一种高效处理地下水中高浓度硝态氮的人工湿地系统

摘要

一种高效处理地下水中高浓度硝态氮的人工湿地系统，适用于地下水中高NO3--N污染的水源水再生利用的湿地处理，属于地下水污染控制领域。本发明是将受污染的地下水积聚在水井中，再由潜水泵分季节不同，经表层布水干支管或潜层布水干支管均匀布入人工湿地中，通过人工湿地中的土壤层、隔热层、NO3--N转化层、离子交换生物作用层和集水层的物理化学及生物作用，将地下水中的NO3--N去除。在冬季通过向人工湿地中充氧和调节集水井中的出水水量，充分发挥湿地中多功能复合填料对NO3--N的还原和微生物对NH3-N的硝化分解。该湿地系统具备结构紧凑，占地面积小，运行稳定，处理效率高，运行费用低，无堵塞，无二次污染，处理后的水质完全可以满足水源水质的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高效处理地下水中高浓度硝态氮的人工湿地系统，属于地 下水污染控制领域。

背景技术

地下水是重要的饮用水资源，与人体健康及生活质量密切相关。近年来， 地下水受化学氮肥的施用和工业、城镇污水的污染，水中硝态氮污染问题日益 严重，逐渐引起全世界各国的关注。

地下水硝态氮的污染早在20世纪60年代，欧美许多国家就已注意到了它 的严重性，并先后于20世纪80年代开始了对地下水硝态氮污染进行了大量的 水质调查与检测控制研究。据报道，目前NO₃^--N已成为美国地下水第一大污染 物，德国的50%农用井水的NO₃^--N浓度超过了60mg/L。而中国也面临着地下 水硝态氮污染日趋严重的问题，中国国内许多地区甚至已到了较为严重的程度， 甚至部分水样的NO₃^--N含量达到了100～500mg/L。其中北京市平原农区地下水 硝态氮超标率为38.7%，深层地下水超标率和严重超标率为13.8%和6.9%，浅 层地下水污染最严重，超标率和严重超标率高达80.5%和66.2%，地下水污染 情况接近甚至过欧美国家。

地下水中硝酸盐的去除是一个世界性难题。由于地下水中有机物含量极低， 无法通过自身的生物反硝化系统来降低硝态氮的含量，有研究将有机碳源投入 到地下水中用来提高地下水的反硝化生物脱氮作用，但可能给地下水带来二次 污染；将地下水抽出采用物化、生化、电化学方法进行处理，处理后再回灌到 地下，此方法工程量大，处理工艺复杂很难实现；采用地下过滤墙，注入处理 药剂等方法，虽有一定的效果，但二次污染、高处理成本等问题，仍不能解决。 研发地下水处理新技术是当务之急。目前鲜见有关如何利用生物与非生物脱氮 技术耦合去除地下水中硝酸盐的报导。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何利用生物与非生物脱氮技术去除污染地 下水中的硝酸盐，而提出的一种高效、四季皆可稳定运行的湿地处理系统。

本发明的技术方案：

一种高效处理地下水中高浓度硝态氮的人工湿地系统，该人工湿地系统包 括地下水水井、潜水泵、潜水泵引水管、潜层布水管干管阀门、潜层布水管干 管、潜层布水管支管、表层布水管干管阀门、表层布水管干管、表层布水管支 管、人工湿地、土壤层、隔热层、NO₃^--N转化层、离子交换生物作用层、集水层、 集水井、隔热层集水管干管、隔热层集水管支管、隔热层集水管阀门、NO₃^--N转 化层集水管支管、NO₃^--N转化层集水管干管、NO₃^--N转化层集水管阀门、离子交 换生物作用层集水管支管、离子交换生物作用层集水管干管、离子交换生物作 用层集水管阀门、集水层集水管支管、集水层集水管干管、集水层集水管阀门、 汇水管、总调解阀门。

地下水水井设置在人工湿地的一侧，地下水水井、人工湿地的外壳和集水 井由混凝土、钢板、钢筋混凝土或砖混制成。

潜水泵安装在地下水水井的水面下，潜水泵引水管的一端与潜水泵的出口 连接，潜水泵引水管的另一端与表层布水管干管阀门的进口和潜层布水管干管 阀门的进口连接。

表层布水管干管阀门出口与表层布水管干管的一端连接，表层布水管干管 上均布表层布水管支管，表层布水管支管与表层布水管干管垂直连通，表层布 水管支管上均匀布置出水孔。

潜层布水管干管阀门的出口与潜层布水管干管的一端连接，潜层布水管干 管上均布潜层布水管支管，潜层布水管支管与潜层布水管干管垂直连通；潜层 布水管支管上均匀布置出水孔。

在人工湿地的壳体内自上而下分别填充土壤层、隔热层、NO₃^--N转化层、 离子交换生物作用层和集水层。

表层布水管干管及其上均布的表层布水管支管置于土壤层中，向土壤层中 均匀布水。

潜层布水管干管及其上均布的潜层布水管支管置于土壤层和隔热层之间， 向土壤层和隔热层均匀布水。

汇水管安装于集水井中，汇水管分别通过隔热层集水管阀门、NO₃^--N转化层 集水管阀门、离子交换生物作用层集水管阀门、集水层集水管阀门与隔热层集 水管干管、NO₃^--N转化层集水管干管、离子交换生物作用层集水管干管、集水层 集水管干管连通。

在隔热层集水管干管、NO₃^--N转化层集水管干管、离子交换生物作用层集水 管干管、集水层集水管干管上分别垂直连通隔热层集水管支管、NO₃^--N转化层集 水管支管、离子交换生物作用层集水管支管、集水层集水管支管；隔热层集水 管支管、NO₃^--N转化层集水管支管、离子交换生物作用层集水管支管、集水层集 水管支管上均匀布置集水孔。

隔热层集水管干管及其上均布的隔热层集水管支管置于隔热层和NO₃^--N转 化层之间，汇集土壤层和隔热层中的水。

NO₃^--N转化层集水管干管及其上均布的NO₃^--N转化层集水管支管置于 NO₃^--N转化层、离子交换生物作用层之间，汇集土壤层、隔热层和NO₃^--N转化 层中的水。

离子交换生物作用层集水管干管及其上均布的离子交换生物作用层集水管 支管置于离子交换生物作用层和集水层之间；汇集土壤层、隔热层和NO₃^--N转 化层和离子交换生物作用层中的水。

集水层集水管干管及其上均布的集水层集水管支管置于集水层下；汇集土 壤层、隔热层和NO₃^--N转化层、离子交换生物作用层和集水层中的水。

总调解阀门安装在汇水管上，用于调节流入集水井中的水量。

空压机或鼓风机安装在地下水水井的井口处，或安装在集水井的内壁上。

布气管干管的一端接空压机或鼓风机的进口，布气管干管上均布布气管支 管，布气管支管与布气管干管垂直连通，布气管支管上均匀布置出气孔。

布气管干管及其上均布的布气管支管置于离子交换生物作用层和集水层之 间，给离子交换生物作用层、NO₃^--N转化层、隔热层和集土壤层曝气。

本发明的有益效果：

本发明由地下水井、人工湿地和集水井组成地下水处理系统。地下水由于 有机物含量较低，水中硝态氮无法直接通过生物的反硝化去除，但通过人工湿 地将NO₃^--N转化成N₂或部分NH₃-N，NH₃-N在土壤层上种植的植被及微生物 作用进行硝化反应，最后通过集水井中水量的调节，使人工湿地形成一个可调 的物化—生化耦合系统，最终实现地下水中硝态氮的去除。本发明具有处理效 率高，结构简单紧凑，占地面积小，操作方便，不宜堵塞，运行稳定，出水水 质好，无需向进水中投加碳源，无二次污染，运行成本低，适应于不同季节、 不同温度、不同海拔条件下处理含高浓度硝态氮的地下水。可实现产业化，具 有良好的市场前景和推广价值。

附图说明

图1为高效处理地下水中高浓度硝态氮人工湿地系统的剖面图。

图2为高效处理地下水中高浓度硝态氮人工湿地系统的平面图。

图3为高效处理地下水中高浓度硝态氮人工湿地系统地下水水井及人工湿 地布水、布气的管路系统图。

图4为高效处理地下水中高浓度硝态氮人工湿地系统的出水水量调节系统 管路系统图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

一种高效处理地下水中高浓度硝态氮的人工湿地系统，如图1、2、3、4， 该人工湿地系统包括地下水水井1、潜水泵2、潜水泵引水管2-1、潜层布水管 干管阀门2-2、潜层布水管干管2-3、潜层布水管支管2-3-1、表层布水管干管 阀门2-4、表层布水管干管2-5、表层布水管支管2-5-1、人工湿地3、土壤层 3-1、隔热层3-2、NO₃^--N转化层3-3、离子交换生物作用层3-4、集水层3-5、 集水井4、隔热层集水管支管4-1-1、隔热层集水管干管4-1、隔热层集水管阀 门4-1’、NO₃^--N转化层集水管干管4-2、NO₃^--N转化层集水管支管4-2-1、NO₃^--N 转化层集水管阀门4-2’、离子交换生物作用层集水管支管4-3-1、离子交换生 物作用层集水管干管4-3、离子交换生物作用层集水管阀门4-3’、集水层集水 管支管4-4-1、集水层集水管干管4-4、集水层集水管阀门4-4’、汇水管4-5、 总调解阀门4-6、植被6。

地下水水井1设置在人工湿地3的一侧，地下水水井1、人工湿地3的外壳 和集水井4由混凝土、钢板、钢筋混凝土或砖混制成。

潜水泵2安装在地下水水井1的水面下，潜水泵引水管2-1的一端与潜水 泵2的出口连接，潜水泵引水管2-1的另一端与表层布水管干管阀门2-4的进 口连接或与潜层布水管干管阀门2-2的进口连接，如图1所示。

表层布水管干管阀门2-4出口与表层布水管干管2-5的一端连接，表层布 水管干管2-5上均布表层布水管支管2-5-1，表层布水管支管2-5-1与表层布水 管干管2-5垂直连通，如图3所示，表层布水管支管2-5-1上均匀布置出水孔。

潜层布水管干管阀门2-2的出口与潜层布水管干管2-3的一端连接，潜层 布水管干管2-3上均布潜层布水管支管2-3-1，潜层布水管支管2-3-1与潜层布 水管干管2-3垂直连通，如图3所示，潜层布水管支管2-3-1上均匀布置出水 孔。

在人工湿地3的壳体内自上而下分别填充土壤层3-1、隔热层3-2、NO₃^--N 转化层3-3、离子交换生物作用层3-4和集水层3-5。

表层布水管干管2-5及其上均布的表层布水管支管2-5-1置于土壤层3-1 中，向土壤层3-1中均匀布水。

潜层布水管干管2-3及其上均布的潜层布水管支管2-3-1置于土壤层3-1 和隔热层3-2之间，向土壤层3-1和隔热层3-2均匀布水。

汇水管4-5安装于集水井4中，汇水管4-5分别通过隔热层集水管阀门 4-1’、NO₃^--N转化层集水管阀门4-2’、离子交换生物作用层集水管阀门4-3’、 集水层集水管阀门4-4’与隔热层集水管干管4-1、NO₃^--N转化层集水管干管 4-2、离子交换生物作用层集水管干管4-3、集水层集水管干管4-4连通，如图 4所示。

在隔热层集水管干管4-1、NO₃^--N转化层集水管干管4-2、离子交换生物作 用层集水管干管4-3、集水层集水管干管4-4上分别垂直连通隔热层集水管支管 4-1-1、NO₃^--N转化层集水管支管4-2-1、离子交换生物作用层集水管支管4-3-1、 集水层集水管支管4-4-1；隔热层集水管支管4-1-1、NO₃^--N转化层集水管支管 4-2-1、离子交换生物作用层集水管支管4-3-1、集水层集水管支管4-4-1上均 匀布置集水孔，如图4所示。

隔热层集水管干管4-1及其上均布的隔热层集水管支管4-1-1置于隔热层 3-2和NO₃^--N转化层3-3之间，汇集土壤层3-1和隔热层3-2中的水。

NO₃^--N转化层集水管干管4-2及其上均布的NO₃^--N转化层集水管支管4-2-1 置于NO₃^--N转化层3-3、离子交换生物作用层3-4之间，汇集土壤层3-1、隔 热层3-2和NO₃^--N转化层3-3中的水。

离子交换生物作用层集水管干管4-3及其上均布的离子交换生物作用层集 水管支管4-3-1置于离子交换生物作用层3-4和集水层3-5之间；汇集土壤层 3-1、隔热层3-2和NO₃^--N转化层3-3和离子交换生物作用层3-4中的水。

集水层集水管干管4-4及其上均布的集水层集水管支管4-4-1置于集水层 3-5下；汇集土壤层3-1、隔热层3-2和NO₃^--N转化层3-3、离子交换生物作用 层3-4和集水层3-5中的水。

总调解阀门4-6安装在汇水管4-5上，用于调节流入集水井4中的水量， 可随时延长或缩短地下水在人工湿地中的停留时间，使出水满足要求。

空压机或鼓风机5安装在地下水水井1的井口处，或安装在集水井4的内 壁上。

布气管干管5-2的一端接空压机或鼓风机5的进口，布气管干管5-2上均 布布气管支管5-2-1，布气管支管5-2-1与布气管干管5-2垂直连通，如图4所 示，布气管支管5-2-1上均匀布置出气孔。

布气管干管5-2及其上均布的气管支管5-2-1置于离子交换生物作用层3-4 和集水层3-5之间，给离子交换生物作用层3-4、NO₃^--N转化层3-3、隔热层 3-2和集土壤层3-1曝气。

本发明的人工湿地3根据处理水量设计大小，一般湿地深度设计为2～3m。

土壤层3-1由腐殖土和粒径为1～2mm细砂混合，其混合体积比为50～70% ︰50～30%，填充厚度400～600mm。

隔热层3-2由粒径为2～8mm的颗粒碳、粒径为4～16mm多孔碳纤维和粒 径为2～16mm电气石混合而成，其混合体积比为40～55%︰25～30%︰20～30%， 填充厚度300～400mm。

NO₃^--N转化层3-3由粒径为2～4mm无烟煤颗粒、粒径为5～20mm的生物 颗粒载体混合而成，其混合体积比为20～30%︰70～80%，填充厚度500～800mm。 其中生物颗粒载体为：2013年03月22日提交的申请号：201310093411.5，发 明名称：“好氧低碳氮比污水氨氮直接脱氮生物颗粒载体及制备方法”的好氧低 碳氮比污水氨氮直接脱氮生物颗粒载体的制备方法制备出的好氧低碳氮比污水 氨氮直接脱氮生物颗粒载体。

离子交换生物作用层3-4由粒径为2～8mm的无烟煤颗粒、粒径为2～8mm 的沸石锰石蛭壳合成体、粒径为2～8mm的陶粒混合而成，其混合体积比为 10～20%︰50～60%︰20～30%，填充厚度500～700mm，其中沸石锰石蛭壳合成体 为将沸石粉、锰石粉和蛭壳粉按体积比为45～55%︰10～20%︰35～45%混合，经 造粒，并在450～650℃焙炼而成。

集水层3-5由粒径为4～8mm的海砂、粒径为8～32mm的砾石组成，其体 积比为35～45%︰55～65%，填充厚度300～500mm。

所述的粒径、混合体积比、填充厚度的取值，取其端值或其中意的任意值 均可。

土壤层3-1种植的植被6为芦苇、香蒲或茭白等，可将系统中产生的氨氮进 一步吸收降解，同时将产生的氧气随根系传入人工湿地3中。

在北方冬季运行时，为防止人工湿地3的表层布水管干管2-5和表层布水管 支管2-5-1的冻裂，关闭表层布水管干管阀门2-4，打开潜层布水管干管阀门2-2 进行布水。

为防止集水井4中NH₃-N浓度的升高，通过空压机或鼓风机5和通气管道 5-1、布气管干管5-2、布气管支管5-2-1对人工湿地3进行曝气，降低出水中 NH₃-N的浓度，使其满足要求。

生物颗粒载体为好氧低碳氮比污水氨氮直接脱氮生物颗粒载体，其生物颗 粒载体的组分包括：单质铁粉、活性炭粉末、石膏粉、铜粉和催化剂；催化剂 为锰粉、钛粉、镁粉和钒粉中的一种或其任意组合。

好氧低碳氮比污水氨氮直接脱氮生物颗粒载体的材料组分按体积比为单质 铁占40～50%，活性炭粉末占35～42%，石膏粉占5～8%，铜粉占4～5%，锰粉 占1～2%，钛粉占1～2%，镁粉占1～2%，钒粉占1～2%。

好氧低碳氮比污水氨氮直接脱氮生物颗粒载体的制备方法，该制备方法包 括：

步骤一按照上述好氧低碳氮比污水氨氮直接脱氮生物颗粒载体的组分和 配比取料混合；

步骤二加水制成5～20mm的颗粒；

步骤三将制备的颗粒放在110±2℃的干燥箱中，在N₂气的保护下，干燥 1～2h；

步骤四将干燥后的颗粒放入焙烧炉中，通入N₂/CO气体，升温至500℃ ～600℃，进行预热20～30min，并继续以通气流量为10L/min·Kg～60L/min·Kg 通入H₂/CO气体，其H₂/CO的体积比为40%︰60%，然后再将温度升至680℃ ～950℃，焙烧30～60min；

步骤五最后通入N₂气冷却至室温；

步骤六将步骤一至五制备的颗粒，在污水中通过微生物挂膜培养即得到好 氧低碳氮比污水氨氮直接脱氮生物颗粒载体。