申请日2009.06.12
公开(公告)日2009.11.11
IPC分类号C02F9/14; C02F3/32; C02F3/30
摘要
本发明公开了一种复合潮汐流人工湿地处理污水的方法及其处理系统。所述方法是将污水先经地下引水管收集到调节池，由污水泵提升进入高位水箱，然后经两级串联的潮汐流人工湿地处理后流入蓄水池，两级潮汐流人工湿地均包括床体、布水管和处理介质;在两级湿地均选择性地种植植物。本发明同时提供了实现所述处理方法的系统。本发明处理成本低、占地面积小、脱氮除磷效果好。
权利要求书
1、一种复合潮汐流人工湿地处理污水的方法，污水先经地下引 水管收集到调节池，由污水泵提升进入高位水箱，然后经潮汐流人工 湿地处理后流入蓄水池，其特征在于所述潮汐流人工湿地处理是通过 两级串联的潮汐流人工湿地对污水进行处理，分别为一级潮汐流人工 湿地处理和二级潮汐流人工湿地处理。
2、根据权利要求1所述复合潮汐流人工湿地处理污水的方法， 其特征在于所述二级潮汐流人工湿地在系统不运行期间池底部淹水， 污水处理前把其中的水排空，营造厌氧环境。
3、根据权利要求1所述复合潮汐流人工湿地处理污水的方法， 其特征在于所述两级潮汐流人工湿地分别包括床体、布水管和基质。
4、根据权利要求1或3所述复合潮汐流人工湿地处理污水的方 法，其特征在于所述一级潮汐流人工湿地中种植美人蕉;所述二级潮 汐流人工湿地中种植象草。
5、一种实现权利要求1所述方法的复合潮汐流人工湿地处理系 统，其特征在于包括引水管、调节池、高位水箱、一级潮汐流人工湿 地、二级潮汐流人工湿地和蓄水池，所述调节池是通过污水泵和水管 与高位水箱相连，高位水箱通过布水管与一级潮汐流人工湿地连接， 一级潮汐流人工湿地和二级潮汐流人工湿地通过布水管的相连而相 连接，二级潮汐流人工湿地通过出水管与蓄水池相连接，蓄水池设有 回流管道与一级潮汐流湿地连接;所述一级和二级潮汐流人工湿地均 包括床体、布水管和基质，布水管位于基质层表面以下并均匀开设小 孔。
6、根据权利要求5所述处理系统，其特征在于所述一级潮汐流 人工湿地垂直布设有多孔竖管。
7、根据权利要求6所述的复合潮汐流人工湿地处理系统，其特 征在于所述多孔竖管置入湿地基质中的长度占竖管总长度的2/3，此 段密集钻有小孔。
8、根据权利要求5所述处理系统，其特征在于所述基质为高炉 渣和中粗砂的混合物;所述高炉渣占基质体积百分数为50%。
9、根据权利要求8所述处理系统，其特征在于所述高炉渣的粒 径为0.1～0.5cm;中粗砂的粒径为0.05～0.2cm。
10、根据权利要求5所述处理系统，其特征在于所述一级潮汐流 人工湿地、二级潮汐流人工湿地和蓄水池呈三级阶梯构造。
说明书
复合潮汐流人工湿地处理污水的方法及其处理系统
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种复合潮汐流人工湿 地处理污水的方法及其处理系统。
背景技术
潮汐流人工湿地是近几年提出的一种人工湿地类型。在潮汐流人 工湿地中，对湿地床体交替进行充满污水和排干操作。在污水流入床 体的过程中，床体中的空气逐渐被挤出和消耗，床体基质逐渐被淹没。 当污水完全充满床体后就进行排水，在这个过程中，大气中的新鲜空 气被带入床内。这样，水流的方式类似一个活塞空气压缩机。通过这 种交替的进出水和空气运动，氧的传递和消耗量大大提高，极大地提 高了湿地的处理效果。另外，潮汐流人工湿地系统在运行过程中能使 介质和污水有最大限度的充分接触，提高了湿地系统利用率，同时也 克服了垂直流湿地布水不均的问题(Sun等，1998;Sun等，1999)。
人工湿地单元的运行方式可根据其处理规模的大小及处理目的 不同，对表面流和潜流人工湿地类型进行多种方式的组合，一般有单 一式、并联式、串联式和综合式四种。该技术存在的不足有：(1)系 统整体缺氧，充氧能力较低。虽然间歇式进水改善了氧状况，但进水 中的溶解氧不能提供良好的硝化作用环境条件，不能产生大量硝酸盐 作为反硝化作用的底物，使硝化-反硝化途径不畅通，限制了总氮去 除率。(2)基质的除磷效果不很理想。
发明内容
为了克服现有污水单级潮汐流人工湿地处理方法的不足，本发明 的首要目的是提供一种处理成本低、占地面积小、脱氮除磷效果较好 的复合潮汐流人工湿地处理污水的方法。
本发明的另一目的是提供实现上述方法的复合潮汐流人工湿地 处理系统。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
提供一种复合潮汐流人工湿地处理污水的方法，包括如下步骤： 污水先经地下引水管收集到调节池，由污水泵提升污水进入高位水 箱，然后依次经过两级串联的潮汐流人工湿地进行处理，最后进入蓄 水池出水。整个潮汐流人工湿地系统呈三级阶梯状，占地面积很小。 系统最主要的部分——处理池结构由两个部分组成：一级潮汐流人工 湿地处理单元和二级潮汐流人工湿地处理单元，分别处于第三和第二 级阶梯，处于最底层的第一级阶梯是蓄水池。调节池用于调节污水流 量和水质的，污水泵置于调节池中抽取污水;蓄水池用于贮存潮汐流 人工湿地处理出水，使用清水泵将蓄水回流至潮汐流人工湿地。
两级潮汐流人工湿地均包括床体、多孔管道和基质，还可以种植 植物。在一级潮汐流人工湿地的底部布有多孔管道，污水经过一级潮 汐流人工湿地处理单元的基质，然后进入二级潮汐流人工湿地处理单 元，通过基质的渗滤到达蓄水池，最后通过出水管排出。多孔管道可 采用PVC材质的管道。
两级处理单元的基质均为50%高炉渣和50%中粗砂混合填料， 50%指体积比百分数。潮汐流湿地单元采用底部均匀布水，每级湿地 单元的出水均能自流至下一级。出水在蓄水池收集后可用水泵回流至 一级湿地单元重新进行处理。
此外，根据湿地去除机理可知，污染物特别是COD和NH4+-N 的去除效果很大程度上受湿地中DO水平的影响。现有潮汐流人工湿 地的进、出水口均位于湿地的底部，进水时被截留而又未来得及被分 解的有机物很容易被反向流动的出水带出池体以外，直接影响出水水 质;而且大量颗粒状的有机污染物积累在湿地的底部会使湿地内部严 重缺氧，长久甚至可能会导致堵塞。伯明翰大学最近研究的成果表明 潮汐流人工湿地氧耗最大的时刻发生在水被排出床体、有机污染物留 在基底内时。因此，湿地床中的氧气是否充足，直接影响了潮汐流人 工湿地的处理效果和使用寿命。为了不增加能耗，本发明通过设计类 似“烟囱”的多孔竖管的自然抽力以强化大气的自然复氧效果。方法 如下：在系统的第一级潮汐流人工湿地床中设置了若干根多孔竖管， 竖管置入湿地中的长度占竖管总长度的2/3，此段密集钻有小孔，小 孔大小和分布密度不作特殊要求，参照常规技术。其余1/3长度的部 分暴露于空气中，例如采用150cm长的PVC多孔竖管，其置入填料 中的长度为100cm。系统排水的过程中，PVC管路中与大气接触时间 较长的废水被引入湿地，改善了湿地的缺氧状态。
当系统排干时，由于湿地内部的氧浓度远远低于大气中的氧浓 度，此浓度差将引起大气中的氧气通过PVC竖管上的大量小孔向湿 地内部扩散，从而进一步强化了湿地床体的复氧速率和水平。
二级湿地单元在系统不运行期间保持池底部淹水，优选淹水深度 占池高的1/3，在运行前才把其中的水排空，营造厌氧环境。将两级 潮汐流串联，以发挥各自的硝化与反硝化的作用。
在基质的选择方面，已往研究表明高炉渣能有效除磷，但是单纯 高炉渣会导致出水pH值偏高、填料容易板结，而且成本较高。有鉴 于此，本复合潮汐流人工湿地系统采用50%高炉渣和50%中粗砂混合 物作为填料，以改善单纯使用高炉渣的不足。所使用高炉渣的主要成 分是氧化钙(CaO)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、 少量的氧化锰(MnO2)等。其中CaO、SiO2、Al2O3、MgO、MnO2 的含量占高炉渣总成分的97%以上，其中每一种物质的含量没有具体 要求。中粗砂的主要成分是石英。
本发明优选高炉渣粒径约在0.5mm～2.5mm之间，中粗砂的粒径 约在0.05mm～0.25mm之间。
在种植植物的选择上，一级湿地单元种植美人蕉，种植密度为9 株/m2;二级湿地单元种植象草，种植密度为9株/m2。美人蕉分株繁 殖，株高1～2m，在微碱性的土壤中生长良好。是一种既具去污能力 又具观赏效果的植物。象草喜温热湿润气候，不耐低温，对土壤适应 性强。利用美人蕉和象草的植物吸收作用去除部分的氮和磷。
本发明还可以应用于处理氮磷含量明显高于城市污水的化粪池 污水。
本发明同时提供了实现上述方法的复合潮汐流人工湿地处理系 统，包括引水管、调节池、高位水箱、一级潮汐流人工湿地、二级潮 汐流人工湿地和蓄水池，所述蓄水池通过污水泵和污水管与高位水箱 相连，高位水箱通过布水管与一级潮汐流人工湿地连接，一级潮汐流 人工湿地和二级潮汐流人工湿地通过布水的管相连而相连接，二级潮 汐流人工湿地通过出水管与蓄水池相连接，蓄水池设有回流管道与一 级潮汐流湿地连接;所述一级和二级潮汐流人工湿地均包括床体、布 水管和填充基质(处理介质)，并可种植有湿地植物，布水管位于基 质层表面以下(优选表面以下10cm)并均匀开设小孔。高位水箱内 的污水沿着污水管进入一级潮汐流人工湿地布水管，经过布水管小孔 投配在基质中，经过一级潮汐流人工湿地处理后的污水进入二级潮汐 流人工湿地的布水管投配在二级潮汐流人工湿地床体内的基质中，经 处理后的出水自流至蓄水池。所述潮汐流人工湿地垂直布设有多孔竖 管，以强化复氧速率，如上所述，所述多孔竖管置入基质中的长度占 竖管总长度的2/3，此段密集钻有小孔。所述管道均可以采用现有PVC 管。所述基质为50%高炉渣和50%中粗砂的混合物，50%均为体积百 分数，所述高炉渣的粒径为0.1～0.5cm，中粗砂的粒径为0.05～ 0.2cm。
作为一个优选的方案，所述一级潮汐流人工湿地、二级潮汐流人 工湿地和集水池呈三级阶梯构造，更好地保证系统占地面积小、脱氮 除磷效果较好的效果。
本发明所述的处理系统中一级和二级潮汐流人工湿地可以分别 作为一个单元，视污水处理的具体情况可以将至少两个这样的单元串 联使用，获得需要的处理效果。
所述复合潮汐流人工湿地系统处理化粪池污水中有机物和脱氮 方法是：将两级潮汐流人工湿地进行串联，化粪池污水由高位水箱自 流进入一级潮汐流人工湿地通过PVC布水管进行均匀布水，经过一 级潮汐流人工湿地处理单元的物理沉降，填料过滤和拦截作用后，去 除大部分SS(悬浮物)、COD(化学需氧量)、BOD5(五日生化需氧 量)，通过PVC多孔竖管的复氧作用，在氧气充足的情况下进行污水 的硝化作用，接着流向底部进入二级潮汐流人工湿地处理单元，利用 二级潮汐流人工湿地完成对有机物的大部分去除，在有适当的碳氮比 和厌氧条件下通过反硝化作用和水生植物等的吸附降解吸收完成对 氮的部分去除。在本系统中，每次向湿地床中注水时，湿地中的空气 被迫从床体中排出，而当排水的时候空气又能迅速进入床体中，这样 有节奏的气、水运动，促使床体形成好氧、厌氧环境，有利于硝化和 反硝化的进行。
所述复合潮汐流人工湿地系统去除化粪池污水中磷的方法是：利 用微生物及植物的吸收以及填料的物理化学作用去除的。具体方法 是：在两级潮汐流人工湿地系统中填充对磷有一定吸附作用的处理基 质，具体为高炉渣和中粗砂的混合基质。利用两级潮汐流人工湿地系 统中基质的作用以及湿地植物(一级潮汐流人工湿地为美人蕉，二级 潮汐流人工湿地为象草)的吸收作用可以有效的去除污水中的磷。
本发明与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明在一级湿地安装多孔竖管，营造好氧环境，二级湿 地在系统不运行期间保持池高度的1/3淹水，营造缺氧/厌氧环境， 以发挥各级湿地单元的长处，实现高的脱氮率。结果证实，多孔竖管 强化了床体的复氧，能显著提高氨氮的转化率，安装了PVC多孔竖 管的一级湿地单元与没安装PVC多孔竖管的二级湿地单元相比，氨 氮净化率从30.11%提高到53.01%。
(2)本发明以50%高炉渣和50%中粗砂混合物作为处理介质(基 质)，无论在去除有机质还是在脱氮除磷效果上都与高炉渣无显著的 差异，混合基质不但保持了高炉渣良好的除磷基础，而且由于加入的 中粗砂成分减少了基质的孔隙度而增加了基质对污染物质的截留能 力，此外还显著减少了出水pH值偏高和基质板结的现象。同时因为 高炉渣的价格为中粗砂的3～4倍，成本大大降低了。
(3)本发明利用一级潮汐流人工湿地去除部分TN(总氮)、TP (总磷)、COD(化学需氧量)、BOD5(五日生化需氧量)、SS(悬 浮物)，利用二级潮汐流人工湿地完成COD、BOD5、SS和TP的部 分去除功能。当水力负荷分别为0.5和1.0m3/(m2·d)时，系统对COD 的去除率分别高达83.03和76.49%，当水力负荷分别等于0.5、1.0 和1.5m3/(m2·d)时，系统对BOD5的去除率分别为86.4、68.86和 71.15%，都表现出对有机物良好的去除效果。
(4)本发明选择在一级湿地种植美人蕉，在二级湿地种植象草， 利用美人蕉和象草的植物吸收作用去除部分的氮和磷，既具去污能力 又具观赏效果。