高效除磷的人工溼地組合基質、人工溼地系統及除磷方法
2023-12-01 05:46:31 2
高效除磷的人工溼地組合基質、人工溼地系統及除磷方法
【專利摘要】本發明涉及一種高效除磷的人工溼地組合基質、人工溼地系統及除磷方法，所述人工溼地組合基質包括體積配比為1:1～2:1鋼渣單元與糠醛渣單元，所述鋼渣單元與糠醛渣單元先後設置或相互混合形成用於人工溼地的組合基質填充物，之後通過人工溼地系統進行高效除磷。本發明在人工溼地汙水處理系統中，使用鋼渣-糠醛渣組合基質作為複合基質填料，可高效並長效針對含磷汙水進行處理，該人工溼地系統中的基質不易堵塞，能夠以廢治廢，可以顯著降低汙水運行的處理成本，實現社會效益、經濟效益及環境效益的統一。
【專利說明】高效除磷的人工溼地組合基質、人工溼地系統及除磷方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於含磷汙水處理的人工溼地技術，特別是涉及一種高效除磷的人工溼地組合基質、人工溼地系統及除磷方法。
【背景技術】
[0002]人工溼地作為一種新型生態汙水處理技術，與傳統的汙水處理方法相比，具有處理效果好、運轉維護管理方便、工程基建和運轉費用低，環境美學價值高等優點，故被廣泛用於處理城市生活汙水、工農業生產廢水等領域。 [0003]基質是人工溼地的重要組成部分，在為植物和微生物提供生長介質、為汙水滲流提供良好的水力條件的同時，也能夠通過沉澱、吸附和過濾等作用直接去除汙染物。其種類、組配方法和高度的選擇則是人工溼地汙水處理技術的核心。由於汙水性質存在千差萬另O，因而並沒有一種單一基質能夠有效處理所有汙水。一般的填料基質由土壤、細沙、粗砂、礫石、碎瓦片或灰渣等構成，這其中最常使用的是碎石，此外還有沸石、土壤、鵝卵石、煤渣、粉煤灰等。
[0004]人工溼地對磷的去除是通過溼地填料基質的理化反應、植物根系的吸收以及微生物的積累等幾方面共同作用完成的。但是植物的吸收與微生物的積累作用對磷的去除只佔很少的一部分。研究發現，磷的主要去除機制是基質的吸附作用，水體中的正磷酸鹽，在水流流經溼地介質表面時，受到介質的吸附，此吸附能力的好壞，將取決於溼地是否有良好的水力傳導性和較高的比表面積。因此，選擇有效的溼地基質填料對水體中磷的去除意義重大。
[0005]而一般人工溼地基質如砂土、礫石等除磷效果較差，具有高孔隙度和吸附性的頁巖、蛭石、方解石、多孔介質(LECA)等處理效果較好，但因成本較高等問題較難進行推廣應用。因此，探索發現新型溼地基質填料，達到高效除磷的目的，特別是針對吸附能力強，環境危害小的工業廢棄物加以發現，合理利用廢棄物資源，具有重要的現實意義。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提出一種原料來源豐富且成本低廉、能夠以廢治廢將廢棄物資源合理利用的高效除磷的人工溼地組合基質、人工溼地系統及除磷方法。
[0007]為實現上述目的，本發明提供了一種高效除磷的人工溼地組合基質，所述人工溼地組合基質包括體積配比為1:1~2:1鋼洛單元與糠醒洛單元,所述鋼洛單元與糠醒洛單元先後設置或相互混合形成用於人工溼地的組合基質填充物。
[0008]優選地，所述鋼渣單元選擇粒徑為10~25mm的鋼渣製備而成。
[0009]優選地，所述糠醛渣單元選擇粒徑為I~5_的糠醛渣製備而成。
[0010]本發明的另一目的在於提供一種高效除磷人工溼地系統，所述人工溼地系統包括具有進水口和出水口的外圍防滲層，所述人工溼地系統為垂直潛流溼地系統，且在水流方向上的至少部分空間內先後設置或混合鋪填鋼渣單元和糠醛渣單元，所述鋼渣單元和糠醛渣單元之間的體積配比為1:1~2:1。
[0011]優選地，所述人工溼地系統為垂直潛流溼地系統，所述垂直潛流溼地系統包括相互串聯並逐級水平降低的至少第一垂直流處理池和第二垂直流處理池，所述第一垂直流處理池為內部流體流動方向向下的下行池，所述第二垂直流處理池為內部流體流動方向向上的上行池，且所述第一垂直流處理池中自上而下設置鋼渣單元和糠醛渣單元，所述第二垂直流處理池中自下而上設置鋼渣單元和糠醛渣單元。
[0012]優選地，相鄰的垂直流處理池之間設有隔離層。
[0013]優選地，所述人工溼地系統的底部設有碎石層，人工溼地系統的頂部設有種植層。
[0014]優選地，所述隔離層至少部分埋在碎石層內，本發明隔離層下方的碎石層需保證流體正常通過。
[0015]優選地，所述第二垂直流處理池上的出水口低於第一垂直流處理池上的進水口。
[0016]本發明的又一目的在於提供一種通過人工溼地系統進行高效除磷的方法，所述方法包括如下步驟:A、製備上述的高效除磷的人工溼地組合基質；B、製造並完成上述的高效除磷人工溼地系統；C、關閉出水口，在汙水進入人工溼地系統的溼地床並待水位上升至淹沒鋼渣單元和糠醛渣單元後停止進水；D、經36~72h後，使鋼渣與糠醛渣充分反應令糠醛渣改性；E、開啟進水口及出水口，使所述人工溼地系統正常運行。
[0017]基於上述技術方案，本發明的優點是:
[0018]本發明在人工溼地汙水處理系統中，使用鋼渣-糠醛渣組合基質作為複合基質填料，可高效並長效針對含磷汙水進行處理，該人工溼地系統中的基質不易堵塞，能夠以廢治廢，可以顯著降低汙水運行的處理成本，實現社會效益、經濟效益及環境效益的統一。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0020]圖1為本發明人工溼地系統的結構示意圖；
[0021]圖中:
[0022]I~進水口 ；2~出水口 ；3~外圍防滲層；4~鋼渣單元；5~糠醛渣單元；6~第一垂直流處理池；7~第二垂直流處理池；8~隔離層；9~碎石層；10~人工溼地系統；11~種植層；A~水流方向。
【具體實施方式】
[0023]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0024]實施例1
[0025]本發明提供了一種高效除磷的人工溼地組合基質、人工溼地系統及除磷方法。在本實施例的高效除磷人工溼地組合基質中，所述人工溼地組合基質包括體積配比為1:1~2:1鋼渣單元與糠醛渣單元。
[0026]優選地，所述鋼渣單元選擇粒徑為10~25mm的鋼渣製備而成；鋼渣主要由鈣、鐵、矽、鎂和少量鋁、錳等的氧化物組成，主要的礦物相為矽酸三鈣、矽酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵鋁酸鈣以及矽、鎂、鐵、錳的氧化物形成的固熔體，還含有少量游離氧化鈣以及金屬鐵、氟磷灰石等；並且鋼渣有多孔的物理特徵，具有優越的吸附效果和很好的還原特性，能夠有效去除汙水中的汙染物，並且鋼渣對磷的吸附量和最大吸附速率均遠高於頁巖陶粒、碌石、沸石等，是優質、長效的聞吸附性人工溼地除憐基質。
[0027]優選地，所述糠醛渣單元選擇粒徑為I~5_的糠醛渣製備而成；糠醛渣是以玉米芯、秸杆、花生殼、甘蔗渣等農副產品的下腳料為原料，經高溫水解提取化工原料糠醛後得到的固體廢渣。經分析，糠醛渣中含有40%以上的纖維素，具有較大的比表面積和豐富的微孔結構，對水中的磷有很好的吸附作用，而且其來源廣泛、價格低廉，將其用於汙水處理可以達到以廢治廢的目的；並且可通過化學改性的方式使其具有更強、更多的活性基團。在糠醛渣上引入具有鹼性或鰲合性的離子基團，這在很大程度上可以改變糠醛渣原有的性質，使其具有離子交換樹脂的特點，同時具有蓬鬆的結構，使吸附劑既具有活性炭的吸附能力，又比吸附樹脂更易再生，而且穩定性高。
[0028]在本實施例中，製造並完成聞效除憐人工溼地系統10，如圖1所不；實際應用時，可將上述鋼渣單元4與糠醛渣單元5先後設置或相互混合形成用於人工溼地系統10的組合基質填充物；在本實施例中，水流方向為從由鋼渣單元4流入糠醛渣單元5，如圖1中水流方向A所示，這樣的設置有利於對糠醛渣的充分改性。
[0029]本實施例中，在汙水進入前，關閉出水口 2，在汙水進入人工溼地系統的溼地床並待水位上升至淹沒鋼渣單元4和糠醛渣單元5後停止進水；經36~72h後，使鋼渣與糠醛渣充分反應令糠醛渣改性。
[0030]本發明產生上述技術效果的工作原理為:
[0031]由於鋼渣屬於鹼性集料，其中所含的游離鈣、鎂氧化物與水或溼氣反應可轉化為氫氧化物，可造成水質二 次汙染，且無法正常種植溼地植物，影響了其在人工溼地中的推廣應用。糠醛渣由於經過高溫硫酸蒸煮水解，纖維素的網狀結構和分子內的羥基基本被破壞，吸附能力減弱。且糠醛渣中還含有少量的酸類，應用於汙水處理也有二次汙染的危險。
[0032]本發明中鋼渣的鹼性可通過與糠醛渣的酸性中和得到緩解，而鋼渣中所含的鈣鎂氧化物與水反應產生的氫氧化物，恰好可應用於糠醛渣的改性。所以，經過二者的充分反應，糠醛渣經過改性恢復高吸附力，鋼渣的鹼性也可經過中和而無害化。因此，鋼渣-糠醛渣混合基質可作為一種優質高效的除磷人工溼地基質組合。
[0033]實施例2
[0034]在本實施例中，提供了一種高效除磷人工溼地系統10，如圖1所示，所述人工溼地系統10包括具有進水口 I和出水口 2的外圍防滲層3，所述人工溼地系統10為垂直潛流溼地系統，且在水流方向A上的至少部分空間內先後設置或混合鋪填鋼渣單元4和糠醛渣單元5，本實施例為先後設置鋼渣單元4和糠醛渣單元5 ;所述鋼渣單元4和糠醛渣單元5之間的體積配比為1:1~2:1，二者的具體比例可根據汙水中懸浮物的高低進行增減，懸浮物較高的汙水應選擇鋼渣含量相對較高的配比。所述垂直潛流溼地系統包括相互串聯並逐級水平降低的至少第一垂直流處理池6和第二垂直流處理池7，所述第一垂直流處理池6為內部流體流動方向向下的下行池，所述第二垂直流處理池7為內部流體流動方向向上的上行池，且所述第一垂直流處理池6中自上而下設置鋼渣單元4和糠醛渣單元5，所述第二垂直流處理池7中自下而上設置鋼渣單元4和糠醛渣單元5 ;相鄰的垂直流處理池之間設有隔離層8 ;所述人工溼地系統的底部設有碎石層9，其具有滲流、承託的作用，可選擇粒徑為20~30mm的碎石；人工溼地系統的頂部設有種植層11,可選用土壤與細砂的混合物,用以種植植物，例如溼生植物等；所述隔離層8至少部分埋在碎石層9內；所述第二垂直流處理池7上的出水口 2低於第一垂直流處理池6上的進水口 1，從而利用水流的重力作用進行除磷作業,而無需外加動力。
[0035]整個人工溼地系統工作之前，鋼渣單元選擇粒徑為10~25mm的鋼渣，糠醛渣單元選擇粒徑為I~5_的糠醛渣；在汙水進入前，關閉出水口 2，在汙水進入人工溼地系統的溼地床並待水位上升至淹沒鋼渣單元4和糠醛渣單元5後停止進水；經36~72h後，使鋼渣與糠醛渣充分反應令糠醛渣改性。具體使用時，還可根據水質條件的需要，可加入其它除氮或有機質的溼地基質如沸石、蛭石等物料進行配合使用。
[0036]當然，對於本領域技術人員而言不難理解，也可以按照上述體積比將鋼渣與糠醛渣二者混合均勻後，直接鋪填使用；也可以對糠醛渣進行造粒，即通過將糠醛渣造粒，形成8~20mm顆粒，再與陶粒或礫石以及鋼渣按一定比例混合；若分層鋪填，糠醛渣單元也可按一定比例混合陶粒、礫石等並將上述混合物裝入透水無紡布口袋後平鋪碼放使用，陶粒、礫石等可增強糠醛渣單元的吸附作用並提供支撐力。
[0037]實施例3
[0038]在本實施例中，提供了一種通過人工溼地系統進行高效除磷的方法，所述方法包括如下步驟:
[0039]A、製備高效除磷的人工溼地組合基質；鋼渣與糠醛渣的體積配比根據需要選擇1:1~2:1 ;鋼渣的比例根據汙水中懸浮物的高低進行增減，懸浮物較高的汙水應選擇鋼渣含量較高的配比；
[0040]B、製造並完成高效除磷人工溼地系統；水流方向設置為由鋼渣單元4流入糠醛渣單元5，如圖1中水流方向A所示，此種設置有利於對糠醛渣的改性。
[0041]C、關閉出水口 2，在汙水進入人工溼地系統的溼地床並待水位上升至淹沒鋼渣單元4和糠醛渣單元5後停止進水，以充分釋放鋼渣層鹼性並在糠醛渣層進行中和及完成對糠醛渣的改性。
[0042]D、經36~72h後，使鋼渣與糠醛渣充分反應令糠醛渣改性，可以根據溼地基質體積大小需要增加時間。
[0043]E、開啟進水口 I及出水口 2，使所述人工溼地系統正常運行。
[0044]最後應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制；儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明的【具體實施方式】進·行修改或者對部分技術特徵進行等同替換；而不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案範圍當中。
【權利要求】
1.一種高效除磷的人工溼地組合基質，其特徵在於:所述人工溼地組合基質包括體積配比為1:1~2:1鋼渣單元與糠醛渣單元，所述鋼渣單元與糠醛渣單元先後設置或相互混合形成用於人工溼地的組合基質填充物。
2.根據權利要求1所述的人工溼地組合基質，其特徵在於:所述鋼渣單元選擇粒徑為10~25mm的鋼洛製備而成。
3.根據權利要求1所述的人工溼地組合基質，其特徵在於:所述糠醛渣單元選擇粒徑為I~5mm的糠醛渣製備而成。
4.一種高效除磷人工溼地系統，所述人工溼地系統(10)包括具有進水口( I)和出水口(2)的外圍防滲層(3)，其特徵在於:所述人工溼地系統(10)為垂直潛流溼地系統，且在水流方向上的至少部分空間內先後設置或混合鋪填鋼渣單元(4)和糠醛渣單元(5)，所述鋼渣單元(4)和糠醛渣單元(5)之間的體積配比為1:1~2:1。
5.根據權利要求4所述的人工溼地系統，其特徵在於:所述人工溼地系統(10)為垂直潛流溼地系統，所述垂直潛流溼地系統包括相互串聯並逐級水平降低的至少第一垂直流處理池(6)和第二垂直流處理池(J)，所述第一垂直流處理池(6)為內部流體流動方向向下的下行池，所述第二垂直流處理池(7)為內部流體流動方向向上的上行池，且所述第一垂直流處理池(6)中自上而下設置鋼渣單元(4)和糠醛渣單元(5)，所述第二垂直流處理池(7)中自下而上設置鋼渣單元(4)和糠醛渣單元(5)。
6.根據權利要求4或5所述的人工溼地系統，其特徵在於:相鄰的垂直流處理池之間設有隔離層(8)。
7.根據權利要求6所述的人工溼地系統，其特徵在於:所述人工溼地系統的底部設有碎石層(9)，人工溼地系統的頂部設有種植層(11)。
8.根據權利要求7所述的人工溼地系統，其特徵在於:所述隔離層(8)至少部分埋在碎石層(9)內。
9.根據權利要求4或5所述的人工溼地系統，其特徵在於:所述第二垂直流處理池(7)上的出水口( 2 )低於第一垂直流處理池(6 )上的進水口( I)。
10.一種通過人工溼地系統進行高效除磷的方法，其特徵在於:所述方法包括如下步驟: A、製備權利要求1~3中任意一項權利要求所述的高效除磷的人工溼地組合基質； B、製造並完成權利要求4~9中任意一項權利要求所述的高效除磷人工溼地系統； C、關閉出水口(2)，在汙水進入人工溼地系統的溼地床並待水位上升至淹沒鋼渣單元(4)和糠醛渣單元(5)後停止進水； D、經36~72h後，使鋼渣與糠醛渣充分反應令糠醛渣改性； E、開啟進水口(I)及出水口(2)，使所述人工溼地系統正常運行。
【文檔編號】C02F3/32GK103663709SQ201310674120
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月10日 優先權日:2013年12月10日
【發明者】樊蓓莉, 高彥波, 譚德遠, 郭宏凱, 王婉清, 翟鵬輝 申請人:北京東方園林股份有限公司