CN102603118A - 一种基于鼓风叠层人工湿地的污水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于鼓风叠层人工湿地的污水处理方法，属于污水处理技术领域，包括：(1)污水依次经过滤、厌氧消化后得到预处理后的污水，预处理后的污水进入具有上、下层结构并均装有填料的鼓风叠层人工湿地；(2)在鼓风叠层人工湿地中将预处理后的污水均匀的分布在上层的顶部，预处理后的污水在流向上层底部的过程中与鼓入的空气接触进行生物降解；(3)生物降解后的污水在上层底部汇集后流入下层，在下层中沿水平流向依次在兼氧、厌氧和好氧环境下进行除污处理，完成污水处理。本发明的方法用于处理农村生活污水，具有处理效率高、处理效果好、运行费用低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种基于鼓风叠层人工湿地的污水处理方法。
背景技术
农村生活污水不经处理的肆意排放，可造成地表水径流的严重污染，还可污染水源水质，增加城市的供水风险和处理成本，并造成农村生活用水困难。但与此同时，由于受自然条件的限制，农村生活污水具有分散、不易收集的特点，大范围的铺设污水收集管网较为困难，使得农村生活污水不能纳入大型集中污水处理厂集中进行处理，只能因地制宜寻找较为适合的高效低耗的污水处理工艺与方法。
目前，农村生活污水处理工艺多采用无动力厌氧沼气技术或是无动力厌氧沼气与人工湿地的组合工艺，对于前者，工艺具有较好的有机污染物去除效果，但对生活污水中含有的氮、磷去除效果不明显，出水排入环境水体依然可引起富营养化污染问题；对于后者，在人工湿地填料、微生物及植物的共同作用下，组合工艺对废水中的氮、磷污染物具有较好的去除效果。
公告号为CN1173888C的发明专利公开了一种人工湿地污水处理装置，由自上而下重叠而成的阶梯状多级人工子湿地床构成，每一级子湿地床均有一个或多个出水口将经处理过的污水流入下一级子湿地床。采用该装置进行污水处理，相比单层的人工湿地或其他处理工艺具有占地面积小，应用范围广等优点，但是该处理装置内部为中空状态，各子人工湿地的重叠处不能被有效利用，为提高净化效果势必需要增加子人工湿地的层数，相应的就需要扩大占用空间；另外该装置中污水始终在植物根系处即好氧环境中进行处理，污水的总氮去除效果有限，污水的处理效果不理想。
发明内容
本发明提供了一种基于叠层人工湿地的污水处理方法，提高生活污水的处理效率和处理程度，对污水中总氮的去除效果明显，且占地面积小，运行成本低，且不受地区和气温等条件的限制。
一种基于鼓风叠层人工湿地的污水处理方法，包括：
(1)所述的污水依次经过滤、厌氧消化后得到预处理后的污水，预处理后的污水进入具有上、下层结构并均装有填料的鼓风叠层人工湿地；
(2)在鼓风叠层人工湿地中将预处理后的污水均匀的分布在上层的顶部，预处理后的污水在流向上层底部的过程中与鼓入的空气接触进行生物降解；
(3)生物降解后的污水在上层底部汇集后流入下层，在下层中沿水平流向依次在兼氧、厌氧和好氧环境下进行除污处理，完成所述的污水处理。
所述的污水在上层中的表面水力负荷为0.3-0.8m3/m2.d，水力停留时间为2.0-3.0d；所述的污水在下层中的表面水力负荷为0.2-0.6m3/m2.d，水力停留时间为1.5-2.5d。优选地，所述的污水在上层中的表面水力负荷为0.3-0.65m3/m2.d，水力停留时间为2.0-2.3d；所述的污水在下层中的表面水力负荷为0.2-0.6m3/m2.d，水力停留时间为1.57-1.8d；在此条件下，对污水的处理效果更好，对污水中总氮的去除率可达50％以上。
所述的厌氧消化采用地埋式厌氧消化池，地埋式厌氧消化池为球形，采用砖砌成或混凝土结构，在距地埋式厌氧消化池顶部30-40cm处设置出水孔，污水经过出水孔的流速为0.4-0.6m/s，在出水孔下方20-30cm处设置上层填料支架，在距地埋式厌氧消化池池底30-40cm处设置下层填料支架，在上下两层填料支架之间固定悬挂弹性立体填料，填充率为40-80％，农村生活污水在地埋式厌氧消化池内的水力停留时间为10-24h，即所述的厌氧消化的时间为10-24h，地埋式厌氧消化池产生的污泥2-3年清理1次，清理出来的污泥作为有机农肥施用。地埋式厌氧消化池有利于保温，减轻了气温对厌氧消化的影响，同时厌氧消化池内设置弹性立体填料增加了厌氧污泥在池内的保留能力。
所述的过滤采用带有细格栅的水沟或沟渠，细格栅倾斜安装，倾斜角度为45-60°，细格栅栅条间隔为16-25mm，污水经过水沟或沟渠的流速为0.5-0.7m/s，水经过细格栅的流速为0.6-0.9m/s，人工清理栅渣。
所述的鼓风叠层人工湿地的上层结构中的填料为级配填料，粒径为20-60mm，由下自上递减；作为优选，所述的填料为石料、砂和陶粒的混合物；更优选，所述的石料为卵石、沸石和砾石中的至少一种，其粒径为20-50mm。
所述的鼓风叠层人工湿地的下层结构中的填料为级配填料，其粒径为30-50mm，由下至上递减；作为优选，所述的填料为火山岩、牡蛎壳、蚌壳的混合物。
本发明的技术原理：
(1)上层人工湿地中对污水鼓风充氧，在好氧微生物的作用下，污水中的有机污染物得到生物降解，氨氮通过微生物的硝化作用得到去除；
(2)经过上层人工湿地处理后污水中的有机污染物大部分得到生物降解，氨氮大部分转化为硝酸盐氮，经收集后进入下层人工湿地中，由于下层人工湿地的前端没有氧气输入，在微生物的呼吸作用下，逐渐形成兼氧、厌氧环境，硝酸盐氮在兼氧、厌氧环境中被微生物通过反硝化过程生成氮气而去除，同时消耗部分有机污染物；
(3)在下层人工湿地内部填充有火山岩、牡蛎壳和蚌壳的混合物，由于火山岩、牡蛎壳和蚌壳都含有丰富的钙离子，对磷具有较强的吸附固定作用，除鳞效果明显；
(4)在下层人工湿地的出水端种植有根系发达的湿地植物，在植物根系的输氧作用下，下层人工湿地的出水端重新形成好氧环境，在好氧微生物、填料及湿地植物的共同作用下对污水进行进一步的净化。
本发明的有益效果：
本发明采用地埋式厌氧消化池与鼓风叠层人工湿地组合工艺来处理农村生活污水，具有处理效率高、处理效果好、运行费用低的特点。地埋式厌氧消化池有利于保温，减轻了气温对厌氧消化的影响，同时厌氧消化池内采用弹性调料或软填料，增加了厌氧污泥在池内的保留能力，增强了厌氧消化的效果；人工湿地采用叠层设计，减少了人工湿地的占地面积，湿地系统的曝气管可将空气送入鼓风叠层人工湿地的上层人工湿地内部，形成好氧环境，从而提高上层人工湿地的有机物和氨氮去除能力，在鼓风叠层人工湿地的下层湿地内部随着污水的流动逐渐形成兼氧、厌氧环境，强化了湿地的反硝化脱氮过程，同时在下层水平流湿地中填充火山岩、牡蛎壳等吸磷填料，强化系统对污水中磷的去除，在下层湿地的出水端种植根系发达的湿地植物，在湿地植物根系输氧的作用下下层湿地的出水端形成好氧环境，消除了污水在厌氧环境下形成的异味，进一步改善了系统的出水水质。
本发明独特的结构设计使系统能交替出现好氧、兼氧、厌氧、好氧状态，具有良好的脱氮除磷能力，对污水中总氮的去除效果明显，且占地面积较小、水力负荷和污染负荷较高，运行及投资成本也较低，农村生活污水经该湿地系统处理后，出水化学需氧量(CODcr)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)及总磷(TP)能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级B标准。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明的鼓风叠层人工湿地的结构示意图；
图3是图2所示的下层水平流人工湿地的俯视图。
具体实施方式
本发明的工艺流程及其实施装置：
如图1所示，农村生活污水，送入细格栅预处理单元(即带细格栅的水沟或沟渠)，细格栅的安装角度为45-60°，栅条的间隙为16-25mm，污水经过水沟或沟渠的流速为0.5-0.7m/s，水经过细格栅的流速为0.6-0.9m/s，人工处理栅渣；经细格栅预处理除去粗颗粒后的农村生活污水送入地埋式厌氧消化池，地埋式厌氧消化池采用混凝土结构的球形池子，在距地埋式厌氧消化池顶部30-40cm处设置出水孔，污水经过出水孔的流速为0.4-0.6m/s，在出水孔下方20-30cm处设置上层填料支架，在距地埋式厌氧消化池底30-40cm处设置下层填料支架，在上下两层填料支架之间固定悬挂弹性立体填料，其填充率为40-80％，农村生活污水在地埋式厌氧消化池内的水力停留时间为10-24h，地埋式厌氧消化池产生的污泥2-3年清理1次，清理出来的污泥作为有机农肥施用；经地埋式厌氧消化池除去部分的有机物和提高污水的可生化性后，农村生活污水送入鼓风叠层人工湿地中进行去污处理。
鼓风叠层人工湿地的结构如图2、图3所示，包括上层垂直流人工湿地和下层水平流人工湿地，两者之间隔有土工膜6，土工膜6上设有孔，上下两层人工湿地通过穿过土工膜6的过水管7连通。
上层垂直流人工湿地内上部设有布水管2，底部设有从左至右水平布置的集水管3，集水管3设置为若干根，形成集水管网，相邻两根集水管3之间的间距一般设为1-1.5m，靠近集水管网上方从左至右水平布置曝气管4，曝气管4设置为若干根，形成曝气管网，相邻两根曝气管4之间的间距一般设为0.5-1m，上层垂直流人工湿地左侧外部设有进水口1，进水口1与布水管2的左端连通；
上层垂直流人工湿地内填充有由石料、砂和陶粒的混合物组成的级配填料，其粒径为20-60mm，由上至下递减，其中石料为卵石、沸石和砾石的混合物，石料的粒径大小为20-50mm，在上层垂直流人工湿地的顶部种植湿地植物5。
下层水平流人工湿地的顶部面积大于上层垂直流人工湿地的顶部面积(一般下层顶部面积超出上层顶部面积的30-50％)，上、下层人工湿地的左侧外壁处于同一竖直面内，下层右侧顶部超出的部分形成下层种植区11，下层种植区11内种植根系发达的湿地植物9，上、下层重叠部分由土工膜6隔开，土工膜6靠近上、下层人工湿地左侧外壁处设有通孔，上、下层人工湿地之间通过穿过该通孔的过水管7连通，下层水平流人工湿地被间距为2-3m的折流挡板8隔成沿水平走向的折流通道，过水管7位于折流通道的最上游，穿过土工膜6上的通孔与集水管网的左端连通，下层种植区11位于折流通道的下游，其外壁上设有出水口10。
下层水平流人工湿地内填充由火山岩、牡蛎壳和蚌壳混合成的级配填料，火山岩、牡蛎壳和蚌壳的粒径范围为30-50mm，由下至上递减。
上层垂直流人工湿地的外壁、下层水平流人工湿地的外壁和底板均采用混凝土结构，其厚度以能支撑人工湿地的重量为准。
上层垂直流人工湿地和下层水平流人工湿地的形状可根据地形和需要设置成不同的形状。
农村生活污水在鼓风叠层人工湿地中的处理工艺流程如下：
经厌氧消化预处理后的农村生活污水，由进水口送入鼓风叠层人工湿地中，通过微动力曝气向曝气管网鼓入空气，污水由上部的布水管2均匀的布入上层垂直流人工湿地中，污水自上而下流过填料，曝气管网自下而上鼓入空气，为污水提供好氧环境，污水在好氧微生物的作用下，其中的有机污染物被生物降解，氨氮大部分通过微生物的硝化作用转化为硝酸盐氮，经过上层垂直流人工湿地除污处理后的污水含有一定的溶解氧水平、较低的有机污染浓度、较低的氨氮浓度和较高的硝态氮浓度，最终汇集到底部的集水管网内；
集水管网内的污水由过水管7流入下层水平流人工湿地中，随着污水在水平方向的流动，由于微生物的活动，污水中含有的氧会被逐渐消耗，而又不能得到补充，因此会沿着水流路径依次形成兼氧/厌氧环境，为污水中的硝态氮进行反硝化脱氮提供了环境条件，同时由于火山岩、牡蛎壳和蚌壳填料都含有丰富的钙离子，对污水中的磷有较强的吸附固定作用，去除污水中的磷，污水经过反硝化处理后流入下层种植区11，下层种植区11在湿地植物9的根系输氧作用下，重新形成好氧环境，在好氧微生物、填料和湿地植物的共同作用下进一步净化，同时消除污水在厌氧环境下的异味，最终从出水口10排除。
以下实施例中CODcr的检测采用重铬酸盐法(GB11914-89)，NH3-N的检测采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)，TN的检测采用碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法(GB11894-89)，TP的检测采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989)。
实施例1
采用本发明的方法处理某农村生活污水，该农村生活污水的CODcr为225mg/L，氨氮(NH3-N)浓度为23.5mg/L，总氮(TN)浓度为33.7mg/L，总磷(TP)浓度为2.0mg/L，细格栅预处理单元采用带细格栅的水沟，其细格栅的倾斜角度为45°，间隙为20mm，污水在水沟中的流速为0.5m/s，经过细格栅的流速为0.7m/s，地埋式厌氧消化池采用混凝土结构的球形池子，在距离地埋式厌氧消化池顶部30cm处设置出水孔，污水经过出水孔流速为0.5m/s，在出水口下方25cm处设置上层填料支架，在距离地埋式厌氧消化池底部35cm处设置下层填料支架，在上下两层填料支架之间固定悬挂弹性立体填料，填料的填充率为40％，污水在地埋式厌氧消化池内的水力停留时间为10h；
鼓风叠层人工湿地由上层垂直流人工湿地和下层水平流人工湿地组成，下层水平流人工湿地的顶部面积超过上层垂直流人工湿地顶部面积的40％，相邻曝气管之间的间距为0.5m，相邻集水管之间的间距为1m，折流挡板间的间距为2.5m，上层水平流人工湿地中填充的填料为粒径在20-60mm的卵石、砂和陶粒混合而成的级配填料，填料的粒径至下而上递减，污水在上层垂直流人工湿地中的表面水力负荷为0.3m3/m2.d，水力停留时间为2.0d，在下层水平流人工湿地中的表面水力负荷为0.21m3/m2.d，水力停留时间为1.57d，污水经处理后最终从出水口流出；
取从出水口输出的水进行检测，其CODcr为45.8mg/L，NH3-N为5.6mg/L，TN为15.6mg/L，TP为0.57mg/L，CODcr、NH3-N、TN、TP均达到GB18918-2002规定的一级B标准，TN的去除效率为53.7％。
实施例2
采用本发明的方法处理某农村生活污水，该农村生活污水CODcr为258mg/L，氨氮(NH3-N)浓度为28.0mg/L，总氮(TN)浓度为37.5mg/L，总磷(TP)浓度为1.8mg/L，细格栅预处理单元采用带细格栅的水沟，其细格栅的倾斜角度为60°，间隙为25mm，污水在水沟中的流速为0.6m/s，经过细格栅的流速为0.85m/s，地埋式厌氧消化池采用混凝土结构的球形池子，在距离地埋式厌氧消化池顶部30cm处设置出水孔，污水经过出水孔流速为0.6m/s，在出水口下方25cm处设置上层填料支架，在距离地埋式厌氧消化池底部35cm处设置下层填料支架，在上下两层填料支架之间固定悬挂弹性立体填料，填料的填充率为60％，污水在地埋式厌氧消化池内的水力停留时间为15h；
鼓风叠层人工湿地由上层垂直流人工湿地和下层水平流人工湿地组成，下层水平流人工湿地的顶部面积超过上层垂直流人工湿地顶部面积的40％，相邻曝气管之间的间距为0.5m，相邻集水管之间的间距为1m，折流挡板间的间距为2.5m，上层水平流人工湿地中填充的填料为粒径在20-60mm的卵石、砂和陶粒混合而成的级配填料，填料的粒径至下而上递减，污水在上层垂直流人工湿地中的表面水力负荷为0.65m3/m2.d，水力停留时间为2.3d，在下层水平流人工湿地中的表面水力负荷为0.46m3/m2.d，水力停留时间为1.8d，污水经处理后最终从出水口流出；
取从出水口输出的水进行检测，其CODcr为52.3mg/L，NH3-N为6.32mg/L，TN为14.8mg/L，TP为0.48mg/L，CODcr、NH3-N、TN、TP均达到GB18918-2002规定的一级B标准，TN的去除效率为61.5％。
实施例3
采用本发明的方法处理某农村生活污水，该农村生活污水CODcr为315mg/L，氨氮(NH3-N)浓度为20.8mg/L，总氮(TN)浓度为30.5mg/L，总磷(TP)浓度为1.5mg/L，细格栅预处理单元采用带细格栅的水沟，其细格栅的倾斜角度为60°，间隙为16mm，污水在水沟中的流速为0.7m/s，经过细格栅的流速为0.9m/s，地埋式厌氧消化池采用混凝土结构的球形池子，在距离地埋式厌氧消化池顶部30cm处设置出水孔，污水经过出水孔流速为0.5m/s，在出水口下方25cm处设置上层填料支架，在距离地埋式厌氧消化池底部35cm处设置下层填料支架，在上下两层填料支架之间固定悬挂弹性立体填料，填料的填充率为75％，污水在地埋式厌氧消化池内的停留时间为20h；
鼓风叠层人工湿地由上层垂直流人工湿地和下层水平流人工湿地组成，下层水平流人工湿地的顶部面积超过上层垂直流人工湿地顶部面积的40％，相邻曝气管之间的间距为0.5m，相邻集水管之间的间距为1m，折流挡板间的间距为2.5m，上层水平流人工湿地中填充的填料为粒径在20-50mm的卵石、砂和陶粒混合而成的级配填料，填料的粒径至下而上递减，污水在上层垂直流人工湿地中的表面水力负荷为0.75m3/m2.d，水力停留时间为2.62d，在下层水平流人工湿地中的表面水力负荷为0.54m3/m2.d，水力停留时间为2.0d，污水经处理后最终从出水口流出；
取从出水口输出的水进行检测，其CODcr为45.9mg/L，NH3-N为7.05mg/L，TN为14.8mg/L，TP为0.54mg/L，CODcr、NH3-N、TN、TP均达到GB18918-2002规定的一级B标准，TN的去除效率为51.4％。
实施例4
采用细格栅预处理+厌氧消化+传统人工湿地组合工艺处理某农村生活污水，该农村生活污水的CODcr、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)及总磷(TP)浓度分别为278mg/L、23.8mg/L、32.5mg/L和1.67mg/L，细格栅预处理单元采用带细格栅的混凝土沟渠，细格栅的倾斜角度为50°，间隙为16mm，污水在沟渠中的流速为0.55m/s，经过细格栅的流速为0.75m/s，厌氧消化池采用地埋式混凝土结构的球形池子，在距离地埋式厌氧消化池顶部25cm处设置出水孔，污水经过出水孔流速为0.45m/s，在出水口下方20cm处设置上层填料支架，在距离地埋式厌氧消化池底部30cm处设置下层填料支架，在上下两层填料支架之间固定悬挂弹性立体填料，填料的填充率为80％，污水在地埋式厌氧消化池内的停留时间为18h；
人工湿地工艺采用垂直潜流式，单层布置，在湿地内部装填由卵石、砂和陶粒及火山岩混合而成的湿地填料，填料的粒径大小为20-60mm，至下而上依次递减，污水由布水管网均匀布置于湿地表面，湿地系统的表面水力负荷为0.25m3/m2.d，水力停留时间为3.4d，污水经传统潜流湿地系统处理后最终从出水口流出；
取从出水口流的水进行检测，其CODcr、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)及总磷(TP)浓度分别为75.9mg/L，NH3-N为9.35mg/L，TN为26.8mg/L，TP为0.84mg/L，除TP指标外，CODcr、氨氮(NH3-N)及总氮(TN)指标均不能达到GB18918-2002规定的一级B标准，其中对总氮的去除率仅为17.5％。
Claims (10)
1.一种基于鼓风叠层人工湿地的污水处理方法，其特征在于，包括：
(1)所述的污水依次经过滤、厌氧消化后得到预处理后的污水，预处理后的污水进入具有上、下层结构并均装有填料的鼓风叠层人工湿地；
(2)在鼓风叠层人工湿地中将预处理后的污水均匀的分布在上层的顶部，预处理后的污水在流向上层底部的过程中与鼓入的空气接触进行生物降解；
(3)生物降解后的污水在上层底部汇集后流入下层，在下层中沿水平流向依次在兼氧、厌氧和好氧环境下进行除污处理，完成所述的污水处理。
2.根据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述的污水在上层中的表面水力负荷为0.3-0.8m3/m2.d，水力停留时间为2.0-3.0d。
3.根据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述的污水在下层中的表面水力负荷为0.2-0.6m3/m2.d，水力停留时间为1.5-2.5d。
4.根据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述的厌氧消化采用地埋式厌氧消化池。
5.根据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述的厌氧消化的时间为10-24h。
6.根据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述的鼓风叠层人工湿地的上层结构中的填料为级配填料，粒径为20-60mm，由下自上递减。
7.据权利要求6所述的污水处理方法，其特征在于，所述的填料为石料、砂和陶粒的混合物。
8.据权利要求7所述的污水处理方法，其特征在于，所述的石料为卵石、沸石和砾石中的至少一种，其粒径为20-50mm。
9.据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述的鼓风叠层人工湿地的下层结构中的填料为级配填料，其粒径为30-50mm，由下至上递减。
10.据权利要求9所述的污水处理方法，其特征在于，所述的填料为火山岩、牡蛎壳和蚌壳的混合物。
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