一種人工濕地系統及采用人工濕地系統處理氮磷廢水的方法
【專利摘要】本發明公開了一種人工濕地系統及采用人工濕地系統處理氮磷廢水的方法，該系統包括由上至下依次設置的：布水區，用于將氮磷廢水引入所述人工濕地系統；功能區，用于去除氮磷廢水中的氮磷元素；以及排水區，用于將去除氮磷元素之后的廢水排出所述人工濕地系統。該人工濕地系統可以調配氮磷廢水中的離子含量配比，有利于氮磷廢水在功能區形成鳥糞石晶種，使氮磷元素能有效形成鳥糞石肥沉積于填料表面，從而促進該系統對廢水中氮磷元素的截留、吸附和富集，濕地植物根系不斷分解并吸收氮磷物質與鳥糞石不斷生成達到動態平衡。該人工濕地系統可長期穩定運轉，脫氮除磷效率高，并且能夠給植物持續供給肥料，同時實現了環保要求與資源的合理利用。
【專利說明】
-種人工濕地系統及采用人工濕地系統處理氮磯廢水的方法
技術領域
[0001] 本發明設及廢水處理領域，具體地，設及一種人工濕地系統及采用人工濕地系統 處理氮憐廢水的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著經濟發展，我國水體富營養化現象急劇增多，河流湖泊水華時有發生。氮、憐 元素是造成水體富營養化的主要因素，人工濕地作為一種生態型廢水深度處理手段得到了 廣泛的應用。人工濕地去除氮憐和有機污染的原理是利用系統內部填料基質、植物、微生物 的物理沉淀、化學吸附、生物吸收分解和轉化等Ξ重協同作用實現。氮、憐元素是一種植物 生長所需的主要肥料，但是污水中的氮憐分散在水中，不利于植物吸收。目前應用人工濕地 處理廢水主要為依靠填料基質進行化學吸附去除氮憐，運種方法存在容易飽和、再生困難， 吸附后的氮憐也很難被植物利用的缺點。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種人工濕地系統，該系統可W解決現有的人工濕地系統處 理廢水易飽和、難再生，且吸附后的氮憐難W被植物利用的問題。
[0004] 為了實現上述目的，本發明提供一種人工濕地系統，該系統包括由上至下依次設 置的：
[0005] 布水區，用于將氮憐廢水引入所述人工濕地系統；
[0006] 功能區，用于去除氮憐廢水中的氮憐元素；W及
[0007] 排水區，用于將去除氮憐元素之后的廢水排出所述人工濕地系統；
[000引所述布水區包括布水器W及與所述布水器的進水口連通的進水調配池，用于調配 氮憐廢水的pH值和離子含量配比；
[0009] 所述功能區包括由上至下依次設置的覆蓋層、濾料層和過渡層，所述覆蓋層上種 植有濕地植物；
[0010] 所述排水區包括排水層和出水口，所述排水層內水平設置有與所述出水口連通的 排水管。
[0011] 可選地，所述布水器為選自穿孔布水管、布水噴頭和旋轉布水器中的一種或幾種。
[0012] 可選地，所述布水器為穿孔布水管。
[0013] 可選地，所述覆蓋層的厚度為40-80mm，填料粒徑為10-18mm;所述濾料層的厚度為 400-700mm，填料粒徑為1-lOmm;所述過渡層的厚度為80-150mm，填料粒徑為4-8mm。
[0014] 可選地，所述排水管在水平方向設有均勻分布的開孔，且所述排水管外側包裹有 過濾網。
[0015] 可選地，所述排水層厚度為200-400mm，填料粒徑為10-18mm。
[0016] 根據本發明的另一方面，還提供一種采用人工濕地系統處理氮憐廢水的方法，該 方法包括如下步驟：
[0017] (1)啟動階段:使氮憐廢水進入進水調配池，調節氮憐廢水的pH值和離子含量配 比，得到調配廢水，其中，所述離子含量配比為NH4+、P化和Mgh的摩爾比；
[0018] 關閉出水口，使所述調配廢水進入人工濕地系統并浸泡功能區填料；
[0019] (2)正常運行階段:開啟人工濕地系統的出水口，使氮憐廢水進入所述人工濕地系 統，經由布水器進入所述功能區去除氮憐元素后排出系統。
[0020] 可選地，所述調配廢水的抑值為8-9,所述調配廢水中的NH4+、P043啼Mgh的摩爾比 為1:(0.9-1.1):(2-5)。
[0021] 可選地，所述浸泡的時間大于70h。
[0022] 可選地，所述正常運行階段的水力停留時間大于化。
[0023] 通過在人工濕地系統中設置包括進水調配池和布水器的布水區W及包括多層填 料結構的功能區，可W調配氮憐廢水中的離子含量配比，有利于氮憐廢水在功能區形成鳥 糞石晶種，使氮憐元素能有效形成鳥糞石肥沉積于填料表面，從而促進該人工濕地系統對 廢水中氮憐元素的截留、吸附和富集，濕地植物根系不斷分解并吸收氮憐物質與鳥糞石不 斷生成達到動態平衡。該人工濕地系統可長期穩定運轉，脫氮除憐效率高，可W顯著降低水 中富營養物質含量，并且能夠給植物持續供給肥料，同時實現了環保要求與資源的合理利 用。
[0024] 本發明的其他特征和優點將在隨后的【具體實施方式】部分予W詳細說明。
【附圖說明】
[0025] 附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具 體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：
[0026] 圖1是根據本發明的一種實施方式的人工濕地系統的剖面示意圖；
[0027] 附圖標記說明
[0028] 1進水調配池 2布水器
[0029] 3進水口 4覆蓋層
[0030] 5濾料層 6過渡層
[00川 7排水層 8出水口
[0032] 9濕地植物
【具體實施方式】
[0033] W下結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描 述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
[0034] 在本發明中，在未作相反說明的情況下，使用的方位詞如"上、下"通常是指該人工 濕地系統在正常使用狀態下的"上、下"，具體可W參照圖1的圖面方向。
[0035] 本發明提供一種人工濕地系統，該系統包括由上至下依次設置的：
[0036] 布水區，用于將氮憐廢水引入所述人工濕地系統；
[0037] 功能區，用于去除氮憐廢水中的氮憐元素；W及
[0038] 排水區，用于將去除氮憐元素之后的廢水排出所述人工濕地系統；
[0039] 所述布水區包括布水器2 W及與所述布水器2的進水口 3連通的進水調配池1，用于 調配氮憐廢水的pH值和離子含量配比；
[0040] 所述功能區包括由上至下依次設置的覆蓋層4、濾料層5和過渡層6,所述覆蓋層4 上種植有濕地植物9;
[0041] 所述排水區包括排水層7和出水口 8,所述排水層7內水平設置有與所述出水口 8連 通的排水管。
[0042] 通過在人工濕地系統中設置包括進水調配池1和布水器2的布水區W及包括多層 填料結構的功能區，可W調配氮憐廢水中的離子含量配比，有利于氮憐廢水在功能區形成 鳥糞石晶種，使氮憐元素能有效形成鳥糞石肥沉積于填料表面，從而促進該人工濕地系統 對廢水中氮憐元素的截留、吸附和富集，濕地植物根系不斷分解并吸收氮憐物質與鳥糞石 不斷生成達到動態平衡。該人工濕地系統可長期穩定運轉，脫氮除憐效率高，可W顯著降低 水中富營養物質含量，并且能夠給植物持續供給肥料，同時實現了環保要求與資源的合理 利用。
[0043] 根據本發明，布水器2可W具有多種結構，例如，布水器2可W為選自穿孔布水管、 布水噴頭和旋轉布水器中的一種或幾種。
[0044] 其中，為了提高布水的均勻性W及運行的穩定性，在本發明優選的一種實施方式 中，布水器2可W為穿孔布水管。
[0045] 根據本發明，為了防止濕地植物9的根系被布水管沖散，功能區可W包括覆蓋層4， 覆蓋層4的厚度可W為40-80mm，填料粒徑可W為10-18mm，填料可W為堿石，優選經人工清 洗后不帶泥沙的堿石。
[0046] 根據本發明，功能區的濾料層5為人工濕地系統去除廢水中氮憐元素的主要場所， 廢水中的大部分污染物質可W在濾料層5進行物理化學生物作用去除，濾料層5的厚度可W 為400-700mm;為了防止鳥糞石沉積后堵塞填料，濾料層5的粒徑可W為1-lOmm。濾料層5的 填料種類可W為具有填充凈化作用的常見填料種類，例如濾料層5的填料可W為無泥粗砂， 其中為了強化填料的凈化過濾作用，優選情況下，無泥粗砂的粒徑可W設置為由上至下遞 減。
[0047] 根據本發明，為了防止上層濾料堵塞排水層7,功能區可W包括過渡層6,過渡層6 的厚度可W為80-150mm，填料粒徑可W為4-8mm。過渡層6的填料可W為堿石，優選經清洗后 的堿石。
[0048] 為了便于將人工濕地系統內經過濾凈化后的廢水及時排出，在本發明優選的一個 實施方式中，排水管可W在水平方向設有均勻分布的開孔，更優選地，為了防止上層濾料堵 塞排水管的開孔，排水管外側可W包裹有過濾網。
[0049] 為了進一步提高該人工濕地系統的排水效率，排水層7的厚度可W為200-400mm， 填料粒徑可W為l〇-18mm，排水層7的填料種類可W為具有填充凈化作用的常見填料，如堿 石等。
[0050] 根據本發明的另一方面，還提供一種采用人工濕地系統處理氮憐廢水的方法，該 方法包括如下步驟：
[0051] (1)啟動階段:使氮憐廢水進入進水調配池 1，調節氮憐廢水的抑值和離子含量配 比，得到調配廢水，其中，所述離子含量配比為NH4+、P化和Mgh的摩爾比；
[0052] 關閉出水口 8，使所述調配廢水進入人工濕地系統并浸泡功能區填料；
[0053] (2)正常運行階段:開啟人工濕地系統的出水口8,使氮憐廢水進入所述人工濕地 系統，經由布水器2進入所述功能區去除氮憐元素后排出系統。
[0054] 鳥糞石是一種難溶于水的白色晶體，其分子式為MgNH4P〇4 · 6此0,常溫下，鳥糞石 在水中的溶度積為2.5 X 10-?3，其中P2化的含量約為58%，是一種極好的緩釋肥。當溶液中含 有Mgh、馳+和Ρ〇43^，并且其離子濃度積大于溶度積常數時，會自發形成沉淀，其反應式如式 (1)所示：
[0化5] Mg2++NH4++P〇43-+細2〇一MgNH4P〇4 · 6出0丄式（1)
[0056] 在根據本發明的方法中，可W首先測試進入人工濕地系統前的氮憐廢水的pH值W 及NH4+、P043-和Mgh的摩爾濃度。為了促進廢水中的氮憐元素轉化為鳥糞石晶種，優選情況 下，調配廢水的pH值為8-9,調配廢水中的NH4+、P043-和Mg2+的摩爾比可W為1: (0.9-1.1): (2-5)。在上述抑值范圍內，鳥糞石的結晶反應較為迅速。由于廢水中普遍缺少Mgh離子，因 此投加適量的Mg2+使得調配廢水中的馳+、P〇43-和Mgh的摩爾比在上述范圍內時有助于結晶 反應的進行。
[0057] 根據本發明，上述調節廢水pH值可W采用本領域常用的酸堿調節劑，例如，可W使 用廢棄的HC1溶液、HN03溶液、此S〇4溶液、曲P〇4溶液、化卿容液和C0巧體中的一種或多種;上 述調配廢水中離子摩爾比的方法可W為向氮憐廢水中加入含有Mgh離子的試劑，例如可W 為選自MgCl2溶液、Mg(0H)2懸浮液、面水和海水等一種或多種。
[0058] 在根據本發明的方法中，啟動階段，可W將從調配池1得到的調配廢水經由布水器 2引入功能區中，優選地，調配廢水的加入量可W為使得功能區的填料被浸沒。為了有利于 鳥糞石晶種的形成和生長，優選情況下，浸泡的時間可W大于70h。
[0059] 在根據本發明的方法中，正常運行階段，為了進一步去除氮憐廢水中的氮憐元素， 促進氮憐元素在功能區被截留和吸附，正常運行階段的水力停留時間可W大于化。
[0060] 在根據本發明的方法中，人工濕地系統內鳥糞石晶種的形成過程如下：啟動階段， 調配廢水中含有Mg2+、NH4+和P〇43^，并且其離子濃度積大于溶度積常數時，會自發形成沉淀， 即鳥糞石晶種。鳥糞石初始結晶形成晶種后會加快結晶成長階段的反應速度，在人工濕地 系統正常運行階段，隨著氮憐廢水進入人工濕地系統并在該系統內停留，組成晶體的離子 不斷結合到晶種上使得晶種逐漸生長，由于植物根系對于鳥糞石具有分解和吸收的作用， 隨著晶種不斷生長，植物根系也持續吸收鳥糞石晶種中的氮憐元素，晶種失去氮憐元素后 會再吸附更多的氮憐元素完成生長，吸收與結晶過程達到動態平衡，從而可W有效地降低 氮憐廢水中的氮憐元素含量，達到凈化廢水和資源合理利用的目的。
[0061] 下面通過實施例進一步說明本發明，但是本發明并不因此而受到任何限制。在本 發明的下述實施例中，氮憐廢水中不含有Mg2%馳+的摩爾含量為0.01mol/L，P〇431 勺摩爾含 量為0.002mol/L，氮憐廢水的抑值為9。
[0062] 實施例1
[0063] 本實施例采用如圖1所示的人工濕地系統對上述氮憐廢水進行處理，處理方法包 括如下步驟：
[0064] (1)在進水調配池1分別采用質量分數為31%HC1溶液和MgCl2溶液分別調節廢水 的抑值和離子摩爾比，使得到的調配廢水的抑值為8.5，畑4+: P化Mgh摩爾比為1:1:2。
[0065] (2)關閉系統出水口8,打開進水口3,使調配廢水經布水器2進入人工濕地內，待填 料基質全部浸沒后停止進水，浸泡反應72小時。
[0066] (3)開啟系統進水口 3和系統出水口 8,使人工濕地系統正常運行:氮憐廢水進入所 述人工濕地系統，經由布水器2進入所述功能區去除氮憐元素后排出系統;正常運行水力停 留時間為化。
[0067] 實施例2
[0068] 本實施例采用如圖1所示的人工濕地系統對上述氮憐廢水進行處理，處理方法包 括如下步驟：
[0069] (1)在進水調配池1分別采用質量分數為20%的曲P〇4溶液和海水分別調節廢水的 pH值和離子摩爾比，使得到的調配廢水的抑值為9，畑4+: P化Mgh摩爾比為1:0.9:5。
[0070] (2)關閉系統出水口8,打開進水口3,使調配廢水經布水器2進入人工濕地內，待填 料基質全部浸沒后停止進水，浸泡反應80小時。
[0071] (3)開啟系統進水口 3和系統出水口 8,使人工濕地系統正常運行:氮憐廢水進入所 述人工濕地系統，經由布水器2進入所述功能區去除氮憐元素后排出系統;正常運行水力停 留時間為化。
[0072] 實施例3
[0073] 本實施例采用如圖1所示的人工濕地系統對上述氮憐廢水進行處理，處理方法包 括如下步驟：
[0074] (1)在進水調配池1分別采用質量分數為31%出P04溶液和MgCl2溶液分別調節廢水 的抑值和離子摩爾比，使得到的調配廢水的抑值為8，畑4+: P化Mgh摩爾比為1:1.1:3。
[0075] (2)關閉系統出水口8,打開進水口3,使調配廢水經布水器2進入人工濕地內，待填 料基質全部浸沒后停止進水，浸泡反應70小時。
[0076] (3)開啟系統進水口 3和系統出水口 8,使人工濕地系統正常運行:氮憐廢水進入所 述人工濕地系統，經由布水器2進入所述功能區去除氮憐元素后排出系統;正常運行水力停 留時間為化。
[0077] 實施例4
[0078] 本實施例采用如圖1所示的人工濕地系統對上述氮憐廢水進行處理，處理方法與 實施例1相同，所不同的是，調配廢水的抑值為7，NH4+:P化3^Mg2+摩爾比為1:1: 1。
[0079] 實施例5
[0080] 本實施例采用如圖1所示的人工濕地系統對上述氮憐廢水進行處理，處理方法與 實施例1相同，所不同的是，正常運行水力停留時間為化。
[0081 ] 實施例6
[0082] 本實施例采用如圖1所示的人工濕地系統對上述氮憐廢水進行處理，處理方法與 實施例1相同，所不同的是，浸泡時間為40h。
[0083] 對比例1
[0084] 本對比例采用如圖1所示的人工濕地系統對上述氮憐廢水進行處理，處理方法包 括如下步驟：
[0085] (1)在進水調配池采用質量分數為31%肥1溶液調節廢水的抑值，使得到的調配廢 水的抑值為8.5。
[0086] (2)關閉系統出水口8,打開進水口3,使調配廢水經布水器2進入人工濕地內，待填 料基質全部浸沒后停止進水，浸泡反應72小時。
[0087] (3)開啟系統進水口 3和系統出水口 8,使人工濕地系統正常運行:氮憐廢水進入所 述人工濕地系統，經由布水器2進入所述功能區去除氮憐元素后排出系統;正常運行水力停 留時間為化。
[0088] 測試實施例1
[0089] 分別測試實施例1-6和對比例1中排出系統的廢水中畑4+和P0431 勺摩爾含量，測試 結果列于表1中。
[0090] 表 1
[0091]
[0092] 根據表1數據，實施例1與對比例1的數據對比可W看出，本發明的人工濕地系統及 其處理氮憐廢水的方法可W調配氮憐廢水中的離子含量配比，有利于氮憐廢水在功能區形 成鳥糞石晶種，從而強化對廢水中氮憐元素的吸收和截留作用，有效降低了廢水中氮憐含 量。
[0093] 實施例1與實施例4的數據對比可W看出，在本發明優選的調配廢水的抑值為8-9， 調配廢水中的N也+、P〇43啼Mgh的摩爾比為1:(0.9-1.1):(2-5)的情況下，本發明的人工濕 地系統及其處理氮憐廢水的方法可W更有效地降低廢水中的氮憐含量；
[0094] 實施例1與實施例5的數據對比可W看出，在本發明優選的正常運行階段的水力停 留時間大于化的情況下，本發明的人工濕地系統及其處理氮憐廢水的方法可W更有效地降 低廢水中的氮憐含量。
[00%]實施例1與實施例6的數據對比可W看出，在本發明優選的浸泡的時間大于70h的 情況下，本發明的人工濕地系統及其處理氮憐廢水的方法可W促進鳥糞石晶種的形成，從 而更有效地去除廢水中的氮憐元素；
[0096] W上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實 施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可W對本發明的技術方案進行多種簡 單變型，運些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。
[0097] 另外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術特征，在不矛 盾的情況下，可W通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發明對各種可 能的組合方式不再另行說明。
[0098] 此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可W進行任意組合，只要其不違背本 發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。
【主權項】
1. 一種人工濕地系統，其特征在于，該系統包括由上至下依次設置的： 布水區，用于將氮磷廢水引入所述人工濕地系統； 功能區，用于去除氮磷廢水中的氮磷元素；以及 排水區，用于將去除氮磷元素之后的廢水排出所述人工濕地系統； 所述布水區包括布水器(2)以及與所述布水器(2)的進水口（3)連通的進水調配池（1)， 用于調配氮磷廢水的pH值和離子含量配比； 所述功能區包括由上至下依次設置的覆蓋層(4)、濾料層(5)和過渡層(6)，所述覆蓋層 (4)上種植有濕地植物(9); 所述排水區包括排水層(7)和出水口（8)，所述排水層(7)內水平設置有與所述出水口 (8)連通的排水管。2. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述布水器(2)為選自穿孔布水管、布水噴 頭和旋轉布水器中的一種或幾種。3. 根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述布水器(2)為穿孔布水管。4. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述覆蓋層(4)的厚度為40-80mm，填料粒 徑為10-18mm;所述濾料層(5)的厚度為400-700mm，填料粒徑為1-1 Omm;所述過渡層(6)的厚 度為80-150mm，填料粒徑為4_8mm。5. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述排水管在水平方向設有均勻分布的開 孔，且所述排水管外側包裹有過濾網。6. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述排水層(7)厚度為200-400mm，填料粒 徑為 l〇-18mm。7. -種采用人工濕地系統處理氮磷廢水的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟： (1) 啟動階段:使氮磷廢水進入進水調配池（1 )，調節氮磷廢水的PH值和離子含量配比， 得到調配廢水，其中，所述離子含量配比為NH4+、P0 43lPMg2+的摩爾比； 關閉出水口（8)，使所述調配廢水進入人工濕地系統并浸泡功能區填料； (2) 正常運行階段:開啟人工濕地系統的出水口（8)，使氮磷廢水進入所述人工濕地系 統，經由布水器(2)進入所述功能區去除氮磷元素后排出系統。8. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述調配廢水的pH值為8-9，所述調配廢水 中的NH4+、P〇43-和Mg 2+的摩爾比為 1:(0.9-1.1): (2-5)。9. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述浸泡的時間大于70h。10. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述正常運行階段的水力停留時間大于 2h〇
【文檔編號】C02F3/32GK105906063SQ201610327688
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】甘平, 馮嵩, 趙晉靈, 周廣福, 王寶駒
【申請人】億利首建生態科技有限公司