申请日2014.08.01
公开(公告)日2014.12.03
IPC分类号C02F3/32; B01J20/32; B01J20/24
摘要
本发明涉及一种小型土壤生态系统装置—垂直潜流式土壤生态床及其处理污水方法。本发明包括床体、基质硬件构造和生态植物系统，其特征在于：所述基质硬件构造自下向上依次为砾石层10~15cm、粗砂层5~8cm、细砂层40~45cm和沙壤土层12~16cm;所述生态植物系统由间作栽种在沙壤土层上的芦苇、茭白和香蒲构成，种植密度为15～25株/m2。本发明生态床结构简易，廉价高效，能实现完全自动化，具有良好的渗透性，同时又具有良好的脱氮除磷功能，具有十分重要的推广应用价值。
权利要求书
1.一种垂直潜流式土壤生态床，包括床体、基质硬件构造和生态植物系统，其特征在于：所述基质硬件构造自下向上依次为砾石层10~15cm、粗砂层5~8cm、细砂层40~45cm和沙壤土层12~16cm;所述生态植物系统由间作栽种在沙壤土层上的芦苇、茭白和香蒲构成，种植密度为15～25株/m2。
2.根据权利要求1所述的垂直潜流式土壤生态床，其特征在于：所述芦苇、茭白和香蒲种植比例为1:1:1。
3.根据权利要求1所述的垂直潜流式土壤生态床，其特征在于：所述床体为顶部开口的有机玻璃半圆柱体，其垂直面贴靠墙体，半径50~60cm。
4.根据权利要求1所述的垂直潜流式土壤生态床，其特征在于：所述砾石层厚度为12cm，粗砂层厚度为6cm，细砂层厚度为43cm，沙壤土层厚度为15cm。
5.根据权利要求1所述的垂直潜流式土壤生态床，其特征在于：以重量百分比计，所述沙壤土层中含有改性凹凸棒土5～10%，所述改性凹凸棒土制备方法如下：
(1)预处理：将凹凸棒土研磨后过20～100目筛，再于200℃下煅烧3～5h，用去离子水浸泡20～30h后洗涤数遍至洗涤水澄清后烘干，备用;
(2)活化改性：用体积分数为2～4%的醋酸溶液缓慢溶解一定量的壳聚糖，用量以配成粘稠的壳聚糖胶体溶液为准，取上步所得凹凸棒土与一定量的该壳聚糖胶体溶液混合搅成糊状，壳聚糖胶体溶液用量以使凹凸棒土被充分浸润为准，再将所得糊状物置于105℃下干燥，即成。
6.根据权利要求1所述的垂直潜流式土壤生态床，其特征在于：所述粗砂层中粗砂的粒径为2~4mm，细砂层中细砂的粒径小于1mm，砾石层中砾石粒径为2～60mm，沙壤土层中的沙壤土粒径小于0.10 mm。
7.根据权利要求1所述的垂直潜流式土壤生态床，其特征在于：所述生态床上部设有进水口，底部设有出水口，床体内壁设有用于控制进水阀门启闭的水位传感器。
8.一种利用权利要求1~7任一项所述垂直潜流式土壤生态床处理污水的方法，包括如下步骤：首先，将待处理污水从生态床上部引入，当待处理污水水位到达细砂层以上5~8cm处后关闭进水，水位下降4~6min后再开启进水，重复进入下一个处理过程，生态床水力停留时间为6~8d，水力负荷15~18L/m3/d。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于：引入待处理污水前，先调节其pH值至6.5~8、温度至20~25℃。
10.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于：当待处理污水水位到达细砂层以上6cm处后关闭进水，在5min后开启进水;所述生态床水力停留时间为7d，水力负荷17L/m3/d。
说明书
垂直潜流式土壤生态床及其处理污水的方法
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种小型土壤生态系统装置——垂直潜流式土壤生态床及其处理污水的方法。
背景技术
我国对于区域生活污水的治理研究起步较晚，至今还没有大规模推广实施的技术措施。当前比较受到重视的符合国情的生活污水治理技术路线中，污水土地处理技术受到普遍关注。
我国的农村污水处理技术正处于研究和开发的初级阶段，与欧、美等发达国家相比除技术水平存在一定差距外，还存在处理装置和系统未形成标准化和系列化的问题，针对农村地区以相对分散的中小型污水处理为主的特点，在农村地区大规模实施污水处理工程，必须开发系列化的具有高效、低维护的污水处理设备。因此，借鉴发达国家的经验，研制和推广符合我国国情的一体化小型污水处理设施，形成工业化生产规模是一项具有前瞻性和现实意义的重要技术研究和开发内容。此类技术的研究将大幅度提高农村生活污水处理的进程，采用工业化生产的一体化污水处理设施可大幅度简化工程的实施难度，提高工程实施的可操作性，降低工程造价，有利于污水处理设施的运行管理和处理水质稳定。
目前，生活污水传统的处理方法是通过污水处理厂综合处理，但是对于分散型的农村生活污水，采用污水处理厂除了需要污水处理设施外，还需要修建各种远距离的、大面积的输送管网，造价昂贵。
发明内容
针对以上问题，本发明构建了一种小型土壤生态系统装置——垂直潜流式土壤生态床。所述生态床结构简易，廉价高效，能实现完全自动化，具有良好的渗透性，同时又具有良好的脱氮除磷功能，具有十分重要的推广应用价值。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明设计一种垂直潜流式土壤生态床，包括床体、基质硬件构造和生态植物系统，所述基质硬件构造自下向上依次为砾石层10~15cm、粗砂层5~8cm、细砂层40~45cm和沙壤土层12~16cm;所述生态植物系统由间作栽种在沙壤土层上的芦苇、茭白和香蒲构成，种植密度为15～25株/m2。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，所述芦苇、茭白和香蒲种植比例为1:1:1。
当前，人们对湿地植物的选择一定程度上依赖于经验，而对各种植物应用于污水处理的效果的系统研究较为缺乏。本发明通过系统研究，选用了芦苇、茭白和香蒲间作而构建成了能协同作用的生态植物系统，该三种植物的根系发达，搭配合理，能形成一个立体的网络状的结构，其中的芦苇、香蒲能絮凝胶体、消除病原体，而且二者还具有发达的通气组织，向植物根际输送氧气，在植物根区形成特殊的好氧厌氧环境，适应各种微生物的生长，间接促进污水中各种污染物的降解;茭白生长量大，对氮、磷的吸收能力强;香蒲植物具有特殊的结构与功能，如叶片呈肉质、栅栏组织发达、气孔凹陷、地下茎发达等结构，因而可以有效地净化生活污水及工业废水中的磷、氮、COD.cr、BOD5、总悬浮物(TSS)等污染物质。此外，研究表明，这三种植物的根系分泌物(如糖类、醇类、氨基酸等)可以促进某些嗜P、N细菌的生长，植物根部的细菌比介质处高1～2个数量级。细菌数量的增多，问接提高系统的污水净化能力。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，所述床体为顶部开口的有机玻璃半圆柱体，其垂直面贴靠墙体，半径50~60cm。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，所述砾石层厚度为12cm，粗砂层厚度为6cm，细砂层厚度为43cm，沙壤土层厚度为15cm。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，以重量百分比计，所述沙壤土层中含有改性凹凸棒土5～10%，所述改性凹凸棒土制备方法如下：
(1)预处理：将凹凸棒土研磨后过20～100目筛，再于200℃下煅烧3～5h，用去离子水浸泡20～30h后洗涤数遍至洗涤水澄清后烘干，备用;
(2)活化改性：用体积分数为2～4%的醋酸溶液缓慢溶解一定量的壳聚糖，用量以配成粘稠的壳聚糖胶体溶液为准，取上步所得凹凸棒土与一定量的该壳聚糖胶体溶液混合搅成糊状，壳聚糖胶体溶液用量以使凹凸棒土被充分浸润为准，再将所得糊状物置于105℃下干燥，即成。
凹凸棒土具有独特的链层状晶体结构和十分细小的棒状、纤维状晶体形态，而具有许多特殊的物理化学性质，如吸附性、离子交换能力和可塑性等。对凹凸棒土进行适当的改性，可改变其物理化学性质。经上述方法所获得的改性凹凸棒土不但对Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+等金属离子及色度有较好的吸附作用和去除能力，而且在酸性条件下对磷酸根离子有着很高的吸附能力：带正电荷的改性凹凸棒土颗粒和壳聚糖分子中质子化的-OH2+和-NH3+能有效地吸附溶液中H2P04-、HPO42-和PO43-离子。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，所述粗砂层中粗砂的粒径为2~4mm，细砂层中细砂的粒径小于1mm，砾石层中砾石粒径为2～60mm，沙壤土层中的沙壤土粒径小于0.10 mm。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，所述生态床上部设有进水口，底部设有出水口，床体内壁设有用于控制进水阀门启闭的水位传感器。
本发明还设计一种利用上述垂直潜流式土壤生态床处理污水的方法，包括如下步骤：首先，将待处理污水从生态床上部引入，当待处理污水水位到达细砂层以上5~8cm处后关闭进水，水位下降4~6min后再开启进水，重复进入下一个处理过程，生态床水力停留时间为6~8d，水力负荷15~18L/m3/d。
对于上述述的处理方法，引入待处理污水前，先调节其pH值至6.5~8、温度至20~25℃。
对于上述述的处理方法，当待处理污水水位到达细砂层以上6cm处后关闭进水，在5min后开启进水;所述生态床水力停留时间为7d，水力负荷17L/m3/d。
本发明的积极有益效果：
1.本发明垂直潜流式土壤生态床由不同基质和生态系统组成，具有良好的渗透性，同时又具有良好的脱氮除磷功能，可作为生活污水处理的小型装置广泛应用于生活居民区，实验证明，经过该装置处理的生活污水可达到(GB3838-2002)的污水处理排放标准;
2.本发明垂直潜流式土壤生态床造价低廉，构造简单，平均每个装置约200元左右，非常适合普通居民家庭使用;
3.本发明垂直潜流式土壤生态床采用自动泵间歇方式运行，结合重力流进水，到达生态土壤床设定的水位后进水阀自动关闭，形成了完全自动化的土壤生态系统;
4.本发明装置除了生活污水处理外，还可以作为绿化家庭环境之用;本装置的推广使用，可减少城乡污水集中处理的负担，从而改善和美化整体环境。