申请日2011.11.18
公开(公告)日2014.02.26
IPC分类号C02F3/32
摘要
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种稳定高效的人工湿地污水处理系统及方法。本发明提供一种稳定高效的人工湿地污水处理系统，该系统不仅具有现有人工湿地污水处理系统投资低、操作简便、维护运行费用省、耗能低，改善生态环境等特点，同时由于湿地植物与生物炭相互作用，强化了对污水中有机污染物物和重金属等污染物的去除效率、无二次污染，并且不受季节限制。还同时提供一种稳定高效的人工湿地污水处理系统来处理污水的方法。
权利要求书
1.一种稳定高效的人工湿地污水处理系统，包括常规污水预处理系统和人工湿地，湿地类型为潜流型人工湿地，常规污水预处理系统包括格栅井、调节池和沉淀池，人工湿地包括布水装置、集水装置、池体、装填在池体内的湿地基质和种植于基质上的植物，污水预处理系统和人工湿地由管道连通，其特征在于：湿地基质分为三层结构，自下而上依次为底层、中间层和表层，底层包括卵石，中间层主要由砾石、碎石或陶粒中的一种或一种以上与生物炭材料混合组成，表层包括粗砂和生物炭材料，底层为卵石层，厚度为20~40cm，中间层厚度为60~100cm，表层厚度为10~30cm，种植于基质上的植物为灌木型柳树无性系，生物炭材料以柳树生物质为原料在250-800℃和缺氧条件下炭化1-6小时后粉碎制成。
2.如权利要求1所述的稳定高效的人工湿地污水处理系统，其特征在于：灌木型柳树无性系的种植密度为1~5株/m2。
3.如权利要求1所述的稳定高效的人工湿地污水处理系统，其特征在于：生物炭材料为生物炭颗粒。
4.如权利要求3所述的稳定高效的人工湿地污水处理系统，其特征在于：生物炭颗粒的粒径为5~40mm。
说明书
一种稳定高效的人工湿地污水处理系统及方法
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种稳定高效的人工湿地污水处理系统及方法。
背景技术
人工湿地是一种为处理污水而利用生态工程措施模拟自然湿地建造的生态系统，主要由 基质(填料)、植物和微生物构成，通过湿地植物根系吸收、根系附着微生物降解等作用，实 现对污染物的去除。目前利用人工湿地技术进行生活和工业污水净化已屡见不鲜，起到非常 好的生态与经济效益。
但目前国内外湿地大量应用的植物主要是草本植物，有芦苇、美人蕉、香根草等。但是 这些植物均具有生物量小，对污染物的吸附能力有限，且具有地上生物质难以收获转移、容 易散落在水体中腐败并且对水体造成二次污染等缺点。乔木、灌木作为植物修复材料在国外 研究较多，而国内应用较少。国内的木本植物应用品种主要是池杉、白骨壤等，规模化应用 在南方特殊地区或沿海。灌木型柳树无性系具有生长速度快，根系发达，对氮磷和有害重金 属吸附能力强，耐污能力强，对水环境适应性好，耐平茬收获等特点，特别适宜于在人工湿 地环境中生长发育，是优良的湿地植物材料。
基质(填料)是人工湿地系统的重要组成部分，它不仅为植物、微生物生长提供适宜的 条件，还通过吸附、沉淀、过滤等作用直接去除污染物。目前选用较多的填料是石砾、陶粒、 沸石、煤灰、细砂、页岩、钢渣、炉渣等介质中的一种或几种。这些填料的主要缺点是比表 面积小、微生物附着面积有限，去除污染物效果不佳。生物炭是由农作物秸秆、植物残渣、 动物粪便等有机废弃物通过热裂解工艺加工而成的一种多孔碳，具有密度高、比表面积大、 吸附能力强等特点，而且其微孔结构特别适宜于微生物的生长和发育，是一种理想的生物填 料。
人工湿地具有投资费用省、运行费用低、维护管理简便和美观等优点。但如果工程设计 不合理，特别是不合理地选用和配置湿地基质与植物，就会导致人工湿地净化效率低、使用 寿命短等问题。目前的人工湿地系统中利用灌木型柳树无性系作为湿地植物，同时利用生物 炭材料作为湿地生物填料处理废水方面还没有相关研究报道。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，提供一种稳定高效的人工湿地污水处理系 统，该系统不仅具有现有人工湿地污水处理系统投资低、操作简便、维护运行费用省、耗能 低，改善生态环境等特点，同时由于湿地植物与生物炭相互作用，强化了对污水中氮、磷和 CODCr等污染物的去除效率、无二次污染，并且不受季节限制。
本发明的另一目的是提供一种稳定高效的人工湿地污水处理系统来处理污水的方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种稳定高效的人工湿地污水处理系统，包括常规污水预处理系统和人工湿地，常规污 水预处理系统包括格栅井、调节池和沉淀池，人工湿地包括布水装置、集水装置、池体、装 填在池体内的湿地基质和种植于基质上的植物，污水预处理系统和人工湿地由管道连通，其 特征在于：所述湿地类型为潜流型人工湿地，湿地基质中含有生物炭材料，种植于基质上的 植物为木本植物，生物炭材料以柳树生物质为原料制成。
木本植物为灌木型柳树无性系，种植密度为1～5株/m2。
生物炭材料为生物炭颗粒，粒径为5～40mm。
湿地基质包括按一定级配关系装填的卵石、砾石、碎石、陶粒、粗砂和生物炭材料。
湿地基质分为三层结构，自下而上依次为底层、中间层和表层，底层包括卵石，中间层 主要由砾石、碎石或陶粒中的一种或一种以上与生物炭材料混合组成，表层包括粗砂和生物 炭材料。卵石层厚度为20～40cm，中间层厚度为60～100cm，表层厚度为10～30cm。
一种稳定高效的人工湿地污水处理方法，其步骤主要包括：
(1)污水首先进入格栅井，主要去除较大的悬浮物和杂物。接着，格栅井的出水进入调 节池，对水质水量进行调节。随后，调节池的出水经沉淀池沉淀悬浮颗粒物和砂粒等物质;
(2)沉淀池的出水进入人工湿地系统，污水在湿地植物、包含生物炭材料的基质以及微 生物的协同作用下通过物理、化学和生物作用得以净化;
(3)经过净化后的水达标排放或回收利用。
所述步骤(2)中的生物炭材料为柳树生物质原料在250-800℃和缺氧条件下炭化1-6小 时制成，粉碎制得生物炭颗粒，粒径为5～40mm。所述生物炭碳含量高达50-90%。
所述步骤(2)中的湿地植物为灌木型柳树无性系，是来自于国内经过良种审定后的无性 系，以及从瑞典农业大学、美国纽约州立大学、美国Double A Willow公司、西北农林科技大 学以及江苏省林业科学研究院等单位选育的无性系，其具有生长速度快，根系发达，对氮磷、 重金属等各种有机污染物吸附能力强，耐污能力强，对水环境适应性好，耐平茬收获等特点。
所述湿地植物可以进行直接移栽种植或进行扦插种植。
所述直接移栽种植的灌木型柳树无性系为一年生丛状苗木，其侧枝数不少于5个，高度 不小于1m，带完整根系移栽。
所述扦插种植的灌木型柳树无性系材料为从采穗圃中获取的一年生种条，剪取制作为长 度5～50cm的插穗进行扦插种植。
本发明根据灌木型柳树无性系生长速度快，根系发达，对氮磷和有害重金属吸附能力强， 耐污能力强，对水环境适应性好，耐平茬收获等特点，以及生物炭材料密度高、比表面积大、 吸附能力强，而且其微孔结构特别适宜于微生物的生长和发育等特点，结合潜流型人工湿地 的简化结构，构建一个基于生物填料-灌木型柳树无性系-微生物三位一体的复合生态系统， 对污水进行净化处理。
本发明的有益效果如下：
1)、本发明通过利用灌木型柳树无性系作为人工湿地植物，结合生物炭材料和潜流型人 工湿地的结构，能够对污水中NH4+-N，TN，TP，SS，CODCr，BOD5等污染物进行高效和深 度去除，且去除率高达90%以上。
2)、在人工湿地污水处理设施进入运营后，对于种植的灌木型柳树无性系每1～4年轮伐 一次，通过收获地上部分生物质，就可达到彻底转移污水中NH4+-N，TN，TP，SS，CODCr， BOD5等污染物的目的，解决了传统湿地植物由于消亡更替而使植物残体进入水体造成二次污 染的问题。
3)、灌木型柳树无性系耐水湿，抗冻、抗病虫害能力和抗逆性强，萌芽能力强，耐平茬 收割，种植一次可连续平茬收割20-30年，相比芦苇等传统湿地植物材料，易于管理维护和 收获利用。此外，灌木型柳树无性系不具有生物入侵性，对当地的其它生物种群的负面影响 很小。
4)、在净化环境的同时，还具有一定的经济效益，收获后的柳树生物质可用来作为生产 生物炭的原材料或生物质能源的原料。
5)、本发明中使用的生物炭材料比表面积大、吸附能力强、多微孔，适合作为微生物生 长发育的载体，并且对环境友好，无二次污染，使用时间长。由于研究已证明生物炭是一种 稳定性碳源，废弃的生物炭填料可以直接埋入地下，成为一种有效的“碳汇”手段，有利于 二氧化碳减排。经实验证明，生物炭的大量微孔吸附了有机物和废水中的氧气，为微生物群 的生长繁殖提供了高浓度的营养源，而微生物代谢过程中产生的酶和辅酶又被吸附和富集在 生物炭的微孔中，加之生物炭上微生物和有机物接触时间较长，使难以降解的有机物也有可 能经生物氧化而分解。生物炭吸附的有机物也可以被灌木型柳树无性系根系所吸收利用，生 物炭表面培育的微生物膜能够很好的降解污水中所含有机物，促进植物对污染物的吸收和固 定，在冬季，生物炭可以弥补因柳树生长量及蒸腾作用降低而减弱的污水净化作用，使人工 湿地系统能够不受季节限制保持稳定的污水净化效果。
6)、灌木型柳树无性系根系发达，对污水的耐受力很强。应用于潜流型人工湿地后，其 根系可以在湿地内部结构中得到充分的生长和发育，不仅能够吸收固定大量的氮、磷等污染 物，而且可以将光合作用产生的或者叶片吸收的氧气通过通气组织向根部输送，除了保证植 物呼吸作用所需的氧气之外，多余的氧气就通过根系泌氧形式扩散到周围的环境中，为生物 炭表面培育的好氧微生物膜提供充足的氧气，促进生物炭表面的好氧微生物对有机物的降解 作用。
7)、灌木型柳树无性系为多年生植物，其景观效果比草本湿地植物较好，不仅发芽萌动 期早而且落叶期晚，在北方地区景观持续期很长。
8)、本发明中的人工湿地系统结构简单，节省了投资费用。与传统的二级污水厂相比， 其建设投资费用和运行费节省了50%～90%。本发明充分利用具有高吸附能力的灌木型柳树无 性系，以及适宜于微生物发育的生物炭材料，利用生物炭和灌木型柳树无性系的相互促进作 用，彻底强化了人工湿地处理污水的能力。与现有技术相比，提高了植物材料和湿地填料对 污水处理的贡献率，无论在运行成本、操作维护、处理效果上，还是在所带来的经济效益上， 都具有明显的优势。