CN104787887A - 用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***及工法 - Google Patents

用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***及工法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***及工法，通过水生植物有无的生态工法营造不同环境条件的河涌***，利用水流运行中通过连续的无水生植物区与水生植物密植区布置单元，以科学模拟A/O工艺实现自然平流式表面流***，保证水流均匀推流并充分与水生植物和底质接触，形成连续的好氧、缺氧或厌氧部分，达成连续且充分反应的硝化反硝化脱氮过程。本发明功能分区明显、对于氮素去除效果较好，工艺过程易于管理和控制，投资少、运行费用低，且生态工法在保证水质效果的同时兼具增强水环境观赏性功能，可广泛应用于具有一定流速的城镇河涌与乡村水塘的面源污染生态处理中。

Description

用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***及工法
技术领域
本发明涉及生态工程水处理领域，更具体地，涉及一种用于河涌或水塘***的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***及工法。
背景技术
表面流人工湿地通常是利用天然沼泽、废弃河道等洼地改造而成，与传统的污水处理设施相比较，具有施工简便，投资费用较低，且易于管理等优势。目前已经广泛地应用于处理生活、养殖污水，蓄积和净化暴雨径流，控制面源污染，恢复和重建河流、湖泊湿地等。在相对长的有效停留时间下，表面流湿地对各类污染物均有一定程度的去除效果，其中硝化作用强烈是表面流的特征之一，而反硝化作用在表面流湿地中反应相对较差，这也影响了表面流湿地对于氮素去除的整体效果。
氮素在表面流人工湿地中的去除主要有挥发、土壤吸附和离子交换、植物吸收、硝化反硝化等多种途径。前两种途径的去除作用并不显著，而植物吸收的去除只占总质量的10%左右，且必须通过收获才能离开表面流人工湿地***。大部分的氮素是通过硝化和反硝化作用的连续反应而去除的，一旦这两个连续过程不能有效进行，总氮去除效果就不理想；常规的表面流人工湿地设计上较为简易，通过设置开阔水面与周边种植水生植物，硝化反应进行比较彻底，较少考虑水力运行方式及分区段设计给***反硝化作用带来的影响，为了更充分的发挥表面流湿地反硝化能力强的优势，增强***的硝化作用能力，将氮素两反应阶段有机的融合于***中，实现总氮去除效果的最优化，是生态工程中要着重考量的技术手段之一。
而在常规废水处理中，A/O工艺已被认为是生物脱氮的典型技术，它根据氮素去除特点将处理过程分成若干模块，提高了去除效率。但由于常规设计运行中存在诸多因素制约，相当一部分A/O工艺存在着运行高能耗问题，对每区段脱氮所需要的环境条件缺少针对性的研究，对氮的处理效率较低。
据此，参考传统表面流人工湿地与A/O处理工艺的方式与优点，结合水生（沉水、挺水）植物的布置及水流运行方式，营造一种可广泛适用于具有一定流速的城镇河涌、水塘及景观工程氮浓度超标水体中的硝化反硝化脱氮生态处理***及工法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有常规表面流人工湿地氮去除效率低，以及基于传统A/O工艺设计存在能耗高等问题，提供一种用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***及工法，通过模拟A/O处理模块对河涌或水塘生态***进行设置，水流以水平推流方式流过整个***，无动力消耗，利于氮充分进行硝化和反硝化过程，降低能耗的同时提高氮的处理效率。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种用于河涌或水塘***的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***及工法。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
提供一种用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***及工法，包括进水口和出水口，还包括n个布置单元，n为正整数，所述组合单元由通过水生植物有无的生态工法营造的不同环境条件表面流的区段部分组成，所述区段部分分别为无植物区段和水生植物密植区段，所述水生植物为沉水或挺水植物；水流依次布置构成自然生态表面流***，水流经进水口进入所述***并以平流方式通过所述自然平流式生态***，从总出水口流出。
优选地，所述布置单元由无植物区段、水生（沉水、挺水）植物密植区段依次布置组成。
所述n的取值取决于场地条件，优选不小于3。通常的场地条件下，n取值为3、4或5。
进一步优选，所述n的取值为 3，即布置单元为3个，所述***由第一布置单元、第二布置单元和第三布置单元依次组成；所述第一布置单元和第二布置单元分别由无水生植物区段和沉水植物密植区段组成，所述第三布置单元由无水生植物区段和挺水植物密植区段组成。
优选地，所述沉水植物密植区段的水深为0.5～1 m，所述挺水植物密植区段的水深<0.5 m。
进一步优选地，所述沉水植物密植区段的水深为0.5～1 m，挺水植物密植区段的水深为<0.5 m，无植物区的水深为>1.5 m。
优选地，所述沉水植物的初始种植高度为0.2m～0.3 m；所述挺水植物的初始种植高度为不大于 0.5 m。
优选地，所述沉水植物为苦草或黑藻的一种或两种；所述挺水植物为美人蕉、风车草、再立花或香蒲的一种或几种。
优选地，本发明所述***，所述无植物区段、沉水植物密植区段、挺水植物密植区段均以相同长宽比设计，其中长宽比为2：1。
优选地，所述沉水植物高度为0.2 m～0.3 m；所述挺水植物高度为不大于 0.5 m。
优选地，所述***在植物生长良好后引入鱼类，形成闭合生态链。
进一步优选地，所述鱼类为草鱼或罗非鱼的一种或几种。
本发明同时提供一种用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态工法，包括以下步骤：
S1.构建本发明所述的***；
S2.将含氮废水从总进水口引入，水流以水平自流方式依次流经n个布置单元，经平流式运行形成连续的好氧/厌氧过程，完成硝化/反硝化脱氮生态处理过程，从总出水口流出。
所述平流式运行是依据河涌或水塘的自然地形地貌，采用无水生植物与水生（沉水、挺水）植物密植区段依次布置构成自然复合式生态表面流***，水流以水平流方式通过所述自然复合式生态表面流***，形成连续的好氧/厌氧过程，营造或强化硝化/反硝化脱氮生态过程。
本发明自然平流式表面流工艺具体流程为：（1）水体沿流动方向，通过底部较深（水深>1.5 m）的无植物区段时，水体因大气复氧且开阔水面浮游植物易发挥光合作用增加水体氧气含量，此区域主要以硝化反应为主；（2）继续通过底部较浅（水深<1 m）的水生植物（沉水或挺水植物）密植区，水流在密植植物根茎的拦阻作用下，减缓水流速度增加停留时间，延程由植物密植及微生物联合作用，形成厌氧/缺氧区域并进行反硝化过程。由于水流在入水区交界面形成一定的上行流，进一步加强厌氧/缺氧效果，而在出水交界面连接下一个无植物区时，水深的变化带来水流平流的同时，出现下行流效果，进一步增加无植物区底部的大气复氧。通过无植物区与水生植物密植区的依次布置，实现连续的硝化反硝化过程，上述工艺适合于多种类型的河涌原位生态处理工程。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种能耗较低的强化处理效果的生态处理***，利用水生植物的栽种营造不同环境条件的生态工法，使水流以自然平流方式运行，对表面流人工湿地的设计参数进行优化，参照A/O工艺，通过分别营造脱氮所需要的分段式环境条件，水在保证水流均匀推流并充分与水生植物和底质土壤接触的同时，形成连续的好氧、缺氧或厌氧单元，利于氮充分进行硝化和反硝化过程，有效提高对氮的处理效率。
本发明基于水生植物的有无设计，通过自然平流式运行，分别进行相应的氮降解过程：无水生植物区段，平流式运行使整个区段尽可能充满氧气，主要以硝化作用为主；有水生植物区段，上流式或平流式运行使进水与植物根茎组织、湿地土壤充分接触，水生植物发挥拦截作用，将颗粒有机物留存于此，利用密植植物根系区形成的厌氧/缺氧区域，集中进行反硝化过程。水流通过水平推流方式流过***，减少了动力消耗。依据处理目标水体的水质状况，于浅水区段（水深< 1 m）确定种植苦草、黑藻等沉水植物或挺水植物。通过水流推动，提高下一级敞开区水体氧气含量。在植物生长良好后引入鱼类（如草鱼、罗非鱼等），控制植物生物量，形成闭合生态链，维持***内部的生态平衡，强化硝化反硝化的脱氮效果。本发明与现有技术相比，整个处理过程无动力消耗，提高了脱氮的效率，具有功能分区明显、污染物净化效率高、工艺过程易于管理和控制，投资少、运行费用低，便于大面积推广应用等特点。
进一步地，本发明进一步对水生植物的种类、初始种植高度、各区段的长宽比等条件进行精确确定，提供了一种更加整体优化的生态处理***，效率更高，能耗更低，强化处理效果较佳。
附图说明
图1为本发明实施例1自然平流式处理***总剖面图。
图2为本发明实施例2自然平流式处理***总剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。为免赘述，本发明以较佳的实施例组合进行说明本发明设计思想，但并不因此限定本发明范围，基于依据河涌或水塘的自然地形地貌，采用无水生植物与水生（沉水、挺水）植物密植区段依次布置构成自然复合式生态表面流***，水流以水平流方式通过所述自然复合式生态表面流***，形成连续的好氧/厌氧过程，营造或强化硝化/反硝化脱氮生态过程的简单替换等手段，应理解为属于本发明的范围。
实施例1
S1、选择流速不高（< 2 m/s）的自然河涌，构建一种硝化反硝化脱氮自然平流式生态工法***，如附图1所示，包括进水口1和出水口2，还包括3个布置单元，所述***由第一布置单元、第二布置单元和第三布置单元依次组成；所述第一布置单元由无水生植物区段4和沉水植物密植区段5组成，第二布置单元由无水生植物区段6和沉水植物密植区段7组成，第三布置单元由无水生植物区段8和挺水植物密植区段9组成。
所述挺水植物和沉水植物栽植于河涌原底泥3上。水流经进水口1进入依次布置构成的自然复合式生态表面流***，以平流方式通过所述自然平流式生态***，从总出水口2流出。
所述无水生植物区段4、6和8、沉水植物密植区段5和7、挺水植物密植区段9均以相同长宽比设计，优选长宽比为2：1。本实施例将长和宽分别设置为为5.0 m和2.5 m。
本实施例在沉水植物密植区段5和7选择株高< 30 cm的苦草幼苗（其他实施例也可以在不同的沉水植物密植区段分别种植苦草或黑藻），扦插至底泥3中；栽种密度为25株/ m2。
在挺水植物密植区段9选择株高< 50 cm美人蕉、风车草、再立花的一种或几种的成体植株，扦插至底泥3中；栽种密度为5~7株/m2，若为混种，三种植物的比例优选为40%、30%、30%。
初期河涌水位通过人工控制在20 cm以下，待沉水植物、挺水植物生长良好后，逐步调节水深，使沉水植物区段水深控制在< 1 m，挺水植物水深< 50 cm。
S2、所选自然河涌水体的TN、NH4 +-N、NO3 --N、和TP浓度分别为：9.84±1.47、6.83±1.39、0.18±0.07、1.05±0.04 mg/L。
水体沿流动方向，通过底部较深（水深>1.5 m）的无植物区段时，水体因大气复氧主要以硝化反应为主；继续通过底部较浅（水深<1 m）的水生植物（挺水植物或沉水植物）密植区，水流在密植植物根茎的拦阻作用下，减缓水流速度，延程形成厌氧/缺氧区域并进行反硝化过程，由于水流在入水区交界面形成一定的上行流，进一步加强厌氧/缺氧效果，而在出水交界面连接下一个无植物区时，水深的变化带来水流平流的同时，出现下行流效果，进一步增加无植物区底部的大气复氧。通过无植物区与水生植物密植区的依次布置，实现连续的硝化反硝化过程。
对本实施例的***总体而言，溶解氧逐渐上升，由进水端的3.23±0.64    mg/L提升至出水端的6.54±1.89 mg/L，显著提升了水体的溶解氧含量。
本实施例的***有效降低了水体中氮含量，TN平均去除效率为42.3%，NH4 +-N的平均去除率高于80%。
实施例2
S1、选择流速不高（< 2 m/s）的自然河涌，构建一种硝化反硝化脱氮自然平流式生态工法***，如附图2所示，包括进水口1和出水口2，还包括4个布置单元，所述***由第一布置单元、第二布置单元、第三布置单元和第四布置单元依次组成；所述第一布置单元由无水生植物区段4和沉水植物密植区段5组成，第二布置单元由无水生植物区段6和沉水植物密植区段7组成，第三布置单元由无水生植物区段12和沉水植物密植区段13组成，第四布置单元由无水生植物区段8和挺水植物密植区段9组成。
所述挺水植物和沉水植物栽植于河涌原底泥3上。水流经进水口1进入依次布置构成的自然复合式生态表面流***，以平流方式通过所述自然平流式生态***，从总出水口2流出。
所述无水生植物区段4、6、8和12、沉水植物密植区段5、7和13、挺水植物密植区段9均以相同长宽比设计，优选长宽比为2：1。本实施例将长和宽分别设置为为5.0 m和2.5 m。
本实施例在沉水植物密植区段5、7和13选择株高< 30 cm的苦草幼苗（其他实施例也可以在不同的沉水植物密植区段分别种植苦草或黑藻），扦插至底泥3中；栽种密度为25株/ m2。
在挺水植物密植区段9选择株高< 50 cm美人蕉、风车草、再立花的一种或几种的成体植株，扦插至底泥3中；栽种密度为5~7株/m2，若为混种，三种植物的比例优选为40%、30%、30%。
初期河涌水位通过人工控制在20 cm以下，待沉水植物、挺水植物生长良好后，逐步调节水深，使沉水植物区段水深控制在< 1 m，挺水植物水深< 50 cm。
S2、所选自然河涌水体的TN、NH4 +-N、NO3 --N、和TP浓度分别为：10.12±2.45、7.63±1.62、0.98±0.17、1.12±0.05 mg/L。
水体沿流动方向，通过底部较深（水深>1.5 m）的无植物区段时，水体因大气复氧主要以硝化反应为主；继续通过底部较浅（水深<1 m）的水生植物（挺水植物或沉水植物）密植区，水流在密植植物根茎的拦阻作用下，减缓水流速度，延程形成厌氧/缺氧区域并进行反硝化过程，由于水流在入水区交界面形成一定的上行流，进一步加强厌氧/缺氧效果，而在出水交界面连接下一个无植物区时，水深的变化带来水流平流的同时，出现下行流效果，进一步增加无植物区底部的大气复氧。通过无植物区与水生植物密植区的依次布置，实现连续的硝化反硝化过程。
对本实施例的***总体而言，溶解氧逐渐上升，由进水端的3.23±0.64    mg/L提升至出水端的7.56±0.89 mg/L，显著提升了水体的溶解氧含量。
本实施例的***有效降低了水体中氮含量，TN平均去除效率为55.8%，NH4 +-N的平均去除率高于90%。

Claims (10)

1.一种用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***，包括总进水口和总出水口，其特征在于，还包括n个布置单元，n为正整数，所述布置单元由通过水生植物有无的生态工法营造的不同环境条件表面流的区段部分组成，所述区段部分分别为无水生植物区段和水生植物密植区段，依次布置构成自然复合式生态表面流***，水流经进水口进入所述***并以平流方式通过所述自然平流式生态***，从总出水口流出；所述水生植物为沉水或挺水植物。
2.根据权利要求1所述用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***，其特征在于，无水生植物区段的水深>1.5 m，水生植物密植区段的水深< 1 m。
3.根据权利要求1所述用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***，其特征在于，所述无水生植物区段或水生植物密植区段的长宽比均为2：1。
4.根据权利要求1所述用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***，其特征在于，所述n不小于3；优选所述n的取值为3、4或5。
5.根据权利要求4所述用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***，其特征在于，所述n为 3，布置单元为3个，所述***由第一布置单元、第二布置单元和第三布置单元依次组成；所述第一布置单元和第二布置单元分别由无水生植物区段和沉水植物密植区段组成，所述第三布置单元由无水生植物区段和挺水植物密植区段组成。
6.根据权利要求1至5任一项所述用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***，其特征在于，所述沉水植物密植区段的水深为0.5～1 m，挺水植物密植区段的水深为<0.5 m，无植物区的水深为>1.5 m。
7.根据权利要求6所述用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***，其特征在于，所述沉水植物的初始种植高度为0.2m～0.3 m；所述挺水植物的初始种植高度为不大于 0.5 m。
8.根据权利要求6所述用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***，其特征在于，所述沉水植物为苦草或黑藻的一种或几种；挺水植物为美人蕉、风车草、再立花或香蒲的一种或几种。
9.根据权利要求1至8任一项所述用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态***，其特征在于，所述***在植物生长良好后引入鱼类，形成闭合生态链；优选所述鱼类为草鱼或罗非鱼的一种或几种。
10.一种用于河涌或水塘的硝化反硝化脱氮自然平流式生态工法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.构建权利要求1至9任一项所述的***；
S2.将含氮废水从总进水口引入，水流以水平自流方式依次流经n个布置单元，形成连续的好氧/厌氧过程，完成硝化/反硝化脱氮生态处理过程，从总出水口流出。
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