垂直流-水平流復(fù)合人工濕地高效脫氮系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種垂直流-水平流復(fù)合人工濕地高效脫氮系統(tǒng)，所述系統(tǒng)由垂直流人工濕地和水平流人工濕地構(gòu)成，其中：所述垂直流人工濕地從上到下依次為：粗砂層、沸石基質(zhì)層、第一礫石基質(zhì)層、第二礫石基質(zhì)層，垂直流人工濕地種植植物選用蘆葦；第二礫石基質(zhì)層底部設(shè)有穿孔管；水平流人工濕地從左向右依次為：第二礫石基質(zhì)層、第一礫石基質(zhì)層、香蒲生物質(zhì)區(qū)、第一礫石基質(zhì)層和第二礫石基質(zhì)層，水平流人工濕地一側(cè)頂部設(shè)有進水口，另一側(cè)底部設(shè)有出水口；水平流人工濕地種植植物選用蘆葦行；本實用新型不僅提高了復(fù)合人工濕地的脫氮效能，實現(xiàn)了系統(tǒng)全年高效脫氮穩(wěn)定運行的目標，而且促進了水生植物生物質(zhì)的資源化利用，具有很強的環(huán)境效益。
【專利說明】垂直流-水平流復(fù)合人工濕地高效脫氮系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種垂直流-水平流復(fù)合人工濕地高效脫氮系統(tǒng)，應(yīng)用于生活污水高效脫氮處理。屬于環(huán)境保護【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]人工濕地(constructed wetland)是一種由人工建造和調(diào)控的濕地系統(tǒng),通過其生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物作用的優(yōu)化組合來進行污水處理。人工濕地一般由人工基質(zhì)和生長在其上的水生植物(如蘆葦、香蒲等)組成，形成基質(zhì)-植物-微生物生態(tài)系統(tǒng)。當污水通過該系統(tǒng)時，污染物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)被系統(tǒng)吸收、轉(zhuǎn)化或分解，從而使水體得到凈化。
[0003]按照水流方式的差異，人工濕地可分為表面流人工濕地、水平流人工濕地、垂直流人工濕地。相比于水平流和垂直流人工濕地，表面流人工濕地雖有投資省、建設(shè)簡單、運行費用低、操作簡便等優(yōu)點，但也存在占地面積大、水力負荷低、去污能力不足等缺點，且表面流人工濕地的運行受自然氣候條件影響較大，冬季運行效果差，夏季易滋生蚊蠅，產(chǎn)生臭味而影響濕地周圍的環(huán)境。而垂直流和水平流人工濕地由于占地面積少、處理效果好、衛(wèi)生條件好等優(yōu)點受到越來越多的關(guān)注。
[0004]通過基質(zhì)和植物的合適選擇和搭配，人工濕地對總懸浮固體、有機物、細菌和磷的去除效率較高且穩(wěn)定，而脫氮效率卻較低，目前人工濕地脫氮效率普遍在50%飛5%之間。人工濕地脫氮過程包括了氨的揮發(fā)、植物吸收、介質(zhì)沉淀吸附以及微生物硝化/反硝化作用，其中微生物的硝化/反硝化作用，被認為是人工濕地脫氮的最主要的形式。因此濕地硝化/反硝化狀況基本決定著濕地脫氮能力。一般而言，人工濕地中以缺氧、厭氧環(huán)境為主，尤其在水平潛流濕地中，這不利于有機物的降解、硝化作用以及基質(zhì)對磷的吸收，硝化是脫氮的限制步驟。與水平潛流濕地相比，垂直流濕地具有較高的氧傳遞能力，系統(tǒng)的硝化能力有了很大的提高，而反硝化能力不足，從而影響了系統(tǒng)的脫氮的效能，為此，垂直流-水平流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)被提出，系統(tǒng)綜合了水平流與垂直流人工濕地的優(yōu)點，彌補了兩者的缺點，在垂直流人工濕地完成氨氮的硝化，水平流人工濕地完成反硝化，明顯提高了系統(tǒng)的脫氮效果。復(fù)合人工濕地成為國內(nèi)外研究的熱點，并已在一些國家和地區(qū)付諸應(yīng)用。
[0005]但是，在現(xiàn)有垂直流-水平流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)的設(shè)計和運行中，發(fā)現(xiàn)仍存在如下缺陷:(I)在垂直流人工濕地，由于承擔硝化作用的硝化細菌對溫度變化敏感，當溫度降低時，其硝化速率受到很大抑制，從而影響了整個濕地系統(tǒng)的脫氮能力，普遍存在溫暖季節(jié)硝化效果理想，而寒冷季節(jié)出水NH/-N和TN經(jīng)常不達標等問題；(2)污水中大部分易降解有機物在垂直流人工濕地被降解，導(dǎo)致水平流人工濕地進水有機物含量低，且多為長鏈、大分子、難生物降解的有機碳源，這不僅延長了水平流人工濕地的發(fā)育成熟期，還因碳源不足且碳源品質(zhì)低削弱了水平流人工濕地的反硝化能力，導(dǎo)致系統(tǒng)出水NO3 — -N和TN偏高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實用新型為了解決上述問題而提供一種垂直流-水平流復(fù)合人工濕地高效脫氮系統(tǒng)。
[0007]本實用新型為解決這一問題所采取的技術(shù)方案是:
[0008]一種垂直流-水平流復(fù)合人工濕地高效脫氮系統(tǒng)，通過在垂直流人工濕地填充一定量沸石基質(zhì)，在水平流人工濕地投加一定量水生植物生物質(zhì)，構(gòu)建氨氮離子交換-生物再生強化硝化/反硝化復(fù)合人工濕地系統(tǒng)，暖季和寒季，實現(xiàn)微生物與沸石基質(zhì)協(xié)同高效脫氮。
[0009]本實用新型提出的垂直流-水平流復(fù)合人工濕地高效脫氮系統(tǒng)，所述系統(tǒng)由垂直流人工濕地和水平流人工濕地構(gòu)成，其中:
[0010]所述垂直流人工濕地從上到下依次為:粗砂層、沸石基質(zhì)層、第一礫石基質(zhì)層、第二礫石基質(zhì)層，垂直流人工濕地種植植物選用蘆葦；第二礫石基質(zhì)層底部設(shè)有穿孔管；
[0011 ] 水平流人工濕地從左向右依次為:第二礫石基質(zhì)層、第一礫石基質(zhì)層、香蒲生物質(zhì)區(qū)、第一礫石基質(zhì)層和第二礫石基質(zhì)層，水平流人工濕地一側(cè)頂部設(shè)有進水口，另一側(cè)底部設(shè)有出水口 ；水平流人工濕地種植植物選用蘆葦；
[0012]垂直流人工濕地通過穿孔管連接水平流人工濕地頂部的進水口。
[0013]本實用新型中，所述垂直流人工濕地中，所述粗砂層的粗砂粒徑為3?5 mm，厚度為10 Cm ;沸石基質(zhì)層的沸石粒徑為10?15 mm,厚度為40 cm ;第一碌石層的碌石粒徑為15?20mm，厚度為20 cm;第二礫石層的礫石粒徑為30?50 mm，厚度為10 cm ;蘆葦?shù)脑苑N密度為16株 /m2。
[0014]本實用新型中，所述水平流人工濕地中，第一礫石層的礫石粒徑為15?20 _，厚度為50 cm ;第二碌石層的碌石粒徑為3(T50 mm,厚度為50 cm ;香蒲生物質(zhì)區(qū)的基質(zhì)粒徑為10?15 mm，厚度為50 cm ;蘆葦?shù)脑苑N密度為16株/m2。
[0015]本實用新型的工藝流程如下:
[0016]將經(jīng)過初沉池預(yù)處理過的生活污水通過泵提升后，布入垂直流人工濕地，經(jīng)垂直流人工濕地凈化后，自流進入水平流人工濕地，經(jīng)水平流人工濕地凈化后流出系統(tǒng)。
[0017]本實用新型的有益效果在于:
[0018](I)由于本實用新型在垂直流人工濕地填充一定量沸石基質(zhì)，寒冷季節(jié)時，強化了基質(zhì)吸附脫氮的作用，而在溫暖季節(jié)時，利用系統(tǒng)生物脫氮的潛力，使寒冷季節(jié)基質(zhì)吸附的NH；-N在復(fù)合人工濕地系統(tǒng)通過生物作用被重新去除，實現(xiàn)基質(zhì)的生物再生循環(huán)。
[0019](2)由于本實用新型在水平流人工濕地投加一定量水生植物生物質(zhì)，利用其發(fā)酵釋放的易利用小分子有機物為反硝化提供所需碳源，解決了水平流人工濕地反硝化碳源不足問題，強化了系統(tǒng)的反硝化效能。
[0020](3)本實用新型實現(xiàn)了水生植物生物質(zhì)的資源化，可廣泛適用于生活污水高效脫氮處理工藝，減輕了環(huán)境污染，具有很強的環(huán)境效益。
[0021]【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)圖示；
[0023]圖中標號:A為垂直流人工濕地，B為水平流人工濕地；1為粗砂層，2為沸石基質(zhì)層，3為第一礫石基質(zhì)層，4為第二礫石基質(zhì)層，5為香蒲生物質(zhì)區(qū)。
【具體實施方式】[0024]下面通過實施例結(jié)合附圖進一步說明本實用新型。
[0025]實施例1:未填充沸石基質(zhì)和未投加水生植物生物質(zhì)的對比例
[0026]如圖1所示，實施時將經(jīng)過初沉池預(yù)處理過的生活污水通過泵提升后，通過3?5_粗砂層I均勻地布入垂直流人工濕地A，在垂直流人工濕地經(jīng)過沸石基質(zhì)層2和第一礫石基質(zhì)層3凈化后，出水經(jīng)粒徑3(T50 mm第二礫石收水區(qū)4流出垂直流人工濕地，自流進入水平流人工濕地B，在水平流人工濕地又分別經(jīng)過3(T50 mm第二礫石層布水區(qū)4、第一礫石層基質(zhì)區(qū)3、香蒲生物質(zhì)區(qū)5和第一礫石基質(zhì)區(qū)3，出水經(jīng)粒徑3(T50 mm第二礫石收水區(qū)4流出水平流人工濕地。
[0027]本系統(tǒng)處理的污水中主要污染物為COD、BOD5, NH4+_N、NO3 — -N、TN和TP，各污染物濃度分別為 120?300 mg/L、80?100 mg/L、12?33 mg/L、0.1?4.0 mg/L、24?42 mg/L 和2.8?9.4 mg/L ο
[0028]本系統(tǒng)共運行I年時間,分為冬季、春季、夏季和秋季4個時段，每個時段考察4個不同水力停留時間工況(4.4 d、6.6 d、8.8 d和17.6 d)下系統(tǒng)的運行性能。
[0029]經(jīng)過垂直流-水平流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)后，出水NH/-N濃度存在一定的波動。寒季(冬季和春季)系統(tǒng)對NH4+-N的去除能力有限，出水NH4+-N濃度為18±2 mg/L,去除率21%。暖季(夏季和秋季)系統(tǒng)對NH/-N的去除能力較高，出水NH4+-N濃度為11 ±2 mg/L，去除率49%，可穩(wěn)定達到GB18918-2002規(guī)定的一級B標準，其中垂直流人工濕地出水NH4+_N濃度為18±2 mg/L，去除率20%。系統(tǒng)在冬季、春季、夏季和秋季對NH4+_N的去除速率分別為0.47、
0.73、1.23 和 1.20 g/(m3.d)。
[0030]經(jīng)過垂直流-水平流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)后，出水TN濃度存在一定的波動。寒季(冬季和春季)系統(tǒng)對TN的去除能力有限，出水TN濃度為20.3 + 2.4 mg/L,去除率25%。暖季(夏季和秋季)系統(tǒng)對TN的去除能力較高，出水TN濃度為14.9±3.1 mg/L，去除率49%，可穩(wěn)定達到GB18918-2002規(guī)定的一級B標準，其中垂直流人工濕地出水TN濃度為19.9±3.1mg/L,去除率31%。系統(tǒng)在冬季、春季、夏季和秋季對TN的去除速率分別為0.53、1.08、1.72和 1.77 g/ (m3.d) ο
[0031]實施例2:填充沸石基質(zhì)和投加水生植物生物質(zhì)實例
[0032]如圖1所示，實施時將經(jīng)過初沉池預(yù)處理過的生活污水通過泵提升后，通過3?5_粗砂層I均勻地布入垂直流人工濕地A，在垂直流人工濕地經(jīng)過沸石基質(zhì)層2和第一礫石基質(zhì)層3凈化后，出水經(jīng)粒徑3(T50 mm第二礫石收水區(qū)4流出垂直流人工濕地，自流進入水平流人工濕地B，在水平流人工濕地又分別經(jīng)過3(T50 mm第二礫石層布水區(qū)4、第一礫石層基質(zhì)區(qū)3、香蒲生物質(zhì)區(qū)5和第一礫石基質(zhì)區(qū)3，出水經(jīng)粒徑3(T50 mm第二礫石收水區(qū)4流出水平流人工濕地。
[0033]本系統(tǒng)處理的污水中主要污染物為COD、BOD5, NH4+_N、NO3 — -N、TN和TP，各污染物濃度分別為 120?300 mg/L、80?100 mg/L、12?33 mg/L、0.1?4.0 mg/L、24?42 mg/L 和2.8?9.4 mg/L ο
[0034]本系統(tǒng)共運行I年時間,分為冬季、春季、夏季和秋季4個時段，每個時段考察4個不同水力停留時間工況(4.4 d、6.6 d、8.8 d和17.6 d)下系統(tǒng)的運行性能。
[0035]由于在垂直流人工濕地填充了對NH4+-N具有較好吸附作用的沸石基質(zhì)和在水平流人工濕地投加了為反硝化提供碳源的水生植物生物質(zhì)，經(jīng)過垂直流-水平流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)后，出水NH4+-N濃度明顯優(yōu)于實施例1濕地系統(tǒng)，全年可穩(wěn)定達到GB18918-2002規(guī)定的一級B標準。寒季(冬季和春季)系統(tǒng)出水的NH/-N濃度為8.3±1.4 mg/L，去除率62%，其中垂直流人工濕地10.9± 1.1 mg/L,去除率53%。暖季(夏季和秋季)系統(tǒng)出水NH4+_N濃度為4.2±2.5 mg/L，去除率80%，其中垂直流人工濕地10.2± 1.7 mg/L，去除率49%。系統(tǒng)在冬季、春季、夏季和秋季對NH/-N的去除速率分別為2.07,2.13,2.23和1.53 g/ (m3 -d)。
[0036]由于在垂直流人工濕地填充了對NH4+-N具有較好吸附作用的沸石基質(zhì)和在水平流人工濕地投加了為反硝化提供碳源的水生植物生物質(zhì)，經(jīng)過垂直流-水平流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)后，出水TN濃度明顯優(yōu)于實施例1濕地系統(tǒng),全年運行穩(wěn)定，出水TN濃度為
8.5±2.4 mg/L，去除率70%，可穩(wěn)定達到GB18918-2002規(guī)定的一級B標準。系統(tǒng)在冬季、春季、夏季和秋季對TN的去除速率分別為2.23,2.84,2.90和2.12 g/(m3.d)。
[0037]本實用新型的垂直流-水平流復(fù)合人工濕地系統(tǒng)由于在垂直流人工濕地填充了對nh4+-n具有較好吸附作用的沸石基質(zhì)和在水平流人工濕地投加了為反硝化提供碳源的水生植物生物質(zhì)，顯著地提高了復(fù)合人工濕地垂直流人工濕地nh4+-n的吸附效能和水平流人工濕地NO3--N的反硝化效能，有利于污水中TN的去除，出水NH4+-N和TN達到GB18918-2002規(guī)定的一級B標準，實現(xiàn)了系統(tǒng)全年高效脫氮運行穩(wěn)定目標。
[0038]實施例1和實施例2在四個季節(jié)對NH/-N和TN的去除速率對比見表1。
[0039]表1實施例1和實施例2在四個季節(jié)對NH4+-N和TN的去除速率
[0040]
【權(quán)利要求】
1.垂直流-水平流復(fù)合人工濕地高效脫氮系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)由垂直流人工濕地和水平流人工濕地構(gòu)成，其中: 所述垂直流人工濕地從上到下依次為:粗砂層、沸石基質(zhì)層、第一礫石基質(zhì)層、第二礫石基質(zhì)層，垂直流人工濕地種植植物選用蘆葦；第二礫石基質(zhì)層底部設(shè)有穿孔管； 水平流人工濕地從左向右依次為:第二礫石基質(zhì)層、第一礫石基質(zhì)層、香蒲生物質(zhì)區(qū)、第一礫石基質(zhì)層和第二礫石基質(zhì)層，水平流人工濕地一側(cè)頂部設(shè)有進水口，另一側(cè)底部設(shè)有出水口 ；水平流人工濕地種植植物選用蘆葦； 垂直流人工濕地通過穿孔管連接水平流人工濕地頂部的進水口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直流-水平流復(fù)合人工濕地高效脫氮系統(tǒng)，其特征在于:所述垂直流人工濕地中，所述粗砂層的粗砂粒徑為3?5 _，厚度為10 cm;沸石基質(zhì)層的沸石粒徑為10?15 mm,厚度為40 cm ;第一碌石層的碌石粒徑為15?20 mm,厚度為20 cm ;第二礫石層的礫石粒徑為3(T50 mm，厚度為10 cm ;蘆葦?shù)脑苑N密度為16株/m2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直流-水平流復(fù)合人工濕地高效脫氮系統(tǒng)，其特征在于:所述水平流人工濕地中，第一礫石層的礫石粒徑為15?20 _，厚度為50 cm;第二礫石層的石樂石粒徑為30?50 mm,厚度為50 cm ;香蒲生物質(zhì)區(qū)的基質(zhì)粒徑為10?15 mm,厚度為50 cm;蘆葦?shù)脑苑N密度為16株/m2。
【文檔編號】C02F3/30GK203768122SQ201420038318
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】聞岳, 余雪岑, 張明曉, 殷琪, 郭文瑞, 李玲 申請人:同濟大學(xué)