CN104176828B - 垂直潜流式土壤生态床及其处理污水的方法 - Google Patents

垂直潜流式土壤生态床及其处理污水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种小型土壤生态***装置——垂直潜流式土壤生态床及其处理污水方法。本发明包括床体、基质硬件构造和生态植物***，其特征在于：所述基质硬件构造自下向上依次为砾石层10~15cm、粗砂层5~8cm、细砂层40~45cm和沙壤土层12~16cm；所述生态植物***由间作栽种在沙壤土层上的芦苇、茭白和香蒲构成，种植密度为15～25株/m2。本发明生态床结构简易，廉价高效，能实现完全自动化，具有良好的渗透性，同时又具有良好的脱氮除磷功能，具有十分重要的推广应用价值。

Description

垂直潜流式土壤生态床及其处理污水的方法
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种小型土壤生态***装置——垂直潜流式土壤生态床及其处理污水的方法。
背景技术
我国对于区域生活污水的治理研究起步较晚，至今还没有大规模推广实施的技术措施。当前比较受到重视的符合国情的生活污水治理技术路线中，污水土地处理技术受到普遍关注。
我国的农村污水处理技术正处于研究和开发的初级阶段，与欧、美等发达国家相比除技术水平存在一定差距外，还存在处理装置和***未形成标准化和系列化的问题，针对农村地区以相对分散的中小型污水处理为主的特点，在农村地区大规模实施污水处理工程，必须开发系列化的具有高效、低维护的污水处理设备。因此，借鉴发达国家的经验，研制和推广符合我国国情的一体化小型污水处理设施，形成工业化生产规模是一项具有前瞻性和现实意义的重要技术研究和开发内容。此类技术的研究将大幅度提高农村生活污水处理的进程，采用工业化生产的一体化污水处理设施可大幅度简化工程的实施难度，提高工程实施的可操作性，降低工程造价，有利于污水处理设施的运行管理和处理水质稳定。
目前，生活污水传统的处理方法是通过污水处理厂综合处理，但是对于分散型的农村生活污水，采用污水处理厂除了需要污水处理设施外，还需要修建各种远距离的、大面积的输送管网，造价昂贵。
发明内容
针对以上问题，本发明构建了一种小型土壤生态***装置——垂直潜流式土壤生态床。所述生态床结构简易，廉价高效，能实现完全自动化，具有良好的渗透性，同时又具有良好的脱氮除磷功能，具有十分重要的推广应用价值。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明设计一种垂直潜流式土壤生态床，包括床体、基质硬件构造和生态植物***，所述基质硬件构造自下向上依次为砾石层10~15cm、粗砂层5~8cm、细砂层40~45cm和沙壤土层12~16cm；所述生态植物***由间作栽种在沙壤土层上的芦苇、茭白和香蒲构成，种植密度为15～25株/m2。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，所述芦苇、茭白和香蒲种植比例为1:1:1。
当前，人们对湿地植物的选择一定程度上依赖于经验，而对各种植物应用于污水处理的效果的***研究较为缺乏。本发明通过***研究，选用了芦苇、茭白和香蒲间作而构建成了能协同作用的生态植物***，该三种植物的根系发达，搭配合理，能形成一个立体的网络状的结构，其中的芦苇、香蒲能絮凝胶体、消除病原体，而且二者还具有发达的通气组织，向植物根际输送氧气，在植物根区形成特殊的好氧厌氧环境，适应各种微生物的生长，间接促进污水中各种污染物的降解；茭白生长量大，对氮、磷的吸收能力强；香蒲植物具有特殊的结构与功能，如叶片呈肉质、栅栏组织发达、气孔凹陷、地下茎发达等结构，因而可以有效地净化生活污水及工业废水中的磷、氮、CODcr、BOD5、总悬浮物(TSS)等污染物质。此外，研究表明，这三种植物的根系分泌物（如糖类、醇类、氨基酸等）可以促进某些嗜P、N细菌的生长，植物根部的细菌比介质处高1～2个数量级。细菌数量的增多，问接提高***的污水净化能力。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，所述床体为顶部开口的有机玻璃半圆柱体，其垂直面贴靠墙体，半径50~60cm。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，所述砾石层厚度为12cm，粗砂层厚度为6cm，细砂层厚度为43cm，沙壤土层厚度为15cm。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，以重量百分比计，所述沙壤土层中含有改性凹凸棒土5～10%，所述改性凹凸棒土制备方法如下：
（1）预处理：将凹凸棒土研磨后过20～100目筛，再于200℃下煅烧3～5h，用去离子水浸泡20～30h后洗涤数遍至洗涤水澄清后烘干，备用；
（2）活化改性：用体积分数为2～4％的醋酸溶液缓慢溶解一定量的壳聚糖，用量以配成粘稠的壳聚糖胶体溶液为准，取上步所得凹凸棒土与一定量的该壳聚糖胶体溶液混合搅成糊状，壳聚糖胶体溶液用量以使凹凸棒土被充分浸润为准，再将所得糊状物置于105℃下干燥，即成。
凹凸棒土具有独特的链层状晶体结构和十分细小的棒状、纤维状晶体形态，而具有许多特殊的物理化学性质，如吸附性、离子交换能力和可塑性等。对凹凸棒土进行适当的改性，可改变其物理化学性质。经上述方法所获得的改性凹凸棒土不但对Cu2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+等金属离子及色度有较好的吸附作用和去除能力，而且在酸性条件下对磷酸根离子有着很高的吸附能力：带正电荷的改性凹凸棒土颗粒和壳聚糖分子中质子化的-OH2 +和-NH3 +能有效地吸附溶液中H2P04 -、HPO4 2-和PO4 3-离子。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，所述粗砂层中粗砂的粒径为2~4mm，细砂层中细砂的粒径小于1mm，砾石层中砾石粒径为2～60mm，沙壤土层中的沙壤土粒径小于0.10 mm。
对于上述的垂直潜流式土壤生态床，所述生态床上部设有进水口，底部设有出水口，床体内壁设有用于控制进水阀门启闭的水位传感器。
本发明还设计一种利用上述垂直潜流式土壤生态床处理污水的方法，包括如下步骤：首先，将待处理污水从生态床上部引入，当待处理污水水位到达细砂层以上5~8cm处后关闭进水，水位下降4~6min后再开启进水，重复进入下一个处理过程，生态床水力停留时间为6~8d，水力负荷15~18L/m3/d。
对于上述述的处理方法，引入待处理污水前，先调节其pH值至6.5~8、温度至20~25℃。
对于上述述的处理方法，当待处理污水水位到达细砂层以上6cm处后关闭进水，在5min后开启进水；所述生态床水力停留时间为7d，水力负荷17L/m3/d。
本发明的积极有益效果：
1.本发明垂直潜流式土壤生态床由不同基质和生态***组成，具有良好的渗透性，同时又具有良好的脱氮除磷功能，可作为生活污水处理的小型装置广泛应用于生活居民区，实验证明，经过该装置处理的生活污水可达到（GB3838-2002）的污水处理排放标准；
2.本发明垂直潜流式土壤生态床造价低廉，构造简单，平均每个装置约200元左右，非常适合普通居民家庭使用；
3.本发明垂直潜流式土壤生态床采用自动泵间歇方式运行，结合重力流进水，到达生态土壤床设定的水位后进水阀自动关闭，形成了完全自动化的土壤生态***；
4.本发明装置除了生活污水处理外，还可以作为绿化家庭环境之用；本装置的推广使用，可减少城乡污水集中处理的负担，从而改善和美化整体环境。
附图说明
图1为本发明垂直潜流式土壤生态床剖面结构示意图；其中 1为床体，2为生态植物***，3为砾石层，4为粗砂层，5为细砂层，6为沙壤土层，7为进水口，8为出水口。
图2为实施例1~4对T-N去除效果对比图；其中 C为实施例2，P1为实施例1，P2为实施例3，P3为实施例4；下同。
图3为实施例1~4对NH4 +-N 去除效果对比图。
图4为实施例1~4对T-P的去除效果对比图。
图5为实施例1~4对BOD5的去除效果对比图。
图6为实施例1~4对CODCr的去除效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例 1
本实施例垂直潜流式土壤生态床包括床体、基质硬件构造和生态植物***（见图1），所述基质硬件构造自下向上依次为砾石层12cm、粗砂层6cm、细砂层43cm和沙壤土层15cm；所述生态植物***由间作栽种在沙壤土层上的芦苇、茭白和香蒲构成，种植密度为20株/m2，芦苇、茭白和香蒲以1:1:1间作种植。
所述生态床的床体采用顶部开口的有机玻璃半圆柱体制作，高88cm，半径56cm，其垂直面贴靠墙体以节约室内空间。所述粗砂层中粗砂的粒径为2~4mm，细砂层的细砂粒径小于1mm，砾石层中砾石粒径为2～60mm，沙壤土层中的沙壤土粒径小于0.10 mm。所述生态床上部设有进水口，底部设有出水口，床体内壁设置用于控制进水阀门启闭的水位传感器。
以重量百分比计，所述沙壤土层中含有改性凹凸棒土8%，所述改性凹凸棒土制备方法如下：
（1）预处理：将凹凸棒土研磨后过60目筛，再于200℃下煅烧4h，用去离子水浸泡24h后洗涤数遍至洗涤水澄清后烘干，备用；
（2）活化改性：用体积分数为3％的醋酸溶液缓慢溶解一定量的壳聚糖，用量以配成粘稠的壳聚糖胶体溶液为准，取上步所得凹凸棒土与一定量的该壳聚糖胶体溶液混合搅成糊状，壳聚糖胶体溶液用量以使凹凸棒土被充分浸润为准，再将所得糊状物置于105℃下干燥，即成。
采用本实施例垂直潜流式土壤生态床处理污水的方法如下：
首先，将待处理污水调节pH值至6.5~8、温度至20~25℃，再从生态床上部引入，当待处理污水水位到达细砂层以上6cm处后，水位传感器自动关闭进水阀门，在水位下降5min后再自动开启进水阀门，重复进入下一个处理过程，生态床水力停留时间为7d，水力负荷17L/m3/d，处理期间，出水口持续出水。
实施例 2~4
除生态植物***与实施例1不同外，其它同实施例1。实施例2为空白对照，无生态***，实施例3~4生态生态植物***分别为芦苇与香蒲以1:1间作、芦苇与茭白以1:1间作。
针对实施例 1~4 ，进行污水处理效果实验：
本发明生态床对污染物的去除主要是通过作物吸收、根系和基质吸附、截留、沉淀作用及微生物分解代谢作用来共同完成的。
进水污染负荷如表1。
表1 实验设计进水水质（mg/L）
进水 BOD COD T-N T-P T-S NH4 +-N 碱度 油脂
低负荷 200 400 40 8 720 40 100 100
高负荷 400 1000 80 15 1200 60 200 150
（1）垂直潜流式土壤生态床对 T-N 的净化性能
本发明生态植物***的不同栽种模式对T-N去除效果对比见图2（C为实施例2，P1为实施例1，P2为实施例3，P3为实施例4；以下各图同），由图可知，P1床 T-N 去除率为 95%以上，明显高于P2 床和 P3 床，说明芦苇、茭白和香蒲三种植物混栽增加了生物的多样性，能够提高脱氮效率。C无植物床 T-N 去除率平均为 40%左右，2007年3月最高，达到 60%以上，此后脱氮效率开始降低，说明无植物床的基质已经吸附饱和。
（2）垂直潜流式土壤生态床对NH4 +-N的去除特性
氨氮在生态土壤***中的转化方式主要有三：气体挥发、植物吸收和硝化作用。在特定的进水负荷条件下，硝化作用是生态土壤***NH4 +-N去除的主要途径。硝化反应是铵的一阶反应，通常在好氧的条件下进行。影响硝化反应的因素有：温度、pH 值、湿度、微生物群落、NH4 +-N 浓度和溶解氧浓度等。
本发明生态植物***的不同栽种模式对NH4 +-N去除效果对比见图3，由图3可知，混栽模式P1全年平均出水NH4 +-N为为2.8mg/L，无植物床为8mg/L，P2床为5mg/L，P3床为3.8mg/L。P1床NH4 +-N 年均去除率最高，P2 床NH4 +-N 年均去除率是三种混栽***中最低的，表明香蒲可能抑制生态土壤***硝化作用进行，茭白则可能促进统硝化作用进行，且茭白对硝化反应的促进作用强于香蒲对硝化反应的抑制作用。2006 年8～11月底，P1 床NH4 +-N去除率持续保持较高水平，说明***稳定运行后的植物旺盛生长期，三种植物对 NH4 +-N 的协同利用率高。
（3）垂直潜流式土壤生态床对T-P的净化性能
生态土壤***对磷的截留主要是通过基质的吸附和沉淀、植物吸收、微生物固定和泥炭增长等来实现。影响***除磷的因素主要有：气温、植物种类和基质等。
本发明生态植物***的不同栽种模式对T-P去除效果对比见图4，由图4可知，混栽***P1床和P3床的T-P去除率最高，90%以上。植物生长期，C无植物床的T-P 去除率比植物床低；低温期，二者差别不大。说明植物生长期，根系活动活跃，附近微生物代谢功能加强，从而强化了磷的基质吸附和化学沉淀，尤其三种植物混栽的 P1 床效果更加明显。
（4）垂直潜流式土壤生态床对 BOD5的净化性能
本发明生态植物***的不同栽种模式对BOD5去除效果对比见图5，由图5可知，对于混栽***P1，BOD5去除率均值都在95%以上，P3 床波动较小。
（5）垂直潜流式土壤生态床对CODCr的净化性能
对于生态植物***的不同栽种模式，CODCr去除率变化曲线见图6。混栽 P1床、P2床和P3床CODCr去除率均值都在80%左右，其中，P1混载模式在植物生长旺盛季节去除率可达到90%以上。
实施例 5
本实施例垂直潜流式土壤生态床包括床体、基质硬件构造和生态植物***（见图1），所述基质硬件构造自下向上依次为砾石层10cm、粗砂层5cm、细砂层40cm和沙壤土层12cm；所述生态植物***由间作栽种在沙壤土层上的芦苇、茭白和香蒲构成，种植密度为15株/m2，芦苇、茭白和香蒲以1:1:1间作种植。
所述生态床的床体采用顶部开口的有机玻璃半圆柱体制作，高80cm，半径50cm，其垂直面贴靠墙体以节约室内空间。所述粗砂层中粗砂的粒径为2~4mm，细砂层的细砂粒径小于1mm，砾石层中砾石粒径为2～60mm，沙壤土层中的沙壤土粒径小于0.10 mm。所述生态床上部设有进水口，底部设有出水口，床体内壁可设置用于控制进水阀门启闭的水位传感器。
以重量百分比计，所述沙壤土层中含有改性凹凸棒土5%，所述改性凹凸棒土制备方法如下：
（1）预处理：将凹凸棒土研磨后过20目筛，再于200℃下煅烧3h，用去离子水浸泡20h后洗涤数遍至洗涤水澄清后烘干，备用；
（2）活化改性：用体积分数为2％的醋酸溶液缓慢溶解一定量的壳聚糖，用量以配成粘稠的壳聚糖胶体溶液为准，取上步所得凹凸棒土与一定量的该壳聚糖胶体溶液混合搅成糊状，壳聚糖胶体溶液用量以使凹凸棒土被充分浸润为准，再将所得糊状物置于105℃下干燥，即成。
采用本实施例垂直潜流式土壤生态床处理污水的方法如下：
首先，将待处理污水调节pH值至6.5~8、温度至20~25℃，再从生态床上部引入，当待处理污水水位到达细砂层以上5cm处后，水位传感器自动关闭进水阀门，水位下降4min后再开启进水，重复进入下一个处理过程，生态床水力停留时间为6d，水力负荷16L/m3/d。
实施例 6
本实施例垂直潜流式土壤生态床包括床体、基质硬件构造和生态植物***（见图1），所述基质硬件构造自下向上依次为砾石层15cm、粗砂层8cm、细砂层45cm和沙壤土层16cm；所述生态植物***由间作栽种在沙壤土层上的芦苇、茭白和香蒲构成，种植密度为25株/m2，芦苇、茭白和香蒲以1:1:1间作种植。
所述生态床的床体采用顶部开口的有机玻璃半圆柱体制作，高90cm，半径60cm，其垂直面贴靠墙体以节约室内空间。所述粗砂层中粗砂的粒径为2~4mm，细砂层的细砂粒径小于1mm，砾石层中砾石粒径为2～60mm，沙壤土层中的沙壤土粒径小于0.10 mm。所述生态床上部设有进水口，底部设有出水口，床体内壁可设置用于控制进水阀门启闭的水位传感器。
以重量百分比计，所述沙壤土层中含有改性凹凸棒土10%，所述改性凹凸棒土制备方法如下：
（1）预处理：将凹凸棒土研磨后过100目筛，再于200℃下煅烧5h，用去离子水浸泡30h后洗涤数遍至洗涤水澄清后烘干，备用；
（2）活化改性：用体积分数为4％的醋酸溶液缓慢溶解一定量的壳聚糖，用量以配成粘稠的壳聚糖胶体溶液为准，取上步所得凹凸棒土与一定量的该壳聚糖胶体溶液混合搅成糊状，壳聚糖胶体溶液用量以使凹凸棒土被充分浸润为准，再将所得糊状物置于105℃下干燥，即成。
采用本实施例垂直潜流式土壤生态床处理污水的方法如下：
首先，将待处理污水调节pH值至6.5~8、温度至20~25℃，再从生态床上部引入，当待处理污水水位到达细砂层以上8cm处后，水位传感器自动关闭进水阀门，水位下降6min后再开启进水，重复进入下一个处理过程，生态床水力停留时间为8d，水力负荷18L/m3/d。
本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种垂直潜流式土壤生态床，包括床体、基质硬件构造和生态植物***，其特征在于：所述基质硬件构造自下向上依次为砾石层10~15cm、粗砂层5~8cm、细砂层40~45cm和沙壤土层12~16cm；所述生态植物***由间作栽种在沙壤土层上的芦苇、茭白和香蒲构成，种植密度为15～25株/m2，所述芦苇、茭白和香蒲种植比例为1:1:1；
以重量百分比计，所述沙壤土层中含有改性凹凸棒土5～10%，所述改性凹凸棒土制备方法如下：
（1）预处理：将凹凸棒土研磨后过20～100目筛，再于200℃下煅烧3～5h，用去离子水浸泡20～30h后洗涤数遍至洗涤水澄清后烘干，备用；
（2）活化改性：用体积分数为2～4％的醋酸溶液缓慢溶解一定量的壳聚糖，用量以配成粘稠的壳聚糖胶体溶液为准，取上步所得凹凸棒土与一定量的该壳聚糖胶体溶液混合搅成糊状，壳聚糖胶体溶液用量以使凹凸棒土被充分浸润为准，再将所得糊状物置于105℃下干燥，即成。
2.根据权利要求1所述的垂直潜流式土壤生态床，其特征在于：所述床体为顶部开口的有机玻璃半圆柱体，其垂直面贴靠墙体，半径50~60cm。
3.根据权利要求1所述的垂直潜流式土壤生态床，其特征在于：所述砾石层厚度为12cm，粗砂层厚度为6cm，细砂层厚度为43cm，沙壤土层厚度为15cm。
4.根据权利要求1所述的垂直潜流式土壤生态床，其特征在于：所述粗砂层中粗砂的粒径为2~4mm，细砂层中细砂的粒径小于1mm，砾石层中砾石粒径为2～60mm，沙壤土层中的沙壤土粒径小于0.10 mm。
5.根据权利要求1所述的垂直潜流式土壤生态床，其特征在于：所述生态床上部设有进水口，底部设有出水口，床体内壁设有用于控制进水阀门启闭的水位传感器。
6.一种利用权利要求1~5任一项所述垂直潜流式土壤生态床处理污水的方法，包括如下步骤：首先，将待处理污水从生态床上部引入，当待处理污水水位到达细砂层以上5~8cm处后关闭进水，水位下降4~6min后再开启进水，重复进入下一个处理过程，生态床水力停留时间为6~8d，水力负荷15~18L/m3/d。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：引入待处理污水前，先调节其pH值至6.5~8、温度至20~25℃。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：当待处理污水水位到达细砂层以上6cm处后关闭进水，在5min后开启进水；所述生态床水力停留时间为7d，水力负荷17L/m3/d。
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