CN102642978A

CN102642978A - 一种适用于污水分散处理的高效循环式垂直流人工湿地及设备

Info

Publication number: CN102642978A
Application number: CN 201010590413
Authority: CN
Inventors: 刘超翔; 高春芳; 刘琳; 董健
Original assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2011-02-20
Filing date: 2011-02-20
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明属于污水生态处理领域，目的在于提供一种循环式垂直流人工湿地处理分散污水的设备和方法。本发明包括以下几个方面：1)该高效循环垂直流人工湿地***包括垂直流人工湿地，循环水槽和强化吸附柱三个主要组件；2)运行方式有间歇式和连续式两种。该人工湿地填料是由几种价格低廉对氮磷吸附量大的填料按一定比例组合填充的，湿地表面种植耐污能力强具有景观价值(再力花或萱草)或经济价值的植物(杂交狼尾草)。本发明选取高效的填料组合强化氮磷吸附，出水回流提高了垂直流湿地内部的溶解氧，增强湿地内微生物的硝化能力，脱氮能力加强，增大污水与填料的接触时间，加强了磷的去除。针对不同污水类型可以灵活进行串并联的组合，应用性强。

Description

一种适用于污水分散处理的高效循环式垂直流人工湿地及设备

技术领域

本发明涉及污水土地处理方法及装置的技术领域，特别涉及适用于乡镇、山区、度假村、疗养院、居民生活小区等分散居住地区以及小城镇等的生活污水处理并进行污水再生回用。它亦可用于小规模农业、养殖业以及工业废水处理。

背景技术

目前，集中式污水处理是城市污水处理的主要方式，但是一些不能汇集到城市污水管网或者集中式处理不太经济的分散式污水(居民生活小区，疗养院，别墅区，度假村，比较偏远的中小城镇，公共建筑区，农村及山偏远山区排放的生活污水，以及一些小规模养猪厂，工厂等排放的废水)如果直接排入池塘，河流，湖泊等，则会造成环境的污染。这些地区受经济和地理环境等因素制约，不适宜建立大规模的污水收集管网以及集中式污水处理***，但可因地制宜发展分散式污水处理和回用技术，可以有效减轻市政设施和污水处理厂的压力，处理污水回用可以节约水资源，有效实现资源化。

分散式污水处理的技术有化粪池，物化-生化法相结合的技术(如吸附沉淀与活性污泥，氧化沟等相结合)，膜技术，污水土地处理的方法法(人工湿地，稳定塘，地下渗滤等)等。由于传统的化粪池处理效率较低，膜技术以及其他生化方法如活性污泥等的基建费用大，能耗较高，管理复杂，成为其广泛应用的限制因素。污水土地处理法中的人工湿地技术具有低能耗，高效率以及运行管理方便，同时可以美化环境的优点，因此具有很高的推广利用价值。

传统人工湿地技术分为表面流，潜流以及垂直流三种。垂直流人工湿地与其它两种类型湿地相比，具有污染负荷高，占地面积较小，布水更均匀的特点。但是，人工湿地由于其结构和水流特征，其内部往往溶解氧浓度较低，很难满足好氧微生物尤其是好氧硝化细菌生命活动所需要的氧气，从而导致氮的去除率较低基本在60％以下；而且湿地的填料类型单一，对磷元素的去除率也低于80％，不能满足高浓度污水的处理要求。

发明内容

本发明针对传统垂直流人工湿地存在的内部溶解氧浓度低和水力梯度不足的问题，在其基础上研发了一种新型的适于分散式污水处理的循环式垂直流人工湿地设备，提高垂直流湿地内部的溶解氧浓度，选取和搭配了几种比表面积大，孔隙率高，磷吸附效果好和适合微生物及湿地植物生长的填料，强化了***对氮、磷等污染物的去除效果。

本发明采用的技术手段如下：

1.该***由三个主要部分组成：垂直流人工湿地床体，污水循环水槽，强化吸附柱。

2.污水通过分布均匀的半圆槽型溢流布水管进入垂直流人工湿地，流经人工湿地之后由底部分布均匀的渗滤孔滴入储水槽，间接富氧之后经循环水泵进入布水管与进水混合后再次进入垂直流人工湿地。通过循环，提高了污水的溶解氧气浓度，增大了污水与填料的接触反应时间及面积，提高***的处理效率，循环水槽内出水经溢流管进入吸附柱，进一步强化了对磷等污染物的吸附，保证了较高的出水水质。

3.垂直流人工湿地内分3层装有填料，从上到下依次是红壤与腐殖土混合，沸石与膨胀蛭石混合，砾石。(1)表层为腐殖土与红壤的混合物，总体厚度20cm，其中腐殖土厚度为表层2cm。其中红壤中富含铁铝锰离子，有利于对磷的吸附，表层腐殖土为湿地中植物及微生物的生长提供必需的营养元素和生长环境。

(2)填料层为沸石和膨胀蛭石，厚度30cm，二者填充比例为10∶1。沸石粒径范围为0.8-1.5cm，膨胀蛭石粒径0.1-0.3cm。沸石和膨胀蛭石的填充可以加强对氨氮的吸附作用，膨胀蛭石层间具有水分子及可交换性阳离子的层状镁(或铝)硅酸盐黏土矿物，具有较大的比表面积和较强的吸附能力，具有较好的同步去除氨氮和磷酸盐的性能。沸石的微孔结构有利于生物膜的生长，而且其空间网状结构以及其强大的阳离子交换量使其对氨氮有较强的吸附作用。小粒径的膨胀蛭石可以分散在沸石的间隙中，增大污水与填料的接触面积与时间，增大去除率。(3)底部填充为砾石，填充厚度10cm，粒径为2-5cm。

4.循环水槽位于垂直流人工湿地下方，连接循环水泵，回流后污水与进水在布水管内混合流入湿地，间接富氧弥补植物泌氧能力的不足，有效提高湿地内部的溶解氧，强化了硝化效果，同时也延长了污水与人工湿地的接触时间，磷等污染物的去除效果也得到加强。

5.可更换填料的吸附柱。吸附柱内填充钢渣与泥炭土，体积比为5∶1，钢渣粒径为1-2cm。钢渣富含铁铝镁钙等金属化合物，有利于对磷酸盐的吸附，泥炭土富含有机质，为微生物生长提供所需的营养元素，二者结合可以进一步强化氮磷及有机物的去除。实际污水处理过程中可根据***的出水情况判断填料吸附是否达到饱和来更换或者对饱和填料进行脱附和改性。

6.垂直流人工湿地表面根据实际情况选择种植一些耐污能力强，根系发达的具有景观或者经济价值的植物。对于生活区分散式污水(如街道小区，别墅区，疗养院等)可以种植景观类湿地植物如萱草，再力花等，供欣赏美化环境。针对养殖废水类的分散型污水等可以选择如杂交狼尾草的经济植物，其耐污性能好，产量大，蛋白含量高，收割后可加工为饲料供牲畜利用，实现污水资源化的目的。

7.该***可以加工成装置和标准组件，根据实际污水类型和特征连接不同的床体和单元(串行或并行)，以满足不同类型分散式污水(如街道，社区，小型工厂或养殖场)处理的需要，应用灵活、简便。

该发明技术特点：

1.这种新型的循环设计，显著提高了湿地内部的溶解氧浓度，弥补了湿地内植物根系泌氧作用的不足，提高了微生物的好氧反应效率，如硝化作用；污水在***内反复循环，充分接触填料，又可提高磷和其他污染物的去除效果；

2.红壤，沸石和膨胀蛭石多种填料的组合填充可以达到同步脱氮除磷的作用，比其他单一类型的填料具有更好的去除效果；

3.不同类型和粒径填料的组合填充方式以及布水、集水方式的优化有效地防止了***内部短路流和死区的出现，提高了***内部的有效体积，亦有利于对植物的均匀供水；

4.该湿地设备结构紧凑，占地面积小，具有较高灵活性，针对不同的污水类型以及处理量可以对若干个湿地单元进行串联或者并联的组合，每个单元的运行条件可以独立控制，适合不同的废水，不同的水质条件，应用具有广泛性；

5.人工湿地表面根据不同类型分散式污水选择种植耐污能力强，根系发达的具有景观价值的再力花，萱草或者具有经济价值杂交狼尾草，达到污水处理与景观绿化以及经济效益相结合的目的。

6.该循环式垂直流人工湿地***构造简单，造价低，所选填料来源广泛，价格低廉，运行过程与传统污水生化处理工艺相比，动力消耗少，运行费用低，具有推广应用价值。

附图说明

图1为循环式垂直流人工湿地设备流程图，其中各数字表示如下：1-污水；2-进水泵；3-布水管；4-回流泵；5-污水循环水槽；6-垂直流人工湿地；7-腐殖土与红壤层；8-沸石与膨胀蛭石混合层；9-砾石层；10-吸附柱；11-出水

图2为人工湿地平面图，各数字表示如下：12-底部渗滤孔；13-循环水

具体实施方式

实施实例一：***间歇运行方式处理猪场养殖废水

该循环式垂直流人工湿地尺寸为：该试验中垂直流人工湿地床体的尺寸为长宽各1m，高0.7m，体积700L，填料层从上往下依次为红壤和腐殖土10cm，中间填料层沸石和膨胀蛭石以10：1的比例混合，高度30cm，底部砾石10cm。储水槽长宽各1m，高0.3m，实际体积300L。储水槽与人工湿地池体间隔10cm。

实验所用的养猪废水为沼气池出水，取自某小型养猪场，经沉淀后进入***。湿地表面种植植物为杂交狼尾草。***间歇方式进水，进水和排放频率为2d/次。水力负荷为12cm/d，回流比为24，水力停留时间2d。各污染物总去除率如下表所示：

表1循环式垂直流人工湿地对猪场养殖废水的去除效果

表2集约化畜禽养殖业水污染最高允许日均排放浓度(GB18596-2001)(单位：mg/L)

表1中的结果表明，除TN外，对其他污染指标的去除率均在90％以上，效果优于传统人工湿地的平均去除率(40-60％)，出水浓度远高于我国关于集约化养殖废水的排放标准(表2)。在水力负荷12cm/d，回流比为24的条件下，回流水槽内污水的溶解氧浓度在4-6mg/L，远高于传统垂直流湿地的0.6mg/L以下。以上结果表明该垂直回流人工湿地有效改善了湿地内溶解氧条件，对污染物的去除效果具有高效性。

实施实例二：***连续流方式处理猪场养殖废水(回流比为5)

该试验中循环式垂直流人工湿地的尺寸和养猪废水来源如实施实例一，同时在垂直流人工湿地池体之外添加强化吸附柱，吸附柱高0.8m，内径0.16m，内部填充钢渣与泥炭土的混合物，混合体积比5∶1。运行方式采用连续流，污水经过垂直流人工湿地滴入循环水槽，然后用泵对循环水槽内出水进行回流，同时循环水槽连接吸附柱顶部进水管，流入底部出水管出水。在水力负荷为2cm/d，回流比为5的条件下，该设备对猪场养殖废水的处理效果如下表3所示。

表3***连续流方式对猪场养殖废水去除效果(回流比5)

表3结果表明，在水力负荷为2cm/d，回流比为5的条件下，该循环式垂直流人工湿地***对养猪废水中COD、氨氮和总磷的去除率分别可达到94％，98％和97％以上，出水浓度也远低于畜禽养着排放标准，具有较高的处理效率。

实施实例三：***连续流方式处理猪场养殖废水(回流比15)

该实施实例的运行条件如实施实例二，出水回流比调整为15。表4显示了该***在回流比为15时对猪场养殖废水的处理效果。

表4***连续流方式对猪场养殖废水去除效果(回流比15)

表4结果表明，在水力负荷为2cm/d，回流比为15的条件下，该循环式垂直流人工湿地***对养猪废水中COD、氨氮和总磷的去除率分别可达到84％，99％和91％以上，出水浓度也远低于畜禽养着排放标准。

Claims

1.一种适用于分散污水处理的高效循环式垂直流人工湿地设备，其特征在于：设备由垂直流人工湿地，循环水槽，强化吸附柱几个主体部分构成。污水经布水管均匀投配到填充有氮磷吸附效果好填料的垂直流人工湿地，从湿地流入循环水槽过程中间接富氧，出水回流与进水混合流入布水管，增强了进水以及湿地内部的溶解氧浓度。循环水槽出水溢流入强化吸附柱，该过程进一步提高对氮磷的去除效果。湿地表面种植根系发达耐污能力强的景观植物(再力花或萱草)或经济植物(杂交狼尾草)，达到污水处理和景观、资源化相结合的目的。

2.权利要求2中所述垂直流人工湿地的填料组合方式为从湿地底部向上依次为砾石、沸石和膨胀蛭石、红壤和腐殖土，填充高度依次为10，30，20cm。砾石粒径为2-5cm。沸石和膨胀蛭石的混合比例为10∶1，膨胀蛭石粒径0.1-0.3cm，沸石粒径0.8-1.5cm，二者组合的特征在于具有较大的比表面积和孔隙率，具有同步脱氮除磷和有利于微生物生长的功能。腐殖土与红壤填充厚度分别为2cm，18cm，其特征在于有利于磷的吸附与提供植物和微生物的生长所需营养元素。

3.权利要求1中垂直流人工湿地中所选植物类型分为景观类和经济类。针对生活区的分散式污水可以选择景观型植物萱草和再力花，供欣赏和美化环境；

针对养殖类分散式污水选择杂交狼尾草经济类植物，富含蛋白，收割后可以加工为饲料。

4.权利要求1中所述循环水槽，连接回流管回流污水，可以提高污水和湿地内部溶解氧，增大污水与填料的接触时间，提高氮磷等污染物的去除效果。运行过程中选用回流比根据进水浓度变化在2-5之间。

5.权利要求1中所述强化吸附柱内填充钢渣和泥炭土，填充体积比为5∶1。钢渣粒径为1-2cm。填充钢渣有利于磷的吸附，强化污水处理效果。

6.权利要求1中垂直流人工湿地表面采取半圆槽型溢流管布水的方式，池体均匀布置四根溢流管，溢流管同时连接进水管和回流管，二者混合均匀后布水滴流至植物根系附近富氧后滴入填料层，由底部渗滤孔进入循环水槽。

7.权利要求1中所述循环式垂直流人工湿地***可以加工成标准设备，针对不同分散式污水类型选择一个设备或者多个设备串并联组合应用。设备运行方式有间歇式和连续式两种。