CN108341495A - 三相溢流高效补氧湿地*** - Google Patents

三相溢流高效补氧湿地*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相溢流高效补氧湿地***，它解决了现有湿地存在的复氧效果差、能耗高、COD及氮磷去除率低、易发生短流现象及有机污堵等问题，将湿地床分隔成中央内嵌区和***溢流区，使得中央内嵌区可以为待处理水体提供固‑液‑气三相共存的环境，实现高效的氧气补给，还增强了气体传质效率，其技术方案为：包括湿地床，所述湿地床中部设置中央挡板将湿地床分隔成中央内嵌区和***溢流区，所述中央内嵌区的填料高度高于***溢流区的填料高度，以使中央内嵌区处于固‑液‑气三相共存状态。

Description

三相溢流高效补氧湿地***
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种三相溢流高效补氧湿地***。
背景技术
虽然我国的国土幅员辽阔，但却是一个干旱缺水严重的国家。我国的人均水资源仅约为世界平均水平的30％，水资源短缺问题明显制约着我国的经济与社会发展，污水的高效处理和水资源回用是我国当下必须攻克的一项难题。在经济飞速发展的大环境下，国民经济的各产业部门都得到了迅速发展，这些发展无疑伴随着大量的污水排放等环境问题。近年来，我国的污水排放量居高不下，并有逐年增长的趋势，随之而来的水环境问题亟待解决。为了解决诸如此类的水环境污染问题，我国的污水处理技术在不断完善和发展。
目前，我国的污水处理工艺已经趋于成熟，逐渐发展起来了活性污泥法、生物滤池、氧化塘，人工湿地等多种污水强化处理工艺。其中，“人工湿地”作为一种独具特色的生态污水处理技术，是实现河湖水质达标，全面提升水环境质量的重要措施。人工湿地具有处理效果稳定、投资低、管理方便和美化环境等优点，还可促进物质和生态环境的良好循环，在发展中地区流域污染治理中具有突出的技术优势和广阔的应用前景，在近十余年在山东、广东、四川、江苏等多省已被广泛应用于污染河水、城市污水厂尾水、分散生活污水等多种类型污水的处理。以山东省为例，根据山东省统计年鉴显示：截至2016年山东省共建设人工湿地634.45千公顷，与2008年的100.98千公顷相比增长了6倍有余。
人工湿地是对环境自净过程的模拟和强化，其对水中污染物的去除机理复杂，包含了微生物降解、植物吸收、物理性吸附和化学沉淀等多种作用，其中微生物的好氧呼吸是湿地对污水中有机污染物(以化学需氧量chemical oxygen demand,COD计)去除的重要途径，而总氮(total nitrogen,TN)主要通过硝化细菌等特殊功能细菌的好氧硝化与缺氧反硝化作用和厌氧氨氧化作用等被去除(梁威,胡洪营,2003)。
人工湿地在实际工程运用过程中同样存在若干限制因素。湿地水质净化的机理分析和大量的实验室数据表明：溶解氧不足是造成污染物去除率低和湿地有机物堵塞的重要原因。为了实现人工湿地高效复氧的目标，目前研究者提出了多种湿地增氧技术，如跌水式进水、底端曝气和潮汐流进水操作等。其中，底端曝气操作虽然在补氧方面具有明显优势，但其高能耗的特点使其在实际工程运用中不具备经济型。跌水式进水和潮汐流进水操作凭借其低能耗、高效去污和简单易行等优势逐渐被应用到实际工程中，然而，相关研究表明，无论是跌水式还是潮汐流式进水，其补充的溶解氧在充氧后短时间内都会消耗殆尽，不能维持稳定持久的溶解氧浓度，从而无法达到很好的脱氮效果以及预防有机堵塞的效果。可见，目前的人工湿地补氧技术尚不能满足湿地大规模经济性应用中持续、高效的复氧需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种三相溢流高效补氧湿地***，其通过中央挡板的设置，将湿地床分隔成中央内嵌区和***溢流区，中央内嵌区基质高于***溢流区，两区域在底部连通，液面维持在***溢流区顶部高度，使得中央内嵌区液位以上部分可以为待处理水体提供固-液-气三相共存的环境，实现高效的氧气补给，还增强了气体传质效率；本发明的湿地***在传统湿地的基础上，进行不同高度基质的内嵌以营造中央内嵌区液位以上部分固-液-气三相共存的好氧环境，并在湿地内部设置中央挡板以优化水流路径，具有高效补氧的优势，可以实现COD及氨氮的高效去除。
进一步的，本发明采用下述技术方案：
三相溢流高效补氧湿地***，包括湿地床，所述湿地床中部设置中央挡板将湿地床分隔成中央内嵌区和***溢流区，所述中央内嵌区的填料高度高于***溢流区的填料高度。
本发明通过设置不同高度基质的内嵌，在原湿地基础上，设置嵌套型内高、外低湿地基质，中间以挡板分隔，底部连通，利用连通器原理以实现中央内嵌区溢流堰高度以上部分湿地基质持续暴露在气相进行高效补氧，进而使得中央内嵌区上部形成固-液-气三相共存的好氧环境；中央挡板的设置可以优化水流路径，在重力的作用下，水体依次流经湿地***上方的中央内嵌区上部三相反应区、中央区下部和***溢流区，在此过程中氨态氮氧化为硝态氮，部分COD被降解。水体进入***溢流区后，溶解氧含量随着水流深度的增加越来越少，逐渐进入厌氧区，在厌氧区内仍含有部分COD作为反硝化细菌的碳源被利用，同时硝态氮得以还原为氮气排出***。水体依靠中央挡板的导流作用自下而上流至***溢流区溢流高度处，经***溢流区的溢流堰流入集水池，可以实现COD及氨氮的高效去除。
进一步的，所述湿地床外周设置集水池，集水池底部与排水管连接，***溢流区的水体溢流进入集水池。
进一步的，所述湿地床***设置侧壁，侧壁的高度高于集水池的高度。
进一步的，所述侧壁顶端设置锯齿形溢流堰；设置锯齿形溢流堰，可以达到平稳的溢流效果。
进一步的，所述中央挡板顶端的高度高于侧壁顶端的高度。
进一步的，所述中央挡板为环状筒体结构，环状筒体结构轴线竖直。
进一步的，所述中央挡板底部与湿地床底部具有设定间距。
进一步的，所述中央内嵌区上方设置布水结构，待处理水体经由布水结构流入中央内嵌区，在中央内嵌区由上至下流动，进而在湿地床底部由下至上流向***溢流区，***溢流区的水体经溢流流出。
进一步的，所述布水结构包括进水管，进水管延伸至中央内嵌区上方与多个呈放射状的布水管连通，所述布水管设置多个布水孔。
进一步的，所述中央内嵌区的填料粒径为0.3-0.5cm，***溢流区的填料粒径为1-3cm。
进一步的，所述中央内嵌区的填料由陶粒和粉煤灰混合而成，***溢流区的填料为砾石。
进一步的，所述中央内嵌区和***溢流区顶部均设置湿地植物。在中央内嵌区和***溢流区顶部设置湿地植物，可以起到辅助净化作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的湿地***实现了高效的氧气补给。与传统人工湿地相比，该湿地***的中央内嵌区为水体中的污染物降解提供了固-液-气三相共存的氧气传质条件，增强了人工湿地***的气体传质效率，有利于生物生长，从而实现更好的水质净化效果。
本发明设置中央挡板将湿地床分隔，并在中央内嵌区集中布水，可以使水流尽可能沿其引导的路径趋于平推流运动，可有效避免***发生短流，提高了整体反应器的有效利用体积。
本发明的中央内嵌区的好氧环境可以促进湿地中微生物对COD、NH4 +-N等污染物的去除。此外，溶氧速率的提升可有效降低厌氧环境下COD降解不彻底产生的腐殖质等有机物质含量，进而降低湿地的有机堵塞风险。***区域的溢流堰设计取代了排水管，可以有效降低排水管管口堵塞风险。
本发明的湿地***中，通过设计一定的填料阻力梯度，使中央内嵌区的填料阻力大于***溢流区域的填料阻力，提高了该湿地对污染物的去除效果。
本发明在湿地床表面种植的湿地植物，不仅可以起到辅助净化作用，从美学角度还为整个湿地***带来了观赏价值。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明湿地***的示意图；
图2为本发明湿地***的俯视图；
图中，1：布水结构，2：中央挡板，3：中央内嵌区，4：***溢流区，5：集水池，6：排水管，7：好氧区，8：厌氧区。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，传统及部分改良型人工湿地存在复氧效果差、能耗高、COD及氮磷去除率低、易发生短流现象及有机污堵等问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种三相溢流高效补氧湿地***，是一种基于氧调控的新型高效补氧人工湿地***，在原湿地基础上，设置嵌套型内高、外低湿地基质，中间以挡板分隔，底部连通，利用连通器原理以实现液位以上部分湿地基质持续暴露在气相进行高效补氧，进而促进水体流经基质过程中对污染物的高效去除，并预防由于长期厌氧条件污染物降解不彻底导致的基质堵塞问题；通过上部基质的好氧与底端基质的厌氧交替环境，可利于水中氨氮、硝氮等氮污染物的去除并有效避免湿地***中的短流现象。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1-2所示，提供了一种三相溢流高效补氧湿地***，包括湿地床，湿地床中部设置中央挡板2将湿地床分隔成中央内嵌区3和***溢流区4，中央内嵌区3的填料高度高于***溢流区4的填料高度，以使中央内嵌区3处于固-液-气三相共存状态。
本发明通过设置不同高度基质的内嵌，使得中央内嵌区形成固-液-气三相共存的好氧环境，中央挡板的设置可以优化水流路径，具有高效补氧的优势，可以实现COD及氨氮的高效去除。
湿地床外周设置集水池5，集水池5底部与排水管6连接，***溢流区4的水体溢流进入集水池5。
湿地床***设置侧壁，侧壁的高度高于集水池5的高度。
湿地床***侧壁顶端设置锯齿形溢流堰；可以达到平稳的溢流效果。
中央挡板2顶端的高度高于侧壁顶端的高度。中央挡板2为环状筒体结构，环状筒体结构轴线竖直。中央挡板2底部与湿地床底部具有设定间距。本发明中直筒状中央挡板2位于整个湿地***的上方，中央挡板2将湿地床分隔成位于湿地***上方的中央内嵌区3和位于湿地***下方的***溢流区4，中央挡板2所围成的内部区域为中央内嵌区3，其余为***溢流区4。
中央内嵌区3上方设置布水结构1，待处理水体经由布水结构1流入中央内嵌区3，在中央内嵌区3由上至下流动，进而在湿地床底部由下至上流向***溢流区4，***溢流区4的水体经溢流流出。
布水结构1包括进水管，进水管延伸至中央内嵌区3上方与多个呈放射状的布水管连通，布水管设置多个布水孔。
本发明的湿地***设计为连续进水和连续出水的方式。辐射状布水结构1在湿地床中央内嵌区3上方进行连续布水，水体在中央内嵌区3中自上而下缓慢渗滤。由于本***所设中央内嵌区3与***溢流区4间的高度梯度以及下方***溢流区4的溢流堰设计，在重力的作用下，水体流经湿地***上方的中央内嵌区3时不作停留，依靠中央挡板2的导流作用自上而下流入湿地***下方的***溢流区4，在此过程中氨态氮被硝化为硝态氮，部分COD被降解。水体进入***溢流区4后，溶解氧含量随着水流深度的增加越来越少，逐渐进入厌氧区8，在厌氧区8内仍含有部分COD作为反硝化细菌的碳源被利用，同时硝态氮得以还原为氮气排出***。水体依靠中央挡板2的导流作用自下而上流至溢流堰高度处，经***溢流区4的溢流堰流入集水池5。
在上述污水净化过程中，待处理水体依次流经中央内嵌区3和***内嵌区4，流向集水池5。本发明提出的内外侧基质高度不同，由于连通器原理，湿地运行过程中，液位保持在***基质顶端的高度处。液位以下基质长期处于液相浸没状态，中间基质在液位以上部分始终处于气相当中。中央内嵌区3中可为待处理水体提供固-液-气三相共存的环境，形成具有高效补氧效果的好氧区7。待处理水体流经中央内嵌区3时，所携带的氨氮等污染物质被吸附到附着于基质表面的生物膜中，污水处于固-液-气三相反应器中，此时气相中的氧气可透过生物膜表面很薄的液膜进入到生物膜中，其传质速率得以提升，水体中氨氮可进行充分的硝化反应，氨氮被氧化成硝态氮，部分COD得以降解。水体进入***溢流区4后，溶解氧含量随着水流深度的增加越来越少，逐渐进入厌氧区8，在厌氧区8内仍含有部分COD作为反硝化细菌的碳源被利用，同时硝态氮得以还原为氮气排出***。在***溢流湿地4中经过进一步净化的水体通过溢流堰流出湿地***，流向集水池5。
为了进一步优化该三相溢流高效补氧湿地***的污水处理效果，使污染物在好氧和厌氧阶段的反应尽可能充分，本发明在基质填料的传质性能方面作出以下设计：中央内嵌区3为传质阻力较大的填料，使水体可以缓慢流经好氧区7以提供更好的传质效果；在其他区域设置阻力较小的填料以促进水体平推流的流动，并降低该厌氧区域堵塞的风险。中央内嵌区3的填料由粒径为0.3-0.5cm的陶粒和粉煤灰混合而成；***溢流区4的填料由粒径为1-3cm的砾石等较大粒径填料组成。
中央内嵌区3和***溢流区4顶部均设置湿地植物。在中央内嵌区和***溢流区顶部设置湿地植物，可以起到辅助净化作用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
在实验室内构建基于氧调控的高效补氧人工湿地小试装置。设置两组对照组：1)传统型上端进水底端出水的人工湿地小试圆柱桶；2)传统型上端进水底端出水的人工湿地小试圆柱桶，底部增设曝气头。初步拟定好氧区7高度/厌氧区8高度＝1，中央内嵌区3的表面积小于***面积，以污水厂二级出水为湿地小试***的进水，定时测定进出水中COD、BOD、TN、NH4 +-N、TP等指标，考察湿地对污水水质的净化效果。对比同一进水和操作条件(进水流量、水质、水力停留时间等)下，该***与传统湿地、曝气优化运行湿地对COD、TN等污染物的去除效果和堵塞形成速率。本发明小试***的进水流量设计为4_L/d，水力停留时间(HRT)设计为6_h，进水COD＝75.0_mg/L,NH4 +-N＝32.5_mg/L,TP＝4.0_mg/L。其中曝气组的曝气流量1_L/min。
实验结果表明，实验组COD及TP的去除效率与空白组和曝气组相当，实验组氨氮的去除效率相对于对照组显著提高；该小试装置的去除效果证实了三相溢流高效补氧湿地***的高效补氧效果。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.三相溢流高效补氧湿地***，其特征是，包括湿地床，所述湿地床中部设置中央挡板将湿地床分隔成中央内嵌区和***溢流区，所述中央内嵌区的填料高度高于***溢流区的填料高度，以使中央内嵌区处于固-液-气三相共存状态。
2.如权利要求1所述的湿地***，其特征是，所述湿地床外周设置集水池，集水池底部与排水管连接，***溢流区的水体溢流进入集水池。
3.如权利要求2所述的湿地***，其特征是，所述湿地床***设置侧壁，侧壁的高度高于集水池的高度；所述侧壁顶端设置锯齿形溢流堰。
4.如权利要求3所述的湿地***，其特征是，所述中央挡板顶端的高度高于侧壁顶端的高度。
5.如权利要求1所述的湿地***，其特征是，所述中央挡板为环状筒体结构，环状筒体结构轴线竖直。
6.如权利要求1或5所述的湿地***，其特征是，所述中央挡板底部与湿地床底部具有设定间距。
7.如权利要求1所述的湿地***，其特征是，所述中央内嵌区上方设置布水结构，待处理水体经由布水结构流入中央内嵌区，在中央内嵌区由上至下流动，进而在湿地床底部由下至上流向***溢流区，***溢流区的水体经溢流流出。
8.如权利要求7所述的湿地***，其特征是，所述布水结构包括进水管，进水管延伸至中央内嵌区上方与多个呈放射状的布水管连通，所述布水管设置多个布水孔。
9.如权利要求1所述的湿地***，其特征是，所述中央内嵌区的填料粒径为0.3-0.5cm，***溢流区的填料粒径为1-3cm。
10.如权利要求1所述的湿地***，其特征是，所述中央内嵌区和***溢流区顶部均设置湿地植物。
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