改进型序批式人工湿地污水处理方法

摘要

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种改进型序批式人工湿地污水处理方法。本发明由湿地植物、基质、人造树根和自控系统组成，通过连续进水、周期落空过程吸入空气，同时净化污水，其具体步骤为：周期开始时，集水干管上电磁阀关闭，布水系统将污水均匀地分布在人工湿地水平断面后以非饱和态向下渗流。随着污水的不断流入，饱和浸润面在基质底部形成并逐渐上升。当饱和浸润面上升到设定水位时，开启集水干管电磁阀，在基质中水的快速泄空过程中，利用基质表面及孔隙间的空气扩散和对流并借助人造树根向基质复氧。电磁阀开启后将延迟一定时间，然后重新关闭电磁阀，处理周期结束。本发明增强了人工湿地大气复氧能力和复氧深度，使人工湿地造价降低20％～30％，并且全自动控制，操作管理十分简单。

说明书

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种改进型序批式人工湿地污水处理方法。

背景介绍

人工湿地是一种典型的污水生态处理技术。由于它具有运行费用低、维护管理简单、对周边环境影响小、可以分散化和小型化建设的特点，在城郊农村地区十分适用。经过近30年的时间，垂直下行流湿地(Vertical Down-flow Wetland，VFW)逐渐成为人工湿地技术发展的主流方向。VFW的主要特点在于：布水系统平铺在湿地上部基质中，把污水均布在湿地水平断面后，污水均匀向下流动，在流动过程中水质得到净化；集水系统平铺在湿地底部基质中，收集均布在湿地水平断面的污水，汇集后排出。通过调节基质浸润深度，VFW可以高浸润面、中浸润面和低浸润面方式运行。由于运行过程中各参数保持不变，VFW工艺属于稳态运行工艺。当采用低浸润面运行时，污水在基质中以非饱和渗流为主，由于该工况有利于大气向基质孔隙扩散，基质中表现为好氧环境，有利于微生物进行硝化反应。当采用高浸润面运行时，污水在基质中以饱和渗流为主，由于该工况不能有效利用大气复氧，而植物泌氧能力有限，因此基质中表现为缺氧环境，有利于微生物进行反硝化反应。当采用中浸润面运行时，兼具前面两种方式的运行特点，但往往硝化过程和反硝化过程均不彻底。只有串连运行不同浸润面的VFW，才能实现脱氮目的。

针对VFW工艺存在的问题，发明人曾经提出动态浸润面设计方法，并发明序批式人工湿地污水处理方法(Cyclic Batch Wetland，CBW)。CBW工艺在形式上与VFW相同，区别在于CBW工艺通过连续进水、周期落空过程净化污水，其具体步骤为：周期开始时，集水干管上电磁阀关闭，布水系统将污水均匀地分布在人工湿地水平断面向下渗流，此时污水在基质中处于非饱和渗流状态，基质孔隙间充满空气，因此提供了一个很好的硝化环境。随着污水在基质底部的不断积累，饱和浸润面形成并且逐渐上升。在浸润面以下，污水处于饱和渗流状态，基质孔隙间被污水充满，因此提供了一个很好的反硝化环境。当饱和浸润面上升到设定水位时，开启集水干管电磁阀，基质中的水排空，通过水在迅速下降过程中产生的负压抽吸空气进入基质空隙间，实现基质大气复氧，污水处理周期结束。由于浸润面周期起伏过程营造的好氧/缺氧环境的时空交替，CBW具备单级脱氮能力。

对比试验表明，对化学需氧量(COD)、氨氮(NH₄⁺-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的平均去除率，高浸润面VFW为50％、21％、32％、-26％；中浸润面VFW为53％、48％、48％、-14％；低浸润面VFW为74％、96％、35％、22％；变浸润面CBW为67％、62％、53％、33％。可见，CBW工艺与VFW工艺比较，具有较大的综合优势。但是，对NH₄⁺-N和TN去除率仍待进一步提高，其根本原因在于大气通过基质孔隙间的扩散和对流作用向底层基质的复氧能力不足。

发明内容

本发明的目的在于针对现存序批式人工湿地(CBW)的缺点，提出一种改进型序批式人工湿地污水处理方法(Modified Cyclic Batch Wetland，MCBW)。

本发明提出的改进型序批式人工湿地污水处理方法，由湿地植物、基质、人造树根和控制系统组成，通过连续进水、周期性落空过程中吸入空气、净化污水，其具体步骤为：周期开始时，集水管上电磁阀关闭，布水系统将污水均匀地分布在基质水平断面，污水向下渗流，由于基质孔隙未被水饱和，污水在孔隙间与空气充分接触，并与微生物、介质和植物根系作用，介质、根系上的微生物处于硝化环境；随着污水不断流入，基质底部形成饱和浸润面，并逐渐上升，饱和浸润面以下，基质孔隙被污水充满，污水缺乏与空气接触机会，并与微生物、介质和植物根系继续作用，介质、根系上的微生物处于反硝化环境；当饱和浸润面上升到设定值时，集水管上的电磁阀开启，基质中水排空的过程中，大气从基质表面孔隙通过扩散和对流进入上层基质并向下扩散；当饱和浸润面低于人造树根支气管以后，大气直接通过人造树根进入底层基质落水后留出的空间并向上扩散；电磁阀关闭，处理周期结束。

本发明中，设定值为预设开阀高度，饱和浸润面上升至布水管2下5～20cm处，电磁阀打开，饱和浸润面降落至人造树根与集水管之间，电磁阀关闭。

本发明中，设定值为预设开阀时间，预设开阀时间为1～10小时，关阀时间为1～60小时。

本发明中，所述湿地植物1为水生或陆生植物，具体可以为香蒲、芦苇、美人蕉、香根草、灯芯草、旱伞草或芦竹等之一种或几种组合。

本发明提出的改进型序批式人工湿地，由湿地植物1、布水管2、人造树根气管3、人造树根支气管6、基质12、集水管9和自控系统组成，其中，自控系统由开闭控制设备7和电磁阀8组成，开闭控制设备7依次由水位探头、时间继电器、单片机经电路连接组成，布水管2位于基质12表面下5～20cm，集水管9位于基质12的底部，集水管9连接电磁阀8，基质12的表面种植湿地植物1，人造树根气管3、人造树根支气管6分别位于基质12内。

本发明中，所述开闭控制设备7采用双位时间继电器。

本发明中，污水净化过程在基质12中完成，基质中含有植物根系、介质4和微生物，污水在基质中的饱和自由水面可以占据不同的位置，称为浸润面。

本发明中，所述基质12中的介质4由颗粒状材料组成，采用均质级配或者粗-细-粗级配，自下而上依次由大砾石、下层小砾石、粗砂、上层小砾石组成，大砾石厚度为100～150mm，粒径为30～50mm，下层小砾石厚度为100～300mm，粒径为5～15mm；粗砂厚度为300～500mm，粒径为0.5～5mm；上层小砾石厚度为0～500mm，粒径为5～15mm。

本发明中，所述基质12表面设有覆盖层，覆盖层厚度为0～150mm，覆盖层采用土壤或砾石与土壤混合物。

本发明中，所述基质12中的介质4由颗粒状材料组成，具体可以为土壤、细沙、粗砂、砾(碎)石、沸石、陶粒、碎瓦片、灰渣、高炉渣、钢渣或无烟煤等中的一种或几种组成。

本发明的优点如下：

1、通过人造树根提高大气复氧强度，进一步提高了湿地的单级脱氮能力；

2、通过人造树根缩小大气复氧所需面积并延伸大气复氧深度，使湿地面积降低30％以上，湿地介质总材料减少20％以上。

3、开闭控制设备由水位探头与时间继电器或双位时间继电器组成，可以在饱和浸润面降落到预设关阀高度后，延迟开阀以实现大气对基质的深度补氧。

本发明提出的改进型序批式人工湿地污水处理方法MCBW以浸润面上下起伏、利用基质表面及孔隙间的空气扩散和对流并借助人造树根向基质复氧，整合了低浸润面垂直流湿地和高浸润面垂直流湿地的优势，在CBW基础上进一步增强了大气复氧能力和复氧深度，从而使湿地造价降低20％～30％，并且自控系统可以根据基质堵塞情况自动调节落空时间，增强大气复氧，在实现单级湿地脱氮的同时实现对堵塞的预防和调节。该发明全自动控制，操作管理十分简单。

附图说明

图1为本发明的结构图示。

图中标号：1为湿地植物，2为布水管，3为人造树根气管，4为介质，5为通过人造树根的大气复氧，6为人造树根支气管，7为开闭控制设备，8为电磁阀(由开闭控制设备控制启闭)，9为集水管，10为下渗水流，11为通过基质孔隙的大气复氧，12为基质，I为非饱和区，II为饱和浸润面，III为饱和区。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1，改进型序批式人工湿地MCBW处理城市生活污水，原水化学需氧量(COD)为400mg/L，生化需氧量(BOD)为200mg/L，氨氮(NH₄⁺-N)为25mg/L，总氮(TN)为40mg/L，总磷(TP)为5mg/L，悬浮固体(SS)为200mg/L。原水经化学一级强化后进入MCBW，表面种植芦苇，基质总厚度1500mm，由下至上分别是：标高0～150mm为大砾石垫层，粒径为30～50mm；标高150～450mm为下层小砾石，粒径为5～15mm；标高450～950mm为粗砂，粒径为0.5～1.5mm；标高950～1400mm为上层小砾石，粒径为5～15mm；标高1400～1500mm为表面覆盖的小砾石与当地泥土1∶1混合物。布水管中心标高1250mm，集水管中心标高50mm，人造树根支气管中心标高200mm。自控系统由水位探头、时间继电器、电磁阀和单片机组成。当饱和浸润面上升到1050mm，打开电磁阀并启动时间继电器6小时后关闭电磁阀。运行水力负荷0.3m³/m².d，通过该MCBW的处理，出水达到GB18918-2002中一级B标准。

实施例2，改进型序批式人工湿地MCBW处理农村低浓度生活污水，原水化学需氧量(COD)为200mg/L，生化需氧量(BOD)为100mg/L，氨氮(NH₄⁺-N)为15mg/L，总氮(TN)为20mg/L，总磷(TP)为3mg/L，悬浮固体(SS)为100mg/L。原水经化学一级强化后进入MCBW，表面种植香根草、美人蕉和香蒲，基质总厚度1400mm，由下至上分别是：标高0～150mm为大砾石垫层，粒径为30～50mm；标高150～450mm为下层小砾石，粒径为5～15mm；标高450～850mm为粗砂，粒径为0.5～1.5mm；标高850～1300mm为上层小砾石，粒径为5～15mm；标高1300～1400mm为表面覆盖的小砾石与当地泥土1∶1混合物。布水管中心标高1250mm，集水管中心标高50mm，人造树根支气管中心标高200mm。自控系统由双位时间继电器和电磁阀组成，预设关阀时间9～17小时，开阀时间1～6小时。运行水力负荷0.6m³/m².d，通过该MCBW的处理，出水达到GB18918-2002中一级B标准。