一種強化處理低C/N比廢水的An/O型複合人工溼地系統的製作方法

2023-12-01 18:29:06 2

專利名稱：一種強化處理低C/N比廢水的An/O型複合人工溼地系統的製作方法
技術領域：
本發明專利涉及ー個低碳氮比廢水同步脫碳氮除磷的An/0型複合人工溼地系統。屬於水汙染控制領域。
背景技術：
近年來，隨著經濟的發展，エ業、農業和城市生活汙水中氮磷元素(尤其是氨氮) 的含量越來越高。大量的氮磷廢水未經適當處理直接排入水體，嚴重汙染了水體環境，導致大量河流湖泊嚴重富營養化，沿海赤潮頻繁發生，對人類健康也帶來了嚴重危害，進ー步加劇了我國水資源短缺的矛盾，嚴重製約著可持續發展戰略的實施。其中最重要的汙染物-一氨氮來源廣泛，含量大，除生活汙水、畜禽養殖廢水外，大量的エ業廢水，如煉油廢水、食品エ業廢水、垃圾填埋場滲濾液、以及汙泥脫水液等都含有大量的氨氮，很多種類的廢水不僅氮磷含量較高，而且多數情況下C/N比很低，給氨氮的無害化處理帶來了很多困難。傳統的生物脫氮除磷方法在汙水治理方面起到了一定的作用，但仍存在很多缺陷。如氨氮完全硝化需消耗大量的氧，增加了動カ消耗；對C/N比較低的廢水或者高碳氮磷廢水，需外加有機碳源；好氧生物除磷過程増加了動カ消耗且會產生大量的剩餘汙泥； 整個處理工藝流程較長，佔地面積大且基建投資高等。近幾年發展的幾種新型的生物脫氮除磷エ藝雖然具有降低能耗，節省碳源，汙泥產量少佔地小等優點，但新エ藝對廢水水質條件要求苛刻，處理設備構造和操作較複雜，建設和運行成本依然很高，且系統生物持有量較低，運行不穩定，易受外界環境條件影響且設備中不同功能微生物容易相互影響，處理效率低下。而人工溼地作為ー種20世紀70年代發展起來的新型汙水處理工藝，以其「一高三低 ー不」的特點(即高效率、低投資、低運轉費用、低維持技術和基本不耗電)引起了越來越多的關注，是正在不斷得到應用和發展的面源、點源汙染處理實用新技術。但其本身也存在著佔地面積大、氮、磷去除負荷低等問題，且單級人工溼地系統已難以達到汙水深度處理的要求。因此，隨著國家節能減排法規的實施和汙水生態處理的不斷深入研究，針對目前低C/N比廢水處理難度高的情況，研究和開發結構簡單、建設和運行成本低、多功能、低耗高效、易操作管理、運行穩定、能夠實現同步脫碳氮除磷的新型多級複合式串聯人工溼地系統，已成為汙水脫碳氮除磷生態處理發展的必然途徑。

發明內容
本發明專利的目的在於提供一種能夠實現低碳氮比廢水的同步脫碳氮除磷的An/ 0型複合人工溼地系統。本發明專利利用水平潛流人工溼地(HSSF)較強的反硝化能力和垂直潛流人工溼地(VSSF)較強的硝化能力，採用回流裝置將兩個獨立的人工溼地系統串聯， 借鑑活性汙泥エ藝當中的前置反硝化生物脫氮エ藝(即An/0エ藝)，可充分利用汙水當中的有機碳源，有效地提高系統的脫氮效率並平衡系統酸鹼度。在垂直潛流人工溼地(VSSF)系統中，通過出水水位調節管調節系統內水位將整個基質填料層分為飽和層和非飽和層， 通過在其中實現好氧氨氧化菌(AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(NOB)和厭氧氨氧化菌(Anammox)的有效協作進ー步提高系統當中的氨氮去除率，並豐富系統當中氮素去除的路徑。在水平潛流人工溼地(HSSF)和垂直潛流人工溼地(VSSF)當中設置多功能複合填料層，其中摻加了沿海地區特有的海蠣殼(oyster shells)顆粒和碎磚塊強化對汙水當中磷素的去除。最終成功實現廢水中碳、氮、磷元素的同步去除，相比於其他處理設備具有絕對優勢。本發明專利具有處理效率高，結構簡單，運行穩定，操作靈活，不易堵塞，無需外加有機碳源和鹼度以及運行費用較低等優點。本發明專利由沉澱池、水平潛流人工溼地(HSSF)、垂直潛流人工溼地(VSSF)和回流池組成汙水處理系統。水平潛流人工溼地(HSSF)長寬比為3 1 2 1，基質填料層分為三層，自上而下分別為紅壤層(混合河砂和腐殖土)、多功能複合填料層(混合海蠣殼顆粒、碎磚塊和膨脹蛭石)、礫石層，水平潛流人工溼地(HSSF)採用穿孔管布水，其前後端分別填充礫石作為布水區和集水區。布水區、基質填料層和集水區之間設置導流板進ー 步導流布水，在水平潛流人工溼地(HSSF)進水處設置回流管與回流池中的回流泵相連接。 溼地當中種植蘆葦或者香蒲等根系泌氧能力強的草本植物，通過植物吸收去除一部分的氮磷元素。垂直潛流人工溼地(VSSF)高度應> 60cm，基質填料層分為三層，自上而下分別為 河砂層(混合紅壤和腐殖土)、多功能複合填料層(混合海蠣殼顆粒、碎磚塊、沸石和膨脹蛭石)、礫石層，垂直潛流人工溼地(VSSF)採用穿孔管表面均勻布水，出水採用出水水位調節管，可在垂直潛流人工溼地(VSSF)的基質填料層當中創造飽和層與非飽和層，利用好氧氨氧化菌(AOB)、厭氧氨氧化菌(Anammox)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的共同協同作用，豐富溼地當中的脫氮途徑。溼地當中種植蘆葦或香蒲，通過植物吸收去除一部分的氮磷元素。回流池當中設置回流泵，可將垂直潛流人工溼地(VSSF)的出水(硝化液)回流入水平潛流人 エ溼地(HSSF)強化其反硝化的能力。回流比可由回流泵流量控制。汙水和回流硝化液分別從沉澱池和回流池由計量泵泵入水平潛流人工溼地(HSSF)。本發明專利的輔助部分1.水樣採集管為了考察水平潛流人工溼地(HSSF)和垂直流人工溼地(VSSF)在運行過程中對汙水中各個汙染物指標的去除情況，在水平潛流人工溼地(HSSF)和垂直流人工溼地(VSSF) 基質填料層中的特定位置埋設多孔PVC管作為水樣採集管，以方便分析系統對汙水的處理效果，經驗表明長期運行後水樣採集管有堵塞的危險，因此在水樣採集管外表面包裡防止堵塞的網膜是必需的，以保證水樣的正常採集。2.布水區 為保證水平潛流人工溼地(HSSF)布水均勻，在水平潛流人工溼地(HSSF)進水端設置布水區，布水區內填充粒徑均勻的大塊礫石，進水在布水區內均勻分布後水平推流至溼地出水端。布水區的設置可有效減少水平潛流人工溼地內的水力死區，保證系統內良好的水力流態，使進水中的汙染物得到充分降解。3.集水區為保證水平潛流人工溼地(HSSF)集水均勻，減少系統內的水力死區，在水平潛流人工溼地(HSSF)出水端設置集水區，集水區內填充粒徑均勻的大塊礫石，處理後的廢水在集水區內被均勻收集而後通過出水管排出。集水區的設置可保證系統內良好的水力流態， 並防止溼地末端出現雍水現象。4.導流板為了保證溼地內部良好的水力流態以及布水區和集水區的穩定性，在布水區、填料層和集水區之間設置導流板。廢水經過布水區後通過導流板更加均勻的分配入填料層， 並通過集水區導流板均勻收水，且導流板的設置可保證布水區和集水區的穩定性，防止填料層的小粒徑顆粒堵塞布水區和集水區進而影響其布水和收水功能。5.溢流設施為了防止雨季時暴雨對系統的衝擊，在調節池、水平潛流人工溼地、垂直潛流人工溼地和回流池當中都設置有溢流管，當暴雨導致水力負荷過大時，汙水可直接從溢流管流走，以保護本汙水處理系統免受衝擊。6.材料選用在試驗和實際生產中，可以根據具體情況選定相應的材質實驗室小試規模可選用有機玻璃或PVC板材等材料，中試或更大規模可採用鋼混結構或磚混結構等。本發明專利的啟動和穩定運行部分1.設備的組裝為了取得高的汙水處理效率，必須把各個子系統和ー些其他附屬設施組合連接起來，組成一套完整的汙水處理系統。其中的附屬設施包括其本身的，諸如在人工溼地當中的特定位置埋設水樣採集管、ORP電極和DO電極；通過管路把回流泵和回流管相連接使得回流池內的硝化液回流入水平潛流人工溼地為其反硝化作用提供電子受體，確保汙水處理系統的順利進行。還有ー些是設備以外的，如配電箱與系統的連接、自控系統參數的設定等， 把附件與本發明專利組合在一起從而構成了一套完整的水處理工藝。2.多功能複合填料的填充系統啟動吋，由於水平潛流人工溼地(HSSF)和垂直潛流人工溼地(VSSF)功能不同，因此不同人工溼地當中填充的複合填料成分也不同。水平潛流人工溼地(HSSF)當中自上而下填料層為紅壤層(混合河砂和腐殖土)、多功能複合填料層(混合海蠣殼顆粒、碎磚塊和膨脹蛭石)、礫石層；布水區和集水區區域內填充礫石以均勻布水，並在布水區、複合填料區和集水區之間設置導流板以均勻布水；垂直潛流人工溼地(VSSF)當中自上而下填料層為河砂層(混合紅壤和腐殖土)、多功能複合填料層(混合海蠣殼顆粒、碎磚塊、沸石和膨脹蛭石)、礫石層。3.設備的啟動當設備組裝、填料填充工作完成之後，可以準備啟動系統。設備啟動時宜採用人工模擬廢水以減少其他因素的影響，探明本發明專利啟動時實現汙水碳氮磷同步去除的關鍵參數控制條件，包括水平潛流人工溼地(HSSF)的反硝化能力、有機物去除情況、磷素的去除情況；垂直潛流人工溼地(VSSF)的硝化能力，調節出水水位時的厭氧氨氧化情況以及氮素遷移轉化的多祥性，不同回流比對系統氮素脫除的影響等。用計量泵把人工模擬廢水泵入該設備的進水口，同時回流裝置也都開始運行。4.設備運行過程中出水指標的監測エ藝參數的確定及工程調控。在設備運行過程中，一些汙染物指標如COD、BOD、NH/-N、Ν03:Ν、Ν02:Ν、PO廣-P、TN和TP等參數可反映本發明專利對廢水的處理效果和運行狀態，通過監測可從宏觀判斷系統中水平潛流人工溼地(HSSF)和垂直潛流人工溼地(VSSF)對汙染元素的去除情況以及隨控制條件的變化情況。NH4+-N、N03--N、N02--N、TN和N2O可反映垂直潛流人工溼地(VSSF)當中氮素的脫除和氮素的遷移轉化路徑，探討提高溼地系統氮素脫除的能力。按照一定濃度梯度逐步提高原水中各汙染物的濃度以提高本發明專利的汙染物負荷，增強其處理能力。 通過對DO、pH值和氧化還原電位(ORP)等參數的調控可優化反應設備的運行狀態。5.設備的穩定運行在反應器啟動成功以後，通過穩定維護運行，保證各種運行參數穩定。之後可通過泵入實際廢水考察本發明專利在實際中的應用。本發明專利與現有技術相比具有以下優點1.氮素去除率高，無需外加碳源，運行費用低。本發明專利在運行過程中，垂直潛流人工溼地(VSSF)處理後的硝化液經回流池由回流泵回流入水平潛流人工溼地(HSSF) 中，利用水平潛流人工溼地(HSSF)進水當中的有機碳源進行反硝化作用，充分利用了進水中的有機碳源。水平潛流人工溼地(HSSF)出水進入垂直潛流人工溼地(VSSF)後，由於垂直流人工溼地(VSSF)中的出水水位調節管將溼地分為飽和層和非飽和層，因此汙水當中的氨氮由於溼地當中溶解氧濃度(DO)的差異，部分氨氮分別轉化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，此吋，好氧氨氧化菌(AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(NOB)和厭氧氨氧化菌(Anammox)通過協同作用將大部分的氨氮氧化去除。因此，本發明專利可將有機碳源的消耗量降到較低的水平，且無需人工曝氣，大大減少了運行費用。2.通過出水水位調節管調節出水水位實現了垂直潛流人工溼地(VSSF)當中好氧氨氧化菌(AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(NOB)和厭氧氨氧化菌(Anammox)三種功能微生物的有效協同，從而實現了汙水中氨氮的有效去除，豐富了溼地當中氮素的遷移轉化途徑。在溼地填料層當中創造非飽和與飽和的環境，利用溶解氧(DO)梯度在溼地當中實現好氧氨氧化菌 (AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(NOB)和厭氧氨氧化菌(Anammox)的耦合好氧氨氧化菌(AOB)可將氨氮氧化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽氧化菌(NOB)可將亞硝酸鹽進一歩氧化為硝酸鹽，厭氧氨氧化菌(Anammox)可利用亞硝酸鹽將氨氮還原為隊，因此，本發明專利中的垂直流人工溼地(VSSF)利用其獨特的結構特點和運行方式，實現了三種功能微生物的有效協同，大大增強了氨氮的脫除效率。3.磷素去除率高，生物持有量高。本發明專利分別在水平潛流人工溼地(HSSF)和垂直潛流人工溼地(VSSF)當中設置紅壤層(混合河砂和腐殖土)、多功能複合填料層(混合海蠣殼顆粒、碎磚塊和膨脹蛭石)和河砂層(混合紅壤和腐殖土)、多功能複合填料層 (混合海蠣殼顆粒、碎磚塊、沸石和膨脹蛭石)，這些基質填料層當中分別含有較高的AlJe 和Ca元素，有利於汙水當中磷素的吸附沉澱去除，且所用填料比表面積均較大，有利於生物膜的生長附著，提高了本發明專利當中的生物持有量，從而提高了本發明專利對汙水的處理效果。


圖1、圖2是本發明專利的平面圖和剖面圖，具體細節詳見說明書附圖。該設備在運行過程中，通過進水泵從沉澱池中精確的把底物(低碳氮比廢水或者高碳氮磷廢水)泵入水平潛流人工溼地(HSSF)的進水口，廢水在水平潛流人工溼地(HSSF) 的填料層中水平推流，而後水平潛流人工溼地(HSSF)出水通過表面布水方式進入垂直潛流人工溼地(VSSF)，通過出水水位調節管出水之後進入回流池，由回流泵將回流液泵入水平潛流人工溼地(HSSF)。
具體實施例方式本發明專利包括沉澱池1、出水泵2、水平潛流人工溼地(HSSF) 3、垂直潛流人工溼地(VSSF) 4、回流池5、回流泵6、溢流管7、多孔水樣採集管8。
具體實施方式
一沉澱池1出水由出水泵2通過出水管1-1進入水平潛流人工溼地(HSSF) 3，通過進水管3-1進入布水區3-2均勻布水，再經導流板3_3導流之後進入填料層3-4，在集水區3-5通過出水管3-6進入垂直潛流人工溼地(VSSF) 4，通過垂直潛流人工溼地(VSSF) 4的表面布水管4-1均勻布水，汙水流經填料層4-2之後在集水區4_3通過出水水位調節管4-4流入回流池5，回流液由回流泵6回流入水平潛流人工溼地(HSSF) 3的回流管3-7，進而進行反硝化作用。
具體實施方式
ニ 結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式在垂直潛流人工溼地(VSSF) 4設置有出水水位調節管4-4，出水水位調節管4-4通過調節水位可在垂直潛流人 エ溼地(VSSF)4中的填料層4-2中創造非飽和層和飽和層，從而實現好氧氨氧化菌(AOB)、 亞硝酸鹽氧化菌(NOB)和厭氧氨氧化菌(Anammox)三種功能微生物的有效協同，豐富系統當中氮素脫除的途徑，大大提高本發明專利的氨氮去除效率。
具體實施方式
三結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式中的回流泵6可調節回流液流量，實現系統不同的回流比，進而優化水平潛流人工溼地(HSSF)3的反硝化能力，並充分利用進水當中的有機碳源，進ー步保證本發明專利較高的脫氮效率。
具體實施方式
四結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式在水平潛流人工溼地(HSSF)當中設置有布水區3-2、集水區3-5和導流板3_3，沉澱池1進水由進水泵2通過水平潛流人工溼地(HSSF) 3的進水管3-1進入布水區3-2，並通過導流板3_3進ー步將進水均勻分布於填料層3-4橫截面，而後通過集水區3-5均勻收水，有效減少了水平潛流人工溼地(HSSF)3的水力死區，保證了溼地內部良好的水力流態。其他組成及連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式在水平潛流人工溼地(HSSF) 3和垂直潛流人工溼地(VSSF) 4中填充複合填料層3_4和4_2，複合填料層中填充了碎磚塊和沿海地區特有的海蠣殼顆粒，並在其中摻加了氨氮吸附能力良好的沸石和磷素吸附能力良好的膨脹蛭石，從而保證了較高的磷素和氮素去除率，且由於所選用填料均具有較大的比表面積，有利於生物膜的生長附著，大大提高了系統的生物持有量。其他組成及連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式増加有溢流管7， 當系統遭受暴雨衝擊或水力負荷較大時，沉澱池1、水平潛流人工溼地(HSSF) 3、垂直潛流人工溼地(VSSF) 4和回流池5均可利用各自的溢流管7降低系統受衝擊程度，保證本發明專利的有效運行。
權利要求
1.一種強化處理低C/N比廢水的An/0型複合人工溼地系統，其特徵在於沉澱池(1) 出水由出水泵( 通過出水管(1-1)進入水平潛流人工溼地(HSSF) (3)，通過進水管(3-1) 進入布水區(3- 均勻布水，再經導流板(3- 導流之後進入填料層(3-4)，在集水區 (3-5)通過出水管(3-6)進入垂直潛流人工溼地(VSSF) ，通過垂直潛流人工溼地(VSSF) (4)的表面布水管(4-1)均勻布水，汙水流經填料層(4- 之後在集水區(4- 通過出水水位調節管(4-4)流入回流池(5)，回流液由回流泵(6)回流入水平潛流人工溼地(HSSF) (3) 的回流管(3-7)，進而進行反硝化作用。
2.根據權利要求1所述的ー種強化處理低C/N比廢水的An/0型複合人工溼地系統，其特徵在於它在垂直潛流人工溼地(VSSF) (4)設置有出水水位調節管G-4)，出水水位調節管(4-4)通過調節水位可在垂直潛流人工溼地(VSSF) (4)中的填料層(4- 中創造非飽和層和飽和層。
3.根據權利要求1所述的ー種強化處理低C/N比廢水的An/0型複合人工溼地系統，其特徵在於它的回流泵(6)可調節回流液流量，實現系統不同的回流比。
4.根據權利要求1所述的ー種強化處理低C/N比廢水的An/0型複合人工溼地系統，其特徵在於它在水平潛流人工溼地當中設置有布水區(3-2)、集水區(3- 和導流板(3-3)， 沉澱池(1)進水由進水泵( 通過水平潛流人工溼地(HSSF) (3)的進水管(3-1)進入布水區(3-2)，並通過導流板(3- 進ー步將進水均勻分布於基質填料層(3-4)橫截面，而後通過集水區(3- 均勻收水。
5.根據權利要求1所述的ー種強化處理低C/N比廢水的An/0型複合人工溼地系統，其特徵在於它在水平潛流人工溼地(HSSF) (3)和垂直潛流人工溼地(VSSF) (4)中填充複合填料層(3-4)和G-2)，複合填料層中填充了碎磚塊和沿海地區特有的海蠣殼顆粒，並在其中摻加了氨氮吸附能力良好的沸石和磷素吸附能力良好的膨脹蛭石。
6.根據權利要求1所述的ー種強化處理低C/N比廢水的An/0型複合人工溼地系統，其特徵在於它增加有溢流管(7)，當系統遭受暴雨衝擊或水力負荷較大時，沉澱池(1)、水平潛流人工溼地(HSSF) (3)、垂直潛流人工溼地(VSSF) (4)和回流池( 均可利用各自的溢流管(7)降低系統受衝擊程度。
全文摘要
一種強化處理低C/N比廢水的An/O型複合人工溼地系統。本發明專利涉及一種廢水處理設備，是適用於低C/N比廢水處理並進行處理水回用的土地處理裝置。本發明中廢水依次流經水平潛流和垂直潛流人工溼地，然後出水部分回流到水平潛流人工溼地中，通過出水水位調節和利用溶解氧(DO)梯度在垂直潛流人工溼地中實現好氧氨氧化菌(AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(NOB)和厭氧氨氧化菌(Anammox)的耦合，以提高複合溼地系統對低C/N比廢水的脫氮效率。在複合人工溼地系統中填充了碎磚塊和海蠣殼等比表面積大，孔隙發達，吸附能力好的填料，大大提高了系統的生物持有量，保證了較高的磷素和氮素去除效率。該設備具有結構簡單、多功能、高效低成本、易操作管理、運行穩定、能夠實現同步脫碳氮除磷等優點，處理出水可直接用於回用，地表能種植景觀植物，可以與生態建設及城鎮綠化功能相結合。
文檔編號C02F9/14GK102557330SQ20101060372
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者劉超翔, 朱葛夫, 王振 申請人:中國科學院城市環境研究所