CN107459140B - 垂直流人工湿地及其处理污水中氮、磷及四环素类的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直流人工湿地，包括依次串联的一级垂直流人工湿地池、二级垂直流人工湿地池及三级垂直流人工湿地池，一级垂直流人工湿地池及三级垂直流人工湿地池内均设有曝气管、曝气管上方设有填料层，填料层上设有土壤层，土壤层上种植有水生植物，二级垂直流人工湿地池内不设置曝气管，其它内部结构与一级垂直流人工湿地池相同，二级垂直流人工湿地池上方设有第二进水管。本发明还提供了一种垂直流人工湿地处理污水中氮、磷、四环素类的方法。本发明利用垂直流人工湿地中后段的净化能力，提高去除负荷，降低占地面积，通过曝气提高垂直流人工湿地的出水指标，使排水达标，为小规模污水处理提供了一种简单易行的方法。

Description

垂直流人工湿地及其处理污水中氮、磷及四环素类的方法
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种垂直流人工湿地及其处理污水中四环素类的方法。
背景技术
我国淡水资源总量占世界排名的第六位，但人均水资源量仅为2200m3，接近世界人均水平的四分之一。据有关部门预测，我国人口到2030年将有16亿，到时人均水资源量仅为1750m3，已接近国际公认的水资源短缺标准。随着我国国民经济快速稳定增长和城市化快速推进，人口不断增长，我国城镇需水量也在增长。与此同时，水体污染却日益加重，造成水质性缺水，从而使水资源短缺的形势更加严峻。将城市污水处理后回用是一种解决水资源短缺的途径，但在众多的污染物中，氮、磷以及抗生素等的去除一直是水处理的一个难点。
人工湿地是模拟天然湿地，通过人工建造和监督控制来强化其净化能力的污水处理技术。人工湿地利用基质-植物-微生物组成的复合生态***中物理、化学和生物的协同作用，通过吸附、过滤、沉淀、离子交换、微生物降解来实现对废水中有机污染物、金属离子等污染物的高效净化，具有基建费用低、运行费用低、处理效果好以及维护管理简便等优点。但是受限于污染物去除负荷较低，人工湿地的占地面积较大，且人工湿地***中溶解氧的含量与污染物的降解密切相关，基质中溶解氧含量低会抑制微生物的活动和生化反应的进行，进而影响***内有机物的氧化分解及硝化反应。而人工湿地中的溶解氧主要来源于水体更新复氧及植物根系的输氧作用，但是相对于实际的污水负荷而言，水体更新复氧以及植物根系提供的溶解氧却远远难以满足人工湿地内微生物的生存已经分解污染物的需要。
发明内容
本发明提供了一种垂直复合流人工湿地去除污水中N、P及四环素的方法，解决了现有技术人工湿地占地面积较大、处理效率低的问题。
本发明的第一个目的是提供一种垂直复合流人工湿地，包括依次串联的一级垂直流人工湿地池、二级垂直流人工湿地池以及三级垂直流人工湿地池，所述一级垂直流人工湿地池一侧的下端设有第一进水管，所述一级垂直流人工湿地池内的底端设有第一布水管，且所述第一布水管与所述第一进水管连通，所述第一布水管的上方设有第一曝气管，所述第一曝气管的上方设有第一填料层，所述第一填料层上设有第一土壤层，且所述第一填料层与所述第一土壤层的交界处设有第一出水管；所述一级垂直流人工湿地池的底端还设有第一垫层；
所述二级垂直流人工湿地池通过所述第一出水管与所述一级垂直流人工湿地池连通，所述二级垂直流人工湿地池与所述第一出水管相对的另一侧的下端设有第二出水管，所述二级垂直流人工湿地池内底端设有第二填料层，所述第二填料层上设有第二土壤层，所述第二填料层与所述第二土壤层的交界处设有第二布水管，且所述第二布水管与所述第一出水管连通；所述二级垂直流人工湿地池的上方还设有第二进水管；所述二级垂直流人工湿地池的底端设有第二垫层，所述第二垫层的厚度为所述第一垫层的1/2；
所述三级垂直流人工湿地池通过所述第二出水管与所述二级垂直流人工湿地池连通，所述三级垂直流人工湿地池内底端设有第三布水管，所述第三布水管与所述第二出水管连通，所述第三布水管的上方设有第二曝气管，所述第二曝气管的上方设有第三填料层，所述第三填料层上设有第三土壤层，且所述第三填料层与所述第三土壤层的交界处设有第三出水管；
所述一级垂直流人工湿地池、所述二级垂直流人工湿地池以及所述三级垂直流人工湿地池内均种植有水生植物。。
优选的，所述第一布水管、所述第二布水管以及所述第三布水管均开设有“十”字形的穿孔布水管。
优选的，所述第一填料层内、所述第二填料层内以及所述第三填料层内均填充有砾石，所述砾石的粒径为10-20mm。
优选的，所述水生植物为美人蕉或芦苇。
本发明的第二个目的是提供了一种垂直流人工湿地处理污水中氮、磷、四环素类的方法，包括以下步骤：
步骤1，含有氮、磷、四环素类的污水经由第一布水管进入一级垂直流人工湿地池内，控制一级垂直流人工湿地池内气水比为10-15：1，HRT为12-20h，水力负荷为0.08-0.14m3/m2·d，反应完毕后得到一级垂直流人工湿地池出水；
步骤2，一级垂直流人工湿地池出水经由第二布水管以下行垂直流方式进入一级垂直流人工湿地池，同时含有氮、磷、四环素类的原污水经由第二进水管以下行垂直流方式流至一级垂直流人工湿地池，并且第二布水管与第二进水管进水量的体积比为1：1，第二级人工湿地不曝气，HRT为6-10h，水力负荷为0.16-1.27m3/m2·d，反应完毕后得到二级垂直流人工湿地池出水；
步骤3，二级垂直流人工湿地池出水经由第三布水管进入三级垂直流人工湿地池，控制三级垂直流人工湿地池内气水比为10-15：1，HRT为6-10h，水力负荷为0.16-0.27m3/m2·d，反应完毕后得到三级垂直流人工湿地池出水。
优选的，所述四环素类包括四环素、土霉素以及金霉素。
优选的，所述三级垂直流人工湿地池出水中COD≤45mg/L，TN≤3mg/L，NH4 +-N≤1.3mg/L，TP≤0.02mg/L，四环素≤0.56μg/L，土霉素≤0.50μg/L，金霉素≤0.17μg/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明通过构建垂直流人工湿地有效的去除了污水的四环素，降低了其生态风险，本发明还通过曝气强化垂直流人工湿地脱氮除磷能力。
2)本发明通过多点进水，充分利用垂直流人工湿地中后段的净化能力，提高去除负荷，降低占地面积，有效降低投资成本。
3)本发明在保持人工湿地易于维护管理的同时，通过曝气提高垂直流人工湿地的出水指标，使得排水达到GB18918-2002中的一级A标准，为小规模污水处理提供了一种新的、可行的、易于实现的方法。
附图说明
图1为本发明垂直复合流人工湿地的工艺流程图。
附图标记说明：
1-第一进水管，2-第一布水管，3-第一曝气管，4-第一填料层，5-第一土壤层，6-第一出水管，7-第一垫层，8-第二出水管，9-第二填料层，10-第二土壤层，11-第二布水管，12-第二进水管，13-第二垫层，14-第三布水管，15-第二曝气管，16-第三填料层，17-第三土壤层，18-第三出水管。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法。
实施例1
一种垂直复合流人工湿地，包括依次串联的一级垂直流人工湿地池、二级垂直流人工湿地池以及三级垂直流人工湿地池，一级垂直流人工湿地池一侧的下端设有第一进水管1，一级垂直流人工湿地池内的底端设有第一布水管2，且第一布水管2与第一进水管1连通，第一布水管2的上方设有第一曝气管3，第一曝气管3的上方设有第一填料层4，第一填料层4上设有第一土壤层5，且第一填料层4与第一土壤层5的交界处设有第一出水管6；一级垂直流人工湿地池的底端还设有第一垫层7；
二级垂直流人工湿地池通过第一出水管6与一级垂直流人工湿地池连通，二级垂直流人工湿地池与第一出水管6相对的另一侧的下端设有第二出水管8，二级垂直流人工湿地池内底端设有第二填料层9，第二填料层9上设有第二土壤层10，第二填料层9与第二土壤层10的交界处设有第二布水管11，且第二布水管11与第一出水管6连通；二级垂直流人工湿地池的上方还设有第二进水管12；二级垂直流人工湿地池的底端设有第二垫层13，第二垫层13的厚度为第一垫层7的1/2；
三级垂直流人工湿地池通过第二出水管8与二级垂直流人工湿地池连通，三级垂直流人工湿地池内底端设有第三布水管14，第三布水管14与第二出水管8连通，第三布水管14的上方设有第二曝气管15，第二曝气管15的上方设有第三填料层16，第三填料层16上设有第三土壤层17，且第三填料层16与第三土壤层17的交界处设有第三出水管18；
一级垂直流人工湿地池、二级垂直流人工湿地池以及三级垂直流人工湿地池内均种植有芦苇。
需要说明的是，第一布水管2、第二布水管11以及第三布水管14均开设有“十”字形的穿孔布水管。
第一填料层4内、第二填料层9内以及第三填料层16内均填充有砾石，砾石的粒径为10-20mm。
利用上述垂直流人工湿地处理污水中四环素类的方法，包括以下步骤：
步骤1，配制含氮、磷、四环素、土霉素以及金霉素的人工模拟废水；
步骤2，步骤1中配制成的污水经由第一布水管2进入一级垂直流人工湿地池内，控制一级垂直流人工湿地池内气水比为15：1，HRT为16h，水力负荷为0.1m3/m2·d，反应完毕后得到一级垂直流人工湿地池出水；
步骤3，一级垂直流人工湿地池出水经由第二布水管11以下行垂直流方式进入一级垂直流人工湿地池，同时将步骤1中配制成的污水经由第二进水管12以下行垂直流方式流至一级垂直流人工湿地池，并且第二布水管11与第二进水管12进水量的体积比为1：1，控制二级垂直流人工湿地池内HRT为8h，水力负荷为0.2m3/m2·d，反应完毕后得到二级垂直流人工湿地池出水；
步骤4，二级垂直流人工湿地池出水经由第三布水管16进入三级垂直流人工湿地池，控制三级垂直流人工湿地池内气水比为15：1，HRT为8h，水力负荷为0.2m3/m2·d，反应完毕后得到三级垂直流人工湿地池出水，三级垂直流人工湿地池出水中COD浓度为28.59mg/L，TN浓度为3.95mg/L，NH4 +-N浓度为0.22mg/L，TP浓度为0.02mg/L，四环素浓度为0.55μg/L，土霉素浓度为0.31μg/L，金霉素浓度为0.49μg/L。
实施例2
实施例2中所用垂直流人工湿地以及所用的人工模拟废水同实施例1，不同的是实施例2中所种植的水生植物为美人蕉。
步骤1，实施例1中配制成的的污水经由第一布水管2进入一级垂直流人工湿地池内，控制一级垂直流人工湿地池内气水比为10：1，HRT为20h，水力负荷为0.08m3/m2·d，反应完毕后得到一级垂直流人工湿地池出水；
步骤2，一级垂直流人工湿地池出水经由第二布水管11以下行垂直流方式进入一级垂直流人工湿地池，同时步骤1中配制成的污水经由第二进水管12以下行垂直流方式流至一级垂直流人工湿地池，并且第二布水管11与第二进水管12进水量的体积比为1：1，控制二级垂直流人工湿地池内HRT为10h，水力负荷为0.16m3/m2·d，反应完毕后得到二级垂直流人工湿地池出水；
步骤3，二级垂直流人工湿地池出水经由第三布水管16进入三级垂直流人工湿地池，控制三级垂直流人工湿地池内气水比为10：1，HRT为10h，水力负荷为0.16m3/m2·d，反应完毕后得到三级垂直流人工湿地池出水，三级垂直流人工湿地池出水中COD浓度为39.13mg/L，TN浓度为2.88mg/L，NH4 +-N浓度为1.25mg/L，TP浓度为0.01mg/L，四环素浓度为0.47μg/L，土霉素浓度为0.17μg/L，金霉素浓度为0.13μg/L。
实施例1和实施例2均对人工模拟废水具有较好的处理效果，且效果基本平行，因此仅以实施例1的实验数据来对本发明的效果进行说明，具体结果见表1。
表1 人工湿地除去能力效果表
Figure BDA0001416840260000071
从表1可以看出，经过一级垂直流人工湿地池处理后，出水中COD、TN、NH4 +-N、TP、四环素、金霉素以及土霉素浓度分别为25.58mg/L、27.99mg/L、0.74mg/L、0.57mg/L、0.78μg/L、0.65μg/L以及0.40μg/L，去除率分别达到91.5％、44.0％、98.2％、85.8％、88.0％、90.7％以及73.3％，由此可见，一级垂直流人工湿地池对除TP以外的污染物的去除效果均较好，污水中的部分氮、磷及四环素类污染物通过植物吸收、人工湿地内微生物的同化作用以及基质吸附作用被去除；同时，在植物根际泌氧及曝气充氧的作用下，污水中的氮经氨化、硝化作用转化为硝酸盐。由于人工湿地内部存在厌氧微区，部分硝酸盐氮经反硝化转化为氮气，被从水中去除。
经过二级垂直流人工湿地池处理后，出水中COD、TN、NH4 +-N、TP、四环素、金霉素以及土霉素浓度分别为155.68mg/L、20.46mg/L、18.35mg/L、0.97mg/L、0.85μg/L、0.76μg/L以及0.48μg/L，相比于一级垂直流人工湿地池出水来说，除了TN浓度有一定程度的降低，其它污染物浓度均有不同程度升高，这是因为二级垂直流人工湿地池在接纳了一级垂直流人工湿地池出水的同时，还接纳了与一级垂直流人工湿地池出水等量的原水，原水能够为二级垂直流人工湿地池内的微生物提供足够的碳源，使其正常生长，高效降解污染物；在此过程中，部分氮、磷及四环素类污染物通过植物吸收、人工湿地内微生物的同化作用以及基质吸附被去除。厌氧条件下，一级垂直流人工湿地进水中的硝酸盐氮以新进源污水中COD为碳源完成反硝化过程，强化人工湿地脱氮能力。
经过三级垂直流人工湿地池处理后，出水中COD、TN、NH4 +-N、TP、四环素、金霉素以及土霉素浓度分别为28.59mg/L、3.95mg/L、0.22mg/L、0.02mg/L、0.55μg/L、0.49μg/L以及0.31μg/L，基本满足GB18918-2002中的一级A标准。在此过程中，部分氮、磷及四环素类污染物通过植物吸收、人工湿地内微生物的同化作用以及基质吸附作用被去除；同时，在植物根际泌氧及曝气充氧的作用下，污水中的氮经氨化、硝化作用转化为硝酸盐。由于人工湿地内部存在厌氧微区，部分硝酸盐氮经反硝化转化为氮气，被从水中去除；污水流经三级垂直流人工湿地，经历好氧-厌氧-好氧过程，有利于抗生素的去除。
需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例1-2相同，为了防止赘述，本发明的描述了优选的实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种垂直流人工湿地，其特征在于，包括依次串联的一级垂直流人工湿地池、二级垂直流人工湿地池以及三级垂直流人工湿地池，所述一级垂直流人工湿地池一侧的下端设有第一进水管（1），所述一级垂直流人工湿地池内的底端设有第一布水管（2），且所述第一布水管（2）与所述第一进水管（1）连通，所述第一布水管（2）的上方设有第一曝气管（3），所述第一曝气管（3）的上方设有第一填料层（4），所述第一填料层（4）上设有第一土壤层（5），且所述第一填料层（4）与所述第一土壤层（5）的交界处设有第一出水管（6）；所述一级垂直流人工湿地池的底端还设有第一垫层（7）；
所述二级垂直流人工湿地池通过所述第一出水管（6）与所述一级垂直流人工湿地池连通，所述二级垂直流人工湿地池与所述第一出水管（6）相对的另一侧的下端设有第二出水管（8），所述二级垂直流人工湿地池内底端设有第二填料层（9），所述第二填料层（9）上设有第二土壤层（10），所述第二填料层（9）与所述第二土壤层（10）的交界处设有第二布水管（11），且所述第二布水管（11）与所述第一出水管（6）连通；所述二级垂直流人工湿地池的上方还设有第二进水管（12）；所述二级垂直流人工湿地池的底端设有第二垫层（13），所述第二垫层（13）的厚度为所述第一垫层（7）的1/2；
所述三级垂直流人工湿地池通过所述第二出水管（8）与所述二级垂直流人工湿地池连通，所述三级垂直流人工湿地池内底端设有第三布水管（14），所述第三布水管（14）与所述第二出水管（8）连通，所述第三布水管（14）的上方设有第二曝气管（15），所述第二曝气管（15）的上方设有第三填料层（16），所述第三填料层（16）上设有第三土壤层（17），且所述第三填料层（16）与所述第三土壤层（17）的交界处设有第三出水管（18）；
所述一级垂直流人工湿地池、所述二级垂直流人工湿地池以及所述三级垂直流人工湿地池内均种植有水生植物；
所述第一布水管（2）、所述第二布水管（11）以及所述第三布水管（14）均为开设有“十”字形穿孔的布水管。
2.根据权利要求1所述的垂直流人工湿地，其特征在于，所述第一填料层（4）内、所述第二填料层（9）内以及所述第三填料层（16）内均填充有砾石，所述砾石的粒径为10-20mm。
3.根据权利要求1所述的垂直流人工湿地，其特征在于，所述水生植物为美人蕉或芦苇。
4.一种利用权利要求1中所述垂直流人工湿地处理污水中氮、磷、四环素类的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，含有氮、磷、四环素类的污水经由第一布水管（2）进入一级垂直流人工湿地池内，控制一级垂直流人工湿地池内气水比为10-15：1，HRT为12-20h，水力负荷为0.08-0.14m3/m2·d，反应完毕后得到一级垂直流人工湿地池出水；
步骤2，一级垂直流人工湿地池出水经由第二布水管（11）以下行垂直流方式进入二级垂直流人工湿地池，同时含有氮、磷、四环素类的原污水经由第二进水管（12）以下行垂直流方式流至二级垂直流人工湿地池，并且第二布水管（11）与第二进水管（12）进水量的体积比为1：1，控制二级垂直流人工湿地池内HRT为6-10h，水力负荷为0.16-0.27m3/m2·d，反应完毕后得到二级垂直流人工湿地池出水；
步骤3，二级垂直流人工湿地池出水经由第三布水管（14）进入三级垂直流人工湿地池，控制三级垂直流人工湿地池内气水比为10-15：1，HRT为6-10h，水力负荷为0.16-0.27m3/m2·d，反应完毕后得到三级垂直流人工湿地池出水。
5.根据权利要求4所述的垂直流人工湿地处理污水中氮、磷、四环素类的方法，其特征在于，所述四环素类包括四环素、土霉素以及金霉素。
6.根据权利要求5所述的垂直流人工湿地处理污水中氮、磷、四环素类的方法，其特征在于，所述三级垂直流人工湿地池出水中COD≤45mg/L，TN≤3mg/L，NH4 +-N≤1.3mg/L，TP≤0.02 mg/L，四环素≤0.56μg/L，土霉素≤0.50 μg/L，金霉素≤0.17μg/L。
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