一种间歇式运行的垂直流人工湿地增氧脱氮系统

摘要

本发明公开了一种间歇式运行的垂直流人工湿地增氧脱氮系统，包括通过水泵与进水总管连接的自动增氧系统，其特征在于，所述自动增氧系统包括与水泵连接的带有雾化喷头的喷淋布水管，喷淋布水管水平设于垂直流人工湿地上方；垂直流人工湿地内设有均匀分布的垂直布置的多孔充气管及反硝化排气管；垂直流人工湿地的底部与出水总管连接。本发明通过一组垂直插入人工湿地的多孔充气管，为湿地中上部硝化区域提供富氧环境；通过喷淋布水管增加进水与大气接触时间及面积，形成富氧进水，增强湿地硝化脱氮；通过操控反硝化排气管上端开关，在进水时可快速排出底部反硝化区域的反硝化气体，增强湿地反硝化脱氮，大大提高了垂直流人工湿地脱氮的效果。

说明书

技术领域

本发明属于环境工程污水处理技术领域，具体涉及一种间歇式运行的垂直流人工湿地增氧脱氮系统，适用于生活污水、面源污水、受污染地表水及高浓度氨氮废水的处理。 

背景技术

在水体富营养化日趋严重的背景下，水环境氮污染治理和污废水脱氮处理成为目前水处理领域的研究热点。人工湿地作为一种生态化、低成本的水处理技术，目前在国内外已被广泛应用于污废水的脱氮处理。人工湿地中存在多种脱氮机理，其中微生物硝化/反硝化作用被普遍认为是最主要的脱氮机理，湿地中氮的去除分两步进行：第一步是氨氧化成硝氮，即硝化作用；第二步是硝氮被还原成N2O或N2，即反硝化作用。硝化作用是好氧过程，主要由亚硝化细菌和硝化细菌来完成；而反硝化过程则在缺氧条件下由反硝化细菌来完成。一般人工湿地内植物和大气的复氧作用较弱，系统内通常整体是厌氧的，单一的氧环境导致湿地内生物脱氮过程不畅。因此，需要研究如何同时增强湿地硝化及反硝化过程，从而保证湿地硝化和反硝化这一重要脱氮机制的畅通。 

当前主要研究集中在如何利用增氧措施加强湿地硝化作用，从而提高湿地脱氮效果。人工湿地的增氧方式主要有设置通气管和动力增氧两种方式，这两种增氧方式均有以下不足：1.通气管是空气自流换气，空气传递效率不高。2.利用空气压缩机连续或间歇向湿地系统中的开孔管进行强化通气，成本过高，也增加了湿地系统的配套基建投资。另外，这两种增氧方式都是直接将开孔通气管埋在湿地系统的基质中，细小的沙砾极易堵塞通气管的开孔，且两种增氧方式只是考虑了增强湿地硝化作用，但并未真正意义上将污水中的氮从水体中脱除，而反硝化作用才是最终将氮元素转化成N₂O或N₂排出水体的。 

发明内容

本发明所要解决的是现有增氧脱氮系统空气传递效率不高且无法彻底将污水中的氮从水体中脱除的技术问题。 

为了解决上述问题，本发明提供了一种间歇式运行的垂直流人工湿地增氧脱氮系统，包括通过水泵与进水总管连接的自动增氧系统，其特征在于，所述自动增氧系统包括与水泵连接的带有雾化喷头的喷淋布水管，喷淋布水管设有雾化喷头的部分水平设于垂直流人工湿地上方；垂直流人工湿地内设有均匀分布的垂直布置的多孔充气管及反硝化排气管；垂直流人工湿地的底部与出水总管连接。 

优选地，所述喷淋布水管由主管及从主管延伸出的平行的支管组成，雾化喷头设于支管上且向上布置，从雾化喷头喷出的水与大气接触形成富氧进水；相邻支管之间的距离为20～25cm；雾化喷头的直径为15～20mm，雾化状态下覆盖面积为0.5～4.0m，水流量为30～215L/H，相邻雾化喷头之间的距离为10～15cm。 

优选地，所述的垂直流人工湿地由从上至下的覆盖层、滤料层、排水层及防渗层覆合而成，出水总管与排水层连通；多孔充气管的底端设于滤料层内，多孔充气管在垂直流人工湿地的排水中通过大气压力而自动充入氧气，氧气顺着多孔充气管向上进入由覆盖层和滤料层覆合而成的硝化区域内，为硝化区域供氧；反硝化排气管上的气孔设于底段，设有气孔的管段设于排水层内，排水层产生的反硝化气体挥发进入反硝化排气管内，从反硝化排气管顶部排出。 

优选地，所述垂直流人工湿地中种植有湿地植物，湿地植物的种植密度为2～3株/m²。 

优选地，所述湿地植物为菖蒲、水生美人蕉和香蒲中的任意一种或几种。 

优选地，所述排水层采用砾石碎石床；所述防渗层采用防渗混凝土。 

优选地，所述多孔充气管的分布密度为1～2个/m²，多孔充气管上充气孔的孔径为5～7mm，孔间距为5～10mm，管外壁包覆有纱网。 

优选地，所述反硝化排气管的分布密度为1～2个/m²，反硝化排气管上气孔的孔径为5～7mm，孔间距为5～10mm，气孔段管外壁包裹有纱网。 

优选地，所述反硝化排气管从垂直流人工湿地露出的部分设有开关。 

优选地，所述垂直流人工湿地采用间歇式运行；进水时，出水总管关闭，反硝化排气管上端开关打开，排水层产生的反硝化气体从反硝化排气管上部管口排出，同时水流进入反硝化排气管内；排水时，进水总管关闭，反硝化排气管上端开关关闭，当垂直流人工湿地系统水位低于排气管底部的开孔位置时，其内部水流下泄并再次进入排水层内，排气管上部由从管底开孔处进入的空气补充。 

本发明弥补了现有技术所存在的不足，提供的一种间歇式运行的垂直流人工湿地增氧脱氮系统结构简单，利用一组垂直插入人工湿地的多孔充气管，在垂直流人工湿地排水过程中通过大气压力而自动充入氧气，为湿地中上部硝化区域提供富氧环境。通过一组向上开孔的喷淋布水管增加进水与大气接触时间及面积，形成富氧进水，增强湿地硝化脱氮；此外，通过操控反硝化排气管上端开关，在进水时可快速排出底部反硝化区域的反硝化气体，增强湿地反硝化脱氮，且通过同时增强湿地硝化及反硝化脱氮过程，大大提高了垂直流人工湿地脱氮的效果。 

与先有技术相比，本发明的有益效果在于： 

1.本发明利用一组垂直插入人工湿地的多孔充气管，在垂直流人工湿地的排水中通过大气压力而实现自动充氧的效果，为湿地中上部硝化区域提供富氧环境；同时，利用水平架设在垂直流人工湿地基质层上方的喷淋布水管，通过向上喷淋布水的方式增加进水与大气接触时间及面积，形成富氧进水，增强湿地硝化脱氮；该自动增氧系统结构简单、制造安装方便，且不易造成布水管上开孔堵塞。 

2.本发明使用的反硝化排气管，结构简单、制造安装方便，通过操控反硝化排气管上端开关，在进水时可快速排出底部反硝化区域的反硝化气体，增强湿地反硝化脱氮。 

3.本发明通过应用多孔充气管、向上喷淋布水管及反硝化排气管，实现了同时增强湿地硝化及反硝化脱氮过程，从而保证湿地硝化和反硝化这一重要脱氮机制的畅通。 

附图说明

图1为本发明提供的一种间歇式运行的垂直流人工湿地增氧脱氮系统的结构示意图； 

图2为图1的俯视图； 

图3为反硝化导气管的结构示意图； 

图4为多孔充气管的结构示意图。 

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。 

如图1-4所示，为本发明提供的一种间歇式运行的垂直流人工湿地增氧脱氮系统的结构示意图，包括通过水泵2与进水总管1连接的自动增氧系统，其 特征在于，所述自动增氧系统包括与水泵2连接的带有雾化喷头6的喷淋布水管3，喷淋布水管3设有雾化喷头6的部分水平设于垂直流人工湿地12上方；喷淋布水管3由主管及从主管延伸出的平行的支管组成，雾化喷头6设于支管上且向上布置，从雾化喷头6喷出的水与大气接触形成富氧进水，向上喷淋布水的方式增加进水与大气接触时间及面积，增强湿地硝化脱氮；相邻支管之间的距离为20～25cm；雾化喷头6的直径为15～20mm，雾化状态下覆盖面积为0.5～4.0m，水流量为30～215L/H，相邻雾化喷头6之间的距离为10～15cm。 

垂直流人工湿地12由从上至下的覆盖层8、滤料层9、排水层10及防渗层11覆合而成，出水总管13与排水层10连通。垂直流人工湿地12内设有均匀分布的垂直布置的多孔充气管4及反硝化排气管5。多孔充气管4的底端插入滤料层9内，多孔充气管4在垂直流人工湿地12的排水中通过大气压力而自动充入氧气，氧气顺着多孔充气管4进入由覆盖层8和滤料层9覆合而成的硝化区域内，为硝化区域供氧；反硝化排气管5上的气孔设于底段，设有气孔的管段设于排水层10内，排水层10产生的反硝化气体挥发进入反硝化排气管5内，从反硝化排气管5顶部排出。垂直流人工湿地12中种植有湿地植物7。湿地植物7可采用菖蒲、水生美人蕉和香蒲中的任意一种或几种。排水层10采用砾石碎石床；防渗层11采用防渗混凝土。 

如图4所示，多孔充气管4的分布密度为1～2个/m²，多孔充气管4上充气孔的孔径为5～7mm，孔间距为5～10mm，管外壁包覆有纱网。 

如图3所示，反硝化排气管5的分布密度为1～2个/m²，反硝化排气管5上气孔的孔径为5～7mm，孔间距为5～10mm，气孔段管外壁包裹有纱网。反硝化排气管5从垂直流人工湿地12露出的管段上安装一个开关。 

污水由进水总管1通过水泵2导入垂直流人工湿地12，通过架设在垂直流人工湿地12覆盖层8上方的喷淋布水管3进行布水；垂直流人工湿地12采用间歇式运行；进水时，出水总管13关闭，反硝化排气管5上端开关打开，排水层10产生的反硝化气体从反硝化排气管5上部管口排出，同时水流进入反硝化排气管5内；排水时，进水总管1关闭，反硝化排气管5上端开关关闭，当垂直流人工湿地12系统水位低于排气管5底部的开孔位置时，其内部水流下泄并再次进入排水层10内，排气管5上部由从管底开孔处进入的空气补充。 

本发明通过调控系统水位及水压使底部排水层10产生的反硝化气体挥发进入反硝化排气管5内，利用反硝化排气管5上部的开关在下一个运行周期内快速排出反硝化气体，增强湿地反硝化脱氮。 

实施例1 

垂直流人工湿地12的尺寸为：长×宽×高＝2m×1m×1m。垂直流人工湿地12中种植有6株湿地植物7水生美人蕉。垂直流人工湿地12上方的喷淋布水管3设有6根支管，相邻支管之间的距离为20cm，每根支管上设有5个直径为15mm的雾化喷头6，相邻雾化喷头6之间的距离为15cm，雾化喷头6为铜4分可调雾化喷头，购自诸暨绿茵园林机械厂。垂直流人工湿地12中共设置4根反硝化排气管5和4根多孔充氧管4，反硝化排气管5上气孔的孔径为5mm，孔间距为7mm，气孔段管外壁包裹有纱网。反硝化排气管5从垂直流人工湿地12露出的管段上安装一个开关。多孔充气管4上充气孔的孔径为5mm，孔间距为7mm，管外壁包覆有纱网。进水NH₄⁺-N浓度为10～20mg/L，NO₃^--N浓度为10～20mg/L，TN浓度为25～40mg/L，测定结果NH₄⁺-N、NO₃^--N、TN的平均去除率为85.0％、98.0％、86.0％。出水氨氮和总氮质量浓度达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)一级A排放标准，系统脱氮能力比传统垂直流人工湿地提高近一倍。 

实施例2 

垂直流人工湿地12的尺寸为：长×宽×高＝6m×3m×2m。垂直流人工湿地12中种植有36株湿地植物7水生美人蕉。垂直流人工湿地12上方的喷淋布水管3设有20根支管，相邻支管之间的距离为20cm，每根支管上设有15个直径为20mm的雾化喷头6，相邻雾化喷头6之间的距离为15cm，雾化喷头6为铜4分可调雾化喷头，购自诸暨绿茵园林机械厂。垂直流人工湿地12中共设置18根反硝化排气管5和18根多孔充氧管4，反硝化排气管5上气孔的孔径为7mm，孔间距为9mm，气孔段管外壁包裹有纱网。反硝化排气管5从垂直流人工湿地12露出的管段上安装一个开关。多孔充气管4上充气孔的孔径为7mm，孔间距为9mm，管外壁包覆有纱网。进水NH₄⁺-N浓度为30～38mg/L，NO₃^--N浓度为10～20mg/L， TN浓度为45～60mg/L，测定结果NH₄⁺-N、NO₃^--N、TN的平均去除率为87.0％、96.0％、90.0％。出水氨氮和总氮质量浓度达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)一级A排放标准，系统脱氮能力比传统垂直流人工湿地提高近一倍。