專利名稱：城市污水復合人工濕地脫氮除磷方法
技術領域：
本發明專利涉及污水處理技術。
背景技術：
城市污水人工濕地處理方法主要有水平流人工濕地和垂直流人工濕地兩種。水平潛流人工濕地床體高約60～80cm，采用較粗基質如礫石作為處理介質，污水在人工濕地的地表下呈水平流動，并在基質層中種植有泌氧能力的大型挺水植物如蘆葦、香蒲和水蔥等，利用水生植物的泌氧能力為人工濕地基質上的生物膜分解污水中的有機物質提供氧氣。垂直流人工濕地床體高100cm以上，通常采用較細的基質如砂等作為滲濾介質，污水在自表層向下的垂直滲濾過程中得到處理，其所采用的植物大多數為蘆葦、風車草和香根草等。存在的不足之處有(1)水平流人工濕地存在好氧條件不足等缺點，它雖能很好地去除SS，并且也能去除一些BOD。但是，它通常對氨氮的去除效果不好。由于它不能完成大部分廢水的硝化過程，即使其具有較強的反硝化作用能力，因而也不能獨立完成廢水的硝化和反硝化兩個處理過程，以達到廢水脫氮處理的目的。(2)垂直流人工濕地對廢水中耗氧有機物的處理能力和硝化能力較強，它比水平流人工濕地具有更好的好氧條件，且對廢水中BOD5和COD的去除效果都較好，但對SS的去除效果較水平流人工濕地差；雖然它對廢水的硝化處理能力很強，但是其反硝化作用能力也較水平流人工濕地差，因而也不能單獨完成廢水的硝化和反硝化兩個處理過程，以達到廢水脫氮處理的目的。(3)垂直流和水平流兩種人工濕地系統對城市污水中磷的去除能力都較差(＜30-40％)，而且現行廣泛采用的砂、礫石等基質對磷的吸附飽和使用壽命都較短，一般為2～3年；即使將水平流人工濕地與垂直流人工濕地串聯起來組成復合系統，如仍采用砂、礫石基質，其對磷的去除率仍小于60％。
技術內容本發明創造的目的是①將兩種人工濕地按水平流與垂直流順序組成復合人工濕地，充分利用水平流人工濕地對SS良好的去除能力，減輕廢水中SS對垂直流人工濕地的堵塞問題；同時利用水平流人工濕地去除一部分COD、BOD5和氨氮；②利用垂直流人工濕地完成對耗氧有機物的徹底去除和對城市污水的完全硝化；③將垂直流人工濕地的硝化處理出水按一定的回流比回流至水平流人工濕地首端，在水平流人工濕地的缺氧條件下，利用城市污水中的有機物作為碳源完成回流硝化出水的內碳源反硝化脫氮過程；④在水平流人工濕地和垂直流人工濕地中分別采用高磷吸附能力基質，以達到較高的總磷去除率和較長的基質使用壽命等目的。
城市污水復合人工濕地脫氮除磷方法是將水平流人工濕地和垂直流人工濕地串聯起來，水平流人工濕地在前，垂直流人工濕地在后。城市污水首先經水平流人工濕地的床體處理后，去除大部分SS、COD、BOD5和部分氨氮；接著通過集水池的靜水壓力向地勢稍低的垂直流人工濕地自流布水，利用垂直流人工濕地完成對耗氧有機物的徹底去除和將剩余的氨氮完全硝化；然后將垂直流人工濕地的處理出水按50％～100％的比例用清水泵回流至水平流人工濕地的首端，利用水平流人工濕地的缺氧條件和污水作為碳源完成回流的處理出水的反硝化脫氮過程。在水平流人工濕地和垂直流人工濕地中填充高磷吸附基質，在基質上填充表土覆蓋層，并在水平流人工濕地的覆蓋層上種植水生植物，在垂直流人工濕地的覆蓋層上種植陸生花卉。
城市污水復合人工濕地除磷方法是利用上述脫氮方法的工藝流程，在脫氮的同時完成對廢水中磷的去除。具體方法是在水平流人工濕地中填充對磷有較強固定能力的基質如大理石或白云石和石灰石等，并種植水生植物如水蔥和風車草，利用基質和水生植物去除廢水中一部分磷；其次，在垂直流人工濕地中填充對磷具有很強固定能力的基質如高爐渣等，并種植美人蕉和茳花，利用高爐渣基質和陸生花卉去除廢水中大部分磷；然后，隨著處理出水的回流，使其中剩余的磷又一次通過水平流人工濕地和垂直流人工濕地，利用基質、植物和微生物等作用再進一步去除，周而復始，直至污水總磷含量達到城市污水處理廠一級排放標準。
現結合附圖對本發明作說明
圖1為城市污水復合人工濕地結構圖。
圖2為城市污水復合人工濕地水平流人工濕地結構圖。
圖3為城市污水復合人工濕地垂直流人工濕地結構圖。
圖中1-格柵、2-集水井、3-污水管、4-礫石配水區、5-大理石或白云石基質區、6-礫石集水區、7-石英砂覆蓋層、8- 排水管、9-集水池、10-布水主管、11-表土覆蓋層、12-高磷吸附基質層、13-礫石墊層、14-清水池、15-清水回流潛水泵、16-污水進水管、17-污水排水管、18-布水支管、19-礫石配水層、20-排水管。
城市污水復合人工濕地由水平流人工濕地、集水池和垂直流人工濕地、清水池組成，按水平流人工濕地在前，垂直流人工濕地在后的順序串聯起來組成復合人工濕地。在水平流人工濕地的床體內放置石灰石、大理石或白云石等高磷吸附基質，在覆蓋層表面種植水生植物。在垂直流人工濕地的床體內放置高磷吸附基質高爐渣或高爐渣與農田耕層土壤、草炭混合物，在覆蓋層上種植陸生花卉。城市污水經水平流人工濕地高磷吸附基質的吸附作用和植物根系的攝取作用以及伴隨著的物理、化學和微生物等作用，去除大部分SS、COD、BOD5和部分氨氮，污水進入集水池，利用集水池的靜水壓力和落差向垂直流人工濕地自流布水。污水在垂直流人工濕地內潛流后經高磷吸附基質的吸附作用和植物根系的攝取作用以及伴隨著的物理、化學和微生物等作用后，完成對耗氧有機物的徹底去除和完全硝化，污水進入清水池用清水回流潛水泵將污水按50～100％回流比回流到水平流人工濕地進行重復處理，周而復始，直至污水總磷含量達到城市污水處理廠一級排放標準。
城市污水復合人工濕地中的水平流人工濕地、集水池、垂直流人工濕地和清水池等單元結構是由管道連接而成的。
城市污水復合人工濕地中的水平流人工濕地床體的床壁和底部用不滲漏材料做成，如果建造在地面上其床壁為水泥抹面的磚結構，底部為混凝土結構。
床體從污水的進口到污水的出口依次設置礫石配水區4，大理石或白云石基質區5，礫石集水區6，床體上部設有進水管，底部設 字型排水管。礫石配水區4和礫石集水區6各占床體總長度的1/4。大理石或白云石基質區5占床體總長度的1/2。礫石配水區4和礫石集水區6填充破碎的石灰石，石灰石粒徑為3～5cm。大理石或白云石基質區5填充破碎的大理石或白云石，大理石或白云石粒徑為6～8cm。礫石配水區、礫石集水區和大理石或白云石基質區的填料填充厚度為床體高度的85～90％，在填料上面填充石英砂作為石英砂覆蓋層7，石英砂覆蓋層厚度為床體高度的10～15％，在覆蓋層上種植蘆葦、香蒲、燈心草、水蔥、風車草、香根草、美人蕉等植物。在石英砂覆蓋層下，設置污水進水管16，污水進水管16與污水管3連通污水管3上設有閥門，污水進水管16的管壁上開有多個小孔。在水平流人工濕地床體的出水口一端建造與床體連接成一體的集水池9，床體經處理的污水通過 字形排水管8排放到集水池9， 字形排水管8的排水口與進水管16的進水口要有落差。集水池9底部設污水有排水管17， 字形排水管8和污水排水管17上設有閥門，以控制排水速度。
城市污水復合人工濕地垂直流床由床體和布水管組成，床體的床壁和底部用不滲漏材料做成，如果建造在地面上，床壁為水泥抹面的磚結構，底部為混凝土結構。床體從下而上分布礫石墊層13、高磷吸附基質層12、礫石配水層19、表土覆蓋層11。
床體高度120cm以上，礫石墊層13厚度15～20cm，由下而上分布礫石、小礫石和豆石；高磷吸附基質層厚度為80～100cm，高磷吸附基質層放置高爐渣或高爐渣與草炭和農田耕層土壤按13～18∶1∶1的體積比混配而成的混合填料。高爐渣粒徑為0.25mm～5mm；礫石配水層19厚度為5～10cm，自下而上分布礫石和豆石；布水管分布在礫石配水層的礫石與豆石之間；表土覆蓋層11厚度為5～10cm。覆蓋層中放置自然土壤，并種植耐低溶解氧的花卉如玫瑰、康乃馨、劍蘭、非洲菊、百合花、茳花、美人蕉等。
布水管分布在礫石配水區的礫石與豆石之間，布水管由布水主管10和多條布水支管18組成，布水主管10分布在床體的中間，其長度與床體長度相當，其中一端密封，另一端與水平流床的排水管17相連接，布水支管18固定連接在布水主管的兩旁，另一端密封，其長度為床體寬度的一半，布水支管向下部位開有小孔。
垂直流人工濕地的床底具有一定的排水坡度便于排水，在排水口上安裝排水管20，在排水管20上設有閥門，以控制處理出水的排水速度。
清水池14是收集垂直流人工濕地處理出水的砂井，其壁和底部為不滲漏材料做成，如果建造在地面上，其壁為水泥抹面的磚結構，底為混凝土結構；在清水池上安裝清水回流潛水泵15，定時定量抽取由垂直流人工濕地處理后流出的出水至水平流人工濕地。為了降低處理池的建造成本，三個水平流人工濕地并聯與一個集水池串聯，三個垂直流人工濕地并聯。每個水平流人工濕地都裝有閥門的排水管與集水池接通，集水池底設有排水管與三個垂直流人工濕地接通，每個垂直流人工濕地都裝有閥門的排水管與清水池接通。
本發明是這樣實現城市污水首先經過格柵1除去污水中的雜物，污水進入集水井2，由清水泵將集水井2污水抽出，沿污水管3、污水進水管16進入水平流人工濕地的前端的礫石配水區4，并流經水平流人工濕地的礫石配水區4，大理石或白云石基質區5和礫石集水區6。污水經過水平流人工濕地后，利用水平流人工濕地中礫石孔隙的過濾作用，去除污水中的SS，避免了SS對垂直流人工濕地的堵塞。污水經過水平流人工濕地，利用水平流人工濕地的石灰石、大理石或白云石等高磷吸附基質的吸附作用及植物根系攝取作用去除污水中的COD、BOD5和部分氨氮。水平流人工濕地的污水經過排水管8進入集水池9，排水管8為 字形，設在水平流床底部， 字形排水管8的出水口比污水進水管16的進水口有10cm落差， 字形管設閥門，控制污水的排出速度和水平流床的儲水量。集水池9的污水利用水平流人工濕地與垂直流人工濕地的落差，經過污水排水管17進入布水主管10和布水支管18進入垂直流人工濕地，污水在垂直流人工濕地中向下潛流，經過表土覆蓋層11、礫石配水層19、高磷吸附層12、礫石墊層13，污水經過垂直流人工濕地后由基質的吸附作用和植物根系的攝取作用完成對耗氧有機物的徹底去除和完全硝化，垂直流人工濕地的污水利用垂直流人工濕地床體與清水池具有落差，污水經過排水管20流入清水池，排水管上設有閥門，控制污水的流量和垂直流人工濕地的儲水量，清水池中的污水，利用清水回流泵15將污水按50-100％回流比抽回至水平流人工濕地首端的礫石配水區4，再一次對污水進行處理，周而復始，直至污水中總磷的去除率達到90～99％以上，出水中總磷的濃度小于0.5mg/L，達到了城市污水處理廠一級排放標準。
發明創造具有以下優點
①與單一的水平流人工濕地或垂直流人工濕地系統相比，本發明創造對城市污水中SS、COD和BOD5的去除效果和處理出水水質都優于單一水平流或垂直流人工濕地；同時解決了垂直流人工濕地易被城市污水中SS的堵塞問題以及水平流人工濕地處理城市污水時好氧處理能力不足等缺點。
②本發明創造利用水平流人工濕地去除大部分SS，一部分COD、BOD5和廢水的氨化及部分硝化，利用垂直流人工濕地完成COD和BOD5的大部分去除功能以及廢水的完全硝化和SS的部分去除功能；將垂直流人工濕地硝化出水部分回流至水平流人工濕地首端，在水平流人工濕地的缺氧環境條件下，利用污水和床體積累的有機質作為碳源完成硝化回流水的內碳源反硝化脫氮作用，同時增加了水平流人工濕地對BOD5和COD的去除能力。從而可以使復合人工濕地對一般城市污水中COD、BOD5、KN和TN的去除率分別達到80-90％、85-95％、60-90％和30-60％以上，處理出水中COD、BOD5和SS的濃度分別小于60、20和20mg/L，基本上達到城市污水處理廠排放標準。
③利用水平流人工濕地中大理石或白云石和石灰石等基質對磷的固定作用，完成對廢水中磷的部分去除功能；利用垂直流人工濕地填充的高爐渣基質完成廢水中大部分磷的去除功能。同時利用水平流和垂直流人工濕地中栽種的水生植物和陸生花卉根系的攝取作用去除部分磷，從而可使復合人工濕地對化糞池出水中總磷的去除率達到90～99％以上，處理出水中總磷的濃度小于0.5mg/L，達到城市污水處理廠一級排放標準，并且本發明創造技術對磷的使用壽命達到8～10年以上。
實施例日設計處理水量0.5～2.5m3/d。
設計參數格柵采用2cm×2cm鐵絲網，直立于化糞池出水口與地下引水管相接的檢查井中。
集水井設計尺寸為2.0m×1.8m×2.0m，有效水深1.0m，有效容積3.6m3，磚結構水泥抹面。
水平流人工濕地設計內徑尺寸長×寬為3.0m×3.45m×0.8m的矩形池一個，分兩部分。前一部分為水平流床，后一部分為水平流床出水集水池。水平流床又分為三個池并聯運行，單池實用的尺寸長×寬為2m×1m。集水池的實用尺寸長×寬為0.46m×3.09m。水平流床分礫石配水區、基質區和礫石集水區，各占床體長度的1/4、1/2、1/4，分別填充的是石灰石、大理石、石灰石。其上覆蓋一層厚10cm的石英砂。集水池收集三塊水平流床處理出水混合后，通過管道、閥門借助靜水壓力向三塊垂直流床自流配水。
垂直流人工濕地設計外徑尺寸長×寬×高為1.42m×3.45m×1.2m，分三格，單池實用尺寸長×寬1.0m×1.0m×1.2m。實際使用面積共3.0m2。垂直流床墊層由礫石、小礫石和豆石組成，厚10cm；高爐渣基質層厚90～100cm；布水層由礫石和豆石組成，厚5～10cm；表土覆蓋層由自然土壤組成，厚5～10cm。
運行時間和運行方式從2003年6月開始試運行，采用的HTR為5、4、3和2天。在3塊水平流床上，第1塊(HF1)種植風車草，第2塊(HF2)種植水蔥，第3塊(HF3)為不種植的對照。在3塊垂直流床上，第1塊(VF1)種植茳花，第2塊(VF2)種植美人蕉，第3塊(VF3)為不種植的對照。
處理效果(mg/L，％)如表1、表2、表3和表4所示。
表1為城市污水經復合人工濕地脫氮除磷處理后，污水中的COD濃度變化情況；表2為城市污水經復合人工濕地脫氮除磷處理后，污水中的BOD5濃度變化情況；表3為城市污水經復合人工濕地脫氮除磷處理后，污水中的KN濃度變化情況；表4為城市污水經復合人工濕地脫氮除磷處理后，污水中的TN濃度變化情況；表5為城市污水經復合人工濕地脫氮除磷處理后，污水中的TP濃度變化情況；
表1
表2
表3
表4
表權利要求
1.城市污水復合人工濕地脫氮除磷方法，其特征在于按水平流人工濕地在前，垂直流人工濕地在后的順序串聯起來組成復合人工濕地，城市污水首先經水平流人工濕地去除大部分SS、COD、BOD5和部分氨氮，再向垂直流人工濕地布水，完成對耗氧有機物的徹底去除和將剩余的氨氮完全硝化，并將垂直流人工濕地的硝化處理出水按50～100％回流比回流至水平流人工濕地進行內碳源前置反硝化脫氮處理；在水平流人工濕地和垂直流人工濕地中填充高磷吸附基質，并在水平流人工濕地基質上種植水生植物，在垂直流人工濕地基質上種植陸生花卉。
2.根據權利要求1所說除磷的方法，其特征在于高磷吸附基質有兩種第一種是水平流人工濕地的高磷吸附基質，它采用大理石或白云石和石灰石為材料破碎而成的，三者分段填充，污水進水的前端和出水的后端填充石灰石，各占床體總長度的1/4，床體中間填充大理石或白云石，占床體總長度1/2，第二種是垂直流人工濕地基質，它是采用高爐渣為原料直接填充而成的，或與草炭和耕層土壤按13～18∶1∶1的體積比混合配制而成。
3.根據權利要求1所說的脫氮除磷方法，其特征在于在水平流人工濕地上種植的水生植物品種為風車草和水蔥；在垂直流人工濕地上種植的陸生花卉品種為美人蕉和茳花。
全文摘要
本發明涉及污水處理技術。利用水平流人工濕地與垂直流人工濕地串聯組成復合人工濕地，污水首先經過水平流人工濕地去除大部分SS、COD、BOD
文檔編號C02F1/44GK1528680SQ20031011181
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月17日 優先權日2003年10月17日
發明者崔理華 申請人:華南農業大學