CN110577334B - 一种人工湿地水环境修复***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水环境治理领域，具体公开了一种人工湿地水环境修复***和方法。所述人工湿地水环境修复***包括：(1)将待处理水体输入人工湿地的布水管：(2)设于布水管周围的磁化反应器：对流经布水管的水体施加垂直于水流方向的磁场，使经布水管进入人工湿地的水体为经磁化处理后的磁化水；(3)人工湿地；(4)设于人工湿地垂直方向的磁化反应器：在垂直方向上对人工湿地施加磁场；(5)排出经人工湿地处理后的水体的出水管。将待处理水体经布水管、并被设于布水管周围的磁化反应器处理后进入人工湿地，同时利用设于人工湿地垂直方向的磁化反应器对人工湿地进行间歇磁化，能够有效解决人工湿地运行中易堵塞、且难以快速修复的技术问题。

Description

一种人工湿地水环境修复***和方法
技术领域
本发明涉及水环境治理领域，具体地说，涉及一种人工湿地水环境修复***和方法。
背景技术
人工湿地作为一种高效率、低投资、低运行费用、低能耗的污水处理技术，越来越受到世界各国的关注。然而，人工湿地***的堵塞是影响其应用和推广的主要因素之一。人工湿地发生堵塞后，基质的渗透系数会急剧下降，过水能力也随之降低，大量引入湿地***的污水直接雍积在湿地表面，长期积水引发恶臭、导致蚊蝇滋生，恶化运行环境；雍积的污水还会阻隔氧气向基质层内扩散，进而降低人工湿地对污染物(尤其是有机物和氨氮)的去除效果，导致出水指标达不到原有设计标准，同时还将缩短人工湿地的运行寿命。
引起人工湿地堵塞的因素较多，目前解决其堵塞问题的方法主要有：改善填料空隙率，水力调节设计，强化预处理，更换湿地基质，停床休作与轮休，生物修复，设计导淤***，添加抑制剂和溶脱剂，反冲洗及曝气充氧。然而利用这些方法对人工湿地堵塞的预防效果相差很大，且往往治标不治本。
不仅如此，目前解决人工湿地***堵塞的方法还存在以下缺点：(1)需要缩短水力停留时间，进而会影响净化效果；(2)湿地基质更换困难、工程量浩大、更换的时候湿地需要停床休息并且更换耗时较长；(3)休作与轮休这两种措施为了能保证污水处理站的正常处理水平，需要建造多个平行湿地，这样会大幅度增加湿地***的投资费用，而且容易受天气的影响；(4)生物修复这种措施目前还处于研究阶段，实际的工程应用效果还有待验证；(5)人工湿地去除污水中污染物主要依靠的是微生物的新陈代谢活动，加抑制剂和溶脱剂这种杀死微生物或抑制其活性的方法来解决堵塞尚需进行更深入的研究；(6)其他方法存在操作复杂并所需时间长、持续时间短、工程量大、时间成本高、经济效益差、易造成二次污染等问题。
故而针对人工湿地堵塞的预防，以及人工湿地堵塞后的修复，目前尚未具有很好的预防或治理/修复对策。因此，亟需开发一种能够减轻或避免人工湿地发生堵塞，且一旦发生堵塞后能够快速进行修复，以确保人工湿地正常运行的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人工湿地水环境修复***和方法，以解决现有技术中存在的至少一个技术问题。
为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种人工湿地水环境修复***，如图1所示，所述人工湿地水环境修复***包括：(1)布水管：用于将待处理水体输入人工湿地；(2)设于布水管周围的磁化反应器：用于对流经布水管的水体施加垂直于水流方向的磁场，使经布水管进入人工湿地的水体为经磁化处理后的磁化水；(3)人工湿地；(4)设于人工湿地垂直方向的磁化反应器：用于在垂直方向上对人工湿地施加磁场；(5)出水管：用于排出经人工湿地处理后的水体。
进一步地，所述布水管和所述出水管可采用人工湿地常规使用的布水管与出水管，例如可选为直径50～500mm的管道。
进一步地，所述人工湿地的上部和底部填充直径为15～50mm的填料并在上部进行植物种植，中间部分填充直径为5～15mm的填料与铁屑的混合物，铁屑与填料的比例为1:3～1:8，通过添加铁屑，一方面可以增加人工湿地的除磷效果，另一方面还可以增强磁化反应器对人工湿地的磁化作用。
进一步地，所述人工湿地上部和底部的1/3-1/7段填充直径为15～50mm的填料并在上部进行植物种植，中间部分填充直径为5～15mm的填料与铁屑的混合物，铁屑与填料的比例为1:3～1:8，通过添加铁屑，一方面可以增加人工湿地的除磷效果，另一方面还可以增强磁化反应器对人工湿地的磁化作用。
其中，所述填料包括但不限于碎石、沸石、砾石、砂、煤渣、石灰石等。
作为优选，在所述人工湿地的上部所种植的植物为挺水植物，可选自水烛(狭叶香蒲)、荷花、碗莲、芦苇、香蒲、菰(茭笋、蒿芭)、芦竹、水竹、水葱、菖蒲、蒲苇、黑三菱等中的一种或者几种。
作为优选，所述设于布水管周围的磁化反应器与所述设于人工湿地垂直方向的磁化反应器为电磁式磁化反应器，更优选为磁场强度可调的电磁式磁化反应器。
所述待处理水体(也可称为污水)可为水质为Ⅱ-Ⅴ类的水体，包括但不限于富营养化水体、黑臭水体、景观水体等。
第二方面，本发明提供了一种利用前述人工湿地水环境修复***进行水环境修复的方法，具体为：将待处理水体经布水管、并被设于布水管周围的磁化反应器处理后进入人工湿地，同时利用设于人工湿地垂直方向的磁化反应器对人工湿地进行间歇磁化，通过磁化水、人工湿地基质、微生物、胞外聚合物和植物的共同作用对该水体进行处理，从而促进水环境的生态恢复。
进一步地，对布水管中水体进行磁化的磁场强度为50mT-1500mT，磁化时间为1min-120min。
作为优选，对布水管中水体进行磁化的磁场强度为100mT-250mT，水流速度0.2m/min-10m/min。
进一步地，对人工湿地进行间歇磁化的磁场强度为30mT-800mT，单次磁化时间为5min-300min，间歇时间为3h-240h，即：每隔3h-240h，对人工湿地施加强度为30mT-800mT的磁场5min-300min。
作为优选，对人工湿地进行间歇磁化的磁场强度为50mT-100mT，单次磁化时间为30min-45min，间歇时间为24h-72h，即：每隔24h-72h，对人工湿地施加强度为50mT-100mT的磁场30min-45min。
按照本发明所提供的人工湿地水环境修复方法，可多层级多方位的对待处理水体(或称污水)进行处理与修复。
污水在进入人工湿地前，先经过设有电磁式磁化反应器的布水管，在磁化反应器的作用下，污水中的水以及有机污染物在短时间内迅速磁化，磁化作用破坏了分子之间的静电吸引力，一方面使水中原有的较长缔合分子链被截断为较短的缔合分子链和带电离子，使大的水分子团变成了小的水分子团或单个水分子，使水的活性得到提高，水分子的表面张力增强，水分子渗透力增强，水体透明度增高；另一方面，磁化会使有机污染物在不添加化学剂情况下就能矿化，因为磁化产生的磁化效应会破坏污染物分子的化学键，使污染物分子断裂，由大变小，把污染物分子中的碳转化为二氧化碳，氮、磷等污染物转化为无机盐。污水经过磁化后进入人工湿地，因上述污水磁化后的优点，会使人工湿地净化污水的效率增强，周期缩短，降低湿地堵塞情况。
污水进入人工湿地后，随着人工湿地的运行，污水在植物茎叶及填料的截留作用下，一部分停留在植物茎叶间，一部分在基质表面及孔隙中聚集。在人工湿地运行时对人工湿地进行间歇地磁化，通过磁化水-基质-微生物-胞外聚合物-植物的共同作用，湿地可连续运行一年以上，且不会出现堵塞现象，净化效率正常。
具体来说，对人工湿地进行间歇地磁化的有益效果在于：
第一方面，可使人工湿地的基质表面形成微电流，污水在基质间不断渗流时在微电流作用下进行循环流动，不会在基质表面及孔隙中聚集，基质中的氧在磁化作用下变为活性氧，大气的复氧能力增强，使基质的氧化还原电位升高，氧化还原电位高则微生物的氧化能力强，胞外聚合物的蓄积比较缓慢，基质的孔隙就不会被因胶体状态或不同粒径悬浮态的底物被胞外聚合物吸附和凝聚形成的较大粒径絮团状聚积物而堵塞。
第二方面，胞外聚合物官能团分子量较大，磁化产生的磁化效应会破坏胞外聚合物的分子作用，使大分子的胞外聚合物转化为小分子物质，无法与悬浮颗粒通过离子键、氢键的作用相结合，进而无法形成网状结构而沉积，絮凝能力消失。
第三方面，还可以促进并增强胞外酶的产生，通过增强胞外多糖的降解从而强化胞外酶对胞外聚合物的降解作用，使胞外聚合物降解成小分子后吸收到细胞内，可以抵御杀菌剂和有毒物质对细胞的危害。
第四方面，磁化效应可以促进人工湿地中的植物根部周围形成氧化态的微环境，促进植物根系的生长，根系生长趋于成熟时继续施加磁化反应，促使植物吸附的污染物快速转化，打破最大生物量的限制，使污染物的去除速率仍能维持在一定的水平。
第五方面，磁化效应可以促进人工湿地中形成适宜好氧微生物生存的有氧环境，也可形成适宜厌氧微生物生存的无氧环境，不同微生物可以共存并各取所需，充分吸收、利用水中营养物，减少水中富营养物质，从而不断的净化水质。
若对人工湿地不停歇的持续磁化，会增加植物和动物畸形的概率，并且会抑制植物、动物、微生物的吸收和净化作用，因此进行间歇磁化相对于持续磁化，不仅能够节约资源和成本，其安全性能更高，污染物去除效果更好。
本发明涉及到的原料均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。
本发明的有益效果在于：
本发明利用磁化方式提供了一种能够有效解决人工湿地堵塞并进行水环境修复的***和方法。
所述***结构简单，成本低，便于搭建与运行，所述修复方法耗能少、操作简单、有效时间长、不会造成二次污染。
本发明技术方案有效地解决了现有技术中人工湿地运行中易堵塞、且难以快速修复的技术问题，为人工湿地的构建及水环境处理提供了新的思路与解决方案。
附图说明
图1为本发明所述人工湿地水环境修复***的结构示意图。
图中：1：磁化反应器(用于磁化布水管中水体)，2：磁化反应器(用于磁化人工湿地)，3：布水管，4：出水管，5：人工湿地。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
在实验室内模拟利用本发明专利的方法构造人工湿地，选用人工湿地模型，编号为A、B、C、D、E、F，人工湿地占地面积均为3200cm2，反应器长80cm、宽40cm、高40cm。反应器左侧和右侧分别设置直径为100mm的布水管和出水管，水流速度为0.5m/min，通过布水管时间为5min。A、D、F反应器分别在布水管周围设置磁场强度为100mT的电磁式磁化反应器，并在人工湿地模型中水流的垂直方向设置磁场强度为50mT的电磁式磁化反应器；B反应器布水管周围设置磁场强度为100mT的电磁式磁化反应器；C反应器在人工湿地模型中水流的垂直方向设置磁场强度为50mT的电磁式磁化反应器；E反应器在布水管周围设置磁场强度为100mT的电磁式磁化反应器，并在人工湿地模型中水流的垂直方向设置磁场强度为30mT的电磁式磁化反应器。
在人工湿地反应器上部和底部的1/3段填充直径为30mm的碎石；中间部分填充直径为25mm的粗砂与铁屑混合物，铁屑与粗砂的比例为1:5。在人工湿地反应器上部种植水烛和水葱，种植比例为1：1。控制进入布水管的水体的COD浓度为80mg/L，TN浓度为10mg/L，氨氮浓度为10mg/L。
A和E反应器进水时开启磁化反应器直至进水完毕，间歇磁化周期为24h，磁化时间为30min，连续运行6个月；B反应器进水时开启磁化反应器直至进水完毕，不进行间歇磁化，连续运行6个月；C反应器进水时不磁化，进水完毕后进行间歇磁化周期为24h，磁化时间为30min，连续运行6个月；D反应器进水时开启磁化反应器直至进水完毕，间歇磁化周期为72h，磁化时间为30min，连续运行6个月；F反应器进水时开启磁化反应器直至进水完毕，对人工湿地进行磁化6个月。可以看出A反应器人工湿地运行状态良好，6个月未出现堵塞，排水流畅，去除效率好；B、F反应器人工湿地4个月出现轻微堵塞，6个月堵塞情况较为严重，去除效率较差；C、D、E反应器人工湿地运行状态一般，6个月出现轻微堵塞，去除效率较好。
表1
Figure BDA0002220400040000081
实施例2
在某城市利用本发明专利的方法构造实验人工湿地A、B、C、D、E、F，人工湿地占地面积均为64m2，长8m、宽8m、高3m。人工湿地左侧和右侧分别设置两个直径为500mm的布水管和出水管，水流速度为2.5m/min，通过布水管时间为20min。A、D、F实验人工湿地分别在布水管周围设置磁场强度为250mT的电磁式磁化反应器，并在人工湿地模型中水流的垂直方向设置磁场强度为100mT的电磁式磁化反应器；B实验人工湿地布水管周围设置磁场强度为250mT的电磁式磁化反应器；C实验人工湿地在水流的垂直方向设置磁场强度为100mT的电磁式磁化反应器；E实验人工湿地在布水管周围设置磁场强度为250mT的电磁式磁化反应器，并在水流的垂直方向设置磁场强度为50mT的电磁式磁化反应器。
在人工湿地上部和底部的1/3段分别填充直径为50mm的砾石；中间部分填充直径为30mm的沸石与铁屑混合物，铁屑与粗砂的比例为1:4。在人工湿地上部种植菖蒲河芦苇，种植比例为1：2。控制进入布水管的水体的COD浓度为200mg/L，TN浓度为30mg/L，氨氮浓度为40mg/L。
A和E反应器进水时开启磁化反应器直至进水完毕，间歇磁化周期为72h，磁化时间为45min，连续运行1年；B反应器进水时开启磁化反应器直至进水完毕，不进行间歇磁化，连续运行1年；C反应器进水时不磁化，进水完毕后进行间歇磁化周期为72h，磁化时间为45min，连续运行1年；D反应器进水时开启磁化反应器直至进水完毕，间歇磁化周期为144h，磁化时间为45min，连续运行1年；F反应器进水时开启磁化反应器直至进水完毕，对人工湿地进行磁化1年。可以看出A反应器人工湿地运行状态良好，1年未出现堵塞，排水流畅，去除效率好；B、F反应器人工湿地5个月出现轻微堵塞，1年堵塞情况较为严重，去除效率较差；C、D、E反应器人工湿地运行状态一般，1年出现轻微堵塞，去除效率较好。
表2
Figure BDA0002220400040000091
Figure BDA0002220400040000101
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种利用人工湿地水环境修复***进行水环境修复的方法，其特征在于，所述人工湿地水环境修复***包括：（1）布水管：用于将待处理水体输入人工湿地；（2）设于布水管周围的磁化反应器：用于对流经布水管的水体施加垂直于水流方向的磁场，使经布水管进入人工湿地的水体为经磁化处理后的磁化水；（3）人工湿地；（4）设于人工湿地垂直方向的电磁式磁化反应器：用于在垂直方向上对人工湿地施加磁场；（5）出水管：用于排出经人工湿地处理后的水体；
所述方法为待处理水体经布水管、并被设于布水管周围的磁化反应器处理后进入人工湿地，同时利用设于人工湿地垂直方向的磁化反应器对人工湿地进行间歇磁化；
其中，对布水管中水体进行磁化的磁场强度为50mT-1500mT，磁化时间为1min-120min；对人工湿地进行间歇磁化的磁场强度为30mT-800mT，单次磁化时间为5min-300min，间歇时间为3h-240h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述人工湿地的上部和底部填充直径为15~50mm的填料并在上部进行植物种植，中间部分填充直径为5~15mm的填料与铁屑的混合物，铁屑与填料的比例为1:3~1:8。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述人工湿地的上部所种植的植物为挺水植物，选自荷花、芦苇、香蒲、菰、芦竹、水竹、水葱、菖蒲、蒲苇、黑三菱中的一种或者几种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对布水管中水体进行磁化的磁场强度为100mT-250mT，水流速度0.2m/min-10m/min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对人工湿地进行间歇磁化的磁场强度为50mT-100mT，单次磁化时间为30min-45min，间歇时间为24h-72h。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述待处理水体为水质为Ⅱ-Ⅴ类的水体。
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