CN102515413B - 复合水平潜流人工湿地处理污水的***及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合水平潜流人工湿地处理污水的***及处理方法。所述***的主要处理单元包括两级串联的第一级水平潜流湿地处理单元和第二级水平折流湿地处理单元，所述第一级水平潜流湿地处理单元设置有垂直流的硝化带。采用本发明***处理污水，污水经初沉池去除大部分砂粒和悬浮颗粒物质后自流进入硝化带，经硝化带处理去除部分砂粒和悬浮颗粒物质，降低降低化学需氧量和五日生化需氧量，并进行废水的硝化作用，然后利用第一级处理单元的水平潜流人工湿地去除部分总氮、总磷和悬浮物，降低化学需氧量和五日生化需氧量，利用第二级水平折流湿地处理单元完成最终处理去除功能。本发明处理成本低、占地面积小、脱氮除磷效果较好，显著降低污水的化学需氧量和五日生化需氧量。

Description

复合水平潜流人工湿地处理污水的***及处理方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种复合水平潜流人工湿地处理污水的***及处理方法。

背景技术

水平潜流人工湿地是目前较多采用的人工湿地类型，污水从一端进入湿地，以水平流动方式缓慢地经由床体中的基质空隙，从另一端流出。在整个流动过程中，污水会在好氧、缺氧和厌氧区域的联合作用下得以净化。在该***中，污水在湿地床的内部流动，一方面可以充分利用基质表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和基质截留等作用，以提高其处理效果和处理能力；另一方面由于水流在地表以下流动，故具有保温性较好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点。

有研究表明，潜流型人工湿地较高的净化能力主要是依靠土壤有效的通气性，对COD、BOD₅、NH₄ ⁺-N和SS的去除能力较高。目前，该类型湿地被广泛应用于处理生活污水、工业废水、农业污水以及暴雨径流。其存在的不足之处有：(1)由于***整体处于厌氧或缺氧状态，充氧能力较低。进水中的溶解氧在床体后半部已消耗至很低的水平，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)反硝化过程中所需要的碳源得不到充分的保证进一步抑制了总氮的去除效果。(3)水流与根脉基质接触不充分，除磷效果不很理想。

发明内容

为了克服现有污水水平潜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水平潜流人工湿地处理污水的***。

本发明的另一目的是提供复合水平潜流人工湿地处理污水的方法。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

本发明提供一种复合水平潜流人工湿地处理***，包括污水管、初沉池和出水管，还包括第一级水平潜流湿地处理单元和第二级水平折流流湿地处理单元；所述第一级水平潜流湿地处理单元和第二级水平折流流湿地处理单元包括床体、布水管和处理介质；所述第一级水平潜流湿地处理单元通过多孔的间隔装置间隔为垂直流湿地硝化带和水平潜流或推流湿地两部分，两部分都分别设有处理介质；第一级水平潜流湿地处理单元的布水管设置于垂直流湿地硝化带处理介质的表面层；

所述初沉池通过污水管与第一级水平潜流湿地处理单元的布水管连接，第一级水平潜流湿地与第二级水平折流湿地通过多孔间隔装置相连；第二级水平折流湿地处理单元连接出水管；

所述第二级水平折流湿地处理单元内设有若干挡流墙；

所述垂直流湿地硝化带的处理介质是从床体的底部至接近布水管的顶部分别为铝矿渣层、碎石层和中粗砂层；

所述水平潜流或推流湿地的处理介质是从床体底部向上依次为为碎石层，上部为中粗砂层；

所述第二级水平折流人工湿地处理单元中的处理介质为碎石。

所述第一级水平潜流湿地处理单元的布水管包括布水主管和布水支管组成，成“王”字形；布水主管分布在硝化带的中间，其长度与该床体长度相当，布水支管的一端固定在布水主管的两旁与布水主管连通，另一端密封，其长度为床体宽度的一半。布水管和布水支管向下均匀开有小孔。

优选地，所述布水管分布在垂直流湿地硝化带的处理介质表面以下10cm处。

所述垂直流湿地硝化带高于水平潜流或推流湿地，二者之间设有落差，所述落差是为了使硝化带人工湿地的表层处于好氧状态，有利于去除有机物、除磷和实现对污水的硝化作用。优选地，二者之间设有40～60cm的落差。

优选地，所述垂直流湿地硝化带处理介质中的铝矿渣层高为10cm；碎石直径为0.5～4cm，碎石层高为40cm；所述中粗砂层高80cm。

优选地，所述水平潜流或推流湿地的处理介质中，碎石层高为20cm、碎石直径为3～5cm；所述中粗砂层高度为50cm。

优选地，所述第二级水平折流人工湿地处理单元的处理介质碎石的粒径为3～5cm。

优选地，所述第一级水平潜流人工湿地中种植风车草。所述第二级水平折流人工湿地中种植美人蕉。或者，所述第一级水平潜流人工湿地中种植美人蕉；第二级水平折流人工湿地中一半种植纸莎草，一半种植风车草。利用风车草和美人蕉的植物作用去除部分的氮和磷。

基于上述***，本发明同时提供了一种处理污水的方法，包括如下步骤：

(1)污水经初沉池去除大部分砂粒和悬浮颗粒物质；

(2)经步骤(1)处理后的污水自流进入第一级水平潜流湿地处理单元的布水管均匀布水于其垂直流湿地硝化带处理介质，去除部分砂粒和悬浮颗粒物质化学需氧量和五日生化需氧量，并进行废水的硝化作用；

(3)经垂直流湿地硝化带的污水通过多孔间隔装置流入水平潜流或推流湿地，进行第一次过滤处理，去除大部分总氮、总磷和悬浮物，降低化学需氧量和五日生化需氧量，完成部分反硝化作用；

(4)步骤(3)处理后的污水通过多孔间隔装置流入第二级水平折流人工湿地单元，进行第二次过滤处理，再次去除部分总氮、总磷和悬浮物，降低化学需氧量和五日生化需氧量，再次完成部分反硝化作用，处理后的水流通过出水管排出。

整个复合水平潜流人工湿地***的主要处理部分呈三级阶梯状。第一级阶梯为硝化带，第二级阶梯为水平潜流人工湿地，第三级阶梯为水平折流人工湿地。污水先经集水井收集后由污水泵提升进入初沉池去除砂粒和悬浮颗粒物质，然后依次经过设有硝化带的第一级水平潜流(推流)湿地处理单元和第二级水平潜流(折流)湿地处理单元进行处理。污水在第一级水平潜流人工湿地的硝化带顶部经由“王”字形布水管均匀投配在第一级湿地单元的硝化带上，然后通过处理介质的渗滤达到硝化目的，然后通过处理介质的渗滤处理进入第一级水平潜流湿地处理单元的的水平潜流或推流湿地，经过第一级水平潜流处理单元处理后的污水通过多孔墙自由流入第二级水平折流人工湿地处理单元，经过处理介质的渗滤处理，最后通过出水管排出。

在第一级水平潜流湿地前半部的上端设置的硝化带(垂直流人工湿地)可以增加原污水(未经处理的污水)的溶解氧，有利于硝化作用的完成，在第二级水平折流人工湿地中增加挡流墙的设计，水流通过“S”型的水流通道，可以延长水流的距离，污水再次与处理介质充分接触，提供了好氧环境。

优选地，第二级水平折流湿地中的挡流墙的设计为：挡流墙分别错开设置于距离第一级水平潜流处理单元和第二级水平折流人工湿地处理单元之间的多孔墙为2米、4米和6米，挡流墙的尺寸优选为：750cm×20cm×65cm，两个挡流墙之间的间隔为2米。

第一级水平潜流人工湿地的作用主要是去除部分的好氧有机物、悬浮物和总磷，以及对污水进行硝化作用，进行部分的反硝化作用去除部分总氮。第二级水平折流人工湿地的作用主要是去除大部分的好氧有机物、悬浮物和总磷、以及对污水进行硝化和反硝化作用。

所述复合水平潜流人工湿地处理河涌污水中有机物和脱氮方法是：将水平潜流湿地和水平折流湿地进行串联，在第一级水平潜流人工湿地前端增加一个垂直流的硝化带，显著增强水平潜流的好氧环境，有利于硝化作用的完成。

污水先通过水泵提升进入初沉池去除部分SS(砂粒和较大颗粒的悬浮物)后，然后自流进入硝化带(垂直流人工湿地)通过“王”字形的布水管进行均匀布水，经过硝化带处理后，去除部分SS、COD、BOD₅，并进行废水的硝化作用，接着通过多孔墙流向水平潜流湿地单元，利用水平潜流人工湿地完成对有机物的大部分去除和部分反硝化作用，然后通过多孔墙流入二级水平折流湿地单元，挡流墙有效的增加了水流的路程，对湿地基质达到最大限度的利用，通过反硝化作用和水生植物等的吸收完成对氮的部分去除。

所述复合水平潜流人工湿地***去除河涌污水中磷方法是：利用上述有机物和脱氮方法的工艺流程，在去除有机物和脱氮的同时完成对废水中磷的去除。具体方法是：在复合水平潜流人工湿地***中填充对磷有一定吸附作用的处理基质。具体为：在所述的第一级水平潜流人工湿地及其硝化带中填充碎石、铝矿渣和中粗砂，在所述的第二级水平折流人工湿地中填充不同粒径的碎石，水平折流中的四堵挡流墙延长了水流距离，提高了基质的利用率。利用复合水平潜流人工湿地***中基质的作用以及湿地植物(第一级水平潜流人工湿地为风车草，第二级水平折流人工湿地为美人蕉)的吸收作用可以有效的去除污水中的磷。

本发明将传统的水平潜流进行改造，在第一级水平潜流湿地上增设一个硝化带，以增加氮的硝化作用；将第二级湿地***设计成水平折流湿地***，从而增强水平潜流的好氧环境和对基质的利用率。

本发明所述方法可应用于处理城市污水和生活污水以及与城市污水和生活污水类似水质的污水，以及河涌污水。

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)本发明根据污水水流的特点和流体力学原理等创造性地对污水的整体处理***的构成元素包括三层阶梯似的设计、处理介质等进行了优化，不断总结和分析实验结果，获得了最终效果优良的处理***和处理方法。本发明利用第一级水平潜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)，利用第二级水平折流人工湿地完成COD、BOD₅、SS和TP的部分去除功能。第一级水平潜流前端设置的硝化带促进了氮的硝化作用，促进第一级水平潜流人工湿地***反硝化作用的进行，进一步提高总氮的去除效果。第二级水平折流湿地延长了水流的距离，充分利用了基质及植物，也相应大大提高了整套***对BOD₅和COD的去除能力。

(2)在复合水平潜流人工湿地中，污水在二级水平折流单元呈“S”型流动，在水平方向延长了水流的距离，因此，污水能够充分地利用基质的过滤、吸附和化学作用来处理TP，使得其浓度迅速降低。***中所种植的风车草和美人蕉的吸收作用，可以使运行稳定的复合水平潜流人工湿地***对磷的去除率达到70％以上。且处理出水中的TP浓度均小于1mg/L，达到了城市污水处理厂一级排放标准。

(3)采用铝矿渣、碎石和中粗砂的混合基质不但保持了铝矿渣良好的除磷基础，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，此外还显著减少了基质板结和壅水现象的发生。

附图说明

图1为复合水平潜流人工湿地***工艺流程图；

图2为复合水平潜流人工湿地***平面图；

图3为复合水平潜流人工湿地***剖面图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，在此不能将体现本发明设计思路的思想一一赘述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如附图2所示，本发明复合水平潜流人工湿地处理***由串联的“带有硝化带的第一级水平潜流湿地单元1和第二级水平折流流湿地单元”两部分组成。

如附图1、附图2和附图3所示，污水由水泵提升至一级水平潜流湿地单元前端的硝化带13，污水在硝化带顶部经由“王”字形布水管均匀投配在硝化带中，然后通过处理介质的渗滤进行处理，经过硝化带处理后的污水通过多孔墙流入水平潜流人工湿地14。利用基质的吸附性和水流运动，经过第一级水平潜流处理后的污水通过多孔墙自由流入第二级水平折流人工湿地单元2，经过处理介质的渗滤处理，最后通过出水管排出。

复合水平潜流人工湿地***由床体和PVC布水管、处理介质组成，床体的床壁用不渗漏材料做成，床壁为水泥抹面的砖结构，底部为混凝土结构。

复合水平潜流人工湿地***的硝化带设计尺寸为：长为300cm，宽为800cm，高为130cm。第一级水平潜流湿地床体体积为400cm×800cm×70cm，第二级水平折流床体体积为为800cm×800cm×65cm，整套***都为砖结构水泥抹面。填充的基质具体如下：硝化带底部为10cm厚的铝矿渣，其上依次铺有40cm厚的碎石(d＝0.5～4cm)、80cm厚的中粗砂；第一级水平潜流湿地底部为20cm厚的碎石(d＝3～5cm)、上层为50cm的中粗砂；第二级水平折流湿地中的处理介质为d＝3～5cm的碎石。

第二级水平折流湿地中的挡流墙的设计为：挡流墙分别错开设置于距离第一级水平潜流处理单元和第二级水平折流人工湿地处理单元之间的多孔墙为2米、4米和6米，挡流墙的尺寸优选为：750cm×20cm×65cm，两个挡流墙之间的间隔为2米。

在硝化带和一级水平潜流人工湿地床体中种植有较强营养物质吸收作用的植物风车草，水平折流人工湿地基质中种植红花美人蕉。

布水管采用PVC材料，分布在基质层表面以下10cm处。PVC布水主管管的长度与床体长度相当，其中一端密封，另一端与进水管相连。布水主管和支管分布在硝化带的中间，呈“王”字形分布。布水支管的一端固定在布水主管的两旁与布水主管连通，另一端密封，布水管和布水支管向下均匀开有小孔。

在第一级水平潜流人工湿地的布水主管上装有水量控制阀门和水表，利用阀门和水表的共同作用控制人工湿地的进水，进而控制整个***的水力负荷。

运行管理方式：复合水平潜流人工湿地***共试运行了8个月(2009年1月～5月，7～11月)。开始两个月为启动期，按水力负荷(HRL)＝0.8m³/(m²·d)，每2天运行一次，并取原污水和出水做水质分析。

本实施例处理的污水为东莞运河污水，该运河承担着东莞市城市排洪和接纳污水排放功能，部分河段水质已严重恶化，水体变黑发臭。复合水平潜流人工湿地***依河而建，污水通过水泵提升进入***。水质监测结果表明，污水的COD浓度在26.88～260.92mg/L之间，BOD₅浓度在8.79～36.32mg/L之间，TP浓度在0.47～1.79mg/L之间。

采用本发明处理上述污水的过程如下：东莞运河污水由水泵直接提升进入第一级水平潜流人工湿地单元前端的硝化带，污水在硝化带的顶部经由布水管均匀投配在硝化带的基质中，污水经过基质层，由于基质的过滤截留和吸附作用以及植物根系的摄取作用完成对耗氧有机物和TP的部分去除，同时由于床体处于不饱和状态，氧气通过大气扩散和植物传输进入湿地，有利于污水在硝化带中完成硝化作用；然后污水通过多孔墙进入一级水平潜流湿地，与基质(处理介质)和植物充分接触，完成大部分有机物的去除和部分的反硝化作用，接着水流通过多孔墙流入二级水平折流湿地单元，该单元中有四堵挡流墙，以延长水流的距离从而提高基质和植物的利用率，达到良好的氮磷脱除效果，最后水流通过出水管排出。

本实施例***处理效果(mg/L，％)如表1、表2和表3所示。表1、表2和表3分别为东莞运河污水经复合水平潜流人工湿地***处理后，污水中的COD、BOD₅和TP浓度变化情况。

实施例2

在本实施例中，进入湿地***的污水先行经过樟村污水厂进行一级处理(常规的加药混和反应与沉淀处理)，然后再进入湿地***进一步净化。

本实施例中***处理效果(mg/L，％)如表1、表2、表3和表4所示。表1、表2、表3、表4分别为经一级处理的河涌污水再经复合水平潜流人工湿地***处理后，污水中的COD、BOD₅、TP、NH4⁺-N、TN浓度变化情况。

实施例3

在本实施例中，对珠海上洲村的社区生活污水利用复合水平潜流人工湿地进行处理。

复合水平潜流人工湿地的第一级***设计尺寸长×宽×高为6m×3m×0.8m，出水水位0.65m，第二级湿地处理单元设计尺寸长×宽×高为6m×3m×0.7m，出水水位0.5m。复合水平潜流二级储水池设计尺寸长×宽×高均为1m×1.3m×0.6m，复合水平流的一级储水池设计尺寸长×宽×高为3m×0.5m×0.7m。

复合水平潜流填充的基质为粒径不同的碎石，填充的顺序从池子底部往上依次铺有：5cm粒径40～50mm的碎石、5cm粒径20～40mm的碎石、5cm粒径10～20mm的碎石、距池底15cm往上到池子顶部填粒径5～10mm的碎石。

复合水平潜流***中第一级处理单元种植三种不同花色美人蕉，第二级处理单元一半种植纸莎草，一半种植风车草。

运行方式：该***于2009年12月建成，***试运行半个月时间后正式运行至今。采用间歇性灌水和浮球液位计控制启停的潜水泵灌水，其最高与最低水位相差1.15m。

水质监测结果表明，污水的COD浓度在2.61～61.64mg/L之间，BOD₅浓度在14.78～58.42mg/L之间，TP浓度在0.05～4.36mg/L之间，TN浓度在1.01～44.14mg/L之间，NH₄ ⁺-N浓度在0～42.83mg/L之间。

复合水平潜流对COD、BOD₅、NH₄ ⁺-N、TN和TP的平均去除率分别为66.74％、63.71％、34.12％、34.89％和45.23％，复合水平潜流***处理出水中COD和TN达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)一级标准A标准，BOD₅的浓度达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)一级标准B标准，NH₄ ⁺-N和TP的浓度均达城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)二级标准。

本实施例***处理效果(mg/L，％)如表5所示。表5为上洲村生活污水经复合水平潜流人工湿地***处理后，污水中的COD、BOD₅、TP、NH₄ ⁺-N和TN浓度变化情况。

表1河涌污水经复合水平潜流人工湿地***处理后COD浓度变化情况(mg/L)

表2河涌污水经复合水平潜流人工湿地***处理后BOD₅浓度变化情况(mg/L)

表3河涌污水经复合水平潜流人工湿地***处理后TP浓度变化情况(mg/L)

表4河涌污水经复合水平潜流人工湿地***处理后氮的浓度变化情况

表5生活污水经复合水平潜流人工湿地***处理后各污染物指标浓度变化情况

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合水平潜流人工湿地处理***，包括污水管、初沉池和出水管，其特征在于还包括第一级水平潜流湿地处理单元和第二级水平折流湿地处理单元；所述第一级水平潜流湿地处理单元和第二级水平折流湿地处理单元包括床体、布水管和处理介质；所述第一级水平潜流湿地处理单元通过多孔的间隔装置间隔为垂直流湿地硝化带和水平潜流或推流湿地两部分，两部分都分别设有处理介质；第一级水平潜流湿地处理单元的布水管设置于垂直流湿地硝化带处理介质的表面层；

所述初沉池通过污水管与第一级水平潜流湿地处理单元的布水管连接，第一级水平潜流湿地处理单元与第二级水平折流湿地处理单元通过多孔间隔装置相连；第二级水平折流湿地处理单元连接出水管；

所述第二级水平折流湿地处理单元内设有若干挡流墙；

所述垂直流湿地硝化带的处理介质是从床体的底部至接近布水管的顶部分别为铝矿渣层、碎石层和中粗砂层；

所述水平潜流或推流湿地的处理介质是从床体底部向上依次为碎石层，上部为中粗砂层；

所述第二级水平折流人工湿地处理单元中的处理介质为碎石。

2.根据权利要求1所述复合水平潜流人工湿地处理***，其特征在于所述第一级水平潜流湿地处理单元的布水管包括布水主管和布水支管，布水主管分布在硝化带的中间，布水支管的一端固定在布水主管的两旁与布水主管连通，另一端密封，布水支管开有小孔。

3.根据权利要求1或2所述的复合水平潜流人工湿地处理***，其特征在于所述布水管分布在垂直流湿地硝化带的处理介质表面以下10cm处。 

4.根据权利要求1所述的复合水平潜流人工湿地处理***，其特征在于所述垂直流湿地硝化带与水平潜流或推流湿地之间有40～60cm的落差。

5.根据权利要求1所述的复合水平潜流人工湿地处理***，其特征在于所述垂直流湿地硝化带处理介质中的铝矿渣层高为10cm；碎石直径为0.5～4cm，碎石层高为40cm；所述中粗砂层高80cm。

6.根据权利要求1所述的复合水平潜流人工湿地处理***，其特征在于所述水平潜流或推流湿地的处理介质中，碎石层高为20cm、碎石直径为3～5cm；所述中粗砂层高度为50cm。

7.根据权利要求1所述的复合水平潜流人工湿地处理***，其特征在于所述第二级水平折流人工湿地处理单元的处理介质碎石的粒径为3～5cm。

8.根据权利要求1所述的复合水平潜流人工湿地处理***，其特征在于所述第一级水平潜流人工湿地处理单元中种植风车草；第二级水平折流人工湿地处理单元中种植美人蕉。

9.根据权利要求1所述的复合水平潜流人工湿地处理***，其特征在于所述第一级水平潜流人工湿地处理单元中种植美人蕉；第二级水平折流人工湿地处理单元中种植纸莎草和风车草。

10.一种采用权利要求1所述***处理污水的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）污水经初沉池去除大部分砂粒和悬浮颗粒物质； 

（2）经步骤（1）处理后的污水自流进入第一级水平潜流湿地处理单元的布水管均匀布水于其垂直流湿地硝化带处理介质，去除部分砂粒和悬浮颗粒物质化学需氧量和五日生化需氧量，并进行废水的硝化作用；

（3）经垂直流湿地硝化带的污水通过多孔间隔装置流入水平潜流或推流湿地，进行第一次渗滤处理，去除大部分总氮、总磷和悬浮物，降低化学需氧量和五日生化需氧量，完成部分反硝化作用；

（4）步骤（3）处理后的污水通过多孔间隔装置流入第二级水平折流人工湿地处理单元，进行第二次过滤处理，再次去除部分总氮、总磷和悬浮物，降低化学需氧量和五日生化需氧量，并再次完成部分反硝化作用，处理后的水流通过出水管排出。 

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