申请日2018.07.17
公开(公告)日2018.11.30
IPC分类号C02F3/32; C02F3/30; C02F101/16; C02F101/20; C02F101/38; C02F103/16
摘要
本发明公开了组合人工湿地系统，该系统依次包括调节布水池、垂直流人工湿地、水平流人工湿地和表面流人工湿地组合而成，垂直流人工湿地设置有两组，两组交替运行。本发明还公开利用组合人工湿地系统处理低浓度重金属污水的方法。本发明实现了常规污染物和重金属协同去除、处理效果稳定高效，COD、氨氮、总氮、总磷、六价铬和总镍去除率分别达到60%、80%、70%、65%、50%和50%以上，CODCr≤20mg/L，NH3‑N≤1.0mg/L，TN≤1.0mg/L，TP≤0.2mg/L，六价铬≤0.05mg/L，总镍≤0.02mg/L。运行成本低于0.2元/吨，操作灵活、管理方便、无二次污染，环境效益、社会效益显著。
权利要求书
1.一种组合人工湿地系统，其特征在于，所述组合人工湿地系统依次包括调节布水池、垂直流人工湿地、水平流人工湿地和表面流人工湿地组合而成，所述垂直流人工湿地设置有两组，两组交替运行。
2.根据权利要求1所述的组合人工湿地系统，其特征在于，所述组合人工湿地系统设置了三处回流泵，分别设置在调节池中、水平流人工湿地中以及表面流人工湿地中。
3.根据权利要求1或2所述的组合人工湿地系统，其特征在于，所述调节布水池中设置有检测系统和物化应急加药装置。
4.利用组合人工湿地系统处理低浓度重金属污水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)低浓度重金属污水通过输送管道提升至调节布水池，由调节布水池中的检测系统对进水水质进行检测，当超出污染物排放标准时，根据污水中重金属浓度进行加药沉淀;当符合污染物排放标准时，污水通过布水系统进入垂直流人工湿地;
2)在好氧和厌氧交替的条件下，污水在垂直流人工湿地中，通过湿地中基质和植物根系的过滤、吸附以及吸收等作用，污水中的有机物、悬浮物、氮磷和重金属等污染物得到初步的降解和吸附，污水流过垂直流人工湿地后进入水平流人工湿地;
3)在缺氧条件下，污水在水平流人工湿地中完成反硝化和对重金属的吸附作用，然后污水进入表面流人工湿地;
4)在好氧条件下，污水在表面流人工湿地中污染物得到进一步净化处理，在表面流人工湿地中设置有检测系统和回流泵，当水质超过设计出水水质时，通过回流泵将污水全部输送回调节布水池进行重新处理;当水质符合设计出水水质时，排放进周边水体。
5.根据权利要求4所述的利用组合人工湿地系统处理低浓度重金属污水的方法，其特征在于，为加强水处理效果，配合垂直流人工湿地的运行方式，在水平流人工湿地设置有回流泵，不满足六价铬和总镍的浓度排放要求的，污水回流至垂直流人工湿地。
6.根据权利要求5所述的利用组合人工湿地系统处理低浓度重金属污水的方法，其特征在于，所述回流泵的回流量计算公式为：Q回流=α(C1/C3+C2/C4)*Q进水，α为回流系数，C1为六价铬的进水浓度，C2为总镍的进水浓度，C3、C4分别为六价铬和总镍的最大浓度值，均为0.10mg/L。
7.根据权利要求4所述的利用组合人工湿地系统处理低浓度重金属污水的方法，其特征在于，整个处理过程不需要曝气处理，当污水中溶解氧DO值范围为2.0～3.5mg/L属于好氧环境，先去除污水中COD和氨氮;垂直流人工湿地间歇进水时DO值一般低于0～2.5mg/L属于好氧和厌氧交替环境，在厌氧环境下进行反硝化，去除污水中的磷、和吸附重金属;水平流人工湿地DO值范围为0.5～0.8mg/L属于缺氧环境，在此环境再去除TN、TP和吸附重金属;表面流人工湿地DO值高于2.5～3.5mg/L属于好氧环境，最后进一步去除污染物，使污水达到排放标准。
8.根据权利要求4所述的利用组合人工湿地系统处理低浓度重金属污水的方法，其特征在于，为加强整个方法处理氮磷和重金属的效率，减少能耗，所述垂直流人工湿地设置有两组，两组交替运行，每组采用间歇进水，垂直流人工湿地采用PLC布水，布水次数5～10次/天，通过垂直流人工湿地中形成好氧和厌氧交替运行，在好氧条件下有机物和氨氮被去除;在厌氧条件下进行反硝化和重金属形成高度不溶性的金属硫化物，实现了先去除有机物和氮磷，再去除重金属。
9.根据权利要求4所述的利用组合人工湿地系统处理低浓度重金属污水的方法，其特征在于，所述调节布水池中的检测系统，主要对水中CODcr、NH3-N、六价铬、总镍、TN进行检测，验证其污水水质是否达到设计的进出水指标。
10.根据权利要求9所述的利用组合人工湿地系统处理低浓度重金属污水的方法，其特征在于，所述进水水质符合CODCr≤50mg/L，NH3-N≤8mg/L，TN≤6.0mg/L，TP≤0.5mg/L，六价铬≤0.10mg/L，总镍≤0.10mg/L;所述出水水质符合CODCr≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L，TN≤1.0mg/L，TN≤0.2mg/L，六价铬≤0.05mg/L，总镍≤0.02mg/L。
说明书
一种组合人工湿地系统及其处理低浓度重金属污水的方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，涉及一种组合人工湿地系统及其处理低浓度重金属污水的方法，具体涉及利用组合人工湿地处理电镀集中区污水站尾水的方法，该方法可以高效降低尾水中氮磷、有机物、重金属等污染物低浓度量，使其能够达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水标准，尤其适用于重金属污染严重的工业集中区。
背景技术
工业行业的发展推动着我国经济形势快速攀升的同时也带来了严重污染问题，随着工业污水排放量的不断增加，我国很多城市水体污染严重，这已经影响了城市居民的日常生活，同时也制约着城市经济的进一步发展。其中工业集中区的污水中多数含有大量重金属，如果不加以处理，任意排放，势必对环境及人类产生严重危害。而这些污水中重金属和氮磷等常规污染物协同污染危害更大，如果处理不当会造成严重污染问题。随着国家对环境问题的愈加重视，对于排放的水体水质要求也越来越严格，往往需要达到地表水环境质量标准才能排放。据不完全统计，我国年排污水量达数百亿吨，但只有极少部分的工业污水能够得到有效处理。虽然我国的许多城市都在应用传统的集中式污水处理系统对污水进行控制，但传统的污水处理厂投资建设费用高，能源消耗大，且需要大量的人力物力进行运行管理。而人工湿地方法以其低能耗、低成本、高效率等优势逐渐替代一些传统的污水处理技术，其在生活污水、农业废水以及河湖生态修复等领域被广泛应用。
申请号201610884361.6公开了一种人工湿地系统，包括多个垂直流人工湿地单元;所述垂直流人工湿地单元包括进水渠、进水配水管道、湿地床体、出水底渠、出水管道和排水渠;一种人工湿地系统的污水处理方法，包括将污水收集于进水渠中，经所述进水配水管道进入所述湿地床体，所述排水渠收集经所述湿地床体净化后的尾水，经所述出水管道排出;其中，多个所述垂直流人工湿地单元采用交替间歇进水的方式，每个所述垂直流人工湿地单元的周期运行时间为4-6h，进水与落干的时长比值小于1：2。该人工湿地系统仅能够去除污水中的氮磷污染物，不能有效去除工业污染区的重金属，不适用于城市中的工业污染区域。申请号201710382037.9公开了一种利用植物塘+人工湿地+吸附池高效去除农田灌溉水中重金属的方法，其主要是根据农田灌溉水渠分布情况选取能利用高程差实现自然进出水的田块形成“植物塘+人工湿地+吸附池”的净化工艺，在植物塘和人工湿地内种植香蒲、黑藻等水生植物，吸附池内填充稻草等吸附重金属能力强的工农业废弃物，以净化农田灌溉水中重金属污染。该方法处理的重金属浓度标准不高，未考虑人工湿地系统本身的协同作用去除污染物。申请号201711332295.2涉及一种流域水资源利用污染物防控方法与装置，该方法包括设置依次连接的水解池、纳米曝气池和垂直潜流人工湿地，打捞流域中浮萍、水藻在水解池中粉碎、酸化消解，将水解池中处理后上清液输入至纳米曝气池中，纳米曝气池出水与流域水混合输入垂直潜流人工湿地内，经处理得到满足灌溉要求的流域水。该方法打捞浮萍、粉碎、曝气等操作均需人力完成，在处理的过程中投资成本高、运行费用高。申请号201510178728.8公开了一种脱氮除磷人工湿地方法技术，主要包括稳定塘、潜流湿地、深度净化塘和强化除磷单元。稳定塘提供厌氧环境，并对污水进行初步预处理，将水体中的大分子有机物转化为小分子有机物;稳定塘出水进入潜流湿地，潜流湿地的主要去除水体中的COD以及进行硝化作用，将氨氮转化为硝态氮;潜流湿地出水进入深度净化塘，深度净化塘提供缺氧环境，主要作用将硝态氮转化为氮气，实现水体中氮的去除;稳定塘出水进入强化处理单元，在该单元内设有方解石填料，污水流经方解石，水体中的磷酸根等离子与钙离子产生化学反应形成磷酸盐沉淀，最终去除。该人工湿地方法未考虑处理量大小的问题，对于处理量的变化不能通过调整湿地的运行来避免资源的浪费。申请号201611093325.4公开了一种用于脱氮除磷的复合人工湿地方法系统，包括进水管、出水管和位于进水管和出水管之间的相互串联的多级复合人工湿地;每一级复合人工湿地均包括位于上游的好氧生物塘和位于下游的人工湿地，每个人工湿地均包括数个人工湿地单元;第一级复合人工湿地的人工湿地中，每个人工湿地单元之间相互并联，且均为垂直潜流人工湿地单元;除第一级复合人工湿地以外的其他各级复合人工湿地的人工湿地中，人工湿地包括若干相互串联的人工湿地单元组成的小组，每一个小组之间相互并联;每一个小组内的人工湿地单元既包括水平潜流人工湿地单元，又包括表面流人工湿地单元。该人工湿地方法系统未设置有回流设施，对于处理未达标的污水无法进行再处理，不能保证稳定的运行效果。
发明内容
发明目的：为了解决电镀集中区污水处理站尾水中氮磷以及重金属污染物协同高效去除问题，实现从《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)表3标准处理至《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水标准。本发明通过不同类型的人工湿地组合得到人工湿地系统从而对污水进行逐步处理，以控制溶解氧和回流为核心，强化滤料上微生物降解主导作用，辅助物化处理应急最终实现稳定处理，从而避免对周边水体污染，保护我国的水资源环境。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：一种组合人工湿地系统，所述组合人工湿地系统依次包括调节布水池、垂直流人工湿地、水平流人工湿地和表面流人工湿地组合而成，所述垂直流人工湿地设置有两组，两组交替运行。
其中，所述组合人工湿地系统设置了三处回流泵，分别设置在调节布水池中、水平流人工湿地中以及表面流人工湿地中。
其中，所述调节布水池中设置有检测系统和物化应急加药装置。主要对水中CODcr、NH3-N、六价铬、总镍、TN进行检测，验证其污水水质是否达到设计的进出水指标。
调节布水池中的检测系统对进水水质进行检测，并对每个湿地单元溶解氧进行测定，当CODCr≤50mg/L，NH3-N≤8mg/L，TN≤6.0mg/L，TP≤0.5mg/L，六价铬≤0.10mg/L，总镍≤0.10mg/L时，污水通过布水系统进入垂直流人工湿地;否则，当不满足上述水质检测标准时，经过调节布水池中设置的回流泵将污水泵入污水站中重新处理。
本发明内容还包括利用组合人工湿地系统处理低浓度重金属污水的方法，包括以下步骤：
1)低浓度重金属污水通过输送管道提升至调节布水池，由调节布水池中的检测系统对进水水质进行检测，当超出污染物排放标准时，根据污水中重金属浓度进行加药沉淀;当符合污染物排放标准时，污水通过布水系统进入垂直流人工湿地;
2)在好氧和厌氧交替的条件下，污水在垂直流人工湿地中，通过湿地中基质和植物根系的过滤、吸附以及吸收等作用，污水中的有机物、悬浮物、氮磷和重金属等污染物得到初步的降解和吸附，污水流过垂直流人工湿地后进入水平流人工湿地;
3)在缺氧条件下，污水在水平流人工湿地中完成反硝化和对重金属的吸附作用，然后污水进入表面流人工湿地;
4)在好氧条件下，污水在表面流人工湿地中污染物得到进一步净化处理，在表面流人工湿地中设置有检测系统和回流泵，当水质超过设计出水水质时，通过回流泵将污水全部输送回调节布水池进行重新处理;当水质符合设计出水水质时，排放进周边水体。
其中，为加强水处理效果，配合垂直流人工湿地的运行方式，在水平流人工湿地设置有回流泵，不满足六价铬和总镍的浓度排放要求的，污水回流至垂直流人工湿地。
其中，所述回流泵的回流量计算公式为：Q回流=α(C1/C3+C2/C4)*Q进水，α为回流系数，其中，当污水中溶解氧DO值范围为2.0～3.5mg/L属于好氧环境;垂直流人工湿地连续进水时DO值一般低于0～2.5mg/L属于好氧和厌氧交替环境;水平流人工湿地DO值范围为0.5～0.8mg/L属于缺氧环境;表面流人工湿地DO值高于2.5～3.5mg/L属于好氧环境。
其中，为加强整个方法处理氮磷和重金属的效率，减少能耗，所述垂直流人工湿地设置有两组，两组交替运行，每组采用间歇进水，垂直流人工湿地采用PLC布水，布水次数5～10次/天，通过垂直流人工湿地中形成好氧和厌氧交替运行，在好氧条件下有机物和氨氮被去除;在厌氧条件下进行反硝化和重金属形成高度不溶性的金属硫化物，实现了先去除有机物和氮磷，再去除重金属。
其中，所述调节池中的检测系统，主要对水中CODcr、NH3-N、六价铬、总镍、TN进行检测，验证其污水水质是否达到设计的进出水指标。
其中，所述进水水质符合CODCr≤50mg/L，NH3-N≤8mg/L，TN≤6.0mg/L，TP≤0.5mg/L，六价铬≤0.10mg/L，总镍≤0.10mg/L;所述出水水质符合CODCr≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L，TN≤1.0mg/L，TN≤0.2mg/L，六价铬≤0.05mg/L，总镍≤0.02mg/L。
其中，本发明的低浓度重金属污水可以但不仅限于污水经过电镀集中区污水站处理后的尾水，可以是所有满足进水水质要求的污水，具体地，
步骤1：尾水通过电镀集中区污水站尾水输送管道提升至调节布水池，由调节布水池中的检测系统对进水水质进行检测，当超出《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)表3标准的尾水时，根据尾水中重金属浓度进行加药沉淀;当符合《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)表3标准水质时，然后污水通过布水系统进入垂直流人工湿地，另外调节池中设置有物化应急加药装置，可在水质波动较大，整个系统处理效果不佳的情况下进行紧急加药处理，所加的药为纳米MnO2(粒径40-70nm，比表面积20-40m2/g，体积密度0.6-0.8g/cm3，球形)混凝去除地表水中痕量重金属;
步骤2：在好氧和厌氧交替的条件下，污水在垂直流人工湿地中，通过湿地中基质和植物根系的过滤、吸附以及吸收等作用，污水中的有机物、悬浮物、氮磷和重金属等污染物得到初步的降解和吸附。污水流过垂直流人工湿地后进入水平流人工湿地;
步骤3：在缺氧条件下，污水在水平流人工湿地中完成反硝化和对重金属的吸附作用。为加强处理效果，配合垂直流人工湿地的运行方式，在水平流人工湿地设置有回流泵，回流量按公式Q回流=α(C1/C3+C2/C4)*Q进水(α为回流系数，步骤4：在好氧条件下，污水在表面流人工湿地中污染物得到进一步净化处理。在表面流人工湿地中设置有检测系统和回流泵，当水质超过设计出水水质时，通过回流泵将污水全部输送回调节布水池进行重新处理;当水质符合设计出水水质时，排放进周边水体。
具体地，为加强处理效果，设置了三处回流设施，分别是调节池中、水平流人工湿地中以及表面流人工湿地中。
本发明中调节布水池根据重金属浓度情况进行加药沉淀、垂直流湿地厌氧运行，水平流湿地主要是缺氧运行，表面流湿地主要是好氧运行，不同的溶解氧条件下强化了微生物和植物对低浓度重金属的去除效果，形成了“物化应急+生物、生态为主”处理尾水的方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明污水中溶解氧控制为核心，在好氧条件下实现先去除有机物和氮磷，然后在厌氧条件下实现重金属的去除，实现了有机物、氮、磷和重金属的协同去除。COD、氨氮、总氮、总磷、六价铬和总镍去除率分别达到60%、80%、70%、65%、50%和50%以上，CODCr≤20mg/L，NH3-N≤1.0mg/L，TN≤1.0mg/L，TP≤0.2mg/L，六价铬≤0.05mg/L，总镍≤0.02mg/L。实现从《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)表3标准处理至《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水标准。
(2)本发明通过回流量精准控制，为滤料上微生物提供良好的环境因子，有利于组合人工湿地对污染物的有效去除。
(3)本发明运行成本低于0.2元/吨，操作灵活、管理方便、无二次污染，环境效益、社会效益显著。