申请日2017.10.19
公开(公告)日2018.02.23
IPC分类号C02F3/32; C02F103/20
摘要
本发明公开了一种用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统，通过模块化湿地填料构建标准型湿地系统用于畜禽养殖污水处理，实现工艺水力停留时间和孔隙率计算的准确性、减少人工湿地系统堵塞和吸附饱和的处理成本、提高污染物净化效果与水体pH稳定性。本发明所述系统包括人工湿地池体、布水装置、模块化湿地填料和湿地植物，所述模块化湿地填料为硅酸盐水泥、红壤、沙石和水按照比例混合组成，原料重量比例分别是硅酸盐水泥/红壤为1:1‑1:5、硅酸盐水泥/沙石为1:4‑1:8、硅酸盐水泥/水为0.5:1‑2:1，模块化湿地填料制备步骤为干混、湿混、定模、压缩、脱模和养护。本发明制备工艺简单、成本低廉，可大规模的工业化生产。
权利要求书
1.一种用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统，其特征在于：所述系统包括人工湿地池体、布水装置、模块化湿地填料和湿地植物，所述模块化湿地填料为硅酸盐水泥、红壤、沙石和水按照比例混合组成，红壤和沙石粒径小于1 cm，水为自来水或符合3类地表水标准的回用水。
2.根据权利要求1所述的用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统，其特征在于：所述模块化湿地填料的制备原料重量比例分别是硅酸盐水泥/红壤为1:1-1:5、硅酸盐水泥/沙石为1:4-1:8、硅酸盐水泥/水为0.5:1-2:1。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统，其特征在于：所述模块化湿地填料的制备过程中，湿混后的混合填料需静置0.1-10小时，混合填料入模压缩机械压强为10-100公斤，压缩后湿地填料需静置1-24小时，填料养护场地的温度和湿度分别为10-40℃和10-50%。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统，其特征在于：所述模块化湿地填料的孔隙率为10%-80%，模块化湿地填料为两侧通透的方形或圆柱形。
5.根据权利要求1所述的用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统，其特征在于：所述模块化填料湿地系统构建完毕后，需用培养溶液进行浸泡预处理1-10天，所述培养溶液为河水、湖水、污水或三者任意比例混合的水溶液，培养溶液中COD含量小于400mg/L、氨氮含量小于20mg/L、总氮含量小于30mg/L、总磷含量小于5mg/L。
说明书
一种用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统
技术领域
本发明涉及污水处理系统，特别是涉及一种用于畜禽养殖污水处理的模块化填料人工湿地系统。
背景技术
随着我国畜禽养殖快速集约化发展，畜禽养殖污水也逐渐成为我国水体与土壤环境污染的主要源头之一，根据2010年《全国第一次污染源普查公告》，畜禽养殖业排放的COD达到1268.26万吨，占全国COD排放总量的41.9%;氮和磷排放量为102.48万吨和16.04万吨，分别占全国氮和磷排放总量的21.7%和37.9%。因此，对其有效处理成为我国政府与社会关注的重点问题。
人工湿地是20世纪70年代发展起来的一种污水生态处理工艺，它是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。人工湿地单元由植物、微生物、填料及动物组成，各组成成分分别起着不同的作用，并且相互协同作用，使得整个人工湿地生态系统平衡运转，发挥良好的净化功能。在这些单元中湿地填料起着决定性骨架作用，首先湿地填料具有过滤、沉淀、吸附和絮凝等作用，可以将水体中的悬浮物有效去除，其次湿地填料为植物和微生物的生长及氧传输提供了必备条件。目前，针对不同污水类型，多种物质已被选用为湿地填料，例如土壤、火山岩、煤渣、红壤、砖块、海蛎壳、沸石、陶粒、卵石等。
美国自然资源保护服务组织(NRCS)编订了养殖污水处理指南，建议人工湿地的BOD5负荷为73 kg•(ha•d)-1，水力停留时间至少为12 d。墨西哥湾项目(GMP)调查了68处共135个不同规模的生态处理系统，收集了大约1300个运行数据，并建立了养殖废水生态处理数据库。对污水进行充分的预处理和足够的生态处理面积是保障生态生物群落和出水水质的重要因素。然而，在实际应用过程中，养殖污水的处理用地一般受到限制，此时可通过一系列优化措施来提高现有生态工艺的净化能力。近年来，国内也在人工湿地净化系统处理畜禽养殖污水方面进行了一些试验研究与工程应用，为全面了解污水在生态工艺中的净化机制，改善生态处理技术的处理效率，目前的研究热点主要包括有：(1)对不同构造的人工湿地系统污水的流体力学特性进行研究，探讨水力负荷、污水停留时间、出水速率、湿地容水体积(孔隙度)和出水量等与污水净化效果之间的耦合关系，以揭示水力学特点对污水净化效果的影响规律;(2)研究在提高生态工艺氧化、硝化能力的同时如何提高其反硝化能力，以解决有机物与总氮的同步去除问题;(3)深入研究人工湿地系统中溶解氧的分配和不同类型植物的输氧能力对填料层中微生物生境的影响，及高性能除磷填料的筛选与特性研究;(4)研究各种人工湿地工艺改良技术，深入研究生态工艺技术在特殊废水处理中的应用特性表征等。
人工湿地系统在畜禽养殖污水深度处理应用过程中暴露出一些技术问题，主要体现在畜禽养殖污水人工湿地处理系统结构设计与运行还有待标准化与规范化，而填料合理配置方式已成为其中关注的重点问题。目前，用于畜禽养殖污水处理的人工湿地系统的填料配置主要依靠不同类型材料人工堆积实现，通过填料粒径与填料孔隙率模拟测试来初略掌控填料堆积方式，因此在这种模式下无法标准化实现填料配置有效性，而畜禽养殖废水中较高悬浮物含量也会对传统类型湿地堵塞和吸附饱和情况提出考验，一旦发生堵塞和吸附饱和情况无法准确判定堵塞和饱和地点，并且由于堆积配置方式的实行无法实现对湿地系统的有效快捷清理，只能通过大面积填料更换来进行解决，费时费力。因此，如可实现湿地填料标准模块化配置，可有效解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统。
为达上述目的，本发明一种用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统，所述系统包括人工湿地池体、布水装置、模块化湿地填料和湿地植物。所述畜禽养殖污水为沼液，化学处理工艺、生物处理单元或膜处理设施的出水。
其中所述畜禽养殖污水COD含量为100-2000mg/L，氨氮含量为10-300mg/L，总氮为30-500mg/L，总磷含量为5-40mg/L。
其中所述人工湿地池体为砖混、板材、钢材或三者任意比例混合构建，池体前端设置布水池。
其中所述布水装置包括悬浮物筛分网和穿孔管。
其中所述模块化湿地填料为硅酸盐水泥、红壤、沙石和水按照比例混合组成。
其中所述湿地植物为芦苇、杂交狼尾草、空心菜或三者任意比例的混合植物群落。
一种用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统的构建与运行方法，包括以下步骤：
以砖混、板材、钢材或三者任意比例混合构建的湿地池体为装置，以间歇式或连续流运行方式进行，出水口高度低于进水口高度1%-20%，布水池占据湿地池体总体积1%-10%，布水池底部设置排泥口。
布水装置的悬浮物筛分网布置在布水池，其高度处于进水口与出水口之间高度位置，分为两层布置，第一层悬浮物筛分网孔径为0.6-2 mm，第二层悬浮物筛分网孔径为0.2-0.6 mm;布水池与湿地污水处理池体通过布水装置的穿孔管相连接，穿孔管设置于填料层内部，长度为湿地污水处理池体的0.1%-30%。
湿地所用模块化湿地填料为硅酸盐水泥、红壤、沙石和水按照比例混合制备组成，制备前所有原料硅酸盐水泥和红壤的重量比例为1:1-1:5、硅酸盐水泥和沙石的重量比例为1:4-1:8、硅酸盐水泥和水的重量比例为0.5:1-2:1;模块化湿地填料制备模具应保证填料孔隙率为10%-80%，模块化湿地填料两侧应为通透性，模块化湿地填料形状为方形或圆柱形;
模块化湿地填料制备首先将硅酸盐水泥、红壤和沙石按照预定比例进行干混，干混1-60分钟直至混合填料成色均匀颗粒分散;之后将预定比例的水加入到混合填料中进行湿混1-60分钟，直至混合填料湿度均匀、成色一致、粒径均匀且分散，并将湿混好的混合填料静置0.1-10小时;之后将静置好的混合填料加入制备模具中进行定型;最后，将上述制作好的湿地填料进行脱模，脱模后的混合填料放置在通风干燥的场地进行养护，养护1-28天后即可得模块化湿地填料。
模块化湿地填料制备完成后，根据模块化湿地填料通透性方向将其布置在湿地池体内，模块化湿地填料通透性方向与水流方向平行或垂直。
湿地植物为芦苇、杂交狼尾草、空心菜或三者任意比例的混合植物群落，湿地植物栽种时根系长度需为5-20 cm，湿地植物栽种在模块化湿地填料之间或内部孔隙之中。
模块化填料湿地系统构建完毕后，需用培养溶液进行浸泡预处理1-10天，所述培养溶液为河水、湖水、污水或三者任意比例混合的水溶液;预处理后，模块化填料湿地系统可用于畜禽养殖污水处理，人工湿地系统水力负荷控制为1-50 cm/天。
本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：
1、实现人工湿地系统的标准模块化设计构建，可根据实际情况准确制定人工湿地的孔隙率，从而可准确操控人工湿地的水力停留时间，避免现有技术普遍存在的短流等问题对系统操控的干扰;
2、准确判断人工湿地问题点位，减少人工湿地系统堵塞和吸附饱和的处理成本与时间;
3、可实现金属离子在模块化湿地填料中分布均匀性，进而在提高湿地填料对磷素吸附效率的同时，保证后续尾水pH水平达到水质排放标准;
4、基于红壤和水泥砖块的化学属性，可提供人工湿地系统对畜禽养殖污水中各类抗生素的去除效果;
总之通过本专利的实施成果有望为菌藻共生提供一种新型模式，在污水净化和资源回收方面具有一定的研究意义。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明要解决的技术问题是提供一种用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统。
为达上述目的，本发明一种用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统，所述系统包括人工湿地池体、布水装置、模块化湿地填料和湿地植物。所述畜禽养殖污水为沼液，化学处理工艺、生物处理单元或膜处理设施的出水。
其中所述畜禽养殖污水COD含量为100-2000mg/L，氨氮含量为10-300mg/L，总氮为30-500mg/L，总磷含量为5-40mg/L。
其中所述人工湿地池体为砖混、板材、钢材或三者任意比例混合构建，池体前端设置布水池。
其中所述布水装置包括悬浮物筛分网和穿孔管。
其中所述模块化湿地填料为硅酸盐水泥、红壤、沙石和水按照比例混合组成。
其中所述湿地植物为芦苇、杂交狼尾草、空心菜或三者任意比例的混合植物群落。
一种用于畜禽养殖污水处理的模块化填料湿地系统的构建与运行方法，包括以下步骤：
以砖混、板材、钢材或三者任意比例混合构建的湿地池体为装置，以间歇式或连续流运行方式进行，出水口高度低于进水口高度1%-20%，布水池占据湿地池体总体积1%-10%，布水池底部设置排泥口。
布水装置的悬浮物筛分网布置在布水池，其高度处于进水口与出水口之间高度位置，分为两层布置，第一层悬浮物筛分网孔径为0.6-2 mm，第二层悬浮物筛分网孔径为0.2-0.6 mm;布水池与湿地污水处理池体通过布水装置的穿孔管相连接，穿孔管设置于填料层内部，长度为湿地污水处理池体的0.1%-30%。
湿地所用模块化湿地填料为硅酸盐水泥、红壤、沙石和水按照比例混合制备组成，制备前所有原料硅酸盐水泥和红壤的重量比例为1:1-1:5、硅酸盐水泥和沙石的重量比例为1:4-1:8、硅酸盐水泥和水的重量比例为0.5:1-2:1;模块化湿地填料制备模具应保证填料孔隙率为10%-80%，模块化湿地填料两侧应为通透性，模块化湿地填料形状为方形或圆柱形;
模块化湿地填料制备首先将硅酸盐水泥、红壤和沙石按照预定比例进行干混，干混1-60分钟直至混合填料成色均匀颗粒分散;之后将预定比例的水加入到混合填料中进行湿混1-60分钟，直至混合填料湿度均匀、成色一致、粒径均匀且分散，并将湿混好的混合填料静置0.1-10小时;之后将静置好的混合填料加入制备模具中进行定型;最后，将上述制作好的湿地填料进行脱模，脱模后的混合填料放置在通风干燥的场地进行养护，养护1-28天后即可得模块化湿地填料。
模块化湿地填料制备完成后，根据模块化湿地填料通透性方向将其布置在湿地池体内，模块化湿地填料通透性方向与水流方向平行或垂直。
湿地植物为芦苇、杂交狼尾草、空心菜或三者任意比例的混合植物群落，湿地植物栽种时根系长度需为5-20 cm，湿地植物栽种在模块化湿地填料之间或内部孔隙之中。
模块化填料湿地系统构建完毕后，需用培养溶液进行浸泡预处理1-10天，所述培养溶液为河水、湖水、污水或三者任意比例混合的水溶液;预处理后，模块化填料湿地系统可用于畜禽养殖污水处理，人工湿地系统水力负荷控制为1-50 cm/天。
本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：
1、实现人工湿地系统的标准模块化设计构建，可根据实际情况准确制定人工湿地的孔隙率，从而可准确操控人工湿地的水力停留时间，避免现有技术普遍存在的短流等问题对系统操控的干扰;
2、准确判断人工湿地问题点位，减少人工湿地系统堵塞和吸附饱和的处理成本与时间;
3、可实现金属离子在模块化湿地填料中分布均匀性，进而在提高湿地填料对磷素吸附效率的同时，保证后续尾水pH水平达到水质排放标准;
4、基于红壤和水泥砖块的化学属性，可提供人工湿地系统对畜禽养殖污水中各类抗生素的去除效果;
总之通过本专利的实施成果有望为菌藻共生提供一种新型模式，在污水净化和资源回收方面具有一定的研究意义。