耗，并解决污水单次通过湿地系统处理效果差的问题，其脱氮和降解有机物的速率和效率都要优于国内的组合型人工湿地，本发明装置去除污染物的能力较强，且其构造简单，可将其用于分散处理原污水，适合在城市和农村的小区中推广应用，该装置还能有效去除污染水体中的微量有毒污染物，如农药、药物、内分泌干扰物和重金属等。