CN113321369A - 一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地属于污水处理领域。它是一种针对农村地区水冲厕所化粪储存池停留时间大于5天的低碳源，含氨氮、含磷废水的湿地处理系统。它将沸石、黄铁矿、海蛎壳作为填料，将蔬菜作为湿地植物，并通过潮汐的运行方式进行复氧。结合沸石对氨氮的吸附作用，与潮汐流人工湿地微生物的硝化作用耦合实现氨的处理；利用黄铁矿硫促进硫自养反硝化脱氮，附带产生的铁离子与磷酸盐结合，从而在生物脱氮的同时，实现污水中磷酸盐的固化。海蛎壳的碳酸盐缓释特性在平衡系统碱度的同时为自养菌提供碳源，释放钙离子进一步促进磷酸盐的固化。三种填料与蔬菜的耦合，组合成一种同时脱氮除磷去除氨氮的人工湿地。

Description

一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，更具体地说，涉及一种利用黄铁矿、沸石、海蛎壳作为填料的同步脱氮除磷的人工湿地。

背景技术

随着“厕改”在农村地区推行，水冲厕所迅速在农村普及。与传统的旱厕相比，水冲厕所会产生大量的冲厕废水，里面包含大量的N、P等元素。同时，新农村的建设使一些农村地区有了污水管道收集系统和化粪池，农户所产生的洗菜水、洗涤废水、冲厕水一起流到化粪池，稀释了化粪池中的N、P元素，使粪肥资源化回田农用变得困难。与城市住宅楼化粪池相比，农村家用化粪池兼有化粪储存功能，停留时间长，出水具有低COD和高NH₃-N特征。

中国农村地缘广阔、地形复杂、居住分散，为了改善农村居民卫生状态，水冲厕所被大量引入，粪尿的资源化属性削弱，大量未经进一步处理的富含氮磷的化粪池污水通过沟渠进入环境，加速了农村水体污染进程和水体富营养化。

但是现有的适合于农村污水水质特点的污水处理工艺十分缺乏。城镇污水常用的活性污泥法等生物工艺能耗高，需要专业的人员维护、运行。城镇污水工艺在去除氨氮时往往采用曝气的策略，对于除磷也往往是通过添加除磷剂来实现，或者是通过排除富含磷的污泥的生物除磷法。这些处理技术成本较高，还需要专业的运行人员时常监测运行状况。因此，这些处理技术都不适用于农村生活污水处理。而人工湿地污水处理技术是一种适用于农村生活污水的污水处理工艺，具有低能耗、少维护等优点。然而，传统的人工湿地处理技术存在负荷低、占地面积大、除磷脱氮能力差等问题，不能适应现有农村水冲厕所长停留化粪池出水的进一步处理。

水冲厕所代替传统旱厕后，使粪肥资源变成了污染负担，从碳足迹的角度分析，化粪池流出的生活污水再处理这一过程本身扩大碳排放量。怎样在污水处理过程中响应了“碳中和”的理念，研发出符合绿色可持续性的农村污水处理技术也是当下的一个难题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种利用沸石、黄铁矿和海蛎壳作为填料，通过潮汐流运行方式进行复氧，并利用蔬菜作为湿地植物的人工湿地技术，达到脱氮除磷、氮磷资源化利用的目的。

同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地床上往下一次是蔬菜种植层、土壤层、砾石层、沸石层、黄铁矿层、海蛎壳层。

上述人工湿地的最上层是蔬菜种植层，蔬菜由土壤层固定，蔬菜的根系穿过土壤层和砾石层进入到沸石层。通过根系，植物向污水中吸取氮、磷元素作为营养物质，并向湿地床体内部输送氧气。蔬菜的种植本身就需要额外的投加肥料，所以蔬菜对氮、磷有很大的需求量，而且蔬菜对氮、磷的吸收能力也较强。所以选蔬菜作为湿地植物可以最大化的回收利用污水中的氮、磷资源。

进一步的，砾石作为配水层进行均匀布水。来自化粪池的污水通过布水管流出后在砾石的阻碍下形成紊流，使污水均匀的向下流动。污水通过水力增氧和植物根系泌氧，含有一定含量的溶解氧。

进一步的，污水进入沸石层。

进一步的，沸石层首先对污水中的氨氮进行吸附，此过程为离子交换过程，是一个比较快速的过程。随后，附着在沸石层表面和空隙之间的微生物会利用氨氮进行一系列的生化反应。通过根系泌氧、进水中携带的溶解氧和潮汐作用复氧，沸石层的微生物进行硝化反应，将污水中的氨氮转化为硝态氮。而湿地床体内存在的金属阳离子可以置换出吸附在沸石中的氨氮，氨氮得以析出被微生物分解转化，因此形成的沸石-微生物-金属离子的循环系统，使沸石层持久高效除氨。

进一步的，污水进入黄铁矿层。

进一步的，上述黄铁矿层有大量的硫自养反硝化菌和一部分的异氧发硝化菌。硫自养反硝化菌利用黄铁矿中的FeS₂中的作为电子供体进行反硝化作用，将硝态氮转化成氮气，进而达到脱氮的目的。同时，在硫自养反硝化的过程中会释放Fe³⁺，Fe³⁺可以与磷酸盐结合形成沉淀，进而去除污水中的磷。黄铁矿除了对磷酸盐的吸附，其对磷酸盐的去除主要是依靠释放的铁离子，因此，黄铁矿层去除磷酸盐的能力不会随着时间的延长而减弱。

进一步的，污水进入海蛎壳层。

进一步的，上述海蛎壳层中的海蛎壳主要成分是碳酸钙。由于基于黄铁矿的硫自养反硝化过程中会产生H⁺，海蛎壳可以为硫自养反硝化提供碱度，同时，产生的CO₂可以为硫自养菌提供碳源。附带产生的钙离子与磷酸盐结合，达到去除磷的目的。海蛎壳对磷酸盐也有很好的吸附能力。

进一步的，处理完后的污水通过排污口快速排出。排水过程使湿地床内部产生复压，进而进行复氧。随后湿地处于一个闲置期。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的同时脱氮除磷的人工湿地可以很好的满足农村地区化粪池出水的处理需求，可以低成本、少维护的净化污水。

2、本发明所采取的填料装配方式可以做到同时脱氮除磷的目的。沸石层通过吸附+生物双重作用能够快速有效的去除氨氮，黄铁矿层可以进行反硝化，同时去除污水中的磷。海蛎壳稳定湿地的pH，并起到除磷和提供碳源的作用。

3、本发明中所栽种的蔬菜，在去除水中氮、磷污染物的同时，达到氮、磷资源化利用的目的，并产生一定的经济效益，提高农村污水处理的积极性。是一种绿色可持续性的策略。

附图说明

图1为本发明的人工湿地的整体结构图

图中，1-土壤层、2-砾石层、3-沸石层、4-黄铁矿层、5-海蛎壳层、6-池壁、7-污水排放口、8-潜水泵、9-污水进口、10-空气管道、11-蔬菜地上部分、12-蔬菜根系部分、13-布水管。

具体实施方法

结合附图对本发明进一步说明。

湿地启动之前，需要向里面接种菌液，菌液包含各种好氧菌、兼性细菌以及厌氧菌。本发明所提供的一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地所处理的污水为农村地区化粪池出水，污水的COD在60～120mg/L、氨氮在20～35mg/L，磷酸盐在2～6mg/L。

如图1所示，来自化粪池的水经过一个潜水泵8进入到湿地，湿地上端部分有一个污水入口9。污水入口9与布水管13连接。布水管13成“工”字型，埋在砾石层中，通过布水管13使潜水泵8抽自化粪池的污水均匀的布置在湿地里。

如图1所示，与污水入口9相连的还有一个空气管道10。空气管道10另一端大气相连，当污水从污水入口9流到布水管13的时候，会使空气管道10内产生负压，大气中的空气会顺着空气管道10与流入的污水充分混合。

如图1所示，土壤层1起到固定蔬菜11的作用。土壤层的厚度可以在3cm～10cm之间。

如图1所示，砾石层2对布水管的出水形成水力剪切，加大水流的紊乱程度，是污水在平面内均匀的向下流动。砾石层2所填的填料出了砾石，还可以是鹅卵石，粒径在1～2cm之间。

如图1所示，污水在沸石层3得到净化。通过沸石吸附和微生物转化双重作用，氨氮最终被转换成硝酸盐。通过潮汐复氧为沸石层微生物分解有机物和硝化作用提供充足的氧气；此外，蔬菜的根系12为沸石层的微生物提供一部分氧气强化微生物的硝化作用，并且吸收部分的氮和磷为植物组织生长所需提供营养。沸石层3所填沸石的粒径在3～8mm之间。

如图1所示，含有硝酸盐和磷酸盐的污水在黄铁矿层4得到进一步的净化。黄铁矿层的硫自养反硝化菌和异养反硝化菌将硝酸盐还原为氮气，硫自养反硝化附带产生的铁离子促进磷酸盐的聚合发生沉淀。黄铁矿层4所填的黄铁矿粒径在3～8mm之间。

污水中的磷酸盐在海蛎壳层5通过吸附和钙离子化学沉淀的双重作用得到进一步的去除。海蛎壳层5所填的海蛎壳是直径2～3cm的片状海蛎壳。经过处理后的污水通过污水排放口7快速排出湿地。

污水在快速排放过程中湿地同时进行复氧，排水完成后湿地进入闲置期，闲置期结束后开始进水进行下一个处理周期。

下面结合实施例对本发明进行进一步说明。

实施例：

本实施例是通过一个小试装置实现的。

小试装置是一个直径为20cm，高度为90cm的有机玻璃管。管内由下至上依次填充10cm厚的海蛎壳、30cm后的黄铁矿、30cm厚的沸石，5cm厚的砾石。

污水通过计量泵流入到砾石配水层，在配水层污水均匀向下流动，避免了死区的产生。

污水进入到沸石层除氨，本案例所选的沸石为购自河北灵寿县的绿沸石。在沸石层内，氨氮得到去除，同时，大部分的溶解氧在这个部位消耗，为下一层的反硝化创造有利条件。

本实施例所用黄铁矿购自湖南。黄铁矿在使用前需用水或者稀盐酸洗净表面的氧化物质。污水中的反硝化和除磷主要发生在黄铁矿层。

黄铁矿层直接与海蛎壳层接触。本实施例所用的海蛎壳购自广东广州。海蛎壳洗净后破碎成1～2cm，随后尽量挑选扁平的海蛎壳。

本实施例运行的水力停留时间为12小时。污水为实验室配水，其中COD浓度为100mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为33mg/L，TP为5mg/L。

本实例中的人工湿地稳定后出水COD在5mg/L以下，出水NH₄ ⁺-N浓度在8mg/L以下，出水TP浓度在1mg/L以下。

在不脱离本发明思路上的对本发明湿地植物的改进、各填料层厚度的改进、各填料搭配顺序的改进、处理污水浓度的改进、水力停留时间的改进等均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地，其特征包括：填料层从上往下依次是砾石层、沸石层、黄铁矿层、海蛎壳层。湿地种植的植物为蔬菜。

2.如权利要求1所述的一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地，其特征在于，人工湿地通过有规律的潮汐涨落进行复氧。

3.如权利要求1所述的一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地，其特征在于，蔬菜的种类是根系发达的水生蔬菜，包括水芹、空心菜等。

4.如权利要求1所述的一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地，其特征在于，空气管与进水管相连。

5.如权利要求1所述的一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地，其特征在于，沸石、黄铁矿的粒径为3～8mm，海蛎壳的直径在10～20mm。

6.如权利要求4所述的一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地，其特征在于，黄铁矿层所填的填料包括黄铁矿、磁黄铁矿等含有硫元素和铁元素的复合体。

7.如权利要求4所述的一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地，其特征在于，海蛎壳层是湿地的承托层。

8.如权利要求6所述的一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地，其特征在于，海蛎壳层所填的填料包括海蛎壳、蚌壳等拥有与海蛎壳相似成分和结构的贝壳类。

9.如权利要求1所述的一种同时脱氮除磷的潮汐流人工湿地，其特征在于，处理的污水种类为低C∶N比废水，其中不含或只含少量的硝态氮。

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