專利名稱：一種層疊式垂直流-水平潛流組合濕地處理生活污水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及污水處理相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種層疊式垂直流-水平潛流組合濕地處理生活污水的方法。
背景技術(shù)：
人工濕地是20世紀(jì)50年代后發(fā)展起來的一種污水處理技術(shù)，并在70年代后在全世界范圍內(nèi)進行了廣泛的研究。與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)相比，由于其具有對污染負荷變化適應(yīng)能力強、工程基建和運行成本低、對污染物能有效處理、運行和維護管理簡單、具有良好的景觀效果等諸多優(yōu)點，人工濕地污水處理技術(shù)在世界各地廣泛使用。特別是在90年代以后，研究者們?yōu)榱双@得更好的凈化效果以及對出水氮素更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各種復(fù)合人工濕地系統(tǒng)應(yīng)運而生，常見的復(fù)合濕地主要有垂直流-水平潛流復(fù)合濕地、水平潛流-垂直流復(fù)合濕地(設(shè)置回流)、垂直流-表面流復(fù)合濕地、復(fù)合垂直流濕地等。
在人工濕地污水處理系統(tǒng)中，供氧不足是影響凈化效果的限制性因子，特別是對氮素的去除。在常見的幾種復(fù)合人工濕地中，垂直流-水平潛流復(fù)合濕地不需設(shè)置回流且能充分利用垂直流濕地復(fù)氧能力強，對耗氧有機物去除效果好、硝化能力強以及水平潛流濕地反硝化能力強的特點，促進了微生物的硝化-反硝化脫氮，形成對氮素去除具有獨特優(yōu)勢的復(fù)合濕地系統(tǒng)。正因為其優(yōu)點，在眾多復(fù)合濕地類型中，垂直流-水平潛流復(fù)合濕地的應(yīng)用最為廣泛。
但是，傳統(tǒng)的垂直流-水平潛流復(fù)合濕地污水處理技術(shù)也存在缺點和不足之處， 主要表現(xiàn)在以下幾個方面①復(fù)氧能力仍然有限。人工濕地主要依靠自然復(fù)氧和濕地植物根際的氧化機制，氧化能力有限。垂直流濕地相比于水平潛流濕地具有更好的復(fù)氧效果，在污染負荷較低時能取得理想的凈化效果，但當(dāng)污染負荷較高時，這些氧量難以達到充分降解有機物并將氨氮轉(zhuǎn)化的目的，易造成出水有臭味、有機物和氨氮濃度偏高等問題。此外，垂直流濕地供氧量的不足，不能產(chǎn)生大量的硝酸鹽氮作為反硝化作用的底物，導(dǎo)致復(fù)合濕地系統(tǒng)中硝化-反硝化途徑不暢通，限制了總氮的去除。
②易堵塞。當(dāng)進水污染負荷較高時，容易造成濕地中污染物積累，致使填料滲透系數(shù)減少，污水流通不暢，導(dǎo)致在濕地表面形成積水層，阻礙了空氣中的氧氣進入基質(zhì)層，降低了好氧微生物的活性。
③反硝化碳源不足。反硝化細菌還原硝酸鹽必須有電子供體，即碳源的存在。通過垂直流濕地基質(zhì)浙濾、吸附，生物膜的降解作用去除了進水中大部分有機物，碳源不足成為限制水平潛流濕地反硝化脫氮的重要因素。
④占地面積較大。傳統(tǒng)的垂直流-水平潛流復(fù)合濕地所能承受的水力負荷和污染負荷較低，占地面積較大是該技術(shù)廣泛推廣應(yīng)用的主要限制性因子。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種投資費用低、占地面積小，復(fù)氧能力強、不易堵塞且對高濃度有機污染物、氮磷和新型微量有機污染物(如抗生素、內(nèi)分泌干擾素等)去除效果好的層疊式垂直流-水平潛流組合濕地處理生活污水的方法。
采用的技術(shù)方案如下一種層疊式垂直流-水平潛流組合濕地處理生活污水的方法，由層疊式垂直流濕地和水平潛流濕地兩部分構(gòu)成，按照層疊式垂直流濕地在前，水平潛流濕地在后的順序串聯(lián)起來形成緊湊的組合式人工濕地系統(tǒng)。所述層疊式垂直流濕地包括有多層填充不同粒徑基質(zhì)的濾床模塊，污水從層疊式垂直流濕地的頂部布灑下來，自上而下逐級進入各層濾床模塊進行處理，達到多級串聯(lián)式布水效果，保證了空氣在布水的間隙中進入濾料，使其與基質(zhì)充分接觸并不斷凈化；污水到達層疊式垂直流濕地的最底層后，通過設(shè)置在層疊式垂直流濕地底部的穿孔花墻進入后一級水平潛流濕地進一步凈化處理，最后從水平潛流濕地的上端出水。處理系統(tǒng)層疊在一起的構(gòu)筑形式節(jié)省了占地土地，改善了處理功能和創(chuàng)建了較好的景觀效果。
進一步的，所述的層疊式垂直流濕地由多個獨立的濾床模塊自上而下串聯(lián)構(gòu)成； 每個濾床模塊的高度為3(T60cm ；每兩個濾床模塊間留有間隔，間隔為l(T30cm，以強化模塊間的通風(fēng)效果，形成良好的自然曝氣復(fù)氧效果。此構(gòu)筑方法，可根據(jù)地形和污水的特點， 適當(dāng)增減濾床模塊，以及根據(jù)目標(biāo)污染物的特點有針對性地填充基質(zhì)。
更進一步的，所述濾床模塊分別填充高爐渣、陶粒和/或礫石作為基質(zhì)。通過基質(zhì)的高效浙濾、吸附、沉淀作用去除污染物；作為微生物生長附著的載體；為植物的生長提供介質(zhì)支持。
進一步的，所述水平潛流濕地為長方體床體結(jié)構(gòu)，水平潛流濕地的填充基質(zhì)為礫石，采用底部進水，上部出水的模式，并設(shè)有放空管道。
更進一步的，所述水平潛流濕地包括進水區(qū)和集水區(qū)，在進水區(qū)和集水區(qū)填充粒徑為4(T60mm的礫石；其他區(qū)域填充粒徑為5 20mm的礫石。進水和集水區(qū)域填充大粒徑基質(zhì)，使進水、出水流暢，不易發(fā)生短流和堵塞現(xiàn)象；小粒徑基質(zhì)比表面積大，吸附能力強，作為主處理層。
進一步的，所述層疊式垂直流濕地和水平潛流濕地種植美人蕉、香蒲和/或蘆竹。 通過植物的直接吸收作用去除一部分氮磷營養(yǎng)鹽；通過在植物根系形成好氧、兼性厭氧及厭氧的微環(huán)境，為不同種類微生物生長提供適宜生境，達到有機污染物和氮素去除的目的； 在污水處理過程中構(gòu)造良好的景觀效果。
進一步的，將一部分未經(jīng)過層疊式垂直流濕地處理的污水直接進入層疊式垂直流濕地的底部作為補充碳源，與經(jīng)過層疊式垂直流濕地處理后的水混合，使混合后的污水的碳氮比大于5 1，所述碳氮比(C:N)為有機物中碳的總含量與氮的總含量的比，作為補充碳源的污水與層疊式垂直流濕地的頂部表面進水的體積比為1 4至1 7。此方法用于解決由于垂直流濕地對有機物的去除所導(dǎo)致的水平潛流濕地反硝化脫氮碳源不足的問題。
本發(fā)明具有以下突出特點①節(jié)省占地面積。將垂直流濕地以濾床模塊的形式層疊構(gòu)建，并與水平流濕地有機組合，形成緊湊的處理系統(tǒng)，減少了占地面積，小于這幾種單項技術(shù)的平面結(jié)合，更小于某一種技術(shù)單獨使用時的占地面積，與傳統(tǒng)復(fù)合濕地相比節(jié)省近1/Γ1/2的占地面積。
②提高凈化效率。層疊式垂直流濕地濾床模塊間的通風(fēng)層，有效解決了濕地系統(tǒng)氧源不足的問題，使垂直流濕地形成良好的好氧環(huán)境，增強了好氧微生物活性，提高了對有機物和氨氮的處理效率，同時有利于后續(xù)水平潛流濕地對污染物的進一步去除。與傳統(tǒng)復(fù)合人工濕地技術(shù)相比，本發(fā)明對污染物的去除具有更明顯的優(yōu)勢。
③防止堵塞。本發(fā)明中垂直流濕地的構(gòu)建模式，使濾床模塊形成良好的空氣對流效果，增強了水力傳導(dǎo)能力。濕地所形成的良好好氧環(huán)境，使床體積累的懸浮顆粒物易被好氧微生物迅速降解，防止堵塞，延長濕地使用壽命。


圖1為層疊式垂直流-水平潛流組合濕地中層疊式垂直流濕地結(jié)構(gòu)圖； 圖2為層疊式垂直流-水平潛流組合濕地中水平潛流濕地結(jié)構(gòu)圖；圖3為層疊式垂直流-水平潛流組合濕地結(jié)構(gòu)圖。
圖中1-進水布水管；2- —級濾床模塊；3- 二級濾床模塊；4-三級濾床模塊； 5-碳源補充管；6-水生植物；7-自然通風(fēng)層；8-穿孔花墻連通孔；9-水平潛流濕地；10-出水口 ；11-放空管。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
本發(fā)明的層疊式垂直流-水平潛流組合濕地可選擇具有一定坡度的地形而建，適用于生活污水的二級處理、二級處理出水的深度處理以及富營養(yǎng)化水體的治理等。
本發(fā)明的層疊式垂直流-水平潛流組合濕地(圖3)由層疊式垂直流濕地(圖1)和水平潛流濕地(圖2)兩部分構(gòu)成，按照層疊式垂直流濕地在前，水平潛流濕地在后的順序串聯(lián)起來形成緊湊的組合式人工濕地系統(tǒng)。
污水經(jīng)過粗格柵和細格柵后(圖中未標(biāo)示)，通過水泵抽取進入層疊式垂直流濕地表面的布水管1均勻布水，依次自流進入多個濾床模塊2，3，4處理，后通過穿孔花墻連通孔 8進入水平潛流濕地9進一步凈化處理，最后從水平潛流濕地9上端的出水口 10出水。
層疊式垂直流濕地(圖1)由多個獨立的濾床模塊自上至下串聯(lián)構(gòu)成，每個垂直流模塊的高度為3(T60cm，填充基質(zhì)為高爐渣、陶粒、礫石等。此外，每兩個模塊間留有 l(T30cm的間隔，強化模塊間的通風(fēng)效果。根據(jù)地形和污水的特點，可適當(dāng)增減濾床模塊，以及根據(jù)目標(biāo)污染物的特點有針對性地填充基質(zhì)。
水平潛流濕地(圖2)為傳統(tǒng)的長方體床體結(jié)構(gòu)，高度為6(T80cm，基質(zhì)為礫石；采用底部進水，上部出水的模式，并設(shè)有放空管道；進水和集水區(qū)填充粒徑為4(T60mm的大粒徑礫石，其他區(qū)域填充粒徑為5 20mm的小粒徑礫石。
層疊式垂直流濕地和水平潛流濕地種植植物量較大、根系發(fā)達且景觀效果好的水生植物，如美人蕉、香蒲、蘆竹等。
進水管中安裝有球閥和流量計(圖中未標(biāo)示)，以控制污水流量。
污水碳源補充管5，一端跟進水管相連并安裝有球閥和流量計(圖中未標(biāo)示)，另一端直接伸到層疊式垂直流濕地最底部布水。
水平潛流濕地9的長寬比為2 4:1，面積為層疊式垂直流濕地(圖2)的2、倍。
本發(fā)明污水中有機物和氮素去除的方法是層疊式垂直流濕地床體基本處于好氧狀態(tài)，污水通過濾床時，濾料截留了污水中的懸浮物質(zhì)，使微生物很快繁殖起來，微生物又進一步吸附污水中溶解性和膠體有機物，逐漸增長并形成以好氧微生物為優(yōu)勢類群的生物膜，實現(xiàn)對污水中有機物的吸附氧化和氨氮的完全硝化；水平潛流濕地床體基本處于缺氧或厭氧狀態(tài)，形成以兼性厭氧微生物和厭氧微生物為優(yōu)勢類群的生物膜，污水中殘留的有機物被進一步降解，反硝化細菌則以進水中攜帶的有機物及補充的碳源進行反硝化脫氮，同時通過收割濕地植物去除一部分氮素。
本發(fā)明污水中磷素去除的方法是在層疊式垂直流濕地中，磷細菌等微生物的生物化學(xué)反應(yīng)及酶的催化作用將進水中的有機磷促水解無機化，轉(zhuǎn)化為易被基質(zhì)吸附和植物吸收的形式，同時好氧環(huán)境極有利于聚磷微生物生長，通過過量攝磷作用去除部分磷素；填充的基質(zhì)如高爐渣和陶粒等對磷素有很強的吸附能力，能去除污水中大部分的磷；在水平潛流濕地中，通過小粒徑礫石的吸附和沉淀作用，以及濕地植物的同化作用進一步去除磷ο
實施例1層疊式垂直流-水平潛流組合濕地構(gòu)建于東江邊某區(qū)域，用于生活污水的處理。污水通過粗格柵和細格柵后，經(jīng)水泵提升進入層疊式垂直流濕地，從頂部布灑下來，自上而下逐級進入三個濾床模塊處理，污水到達層疊式垂直流濕地最底層后，通過設(shè)置在層疊式垂直流濕地底部的穿孔花墻進入后一級水平潛流濕地進一步凈化處理，最后從水平潛流濕地的上端出水。層疊式垂直流-水平潛流組合濕地各組成部分的設(shè)計參數(shù)如下 設(shè)計處理量24m3/d。
層疊式垂直流濕地設(shè)計尺寸為％i>amX1.6m (長，寬，高)，由三個濾床模塊構(gòu)成。三個濾床模塊的設(shè)計尺寸分別為(長，寬，高)％i>amX0. 35m、^i>amX0. 35m和 4mX4mX0. 6m，其中第一個濾床模塊與第二個濾床模塊、第二個濾床模塊與第三個濾床模塊的間隔均為0. 15m ；層疊式垂直流濕地最底部的與水平潛流濕地連通的穿孔花墻尺寸為 IOcmX IOcm ；層疊式垂直流濕地三個濾床模塊填充的基質(zhì)厚度分別為30cm、30cm和55cm， 基質(zhì)分別為高爐渣、陶粒和礫石，每個濾床模塊基質(zhì)分三層，上層大粒徑、中層小粒徑、下層大粒徑；種植的植物為美人蕉。
水平潛流濕地設(shè)計尺寸為SmX^iXO. 6m(長，寬，高)。采用底部進水，上部出水的模式，并設(shè)有放空管道，其中進水口為層疊式垂直流底部的穿孔花墻，出水口為水平潛流濕地上部的穿孔花墻，尺寸均為IOcmXlOcm ；填充基質(zhì)為礫石，厚度為55cm，進水和集水區(qū)域填充大粒徑，其他區(qū)域填充小粒徑；種植的植物為蘆竹。
運行方式按0. 125m/d,0. 25m/d,0. 5m/d三種水力負荷運行。通過閥門和轉(zhuǎn)子流量計控制進水水量。
處理效果C0Dcr進水平均濃度19aiig/L，出水37mg/L，去除率為80. 7% ；NH4+_N進水平均濃度28. 5mg/L,出水4. 5mg/L，去除率為84. 2% ；TN進水平均濃度35. 2mg/L,出水 11. 7mg/L，去除率為66. 8% ；TP進水平均濃度3. 2mg/L,出水0. 6mg/L，去除率為81. 3% ；壬基酚進水平均濃度為1700ng/L，出水351ng/L，去除率為79. 3% ；雙酚A進水平均濃度為 1200ng/L,出水為230ng/L，去除率為80. 8% ；羅紅霉素進水濃度為1700ng/L，出水為431ng/L，去除率為74. 6%。
權(quán)利要求
1.一種層疊式垂直流-水平潛流組合濕地處理生活污水的方法，由層疊式垂直流濕地和水平潛流濕地兩部分構(gòu)成，按照層疊式垂直流濕地在前，水平潛流濕地在后的順序串聯(lián)起來形成緊湊的組合式人工濕地系統(tǒng)，其特征在于，所述層疊式垂直流濕地包括有多層填充不同粒徑基質(zhì)的濾床模塊，生活污水從層疊式垂直流濕地的頂部布灑下來，自上而下逐級進入各層濾床模塊進行處理，污水到達層疊式垂直流濕地的最底層后，通過設(shè)置在層疊式垂直流濕地底部的穿孔花墻進入后一級水平潛流濕地進一步凈化處理，最后從水平潛流濕地的上端出水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的層疊式垂直流濕地由多個獨立的濾床模塊自上而下串聯(lián)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，每個濾床模塊的高度為3(T60cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，每兩個濾床模塊間留有間隔，間隔為 10 30cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述濾床模塊分別填充高爐渣、陶粒和/ 或礫石作為基質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述水平潛流濕地為長方體床體結(jié)構(gòu)，水平潛流濕地的填充基質(zhì)為礫石，采用底部進水，上部出水的模式，并設(shè)有放空管道。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述層疊式垂直流濕地和水平潛流濕地種植美人蕉、香蒲和/或蘆竹。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將一部分未經(jīng)過層疊式垂直流濕地處理的污水直接進入層疊式垂直流濕地的底部作為補充碳源，與經(jīng)過層疊式垂直流濕地處理后的水混合，使混合后的污水的碳氮比大于5 1，作為補充碳源的污水與垂直流濕地的頂部表面進水的體積比為1 4至1 7。
全文摘要
本發(fā)明涉及污水處理相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種層疊式垂直流-水平潛流組合濕地處理生活污水的方法，由層疊式垂直流濕地和水平潛流濕地兩部分構(gòu)成，按照層疊式垂直流濕地在前，水平潛流濕地在后的順序串聯(lián)起來形成緊湊的組合式人工濕地系統(tǒng)。所述層疊式垂直流濕地包括有多層填充不同粒徑基質(zhì)的濾床模塊，污水從層疊式垂直流濕地的頂部布灑下來，自上而下逐級進入各層濾床模塊進行處理，污水到達層疊式垂直流濕地的最底層后，通過設(shè)置在層疊式垂直流濕地底部的穿孔花墻進入后一級水平潛流濕地進一步凈化處理，最后從水平潛流濕地的上端出水。本發(fā)明強化了通風(fēng)復(fù)氧效果，提高了組合濕地污染物處理能力，同時減少了占地面積，并能有效防止堵塞。
文檔編號C02F3/32GK102531187SQ20121001562
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者喬永民, 劉振乾, 楊揚, 陳純興, 陶然 申請人:暨南大學(xué)