一种微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷预处理方法及装置

摘要

本发明公开了一种应用于微污染水处理人工湿地的强化脱氮除磷预处理方法和装置，该方法适用于微污染湖（河）水、污水处理厂尾水等的深度处理，该装置从上到下分别为植物浮床层，微生物床填料，填充粒层和承托层，另外还有反冲洗设备。本发明装置充分利用了装置内空间，植物-微生物可拦截、吸附、吸收富集、分解部分污染物；沸石-钢渣-石灰石填料的组合能有效去除水中的氮、磷等污染物，以确保后续人工湿地的出水水质指标均能达到相关高品质水使用标准；设置反冲洗流程，有助于提高净化效率，延长装置使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及环境工程污水处理领域，特别涉及一种微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理方法及装置，适用于处理微污染水：污水处理厂尾水、微污染湖（河）水等。

背景技术

随着我国工业化和城镇化的迅速发展，人们在生产、生活过程中排放出来的污染物对水环境的污染已经愈演愈烈，水中的污染物不断增多，这些污染物在水中分布广泛、浓度低、难降解、作用持久，导致水体富营养化，水华现象时有发生。根据最小因子定律：低于某种生物需要的最少量的任何特定因子，是决定该种生物生存和分布的根本因素。而氮、磷正是水中生物所需最少量的物质，因此水中的氮、磷量决定着水体富营养化的程度，也是水环境恶化最举足轻重的因素。污水深度处理的目的：一是去除悬浮和有机物质、脱色除臭，使出水进一步澄清和稳定；二是脱氮除磷、消毒、杀菌，消除能够导致水体富营养化的因素和有毒有害物质；三是去除某些无机成分，满足回用的具体要求。由于微污染水体中氮、磷含量较低，而常规处理工艺脱氮除磷存在着相互制约的因素，同步脱氮除磷效率不高，且对于低含量的氮、磷去除效率更低，而对于人工湿地深度处理工艺而言，微污染水脱氮除磷更为不易，尤其是脱氮，因此为降低人工湿地投资，提高人工湿地处理效率及使用寿命，使得出水氮、磷指标等能完全达到相关高品质水使用标准，需要在人工湿地前设置高效脱氮除磷的预处理装置。当前用于深度处理的人工湿地预处理装置脱氮除磷效率均很低，而加药的方式对氮的去除率低，且运行费用高，产生的化学污泥容易造成二次污染。

发明内容

本发明的目的在于针对用于深度处理的人工湿地预处理装置脱氮除磷效率低的不足，提供一种应用于微污染水处理人工湿地的强化脱氮除磷预处理方法及装置。

本发明的技术方案是：一种微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理方法，包括以下步骤，

A、植物去除污染物的步骤，该步骤利用植物浮床上的水生植物根系直接拦截、吸附、吸收富集水中部分污染物；

B、微生物分解污染物的步骤，该步骤利用水生植物根系为微生物床上生物膜提供微富氧环境，从而使得水中部分污染物在生物膜中得到逐层净化；

C、采用矿物颗粒物理、化学作用去除水中大部分氨氮和磷的步骤，该步骤中采用具有高吸附性、高离子含量的填料去除水中大部分氨氮和磷；

D、虹吸排水的步骤，该步骤利用虹吸原理进行反冲洗排水，反冲洗水也可通过后续人工湿地进行处理。

E 、反冲洗的步骤，该步骤中利用通过步骤A、步骤B、步骤C处理后的水反向流过填料，对填料进行冲洗。

进一步的，上述的微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理方法中：所述的步骤A中，通过植物浮床上的水生植物直接拦截、吸附、吸收富集部分污染物。

进一步的，上述的微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理方法中：所述的步骤B中，通过水生植物根系为微生物床上生物膜提供微富氧环境，从而使得水中部分污染物在生物膜中得到逐层净化。

进一步的，上述的微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理方法中：所述的步骤C中：高吸附性、高反应活性离子含量的填料包括沸石、钢渣、石灰石颗粒。

本发明的另外一个目的是提供一种实施上述预处理方法的装置，该微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理的装置，设置在处理池中，包括池壁，在所述的池壁内从上到下依次设置的植物浮床层、微生物床填料层、高吸附性、高离子含量的填料层、承托层；

所述的植物浮床层上种植水生植物；所述的微生物床填料层中附着生物膜；所述的高吸附性、高反应活性离子含量的填料层由所述的承托层支撑；所述的承托层为穿孔滤板；

在所述的池壁还设置有将池壁内的水排走的虹吸排水设备。

进一步的，上述的微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理的装置中：所述的水生植物包括风车草、美人蕉、香蒲、水葱等。

进一步的，上述的微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理的装置中：所述的高吸附性、高反应活性离子含量的填料层中填充有沸石、钢渣和石灰石颗粒。

进一步的，上述的微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理的装置中：在所述的高吸附性、高离子含量的填料层从上到依次是沸石填充层、钢渣填充层和石灰石填充层。

进一步的，上述的微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理的装置中：沸石的粒径范围为16～32mm；钢渣的粒径范围为16～32mm；石灰石的粒径范围为32～50mm。

进一步的，上述的微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理的装置中：所述的沸石、钢渣、石灰石体积比为1:1:1。

进一步的，上述的微污染水处理人工湿地强化脱氮除磷的预处理的装置中：所述的池壁内还设有反冲洗排渠。

利用本方法设计的预处理装置运行效果稳定，方便操作，利用沸石-钢渣-石灰石填料对氨氮的吸附、离子交换、络合配位、增溶作用，对磷的沉淀-化学吸附-物理吸附作用，产生强化脱氮除磷的效果，且上层的植物浮床-微生物床系统也能去除部分污染物，使得后续人工湿地的处理负荷降低，从而提高其净化效率，使系统出水能达到相关高品质水使用标准

下面结合具体实施例对本发明作较为详细的描述。

附图说明

图1为本发明实施例1处理池底部平面布置示意图。

图2为本发明实施例1承托层平面布置示意图。

图3为本发明实施例1填料层平面布置示意图。

图4为本发明实施例1植物浮床层平面布置示意图。

图5为图4中A1-A1剖面结构示意图。

图6为图4中A2-A2剖面结构示意图。

图7为图4中B-B剖面结构示意图。

具体实施方式

实施例1，为实现强化脱氮除磷降低污染负荷的目的，本实施例采用了以下技术措施：

在一个处理池中，利用墙壁围成一块长方形的处理区，如图1所示，外围的墙壁称为池壁1，在池壁1内被分隔成2组6格，每格内为一个相对独立的处理区，可交替运行，每格由上而下分别为植物浮床层2、微生物床填料层3、高吸附性、高反应活性离子含量的填料层4，穿孔滤板承托层5如图5或者图6所示。高吸附性、高离子含量的填料层4又可以分为沸石填料层、钢渣填料层、石灰石填料层三层。

水流自上而下逐级净化，通过植物浮床上的水生植物直接拦截、吸附、吸收富集部分污染物。通过水生植物根系为微生物床上生物膜提供微富氧环境，使得生物膜自然形成了好氧-缺氧-厌氧的层级关系，因此同时也能够去除污水中小部分氮，并且通过生物膜-微生物床填料层的吸附、拦截等作用也能去除少部分磷，同时也能去除部分有机物。

污水通过沸石-钢渣-石灰石这几种具有高吸附性、高反应活性离子含量的填料可去除大部分氨氮和磷，使得出水的氮、磷含量降低，利于后续人工湿地处理效率的提高，从而保证系统的出水水质。穿孔滤板承托5下的出水通过滤板集水系统的收集后自流进入人工湿地系统进行深度处理。由于填料有过滤作用，因此在一定的周期内必须进行适度反冲洗，以延长其使用寿命，保证系统处理效率，因此，在每个小格中设置虹吸排水设备6，排水设备采用真空泵创造虹吸条件，将格子中的水排出后，由于格子内的水位将较其它处理格中的水位要低，这样，被处理过的的净化水又从本格承托层5上的孔往上回流，对高吸附性、高反应活性离子含量的填料层4进行反冲洗，称为虹吸反冲洗系统。虹吸反冲洗系统能够利用其它格的净化水对本格进行水力反冲，在一定程度上节约了水资源，且节约了动能，反冲洗水还可进入后续湿地处理，不会带来二次污染。

本实施例的特点在于水面上安置植物浮床层，浮床采用特制彩钢板复合板材料，模块化单体设计，单元浮块可拼接，每个单元浮块的规格为500mm×500mm×45mm， 每个单元浮块中间包含1个种植筐，周边有连接扣8个，种植筐规格250mm×250mm×250mm，其内充填一定量砂石基质，种植筐上边缘卡置于浮块中间，方便拆卸，筐内种植风车草、美人蕉、香蒲、水葱等去污能力强的挺水植物，浮块下方周边设置框架，框架下方悬挂微生物床填料，作为生物载体，便于生物膜的形成，从而降解一定量的污染物。由于每格内需留出反冲洗排渠的通道，因此每格内植物浮床拼装成两大部，沿反冲洗排水槽两侧用连接套环分别固定于竖立的槽钢上，反冲洗时可随水位上下移动。

每个小格内充填了具有高吸附性、高反应活性离子含量的填料，格内自上而下分别充填沸石填料、钢渣填料、石灰石填料。沸石具有强吸附性，且所含阳离子易于被其它阳离子交换，可以去除水中的部分有机物污染物、重金属离子等，尤其可去除水中氨氮，本发明中选用沸石的粒径范围为16～32mm；钢渣因其具有强吸附性且富含高反应活性离子对水中的有机污染物、重金属离子，尤其对氮、磷均有特定的去除作用，本发明中选用钢渣的粒径范围为16～32mm；石灰石富含大量钙元素，其离解的钙离子可和水中磷反应形成难溶含磷固溶体，在化学反应和强吸附作用下达到降磷目的，本发明中选用石灰石的粒径范围为32～50mm。沸石、钢渣、石灰石此三种填料充填的体积比例为1:1:1，也可根据进水水质及出水要求适当调整充填比例。

本实施例中采用穿孔滤板作为承托层，穿孔滤板为预制钢筋混凝土板，拼装完成后在滤板上铺设一层尼龙网，预制穿孔滤板的规格为1000mm×1000mm×100mm，滤板上开Φ30的滤孔，滤孔中心间距为70mm。

本实施例采用采用虹吸的反冲洗方式，每格内设置一条反冲洗排水槽，槽中设置一套虹吸排水设备，反冲洗时启动真空设备，本格停止进水，其它格继续进水，而其它格内清水则会由下而上后通过本格填料层，冲洗出填料层中截留的污染物，反冲洗水经反冲洗排水槽汇集，由反冲洗虹吸管吸出排走完成反冲洗过程。反冲水可在收集后自流排入后续湿地中进行处理。

本实施例所采用的方法主要有如下步骤：

第一步：采用水生植物直接拦截、吸附、吸收富集部分污染物；

第二步：利用水生植物根系为微生物床上生物膜提供微富氧环境，从而使得水中部分污染物在生物膜中得到逐层净化；

第三步：采用具有高吸附性、高反应活性离子含量的填料去除大部分氨氮和磷；

另外，在使用过程中利用虹吸的反冲洗方式对填料进行水力反冲洗。

本实施例是一种应用于微污染水处理人工湿地的强化脱氮除磷预处理装置，适用于微污染湖（河）水、污水处理厂尾水等的深度处理，该装置分为两组6格交替运行，每格由上而下分别为植物浮床层1、微生物床填料2、沸石填料、钢渣填料、石灰石填料组成的高吸附性、高反应活性离子含量的填料层4、然后是由穿孔滤板组成的承托层5，在穿孔滤板下是集水层。水流自上而下逐级净化，通过水生植物拦截、吸附、吸收富集少部分污染物，微生物床-生物膜吸附、拦截、分解部分污染物。污水通过由沸石-钢渣-石灰石填充的高吸附性、高反应活性离子含量的填料层4去除大部分氮和磷，使得出水的氮、磷负荷降低，利于后续人工湿地处理效率的提高，从而保证系统的出水水质。出水通过滤板集水系统的收集后自流进入人工湿地系统进行深度处理。由于高吸附性、高反应活性离子含量的填料层4的填料有一定过滤作用，因此在一定的周期内必须进行适度反冲洗，以延长系统的运行寿命，保证系统的处理效率，每格内设置一条反冲洗排水槽7，槽中设置一套反冲洗虹吸排水设备6，反冲洗时启动真空设备的抽水设备，本格停止进水，其它格继续进水，而处理过的清水则会由下而上后通过本格填料层，冲洗出填料层中截留的污染物，反冲洗水经反冲洗排水槽7汇集，由反冲洗虹吸管吸出排走完成反冲洗过程。虹吸反冲洗系统在一定程度上节约了水资源，且节约了动能，反冲洗水可进入湿地处理，不会带来二次污染。

参见图7、图5、图1，本实施例装置分为2组6格，每格独立，并联交替运行，每组底层积水区通过中间的汇水渠而相通，每格底层汇水区每隔1m设置滤梁，滤梁下每隔1m设置支柱，每格底部空间通过支柱间的孔洞相通，底部汇水区高度为0.3m。

参见图7、图6、图5、图2，本实施例装置每格底部滤梁上安装穿孔滤板作为承托层5，穿孔滤板为预制钢筋混凝土板，拼装完成后在滤板上铺设一层尼龙网，穿孔滤板的规格为1000mm×1000mm×120mm，滤板上开Φ30的滤孔，滤孔中心间距为70mm。每格中间在滤板之上设置一条反冲洗排水槽7，渠宽1m，渠高2.9m，置于填料中间。两组中间汇水渠道分为上下两部分，下层为过滤水的汇水渠，两组之间以隔墙分隔；上层为反冲洗水排渠。

参见图7、图5、图3，本实施例中，装置每格穿孔滤板上方填充具有高吸附性、高反应活性离子含量的填料层4，池内自下而上分别充填石灰石填料、钢渣填料、沸石填料。石灰石富含大量钙元素，其离解的钙离子可和水中磷反应形成难溶含磷固溶体，在化学反应和强吸附作用下达到降磷目的，本发明中选用石灰石的粒径范围为32～50mm；钢渣因其具有强吸附性且富含高反应活性离子对水中的有机污染物、重金属离子，尤其对氮、磷均有特定的去除作用，本发明中选用钢渣的粒径范围为16～32mm；沸石具有强吸附性，且所含阳离子易于被其它阳离子交换，可以去除水中部分有机物污染物、重金属离子等，尤其是可去除水中氨氮，本发明中选用沸石的粒径范围为16～32mm。沸石、钢渣、石灰石此三种填料充填的比例为1:1:1，填料总厚度为2.4m，其中石灰石填料层0.8m，钢渣填料层0.8m，沸石填料层0.8m。也可根据进水水质及出水要求适当调整充填比例和相应厚度。

参见图7、图5、图4，本发明装置水面上设置植物浮床层1，浮床采用特制彩钢板复合板材料，模块化单体设计，单元浮块可以拼接，每个单元浮块的规格为500mm×500mm×45mm， 每个单元浮块中间包含1个种植筐，周边连接扣8个，种植筐规格250mm×250mm×250mm，内充填一定量的砂石，种植筐上边缘卡置于浮块中间，方便拆卸，筐内种植风车草、美人蕉、香蒲、水葱等去污能力强的挺水植物，浮块下方周边设置框架，框架下方悬挂微生物床填料层3，作为生物载体，便于生物膜的形成，从而降解一定量的污染物。微生物床填料层3高度为1m，底部垂以重物，以在垂直方向上悬挂住微生物床填料层3，使其免受水流影响。由于每格内需留出反冲洗排渠的通道，因此每格内植物浮床拼装成两大部，沿反冲洗排水槽7两侧用连接套环分别固定于竖立的槽钢上，反冲洗时可随水位上下移动。

参见图7、图6、图4，本发明装置采用虹吸的反冲洗方式，每格内设置一条反冲洗排水槽7，槽中设置一套反冲洗虹吸排水设备6，反冲洗时本格停止进水，其它格继续进水，启动真空设备进行虹吸排水，则其它格内清水则会由下而上后通过本格填料层，冲洗出填料层中截留的污染物，反冲洗水经反冲洗排水槽7汇集，由反冲洗虹设备吸出排走完成反冲洗过程。反冲水可经过排渠收集自流排入后续湿地中进行处理。

在本发明的一个实施例中，作为人工湿地预处理装置处理污水处理厂尾水，处理规模为2万m³/d，本预处理装置填料负荷为6.2m³/m³填料·d，总停留时间为4.6h（填料孔隙率以40%计），有效接触时间为1.6h，进水COD_cr为60 mg/L，BOD₅为20 mg/L，SS为20 mg/L，NH₃-N为8mg/L，TP为1.0mg/L，通过预处理装置后，出水COD_cr为45 mg/L，去除率为20%；出水BOD₅为14 mg/L，去除率为30%，出水SS为10 mg/L，去除率为50%，出水有机物与悬浮物均得到一定程度地去除，而出水NH₃-N为3mg/L，去除率为62.5%；出水TP为0.4mg/L，去除率为60%，可见NH₃-N与TP浓度均得到高效去除，充分证明了本装置对微污染水中的氮和磷具有较高的去除效率。而本实施例中整个系统（预处理装置+人工湿地）的最终出水水质达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水质标准，因此本装置非常适合作为微污染水处理人工湿地的强化脱氮除磷预处理装置。