專利名稱：一種組合填料人工濕地及其處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以鐵炭、礫石和錳砂為組合填料的人工 濕地深度處理鋼鐵企業(yè)外排焦化廢水工藝。
背景技術(shù)：
焦化廢水的水資源量巨大，水質(zhì)成分復(fù)雜，除含有大量的酚類、多環(huán)芳烴(PAHs)、 雜環(huán)化合物等有機(jī)物外，還含有氰、無機(jī)氟離子和氨氮等有毒有害污染物，外排焦化廢水會 對環(huán)境與人體健康構(gòu)成嚴(yán)重的危害。目前國內(nèi)外對焦化廢水回用深度處理技術(shù)研究比較 熱，但多集中于采用一些物化處理技術(shù)，包括混凝沉淀、吸附、高級氧化和膜分離技術(shù)等。由 于處理成本較高、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、容易造成二次污染，很難被廣泛使用。人工濕地技術(shù)已廣泛應(yīng)用于處理生活污水、城市市政污水、景觀水體、農(nóng)業(yè)點源污 染和面源污染以及水體富營養(yǎng)化問題的治理。隨著技術(shù)的不斷成熟、完善，美國、加拿大等 國在近年來開始將研究和應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)向石油化工等特殊行業(yè)的工業(yè)廢水。通過濕地結(jié)構(gòu)設(shè) 計、填料、植物的選配、運(yùn)行工況調(diào)節(jié)，可使出水達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002) I類至IV類標(biāo)準(zhǔn)，處理后水可用作景觀用水和農(nóng)田灌溉用水，也可用于城市雜用水回用和 工業(yè)水回用。與傳統(tǒng)處理工藝相比，人工濕地的建造費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用都較低，因此也受到 了廣大工業(yè)企業(yè)的青睞。若能夠通過有效處理手段將外排焦化廢水進(jìn)行資源化利用，既能 改善和解決焦化廢水對環(huán)境的污染問題，也能有效的降低鋼鐵企業(yè)的廢水排放量與新水耗 量，減少對水環(huán)境的污染物排放量具有十分重要的意義。盡管人工濕地技術(shù)已經(jīng)開始被應(yīng) 用于工業(yè)廢水的治理，但在外排焦化廢水回用處理中的應(yīng)用還鮮有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種利用鐵炭、錳砂及礫石為組合填料的水平潛流人工濕地 對外排焦化廢水進(jìn)行生態(tài)深度處理，使達(dá)標(biāo)排放(《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB8978-1996》)的 焦化廢水經(jīng)過本發(fā)明處理后大部分指標(biāo)達(dá)到《城市污水再生利用——工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923-2005)再生水用作冷卻用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，處理出水可回用于鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種組合填料人工濕地，其特征是，依次包括進(jìn)水區(qū)、濕地處理單元區(qū)、出水區(qū)；其 中，濕地處理單元區(qū)依次包括礫石填料段、鐵炭填料段、錳砂填料段；濕地表面設(shè)覆土層及 濕地植物。所述的鐵炭填料段布置在濕地前1/2段中，錳砂填料段布置在濕地后1/3段中，所 述的礫石填料段按照粒徑由大到小級自濕地前到后布置配分。所述的礫石填料段按照粒徑由大到小級配分三區(qū)段布置，分別布置在濕地前1/3 段、中間1/3段、后1/3段。所述的礫石粒徑為5 30mm ；錳砂粒徑8 16mm。所述的鐵炭填料包括鐵刨花、活性炭及礫石。
所述的鐵炭填料中鐵刨花、活性炭及礫石三者的體積比為(1 3) (1 3) 1。所述濕地植物包括香蒲、水蔥、再力花、蘆葦。所述濕地植物中香蒲、水蔥、再力花、蘆葦?shù)姆N植數(shù)量比例為(1 3) 1 (1 3) (1 2)。所述濕地的結(jié)構(gòu)自下而上還依次包括碎石砂墊層、防滲層、組合填料層、原土覆土層。所述濕地的進(jìn)水區(qū)結(jié)構(gòu)包括進(jìn)水管、進(jìn)水槽、進(jìn)水花墻、卵石整流區(qū)；出水區(qū)包括 卵石整流區(qū)、出水集水槽、可調(diào)出水液位的出水管、濕地出水管。所述濕地長寬比為(5 10) 1，原土覆土層100 150mm，水平潛流水頭標(biāo)高位 于潛流濕地表面下100 150mm。一種組合填料人工濕地處理工藝，其步驟如下1)建立水平潛流人工濕地，依次分為進(jìn)水區(qū)、濕地處理主體單元區(qū)、出水區(qū)；水流 通過配水花墻水平進(jìn)入到濕地處理單元區(qū)，再通過穿孔出水管流入到出水區(qū)；濕地處理單元區(qū)二級生化處理后達(dá)標(biāo)排放的焦化廢水，通過配水系統(tǒng)水平潛流 進(jìn)入由不同粒徑礫石填料段、鐵炭填料段、錳砂填料段組成的組合合填料人工濕地；其中， 礫石粒徑5 30mm ；鐵炭填料段包括鐵刨花、活性炭及礫石；錳砂粒徑8 16mm ；2)人工濕地上種植生物量大、耐鹽堿、金屬及有機(jī)物吸附能力強(qiáng)為主的濕地挺水 植物； 3)廢水在人工濕地內(nèi)停留3 5天，利用濕地內(nèi)的填料、植物和微生物之間的相互 作用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物降解等過程，降低水體中的有機(jī) 物、氮、磷等營養(yǎng)元素的含量，并同時去除Fe、Mn、CdJb等金屬離子，處理出水用于回用。本發(fā)明組合填料人工濕地處理工藝，用以鋼鐵企業(yè)外排焦化廢水的深度處理。建立水平潛流人工濕地，分為進(jìn)水區(qū)、濕地處理主體單元區(qū)、出水區(qū)。水流通過配 水花墻水平進(jìn)入到濕地處理單元區(qū)，再通過穿孔出水管流入到出水區(qū)。人工濕地長寬比為 5 1 10 1，處理單元結(jié)構(gòu)自下而上，依次為碎石砂墊層(厚度50 150mm)、防滲層(防 滲膜)、鐵炭及礫石和錳砂組合填料層(厚度為550 600mm)、原土覆土層(厚度為100 150mm)。水平潛流水頭標(biāo)高位于濕地表面下100 150mm。濕地表面標(biāo)高略高于周圍地面 標(biāo)高，防止雨期濕地內(nèi)積水漫流。人工濕地廊道的起端和末端都用規(guī)格為50 IOOmm的卵 石段進(jìn)行布水和集水，保證潛流濕地進(jìn)水均勻和集水充分。本發(fā)明中，人工濕地的選用鐵刨花與活性炭、錳砂和不同粒徑的礫石來構(gòu)建濕地 基質(zhì)床。礫石是人工濕地技術(shù)中應(yīng)用比較成熟的濕地填料，在氮、磷等營養(yǎng)元素的去除方面 效果較好。錳砂對水體中的 ^、Μη離子去除效果較好，能將水體中濃度在lmg/L以上的狗、 Mn離子濃度分別降至0. 3mg/L和0. 2mg/L以下。另外，鐵刨花與活性炭組成的鐵炭填料它 不但能夠去除廢水中部分難降解有機(jī)物，而且可以改變部分有機(jī)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，提高廢水 的可生化性。三種填料組合對焦化廢水中常見的特征污染物有較好去除效果。本發(fā)明中，在組合填料空間布置上，采用填料粒徑級配，濕地廊道沿程分別用 20 30mm礫石、鐵炭、10 20mm礫石、5 15mm礫石、8 16mm錳砂填充，能夠防止污堵， 減少水頭損失。同時還可以增加填料間隙充氧，為植物根系和微生物提供更好的生長環(huán)境。本發(fā)明中，通過花盆植物優(yōu)選試驗，優(yōu)選出適合外排焦化廢水的四種水生挺水植物水蔥、香蒲、蘆葦、再力花。水蔥根系長，生長繁殖快，生物量大；香蒲生物量較大，在去除 N、P有機(jī)污染物的同時，能吸收Mn、CU、Co、Ni及氯化烴等難降解有機(jī)物，根部能分泌天然抗 生物質(zhì)，降低污水中的細(xì)菌濃度，去除病原體；蘆葦根系發(fā)達(dá)，生長適應(yīng)、水質(zhì)凈化能力強(qiáng)； 再力花生長旺盛而穩(wěn)定，全年均可開花，氮、磷的去除效果好，抗病蟲害能力強(qiáng)；以上四種植 物分區(qū)依次布置在濕地單元中，能在增加濕地系統(tǒng)處理能力的同時給濕地帶來優(yōu)美的景觀 效應(yīng)。本發(fā)明中，在運(yùn)行上，收集鋼鐵企業(yè)外排焦化廢水，經(jīng)過簡單沉淀后，通過配水系 統(tǒng)使焦化廢水水平潛流進(jìn)入人工濕地。通過配水閥門控制進(jìn)水流量，通過穿孔出水管調(diào)節(jié) 濕地有效水深。焦化廢水在潛流人工濕地內(nèi)停留3 5天，利用濕地內(nèi)的填料、植物和微生 物之間的相互作用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物降解等過程，降低 水體中的有機(jī)物、氮、磷等營養(yǎng)元素的含量，同時去除Fe、Mn、Cd、Pb等金屬離子，并能有效 降去除大部分有毒、難降解有機(jī)物。總結(jié)起來，本發(fā)明有以下優(yōu)點及創(chuàng)新成果(1)采用人工濕度生態(tài)深度處理焦化廢水突破了傳統(tǒng)只靠物化和生物技術(shù)深度處 理焦化廢水，因此也解決了處理成本較高、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、容易造成二次污染，很難被廣泛 使用等一系列問題；(2)在填料方面，成功將鐵炭原理引入到人工濕地領(lǐng)域，創(chuàng)新性的將鐵炭作為填料 使用，有效提高了對焦化廢水中含有多種類毒性大、難降解有機(jī)物的降解效果；(3)采用組合填料人工濕地對外排焦化廢水進(jìn)行深度處理，既考慮到了濕地建設(shè) 成本又充分發(fā)揮了各填料的性能，鐵炭填料強(qiáng)化了對有機(jī)物的去除效果，錳砂填料強(qiáng)化了 對廢水中鐵、錳等重金屬的去除效果，礫石作為傳統(tǒng)填料也保證了其他污染物的去除效果， 因此組合填料的使用能更適應(yīng)并降解焦化廢水中各種組分污染物；(4)本發(fā)明處理水為目前較難處理的焦化工業(yè)廢水，其水質(zhì)復(fù)雜，除含有大量的酚 類、多環(huán)芳烴(PAHs)、雜環(huán)化合物等有機(jī)物外，還含有氰、無機(jī)氟離子和氨氮等有毒有害污 染物。通過組合填料人工濕地處理后，可大大降低處理水毒性，提高焦化廢水的生態(tài)友好 性；(5)此外，工藝具有處理效果好、效率高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、投資費(fèi)用 低等優(yōu)點。指標(biāo)達(dá)到《城市污水再生利用——工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923-2005)再生水用 作冷卻用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，COD在60mg/L以下，滿足鋼鐵工業(yè)用水要求。可以將處理水質(zhì)直 接回用于企業(yè)生產(chǎn)，突破了傳統(tǒng)上只能將焦化廢水外排的概念，既節(jié)約了水資源，又降低了 企業(yè)生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)和生態(tài)雙贏的目的。


圖1為本發(fā)明組合填料人工濕地的示意圖；圖2為本發(fā)明人工濕地對COD處理效果示意圖；圖3為本發(fā)明人工濕地對TOC處理效果示意圖；圖4為本發(fā)明人工濕地對TP處理效果示意圖；圖5為本發(fā)明人工濕地對IFe處理效果示意圖；圖6為本發(fā)明人工濕地對Mn處理效果示意圖7為本發(fā)明人工濕地生態(tài)毒性削減效果示意圖；圖1中標(biāo)號1為進(jìn)水管；2為進(jìn)水槽；3為進(jìn)水花墻；4為卵石整流區(qū)；5為鐵炭填料段；6礫石 填料段；7為錳砂填料段；8為底部礫石砂墊層；9為防滲層；10為原土覆土層；11為濕地植 物；12為出水卵石整流區(qū)；13為出水集水槽；14為可調(diào)出水液位的出水管；15為濕地出水管。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明組合填料人工濕地，依次包括進(jìn)水區(qū)A、濕地處理單元區(qū)B、出 水區(qū)C;其中，所述濕地的進(jìn)水區(qū)A，其結(jié)構(gòu)包括進(jìn)水管1、進(jìn)水槽2、進(jìn)水花墻3、卵石整流 區(qū)4;濕地處理單元區(qū)B，依次包括鐵炭填料段5、礫石填料段6、錳砂填料段7 ；該濕地的 結(jié)構(gòu)自下而上還依次包括底部礫石砂墊層8、防滲層9、組合填料層(鐵炭填料5、礫石填料 6、錳砂填料7)、原土覆土層10、濕地植物11。出水區(qū)C，其結(jié)構(gòu)包括卵石整流區(qū)12、出水集水槽13、可調(diào)出水液位的出水管14、 濕地出水管15。所述的鐵炭填料段布置在濕地前1/2段中，錳砂填料段布置在濕地后1/3段中，所 述的礫石填料段按照粒徑由大到小級自濕地前到后布置配分。所述的礫石填料段按照粒徑由大到小級配分三區(qū)段布置，分別布置在濕地前1/3 段、中間1/3段、后1/3段。所述的礫石粒徑為5 30mm ；錳砂粒徑8 16mm。所述的鐵炭填料包括鐵刨花、活性炭及礫石。所述的鐵炭填料中鐵刨花、活性炭及 礫石三者的體積比為(1 3) (1 3) 1。所述濕地植物包括香蒲、風(fēng)車草、再力花、或蘆葦。所述濕地植物中香蒲、風(fēng)車草、 再力花、蘆葦?shù)姆N植數(shù)量比例為(1 3) 1 (1 3) (1 2)。所述濕地長寬比為(5 10) 1，原土覆土層100 150mm，水平潛流水頭標(biāo)高位 于潛流濕地表面下100 150mm。構(gòu)造水平潛流濕地尺寸為15X2. 3m，有效面積31. 3m2，高度1. 0米，坡度為5%。。為 防止?jié)B漏，濕地底部鋪設(shè)防滲膜，濕地填料層厚度60cm，填料層上覆土 15cm。濕地運(yùn)行中， 由帶有三角計量堰的配水槽對濕地進(jìn)行配水和計量，流量由進(jìn)水閥門控制。配水槽出水經(jīng) 過廊道前端的花墻后水平潛流進(jìn)入濕地?；▔笤O(shè)置200mm長的卵石(規(guī)格為50 100mm) 布水區(qū)。濕地進(jìn)水經(jīng)過均勻布水后通過由20 30mm礫石、鐵炭填料、10 20mm礫石、5 15mm礫石和8 16mm錳砂組成的組合填料區(qū)，不同粒徑的礫石填料按一定比例進(jìn)行配比， 鐵炭填料段長0. 5m，位于20 30mm礫石段的中部。不同粒徑礫石、礫石與錳砂、礫石與鐵 炭區(qū)間都設(shè)置200mm長的卵石(規(guī)格為50 100mm)布水區(qū)以再次進(jìn)行均勻布水，防止短 流發(fā)生。濕地尾端設(shè)置200mm長的卵石(規(guī)格為50 100mm)集水區(qū)，集水區(qū)內(nèi)布置底部 打孔的集水管進(jìn)行收水，集水管連通可調(diào)節(jié)出水液位高度的出水管，最終經(jīng)過人工濕地處 理后的出水由出水管溢流至出水井，出水井進(jìn)行蓄水后由濕地出水管輸入至回用單位或排放至圍廠河。濕地植物采用水蔥、香蒲、蘆葦、再力花四種挺水植物，種植采用分區(qū)分片種植。香 蒲、風(fēng)車草、再力花、蘆葦種植比例為1 1 1 1。濕地運(yùn)行采用24h連續(xù)進(jìn)水方式，進(jìn)水為鋼鐵企業(yè)外排焦化廢水。在啟動運(yùn)行期， 取水力停留時間5天。在運(yùn)行過程中，根據(jù)出水水質(zhì)情況逐步增加水力負(fù)荷，最終能使該人 工濕地的水力停留時間達(dá)到3天。經(jīng)過連續(xù)4個多月的運(yùn)行結(jié)果表明，這種以鐵炭、礫石和 錳砂為組合填料的人工濕地對外排焦化廢水具有良好的適應(yīng)性，對COD、TP、Fe等都有穩(wěn)定 而較好的去除效果，具體處理效果見圖2、圖3、圖4、圖5和圖6。在4個多月的穩(wěn)定運(yùn)行期 間，進(jìn)水中 COD、TOC、TFe、Mn、TP 濃度分別為:34 150mg/L、15 50mg/L、0. 3 6. 5mg/ L、0. 13 1. 50mg/L、0. 3 6. 42mg/L,處理后各污染物濃度分別降低為20 59mg/L、2 25mg/L、0 0. 3mg/L,0 0. 17mg/L、0 0. 17mg/L,主要指標(biāo)滿足《城市污水再生利用—— 工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923-2005)再生水用作冷卻用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可用于鋼鐵企業(yè)作為 循環(huán)冷卻水回用。同時，濕地對處理水發(fā)光細(xì)菌毒性削減明顯，進(jìn)水發(fā)光率在0 57%范圍內(nèi)波動， 出水發(fā)光細(xì)菌發(fā)光率值能夠穩(wěn)定70%以上，表明這種以鐵炭、礫石和錳砂為組合填料的人 工濕地對毒性物質(zhì)有很強(qiáng)的去除效果。具體見圖7。
權(quán)利要求
1.一種組合填料人工濕地，其特征是，依次包括進(jìn)水區(qū)、濕地處理單元區(qū)、出水區(qū)；其 中，濕地處理單元區(qū)依次包括礫石填料段、鐵炭填料段、錳砂填料段；濕地表面設(shè)覆土層及 濕地植物。
2.如權(quán)利要求1所述的組合填料人工濕地，其特征在于，所述的鐵炭填料段布置在濕 地前1/2段中，錳砂填料段布置在濕地后1/3段中，所述的礫石填料段按照粒徑由大到小級 自濕地前到后布置配分。
3.如權(quán)利要求1所述的組合填料人工濕地，其特征在于，所述的礫石填料段按照粒徑 由大到小級配分三區(qū)段布置，分別布置在濕地前1/3段、中間1/3段、后1/3段。
4.如權(quán)利要求1或3所述的組合填料人工濕地，其特征在于，所述的礫石粒徑為5 30mm ；猛砂粒徑8 16mm。
5.如權(quán)利要求1所述的組合填料人工濕地，其特征在于，所述的鐵炭填料包括鐵刨花、 活性炭及礫石。
6.如權(quán)利要求5所述的組合填料人工濕地，其特征在于，所述的鐵炭填料中鐵刨花、活 性炭及礫石三者的體積比為(1 3) (1 3) 1。
7.如權(quán)利要求1所述的組合填料人工濕地，其特征在于，所述濕地植物包括香蒲、水 蔥、再力花、蘆葦。
8.如權(quán)利要求7所述的組合填料人工濕地，其特征在于，所述濕地植物中香蒲、水蔥、 再力花、蘆葦?shù)姆N植數(shù)量比例為(1 3) 1 (1 3) (1 2)。
9.如權(quán)利要求1所述的組合填料人工濕地，其特征在于，所述濕地的結(jié)構(gòu)自下而上還 依次包括碎石砂墊層、防滲層、組合填料層、原土覆土層。
10.如權(quán)利要求1所述的組合填料人工濕地，其特征在于，所述濕地的進(jìn)水區(qū)結(jié)構(gòu)包括 進(jìn)水管、進(jìn)水槽、進(jìn)水花墻、卵石整流區(qū)；出水區(qū)包括卵石整流區(qū)、出水集水槽、可調(diào)出水液 位的出水管、濕地出水管。
11.如權(quán)利要求1所述的組合填料人工濕地，其特征在于，所述濕地長寬比為(5 10) 1，原土覆土層100 150mm，水平潛流水頭標(biāo)高位于潛流濕地表面下100 150mm。
12.—種用權(quán)利要求1所述的組合填料人工濕地處理工藝，其步驟如下1)建立水平潛流人工濕地，依次分為進(jìn)水區(qū)、濕地處理主體單元區(qū)、出水區(qū)；水流通過 配水花墻水平進(jìn)入到濕地處理單元區(qū)，再通過穿孔出水管流入到出水區(qū)；濕地處理單元區(qū)二級生化處理后達(dá)標(biāo)排放的焦化廢水，通過配水系統(tǒng)水平潛流進(jìn)入 由不同粒徑礫石填料段、鐵炭填料段、錳砂填料段組成的組合填料人工濕地；其中，礫石粒 徑5 30mm ；鐵炭填料段包括鐵刨花、活性炭及礫石；錳砂粒徑8 16mm ；2)人工濕地上種植生物量大、耐鹽堿、金屬及有機(jī)物吸附能力強(qiáng)為主的濕地挺水植物；3)廢水在人工濕地內(nèi)停留3 5天，利用濕地內(nèi)的填料、植物和微生物之間的相互作 用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物降解等過程，降低水體中的有機(jī)物、 氮、磷等營養(yǎng)元素的含量，并同時去除Fe、Mn、Cd、Pb等金屬離子，處理出水用于回用。
13.如權(quán)利要求12所述的組合填料人工濕地處理工藝，用以鋼鐵企業(yè)外排焦化廢水的 深度處理。
全文摘要
一種組合填料人工濕地，其依次包括進(jìn)水區(qū)、濕地處理單元區(qū)、出水區(qū)；其中，濕地處理單元區(qū)依次包括礫石填料段、鐵炭填料段、錳砂填料段；濕地表面設(shè)覆土層及濕地植物。本發(fā)明以鐵炭、錳砂和礫石為組合填料，以香蒲、水蔥、再力花、蘆葦?shù)壬锪看?、耐鹽堿、金屬和有機(jī)物吸附能力強(qiáng)的挺水植物為復(fù)合植物床的水平潛流人工濕地，工業(yè)廢水進(jìn)入到該人工濕地，通過填料、植物、微生物之間一系列物理、化學(xué)和生物之間的相互作用去除污染物。本發(fā)明工藝抗污染物沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、處理效果好，出水穩(wěn)定，主要指標(biāo)達(dá)到《城市污水再生利用——工業(yè)用水水質(zhì)》(GB/T 19923-2005)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可用于鋼鐵企業(yè)作為循環(huán)冷卻水回用。
文檔編號C02F3/32GK102079579SQ20091019939
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者張宜莓, 徐立, 徐竟成, 朱榮健, 謝良林, 黃翔峰 申請人:同濟(jì)大學(xué), 寶山鋼鐵股份有限公司