專利名稱：垂直流一表面流復合人工濕地處理生活污水方法
技術領域：
本發明涉及污水處理技術領域，特別涉及一種復合人工濕地處理生活污水方法。
背景技術：
生活污水人工濕地處理方法主要有垂直流人工濕地、水平流、表面流以及垂直流與水平流組合的復合人工濕地等四種。
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、美人蕉和香根草等。
水平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、水蔥、鳶尾和菖蒲等，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。
表面流人工濕地床體高約30cm，采用普通土壤為處理介質，污水在人工濕地的地表呈水平流動，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、燈心草和茭白等，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。
垂直流與水平流組合的復合人工濕地有兩種排列。一種是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。另一種是按垂直流人工濕地在前，水平流人工濕地在后的順序串聯起來組成復合人工濕地。
上述人工濕地處理生活污水方法存在如下不足之處(1)表面流人工濕地需要很好的調節，植物只能去除10％的N，而一旦植物被收獲，則在腐殖層和土壤中依賴植物殘體分解提供有機物而進行的反硝化作用會受到直接影響，從而影響反硝化脫氮的效果。因此設計的時候必須要保障水中有充足的溶解氧以完成NH4+-N的硝化，同時又要使反硝化細菌有適宜的厭氧缺氧環境和充足的有機物來源，以保障反硝化脫氮這一表面流人工濕地中主要脫氮途徑的順利進行。
(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，它比表面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。
(3)垂直流和表面流兩種人工濕地系統各自對生活污水中磷的去除能力都不是很好，特別是表面流人工濕地較差，而且現行垂直流人工濕地廣泛采用的砂、礫石等基質對磷的吸附飽和壽命只有幾年。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能大部分去除耗氧有機物，完全硝化生活污水，去除污水中的NH4+-N、COD和BOD5并保證較高的總磷去除率及較長磷飽和使用壽命的垂直流-表面流復合人工濕地處理生活污水方法。
本發明的目的是這樣實現的垂直流-表面流復合人工濕地處理生活污水方法，按垂直流人工濕地在前，表面流人工濕地在后的順序串聯起來組成復合人工濕地，生活污水先經沉淀池去除砂粒和較大顆粒的懸浮物，然后自流進入垂直流人工濕地經過滲濾處理，再通過表面流人工濕地進行處理；在垂直流人工濕地中填充人工混合基質，并種植觀賞性植物，在表面流人工濕地中種植水生植物、花卉植物、蔬菜或養殖魚類。
作為一種優選方案，本發明所述人工混合基質包括主料與配料；主料包括煤灰渣、高爐渣和中粗砂，配料為草炭，其中主料和配料的體積比依次為9～19∶1。
作為另一種優選方案，本發明沉淀池的部分出水可從另一路直接流入表面流濕地作為碳源，完成垂直流硝化處理出水在表面流濕地中的反硝化過程，污水與硝化處理出水的體積比為1∶4～1∶6。
本發明所述觀賞性植物品種可為美人蕉、風車草或再力花；所述水生植物可為鳶尾、香蒲、菖蒲等；花卉植物可為美人蕉、再力花；蔬菜為蕹菜、慈茹、茭白；魚類可為鯽魚、鯉魚。
本發明將兩種人工濕地按垂直流與表面流順序組成復合人工濕地，充分利用垂直流人工濕地完成對COD和BOD5的大部分去除和對生活污水的大部分硝化，并利用表面流人工濕地進一步完成對剩余COD和BOD5的去除以及NH4+-N的硝化，并通過反硝化作用和水生植物的攝取作用完成對NO3￣N的去除；在垂直流人工濕地中填充人工混合基質，從而達到了較高的總磷去除率和較長的磷飽和使用壽命等目的。
本發明的優點主要體現在以下幾個方面①與單一的表面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NH4+-N、TN、TP、COD和BOD5的去除效果和處理出水水質都優于單一表面流或垂直流人工濕地；同時解決了表面流人工濕地處理生活污水時好氧處理能力不足等缺點。
②本發明創造利用垂直流人工濕地去除部分N、P、COD、BOD5和廢水的完全硝化，利用表面流人工濕地完成COD和BOD5的部分去除功能以及廢水的反硝化和植物攝取硝酸鹽等去除功能；污水經垂直流人工濕地硝化后進入表面流人工濕地在表面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以及動植物的殘體作為碳源完成反硝化脫氮作用，同時增加了表面流人工濕地對BOD5和COD及氮的去除能力。垂直流-表面流復合人工濕地不需要回流，從而降低了處理成本。復合人工濕地對一般城市污水中COD、BOD5和TN的去除率分別達到75~85％、85~95％、60％以上，處理出水中COD、BOD5和NH4+-N的濃度分別小于60、20和15mg/L，基本上達到城市污水處理廠的排放標準。
③利用垂直流人工濕地填充的高爐渣、煤灰渣和中粗砂人工混合基質完成廢水中大部分磷的去除功能；利用表面流人工濕地中土壤基質對磷的固定作用完成對廢水中磷的部分去除功能，同時利用垂直流和表面流人工濕地中栽種的風車草、美人蕉以及大型水生植物、花卉和蔬菜等植物的攝取作用去除部分磷，從而可使復合人工濕地對生活污水中TP的去除率達到70-85％以上，處理出水中的TP濃度小于1mg/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吸附飽和使用壽命可達到8～10年以上。
下面結合附圖所描述的實施方式對本發明作進一步詳細說明。
圖1為生活污水垂直流—表面流復合人工濕地結構圖；圖2為生活污水垂直流—表面流復合人工濕地垂直流床結構圖；圖3為生活污水垂直流—表面流復合人工濕地表面流床結構圖；具體實施方式
生活污水垂直流—表面流復合人工濕地有機物和脫氮處理方法是將垂直流人工濕地和表面流人工濕地串聯起來，垂直流人工濕地在前，表面流人工濕地在后。生活污水首先進入沉淀池去除部分SS，經垂直流人工濕地床體處理后，去除大部分SS、COD、BOD5，并進行廢水的硝化作用，接著流向地勢稍低的表面流人工濕地，利用表面流人工濕地完成對有機物的大部分去除，并通過反硝化作用(將沉淀池的部分出水經另一路直接引入表面流濕地作為碳源)和水生植物等的吸收完成對氮的部分去除。在垂直流人工濕地中填充人工混合基質，并種植美人蕉、風車草和再力花等觀賞性植物，在表面流人工濕地上種植水生植物、花卉、蔬菜和養殖魚類。
生活污水垂直流—表面流復合人工濕地由沉淀池、垂直流人工濕地和表面流人工濕地組成，按垂直流人工濕地在前，表面流人工濕地在后的順序串聯起來組成復合人工濕地。在垂直流人工濕地的床體內放置具有較好除磷效果的高爐渣、煤灰渣、中粗砂三種人工混合基質，并種植觀賞性植物。表面流人工濕地的床體為一般土壤基質，在土壤中種植大型挺水植物、花卉、蔬菜和養殖魚類。生活污水進入沉淀池去除大部分的SS經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，完成對有機物的大部分和硝化，然后利用落差向表面流人工濕地自流均勻布水；利用表面流人工濕地土壤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，去除余下部分COD、BOD5，通過反硝化以及植物的吸收完成對氮的去除。
生活污水垂直流—表面流復合人工濕地除磷方法是利用上述有機物和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。具體方法是首先，在垂直流人工濕地中填充對磷具有很強固定能力的高爐渣、煤灰渣和中粗砂三種人工混合基質，并種植美人蕉、風車草和再力花，利用人工混合基質和植物去除廢水中大部分磷；在以土壤為基質的表面流人工濕地上種植水生植物(鳶尾、香蒲、菖蒲、野生稻等)、花卉(美人蕉、再力花等)、蔬菜(水蕹菜、慈茹、茭白)和養殖魚類(鯽魚、鯉魚)等生物作用去除廢水中的一部分磷。
生活污水垂直流—表面流復合人工濕地中的沉淀池、垂直流人工濕地、表面流人工濕地等單元結構是由管道連接而成的。
生活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。床體從下而上分布為礫石墊層7和填料層8。床體高度130cm以上，礫石墊層7厚度10～15cm，由下而上分布粒徑約3～5cm的石灰石厚10cm和粒徑約1～2cm的石灰石厚5cm；人工混合基質層厚度為100～110cm，分別放置。所述人工混合基質以煤灰渣、高爐渣和中粗砂為主料，以草炭為配料，主料和配料按體積比9～19∶1配制而成的。布水管分布在人工混合基質層表面以下15～20cm處，并在垂直流床體中種植耐低溶解氧觀賞性植物如風車草、美人蕉和再力花。
“王”字形布水管分布在人工混合基質表面以下15～20cm處，布水管由布水主管5和多條布水支管6組成，布水主管5分布在床體的中間，其長度與床體長度相當，其中一端密封，另一端與污水進水管5相連接，布水支管6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。
在入水口上安裝污水管4，在污水管4上設有閥門，以控制處理出水的排水速度。
生活污水垂直流—表面流復合人工濕地中的表面流人工濕地床體的床壁和底部也主要是土壤結構。
表面流人工濕地床體從污水的進口采用多點布水的布水管道10使經過垂直流人工濕地的處理水能均勻的通過表面流人工濕地。
如圖所示，本發明是這樣實現的生活污水首先經過沉淀池1除去污水中的砂子，污水通過導流墻2進入沉淀池3除去污水中的懸浮顆粒物質，沿污水管4進入布水主管5和布水支管6進入垂直流人工濕地，污水在垂直流人工濕地中向下潛流，經過填料層8、礫石墊層7，污水經過垂直流人工濕地后由于基質的吸附作用和植物根系的攝取作用完成對有機物的大部分去除和完全硝化，垂直流人工濕地的污水利用垂直流人工濕地床體與表面流人工濕地具有落差，污水經過排水管9和布水管道10流入表面流人工濕地。污水經過表面流人工濕地后，利用表面流人工濕地的土壤基質的吸附作用及植物根系攝取作用去除污水中的COD、BOD5和部分硝酸鹽，同時將沉淀池出水引入表面流濕地作為碳源，與硝化出水混合，經過2d時間停留后再排放。
實施例日設計處理水量100～200m3/d。
設計參數沉淀池設計尺寸為7.58m×3.68m×3.3m矩形池一個，分兩格，有效水深2.6m，有效容積49.33m3，鋼筋混凝土結構。
垂直流人工濕地設計尺寸長×寬×高為20.1m×5.9m×1.3m，分三格，磚結構水泥抹面。單池實用尺寸長×寬6.7m×5.9m×1.3m。實際使用面積共120m2。垂直流床墊層直徑為3-5cm和1-2cm的礫石組成，厚10～15cm；人工混合基質層厚100-110cm。
表面流人工濕地設計尺寸長×寬×高為30.0m×6.0m×30.0cm的矩形一個。表面流床主要是土壤構成，從垂直流處理過的水從上底流入從下底流出。
運行方式表面流采用的HRT(水力停留時間)為48h、24h、12h、6h、3h。在3塊垂直流床上，第1塊填料為煤渣種植再力花，第2塊填料為高爐渣種植風車草，第3塊填料為石英砂種植美人蕉。在表面流床上，種植有水生植物、花卉和蔬菜等水生植物。
處理效果(mg/L，％)如表1、表2、表3和表4所示。
表1為生活污水經垂直流—表面流復合人工濕地處理后，污水中的COD濃度變化情況；表2為生活污水經垂直流—表面流復合人工濕地處理后，污水中的BOD5濃度變化情況；表3為生活污水經復合人工濕地處理后，污水中的TN濃度變化情況；表4為生活污水經垂直流—表面流復合人工濕地處理后，污水中的TP濃度變化情況；表5為生活污水經垂直流—表面流復合人工濕地處理后，污水中NH4+-N濃度變化情況；表6為生活污水經垂直流—表面流復合人工濕地處理后，污水中NO3--N濃度變化情況；表7為不同污水與硝化出水比條件下表面流濕地出水TN濃度變化情況；表8為不同污水與硝化出水比條件下表面流濕地出水TP濃度變化情況。
表1COD濃度變化情況
注當表面流人工濕地(SFCW)HRT為2天時，1、2、3、4分別是垂直流人工濕地(VFCW)0、20min、40min、1h取樣；當SFCW的HRT為1天時，1、2、3、4、5分別是0、30min、1h、1.5h、2h取樣；HRT為12小時1、2、3、4、5分別是0、1h、2h、3h、4h時取樣。
表2BOD5濃度變化情況
注表注同表1表3TN濃度變化情況
注表注如表1表4TP濃度變化情況
注表注同表1表5NH4+-N濃度變化情況
注表注同表1表6NO3--N濃度變化情況
注表注同表1表7不同污水與硝化出水比條件下表面流濕地出水TN濃度變化情況
表8不同污水與硝化出水比條件下表面流濕地出水TP濃度變化情況
權利要求
1.垂直流—表面流復合人工濕地處理生活污水方法，其特征在于按垂直流人工濕地在前，表面流人工濕地在后的順序串聯起來組成復合人工濕地，生活污水先經沉淀池去除砂粒和較大顆粒的懸浮物后分兩路進行處理，一路自流進入垂直流人工濕地經過滲濾處理后，再經表面流人工濕地處理；另一路直接進入表面流人工濕地進行處理；在垂直流人工濕地中填充人工混合基質，并種植觀賞性植物，在表面流人工濕地中種植水生植物、花卉植物、蔬菜和養殖魚類。
2.根據權利要求1所述的處理生活污水方法，其特征在于所述人工混合基質是以煤灰渣、高爐渣和中粗砂為主料，以草炭為配料，主料和配料按體積比9～19∶1配制而成。
3.根據權利要求1或2所述的處理生活污水方法，其特征在于沉淀池的部分出水直接流入表面流濕地作為碳源，完成垂直流硝化處理出水在表面流濕地中的反硝化過程，污水與硝化處理出水的體積比為1∶4～1∶6。
4.根據權利要求1或2或3所述的處理生活污水方法，其特征在于所述觀賞性植物品種為美人蕉、風車草或再力花；所述水生植物為鳶尾、香蒲、菖蒲等；花卉植物為美人蕉、再力花；蔬菜為水蕹菜、慈茹、茭白；魚類為鯽魚、鯉魚。
全文摘要
本發明公開一種復合人工濕地處理生活污水方法。按垂直流人工濕地在前，表面流人工濕地在后的順序串聯起來組成復合人工濕地，生活污水先經沉淀池去除砂粒和較大顆粒的懸浮物后，接著自流進入垂直流人工濕地經過滲濾處理，然后再經表面流人工濕地進行處理；在垂直流人工濕地中填充人工混合基質，并種植觀賞性植物，在表面流人工濕地中種植水生植物、花卉植物、蔬菜或養殖魚類。本發明所述人工混合基質是以煤灰渣、高爐渣和中粗砂為主料，以草炭為配料，主料和配料按體積比9～19∶1配制而成。沉淀池的部分出水直接流入表面流濕地作為碳源，完成垂直流硝化處理出水在表面流濕地中的反硝化過程，污水與硝化處理出水的體積比為1∶4～1∶6。
文檔編號C02F3/32GK1686868SQ20051001149
公開日2005年10月26日 申請日期2005年3月29日 優先權日2005年3月29日
發明者崔理華 申請人:華南農業大學