專利名稱：一種污水脫氮除污方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種污水脫氮除污的生態(tài)化處理技術(shù)，特別是關(guān)于污水處理的過程中高效脫氮除污的技術(shù)方法及其裝置。
背景技術(shù)：
隨著污水排放量的增加，我國大部分地表水和部分淺層地下水污染日益嚴(yán)重，如果水污染得不到有效控制，將直接影響經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和供水安全。即使在資金有保障的前提下，單純靠污水處理廠也不可能實現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的根本好轉(zhuǎn)。由于高昂的投資和運(yùn)行費用，使得各種二級、三級水處理技術(shù)難以大面積推廣。調(diào)查顯示，湖泊與河流中的氮有50％以上來源于面源污染，農(nóng)業(yè)面源污染已成為湖泊、河流、庫塘等水環(huán)境污染的主要因素。農(nóng)村地區(qū)的污水處理基本上是空白，大量未經(jīng)處理就直接排入河流。江浙一帶河網(wǎng)、湖泊眾多，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，很多飲用水水庫盡管其它所有污染物水平都很低，但氮含量卻超標(biāo)。有效控制工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活所帶來的氮等污染物對于控制水體富營養(yǎng)化具有重要意義。
人工濕地是模擬自然濕地的人工生態(tài)系統(tǒng)，是一種人為地將石、砂、土壤、煤渣等一種或幾種介質(zhì)按一定比例構(gòu)成基質(zhì)，并有選擇地植入植物的污水處理生態(tài)系統(tǒng)。通過自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來實現(xiàn)對污水的凈化。基質(zhì)表面和植物根際吸附大量微生物形成生物膜，污水流經(jīng)生物膜時，大量的懸浮固體被基質(zhì)和植物根系截留，有機(jī)污染物通過生物膜的吸收、同化及異化作用被去除。濕地系統(tǒng)中因植物根系對氧的傳遞釋放，使其依次呈現(xiàn)好氧、缺氧和厭氧狀態(tài)，保證了污水中的氮磷不僅能被植物和微生物作為營養(yǎng)而吸收，還可通過硝化、反硝化作用及微生物對磷的吸附積累將其從污水中去除。人工濕地作為一種新型生態(tài)污水處理技術(shù)，具有投資和運(yùn)行費用低、抗沖擊負(fù)荷、處理效果穩(wěn)定、出水水質(zhì)好、水生植物可利用等諸多優(yōu)點。雖然人工濕地已經(jīng)在污水處理中得到了一些應(yīng)用，取得了比較好的效果，但還存在一些問題，如污水中的氨氮難以去除，氮去除率低，一般不超過60％，而且不能持續(xù)穩(wěn)定地去除，水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)。由于氨氮是造成水體富營養(yǎng)化的限制因子之一，必須強(qiáng)化人工濕地的脫氮能力。
劉超翔等人[環(huán)境科學(xué)，2003，24(5)92-96]對氮去除途徑的分析表明，微生物的硝化—反硝化作用是人工濕地去除氮的主要途徑，水生植物對氮的吸收量分別占總投加量的10％以上。張甲耀等人[環(huán)境科學(xué)研究，1999，19(3)323-327]的研究也表明，要提高濕地的脫氮效果，關(guān)鍵在于改善濕地的氧環(huán)境，從而改善硝化作用，以便保證濕地硝化—反硝化這一重要去氮機(jī)制的暢通。國外研究也發(fā)現(xiàn)，硝化—反硝化是濕地脫氮的主要方式，除氮量占總脫氮量的60-95％。而植物對氮的吸收量很低，為0.03-0.3g/m2d，并且要通過收割植物來最終完成氮的去除。有研究表明人工濕地在中等負(fù)荷情況下，通過植物收割對氮的去除率小于20％?？梢?，硝化—反硝化是人工濕地脫氮的主要機(jī)制。宋鐵紅等人[吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2003，20(3)1-3]研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地內(nèi)氧含量對濕地去除效率有較大影響，提高濕地床體內(nèi)的含氧量，有利于微生物的好氧代謝和硝化作用。在許多濕地中硝化速率要比反硝化速率慢很多，并事實上成為控制氮去除的限制因素。每轉(zhuǎn)化1g NH4+-N成NO3--N，需要消耗4.3g氧氣。對于1.0mg/L的NH4+-N，系統(tǒng)中溶解氧大于4.6mg/L時，硝化過程才能順利進(jìn)行。無論是表面流濕地，還是潛流濕地，氧含量都是碳和氮氧化的限制因素[Water Environment Research，1997，67(5)855-862]]，而濕地中植物傳輸?shù)难鯕馐怯邢薜模J葦、沉水植物、浮水植物分別為0.02-12、0.5-5.2、0.25-9.6g/m2d。
為了提高人工濕地去除氨氮的效率，Green[Water Environment Research，1994，66(4)188-193]采取人工充氣的辦法來增加濕地中的溶解氧，以此提高硝化能力，結(jié)果大大提高了氨氮的去除率，但溶解氧增加的同時，抑制了反硝化作用的進(jìn)行，從而使硝態(tài)氮的去除率有所下降。如何提高氨氮去除率的同時保證硝態(tài)氮的去除率是增強(qiáng)人工濕地脫氮效果的一個難點。每反硝化1g NO3-N成N2，需要消耗相當(dāng)于2.86gBOD的有機(jī)物，可能發(fā)生反硝化的最小碳氮質(zhì)量比為1。然而COD的降解主要發(fā)生在濕地床體的前段，造成床體后段反硝化所需有機(jī)碳源不足和后段降解能力的浪費。當(dāng)污水有機(jī)物含量很低時，反硝化過程又不易進(jìn)行，解決這一矛盾是提高人工濕地對氮去除率的另一難點。因此，要有效去除污水中的氮，必須保障水中有充足的溶解氧以完成NH4+-N的硝化，同時又要使反硝化細(xì)菌適宜的缺氧環(huán)境和充足的有機(jī)物來源，以保障反硝化作用的順利進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前人工濕地污水處理中，硝化作用需要好氧環(huán)境，而反硝化作用需要缺氧環(huán)境和一定的有機(jī)物碳源之間的矛盾，解決氮去除率低，從而導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化的技術(shù)問題，設(shè)計一種塔式污水脫氮除污裝置及其處理污水的方法。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)上述目的。
一種污水脫氮除污裝置，包括表層泥土、中層砂粒和底層礫石。在表層泥土上種植木本或草本植物，引入流動污水形成人工濕地。其特征是一污水引入?yún)^(qū)，用于絮凝和過濾沉淀污水以及含碳、氮有機(jī)物的初步分解，在污水引入?yún)^(qū)末端設(shè)提升污水的水泵和水管；一塔式瀑布區(qū)，用于含碳、氮有機(jī)物的進(jìn)一步好氧分解和氨氮的硝化作用，由二層以上的表面流人工濕地堆疊成塔形，塔下層與污水引入?yún)^(qū)連成一體，污水引入?yún)^(qū)的提升水管延伸至頂層塔中部；一污水匯合區(qū)，與塔式瀑布區(qū)下層連成一體，用于硝態(tài)氮的反硝化作用和剩余有機(jī)物的繼續(xù)分解以及排出脫氮除污后的出水。
一種污水脫氮除污方法，其特征包括以下步驟a、將人工濕地的污水引入?yún)^(qū)種植木本植物，在塔式瀑布區(qū)和污水匯合區(qū)種植草本植物，植物根系提供絮凝和沉淀作用，含碳、氮有機(jī)物的污水進(jìn)行初步降解；b、將要處理的污水引入污水處理人工濕地裝置，其中一部分經(jīng)過污水引入?yún)^(qū)木本植物人工濕地后，直接進(jìn)入塔式瀑布區(qū)人工濕地的底層，邊流動邊進(jìn)行有機(jī)物的降解，與由塔式瀑布區(qū)頂層下跌至下層的污水一起流入污水匯合區(qū)。
c、另一部分污水由泵和水管提升進(jìn)入塔式瀑布區(qū)的頂層中部，污水由上層濕地跌落至下一層濕地，經(jīng)多層階梯式跌落使污水充分溶解空氣中的氧氣，進(jìn)行有機(jī)物好氧分解，NH4+-N硝化作用成為NO3--N，流入污水匯合區(qū)人工濕地；d、由所述的b步和c步處理后的污水經(jīng)污水匯合區(qū)人工濕地進(jìn)行反硝化作用，將污水中NO3-N轉(zhuǎn)化為N2而排放到大氣中，含碳有機(jī)物進(jìn)一步分解成二氧化碳和水。
人工濕地系統(tǒng)在污水引入?yún)^(qū)和塔式瀑布區(qū)采用表面流濕地，在污水匯合區(qū)采用潛流濕地。
濕地填料由上至下可分3層表層為土壤，中層為煤渣，底層為礫石。
濕地內(nèi)水生草本植物和木本植物可根據(jù)當(dāng)?shù)剡m生種類選擇配置，如具有寧波特色的經(jīng)濟(jì)作物藺草、茭白等。
污水先經(jīng)過種植木本植物的引入?yún)^(qū)人工濕地，利用木本植物的根系絮凝、沉淀污水中的懸浮固體物質(zhì)，污水引入?yún)^(qū)的污染物濃度較高，植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)多，生長快，木本植物比草本植物生物量大，不至造成生長過快而產(chǎn)生的一系列問題。在引入?yún)^(qū)人工濕地有機(jī)物部分分解，然后部分污水從塔式瀑布區(qū)頂部小濕地階梯化跌水進(jìn)入下層濕地，污水在跌水中充分利用大氣富氧，有機(jī)物好氧分解加速，有機(jī)氮分解產(chǎn)生的氨氮與污水中原有的氨氮在好氧條件下轉(zhuǎn)換為硝態(tài)氮的硝化速率大幅度提高；另一部分污水則從引入?yún)^(qū)人工濕地末端直接進(jìn)入塔式濕地的底層，與塔式瀑布濕地頂層階梯跌水而下、硝化作用完全、好氧分解較為徹底的污水一起匯合，這部分不經(jīng)過塔式濕地跌水而直接進(jìn)入塔式底層的污水，只進(jìn)行了初步好氧分解，剩余的有機(jī)物可為污水匯合區(qū)的反硝化作用提供碳源，保證了硝化—反硝化這一主要脫氮機(jī)制的順利暢通，使硝態(tài)氮徹底轉(zhuǎn)化為氮氣而釋放到大氣中，從而提高污水的脫氮除污效果。
本發(fā)明設(shè)計了塔式人工濕地與目前采用的人工濕地相比，可以提高污水中氮的去除效果，污水總氮去除率為70％～80％，氨氮去除率為75-85％，而且其余污染因子的去除效果也有所提高，污水CODcr去除率為85％～90％；污水總磷去除率為60～70％，總懸浮固體TSS去除率為80～85％。新型人工濕地的占地面積、投資、運(yùn)行管理和成本與其余人工濕地基本相同，只需消耗少量電能提高水位，適合中小城市和廣大農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用。
本發(fā)明的顯著進(jìn)步和優(yōu)點在于(1)污水塔式階梯跌水充氧，強(qiáng)化生物的硝化作用和好氧代謝。只需消耗少量電能提高水位，使污水從上層小濕地分幾次跌水進(jìn)入下層小濕地，克服目前濕地含氧量少，硝化速率慢的瓶頸。
(2)部分污水直接進(jìn)入污水匯合區(qū)，為生物的反硝化作用提供充足的碳源，提高反硝化作用效率。同時可避免濕地后段凈化作用的浪費。
(3)將木本植物和草本植物相結(jié)合。協(xié)同利用兩類植物根區(qū)的混合生物群落，提高人工濕地對污染物的去除率，降低濕地系統(tǒng)的脆弱性，提高其生命力。
(4)環(huán)境、社會、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益四豐收。在圓形濕地間的埂子上，猶如在湖濱公園的瀑布間散步，讓參觀者得到教育和啟發(fā)，認(rèn)識濕地的作用，更好的保護(hù)環(huán)境，不光是一道靚麗的景觀，也是環(huán)境教育的生態(tài)基地。一個縣級小型污水處理廠，投資至少幾千萬元，污水處理費0.5-1元/噸，每天就要花費幾千元。而人工濕地的投資費用約為兩百萬元(包括征地費)，處理費用不超過0.05元/噸，無剩余污泥產(chǎn)生，維護(hù)上只是清理渠道及管理作物，農(nóng)民完全可承擔(dān)，只需個別專業(yè)人員定期檢查。
本項目的新型人工濕地技術(shù)既處理污水，既可改善廣大農(nóng)村和中小城市的衛(wèi)生狀況，又可美化環(huán)境，減緩地表水的富營養(yǎng)化趨勢，是集環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會效益于一體的污水處理方式。


圖1是塔式人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是塔式人工濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的縱剖面圖。
具體實施例方式
本試驗采用的人工濕地為實驗室規(guī)模的人工濕地裝置，污水引入?yún)^(qū)1的長、寬、高為0.8m×0.7m×0.5m，污水匯合區(qū)3的長、寬、高為0.8m×0.7m×0.5m、塔式瀑布區(qū)2的頂層7小濕地直徑0.6m、中間層8直徑為1.0m，下層5的直徑為1.4m，三層濕地的高度均為0.5m，總高度為1.5m，整個濕地系統(tǒng)的總面積為3.73m2。濕地系統(tǒng)的底層13為10cm厚的礫石(粒徑2-6cm)，中層12為10cm厚的煤渣(粒徑0.2-0.5cm)，表層11為10cm厚的泥土(粒徑0.1-0.2cm)。在濕地污水引入?yún)^(qū)1的前段種植花卉樹苗、水杉樹苗等木本植物10，在其污水匯合區(qū)種植黑麥草、鴨舌草以及藺草、茭白4等，在塔式瀑布區(qū)7、8種植景觀型草本植物，如美人蕉、香蒲、黃花鳶尾、水百合等如附圖1所示。塔式瀑布區(qū)由三層小人工濕地組成，每一層小人工濕地都由表層11土壤，中層12煤渣，底層13礫石組成，塔層之間設(shè)隔板17以阻止層間污水滲透，如圖2所示。污水經(jīng)人工濕地的前段一部份沿水平方向9往前流，一部份滲透入中層12與底層13，在此設(shè)集水槽和抽吸水泵15，將在中層滲流的部份污水經(jīng)水管14提升至頂層7的小濕地的中層，放出水由頂層表面溢出，形成瀑布流逐層跌落，在跌水過程中吸收空氣中的氧氣。
同時建立一個面積大小相同的表面流濕地系統(tǒng)作為對照，污水進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)完全和上述新型濕地相同，濕地中部為通常的表面流濕地。濕地填料和植物種類也與塔式人工濕地完全相同。
實施例1以相同水力負(fù)荷(20cm/d)向兩個人工濕地系統(tǒng)輸入相同水質(zhì)的模擬生活污水(COD為300mg/L，BOD5為160mg/L，總氮濃度為70mg/L，氨氮濃度為40mg/L，總磷濃度為4mg/L)，水力停留時間為3d。處理效果見表1。
表1新型人工濕地對污染物的去除效果(％)

實施例2與實施例1不同的是以相同水力負(fù)荷(20cm/d)向兩個人工濕地系統(tǒng)輸入相同水質(zhì)的農(nóng)田排灌水(COD為70mg/L，總氮濃度為7mg/L，氨氮濃度為4mg/L，總磷濃度為1mg/L)，水力停留時間為2d。處理效果見表2。
表2新型人工濕地對污染物的去除效果(％)

實施例3與實施例1不同的是以相同水力負(fù)荷(20cm/d)向兩個人工濕地系統(tǒng)輸入相同水質(zhì)的混合生活污水與畜禽養(yǎng)殖廢水(平均水質(zhì)COD為270mg/L，BOD5為120mg/L，總氮濃度為40mg/L，氨氮濃度為28mg/L，總磷濃度為3.5mg/L)，水力停留時間為2d。處理效果見表3。
表3新型人工濕地對污染物的去除效果(％)

實施例4與實施例1不同的是以相同水力負(fù)荷(20cm/d)向兩個人工濕地系統(tǒng)輸入相同水質(zhì)的豬場厭氧處理后廢水(平均水質(zhì)COD為680mg/L，BOD5為300mg/L，總氮濃度為80mg/L，氨氮濃度為45mg/L，總磷濃度為3mg/L)，水力停留時間為3d。處理效果見表4。
表4新型人工濕地對污染物的去除效果(％)

實施例5與實施例1不同的是以相同水力負(fù)荷(20cm/d)向兩個人工濕地系統(tǒng)輸入相同水質(zhì)的富營養(yǎng)化河水(平均水質(zhì)COD為52mg/L，BOD5為4.8mg/L，總氮濃度為1.8mg/L，氨氮濃度為0.8mg/L，總磷濃度為0.08mg/L)，水力停留時間為1d。處理效果見表5。
表5新型人工濕地對污染物的去除效果(％)

實施例6本試驗采用的人工濕地為野外中試規(guī)模的現(xiàn)場人工濕地，污水引入?yún)^(qū)的長、寬、高為6m×4.5m×1m；污水匯合處理區(qū)的長、寬、高為6m×4.5m×1m；塔式瀑布區(qū)的頂層小濕地直徑3m、中間層直徑為6m，下層直徑為10m，三層濕地的高度均為1m，總高度為3m，整個濕地系統(tǒng)的總面積為509m2。整個濕地系統(tǒng)的底層為12cm厚的礫石(粒徑2-6cm)，中層為12cm厚的煤渣(粒徑0.2-0.5cm)，表層為12cm厚的土壤(粒徑0.1-0.2cm)。在濕地的污水引入?yún)^(qū)入水處種植花卉樹苗、水杉樹苗等木本植物，在污水匯合區(qū)種植黑麥草、鴨舌草以及藺草、茭白等，在塔式瀑布區(qū)種植景觀型草本植物，如美人蕉、香蒲、黃花鳶尾、水百合等。以20cm/d的水力負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行5個月(水力停留時間為3-5d)，試驗所用污水來自農(nóng)村溝渠，該溝渠經(jīng)過農(nóng)田和村鎮(zhèn)，污水以生活污水為主，混有部分農(nóng)田排灌水和雨水，水質(zhì)和處理效果如表6所示。
表6污水水質(zhì)和處理效果

權(quán)利要求
1.一種污水脫氮除污裝置，包括表層泥土、中層砂粒和底層礫石。在表層泥土上種植木本或草本植物，引入流動污水形成人工濕地。其特征是一污水引入?yún)^(qū)(1)，用于絮凝和過濾沉淀污水以及含碳、氮有機(jī)物的初步分解，在污水引入?yún)^(qū)末端設(shè)提升污水的水泵和水管；一塔式瀑布區(qū)(2)，用于含碳、氮有機(jī)物的進(jìn)一步好氧分解和氨氮的硝化作用，由二層以上的表面流人工濕地堆疊成塔形，塔下層(5)與污水引入?yún)^(qū)連成一體，污水引入?yún)^(qū)的提升水管(14)延伸至頂層(7)塔中部；一污水匯合區(qū)(3)，與塔式瀑布區(qū)下層連成一體，用于硝態(tài)氮的反硝化作用和剩余有機(jī)物的繼續(xù)分解以及排出脫氮除污后的出水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水脫氮除污裝置，其特征在于污水引入?yún)^(qū)(1)為表面流濕地區(qū)，塔式瀑布區(qū)(2)為表面流濕地區(qū)，污水匯合區(qū)(3)為潛流濕地區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水脫氮除污裝置，其特征在于人工濕地表層(11)土壤粒徑為0.1-0.2cm，中層(12)為0.2-0.5cm的煤渣，底層(13)為粒徑2-6cm的礫石。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水脫氮除污裝置，其特征是在污水引入?yún)^(qū)(1)種植水杉樹苗和花卉樹苗(10)，在塔式瀑布區(qū)(2)種植景觀型草本植物，在污水匯合區(qū)(3)種植黑麥草、鴨舌草和藺草(4)。
5.一種污水脫氮除污方法，其特征包括以下步驟a、將人工濕地的污水引入?yún)^(qū)種植木本植物，在塔式瀑布區(qū)和污水匯合區(qū)種植草本植物，植物根系提供絮凝和沉淀作用，含碳、氮有機(jī)物的污水進(jìn)行初步降解；b、將要處理的污水引入污水處理人工濕地裝置，其中一部分經(jīng)過污水引入?yún)^(qū)木本植物人工濕地后，直接進(jìn)入塔式人工濕地的底層，邊流動邊進(jìn)行有機(jī)物的降解，與由塔式瀑布區(qū)頂層下跌至下層的污水一起流入污水匯合區(qū)。c、另一部分污水由泵提升進(jìn)入塔式瀑布區(qū)的頂層中部，污水由上層濕地跌落至下一層濕地，經(jīng)多層階梯式跌落使污水充分溶解空氣中的氧氣，進(jìn)行有機(jī)物好氧分解，NH4+-N硝化作用成為NO3--N，流入污水匯合區(qū)人工濕地；d、由所述的b步和c步處理后的污水經(jīng)污水匯合區(qū)人工濕地進(jìn)行反硝化作用，將污水中NO3--N轉(zhuǎn)化為N2而排放到大氣中，含碳有機(jī)物進(jìn)一步分解成二氧化碳和水。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的污水脫氮除污方法，其特征是污水總氮去除率為70％～80％，氨氮去除率為75～85％，總磷去除率為60％～70％，總懸浮固體TSS去除率為80～85％，污水CODCr去除率為85％～90％。
全文摘要
一種污水脫氮除污方法及其裝置，在表層泥土上種植木本或草本植物，引入流動污水形成人工濕地。一污水引入?yún)^(qū)，用于絮凝和過濾沉淀污水以及含碳、氮有機(jī)物的初步分解；一塔式瀑布區(qū)，用于含碳、氮有機(jī)物的進(jìn)一步好氧分解和氨氮的硝化作用，由二層以上的濕地堆疊成塔形，污水引入?yún)^(qū)的提升水管延伸至頂層塔中部；一污水匯合區(qū)，與塔式瀑布區(qū)下層連成一體，用于硝態(tài)氮的反硝化作用和剩余有機(jī)物的繼續(xù)分解以及排出脫氮除污后的出水。塔式瀑布污水脫氮除污處理裝置建成城鎮(zhèn)居民休閑式的景觀造型，作為環(huán)境教育的基地之一。既可改善農(nóng)村城鎮(zhèn)衛(wèi)生狀況，又可美化環(huán)境，減緩地表水緊張趨勢，節(jié)省土地資源和污水處理費用。
文檔編號C02F3/30GK1821125SQ20061004979
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者葉芬霞, 李穎, 劉新文 申請人:寧波工程學(xué)院