一种用于污水厂尾水高效脱氮的混合净化系统及净化方法与流程

1.本发明涉及污水处理和生物净化技术领域，尤其涉及一种用于污水厂尾水高效脱氮的混合净化系统及净化方法。


背景技术：

2.目前水质污染现象依旧严峻，尤其是城市污水处理厂尾水氮磷营养元素浓度仍然较高，若尾水直接排入到周围水体，势必影响水体的富营养化，造成水体污染。
3.目前针对污水处理厂尾水的处理主要采用人工湿地技术，虽然该技术成本较低，运行效果稳定且易于维护管理，能有效的提高尾水的水质，但却未能实现尾水中氮磷资源的充分利用。例如公开号为cn110028159a的中国专利公开了一种构建强化脱氮人工湿地的方法及强化脱氮方法，通过在人工湿地上种植西伯利亚鸢尾、芦苇、风车草、菖蒲等根系发达、耐冲击负荷能力较强的植物，采用硫自养脱氮技术耦合异养反硝化脱氮技术，实现污水的强化脱氮处理。但是该方法并不能有效利用尾水中的氮磷，无法实现将污水治理和农业生产有机结合。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于污水厂尾水高效脱氮的混合净化系统，替代传统人工湿地来净化水质，能够在维护生态功能的同时加强对氮的去除，并提供一定的经济效益。
5.具体的，本发明提供了如下的技术方案：
6.本发明提供了一种用于污水厂尾水高效脱氮的混合净化系统，包括生物滤池强化预处理区、作物型人工湿地核心净化区和河道净化器污染物削减区；
7.所述生物滤池强化预处理区设置有三级生物滤池，用于对污水厂的尾水进行生物脱氮；
8.所述作物型人工湿地核心净化区包括采用复合潜流构筑的人工湿地，所述人工湿地由下行池和上行池组成，且自下而上依次铺设导水层、过渡层、第一填料层、第二填料层、覆盖层和表层，并通过输水渠进行布水；所述表层上种植有作物；所述人工湿地分别连接有进水渠与出水渠；
9.所述河道净化器污染削减区包括设置于河道与支浜汇入口处的浮动湿地、设置于河道中部的沉水植物区以及设置于河道两侧坡岸上的挺水浮叶植物区。
10.本发明采用混合净化工艺，利用高效微生物滤池，即通过固定化微生物技术，对污水厂尾水中的总氮(tn)进一步处理后，再进入湿地，通过作物型人工湿地形成的生态系统对tn进行深度去除，最后再利用河道净化器以提升尾水水质，实现削减尾水的污染物和周边农业污染从而有效控制其他污染源，利用处理后的尾水对周边河道进行补水，增加水体流动性。
11.三级生物滤池是指将高效微生物和固定化技术相结合，创造厌氧-兼氧-好氧集成
微环境，形成的有利于脱氮菌群的微环境，选择性筛选脱氮优势菌，并将其固定于比表面大、生物相容性好、亲水性强和机械性能优良的高分子载体，可使高活性脱氮菌成为优势菌群，提高微生物对游离氨毒性的耐受性，促进同步硝化反硝化，解决生物脱氮的技术难题。
12.本发明中，生物滤池强化预处理区设有三级生物滤池，促进同步硝化反硝化，强化生物脱氮。其中，第一级生物滤池(硝化滤池)采用曝气生物滤池，曝气机放置在风机房中，通过管道，将空气送入到第一级生物滤池中。硝化滤池中，单孔膜空气扩散器布置数不宜小于36个/m2。硝化滤池出水中溶解氧宜为3-4mg/l，单个曝气通气量宜为0.2-0.3m3/h。
13.进一步地，硝化滤池的滤料为陶粒，粒径为4～9mm；投加的硝化菌包括硝化球菌和硝化杆菌。
14.本发明中，第二级和第三级生物滤池均为反硝化滤池，所述反硝化滤池的滤料为轻质滤料，包括但不限于聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯中的一种或多种，粒径为3～10mm；投加的反硝化菌包括反硝化杆菌、斯氏杆菌和萤气极毛杆菌。
15.本发明中，作物型人工湿地的填料表面和植物根系上由于大量微生物的生长而形成深生物膜。废水流经生物膜时，大量的氮磷等污染物被填料和植物根系阻挡截留，有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而去除。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境中出现好氧、缺氧、厌氧的状态，保证了废水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收，而且还可以通过消化、反硝化等异化作用将其去除。
16.进一步地，所述作物型人工湿地核心净化区中，表层、覆盖层、过渡层以及导水层均选用砾石作为基质，第一填料层选用陶粒作为基质，第二填料层选用沸石作为基质。其中，砾石作为作物型人工湿地主要的基质，具有使用寿命长，不易堵塞等优点；沸石吸附能力强，价格低廉，对cod和氮素去除效果较好；陶粒吸附性能优良，化学成分稳定且对环境友好，易于再生，价格低廉。
17.进一步地，所述作物型人工湿地核心净化区中，种植的作物包括芦苇、香蒲、水葱、茭白、水稻和水芹等经济作物。
18.进一步地，所述作物型人工湿地核心净化区中，人工湿地布置要相对集中，便于管理。人工湿地优选地被划分为多个单元，划分时可依据地形地势将各湿地单元设计成矩形，各单元尺寸与结构基本一致。每个单元均配有输水渠进行布水；相邻布水穿孔管的间距不大于每个单元池宽的10％，且≤1m，集水穿孔管的孔径为20～30mm。
19.进一步地，冬季时将植物割倒之后，用植物覆盖在作物型人工湿地表面，以进行湿地的保温。
20.本发明中，河道净化器相当于表面流人工湿地，其中支浜汇入口处设置的浮动湿地可拦截消减汇入河道的污染物；而在河道底部及坡岸种植的不同种的沉水植物、挺水/浮叶植物，可进一步地进行生物脱氮，达到净化水质的目的。
21.进一步地，所述浮动湿地分为上、中、下3层结构，其中，上层区域为水生植物区，种植水生经济植物。中层区域为水生动物区，笼养滤食性水生动物贝类，利用贝类的滤食作用去除污染物，并通过贝类的消化作用大幅度提高有机污染物的生物可降解性。下层区域为人工介质区，悬挂兼具软性及半软性特征的人工介质，大量富集微生物，形成高效生物膜净化区。优选的，在所述人工介质的底部悬挂有重物，以克服水的浮力，尽量保证其处于竖直状态。
22.进一步地，所述人工介质包括聚苯乙烯发泡板、pvc及竹质材料等。
23.进一步地，污水通过作物型人工湿地核心净化区后，水体处于缺氧状态。通过沉水植物的光合作用，为水体增加氧含量。沉水植物优选为能够兼顾冬季和夏季的植物，以轮叶黑藻、穗状狐尾藻、苦草、菹草等为主，同时搭配金鱼藻等植物，形成沉水植物群落。
24.进一步地，通过挺水及浮叶植物，创造兼氧的环境，进一步去除水中的污染物。所述挺水植物优选为能够兼顾冬季和夏季的植物，主要以香蒲、芦苇、睡莲为主，同时辅以少量的其它植物，水生植物群落，丰富景观层次。
25.本发明还提供了一种污水厂尾水高效脱氮的净化方法，其采用所述的混合净化系统，并包括以下步骤：
26.s1.将污水厂尾水通入到生物滤池强化预处理区，通过三级生物滤池进行脱氮处理；
27.s2.将经三级生物滤池处理后的污水由进水渠通入到所述人工湿地，水流下行，依次流经表层、覆盖层、第二填料层、第一填料层、过渡层和导水层，经过填料吸附后，通过出水渠排出；
28.s3.将所述出水渠排出的污水由支浜汇入到河道中，通过设置于支浜汇入口处的浮动湿地拦截消减汇入河道的污染物；进入河道后，通过种植的沉水植物、挺水植物和/或浮叶植物对污水进一步净化。
29.本发明步骤s2中，在进水浓度较低的条件下，作物型人工湿地对tn的去除率可达30％～75％；步骤s3中，河道净化器对tn的去除率可达30％～60％。
30.进一步地，经过生物滤池强化预处理区、作物型人工湿地核心净化区和河道净化器污染物削减区处理后，污水的脱氮率达80％以上。
31.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
32.1.本发明区别于传统的人工湿地，将其分为高效生物滤池强化预处理区，作物型人工湿地核心净化区和河道净化器污染物削减区；高效生物滤池强化预处理区通过固定化微生物技术，对污水处理厂尾水进行进一步的处理后，再进入湿地，确保湿地系统的安全；作物型人工湿地核心净化区可进一步对前期预处理单元后的出水进行反硝化脱氮，降低污水中总氮的含量；河道净化器污染物削减区通过前端拦截，中端沉水植物富氧区和末端挺水浮叶净化区，在河道底部设计为高低起伏适合种植不同种的挺水与沉水植物，净化水质；在支浜汇入处设置多重组合型浮动湿地，拦截消减汇入河道的污染物。
33.2.本发明利用高效生物滤池、作物型人工湿地及河道净化器多段式混合净化工艺用于污水厂尾水中高效脱氮，脱氮率可达80％以上，具有的一定的生态价值与经济效益。
附图说明
34.附图1是本发明的用于污水厂尾水高效脱氮的混合净化系统的结构示意图；
35.附图2是生物滤池强化预处理区的结构示意图；
36.附图3是作物型人工湿地核心净化区的结构示意图；
37.附图4是河道净化器污染物削减区的结构示意图；
38.其中：1、硝化滤池；2、第一反硝化滤池；3、第二反硝化滤池；4、作物区；5、表层；6、覆盖层；7、第一填料层；8、第二填料层；9、过渡层；10、导水层；11、浮动湿地；12、沉水植物
区；13、挺水浮叶植物区。
具体实施方式
39.下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
40.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
41.实施例1
42.请参见图1，本实施例提供了一种用于污水厂尾水高效脱氮的混合净化系统，包括生物滤池强化预处理区、作物型人工湿地核心净化区和河道净化器污染物削减区。
43.请参见图2，生物滤池强化预处理区设有三级生物滤池，滤池的设计参数为：单级填料高度为2.5m；单级空床水力停留时间为18min；滤池表面水力负荷8.33m3/m2·
h；面积为25m2。
44.具体的，三级生物滤池为1个硝化滤池1和2个反硝化滤池(即第一反硝化滤池2和第二反硝化滤池3)，其中硝化滤池1的设计参数为：滤料为陶粒，粒径为4～9mm；投加高效硝化菌，包含硝化球菌和硝化杆菌，液体状；硝化滤池1出水中溶解氧宜为3-4mg/l；单个曝气通气量宜为0.2-0.3m3/h；单孔膜空气扩散器布置数不宜小于36个/m2。反硝化滤池的设计参数为：滤料为轻质滤料(聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等)，粒径为3～10mm；投加高效反硝化菌，主要是反硝化杆菌、斯氏杆菌、萤气极毛杆菌。碱液设备间采用框架结构，室内设置溶药池1座，加药设备1套，所备用的药剂存放于设备间内。
45.本发明中，污水处理厂尾水先通过高效生物滤池进行处理后，再进入湿地，从而确保湿地系统的生态安全。
46.作物型人工湿地核心净化区是本发明的核心，人工湿地主要通过形成的生态系统对污水中的有机物进行降解，作物型人工湿地去除的污染物范围广泛，包括n、p、ss、有机物、微量元素、病原体等。在进水浓度较低的条件下，作物型垂直流人工湿地对bod5的去除率可达50％～90％，cod去除率可达60％～80％，氨氮去除率可达40％～75％，tp去除率可达60％～80％，tn去除率可达30％～75％。
47.请参见图3，所述作物型人工湿地核心净化区包括采用复合潜流构筑的人工湿地，主要由两个部分组成，分别是作物区4与填料层区，所述填料层区自下而上铺设，依次包括导水层10、过渡层9、第二填料层8、第一填料层7、覆盖层6和表层5。作物型人工湿地主要的基质为砾石，其次是沸石和陶粒。具体的，表层4、覆盖层5、过渡层9以及导水层10均选用砾石作为基质，第一填料层8选用陶粒作为基质，第二填料层7选用沸石作为基质。
48.砾石作为作物型人工湿地主要的基质，具有使用寿命长，不易堵塞等优点；沸石吸附能力强，价格低廉，对cod和氮素去除效果较好；陶粒吸附性能优良，化学成分稳定且对环境友好，易于再生，价格低廉。由于市场上材料性质相差较大，优选地在施工前先对材料进行试验，选择不易破碎、且浸出物浓度较低，相关元素离子浓度符合要求的品种。
49.本发明中，作物型人工湿地的植物选种为芦苇、香蒲、水葱、茭白、水稻、水芹等经
济作物。
50.本实施例中，人工湿地占地面积3.0公顷(ha)，共分为150个单元。依据地形地势将湿地单元设计成矩形，其单元平面尺寸为20m
×
10m，各单元尺寸与结构基本一致，各单元四周240mm砖墙护围，深1.5m，有效水深1.25m，池体超高20cm，整体高为1.7m。底部设适宜坡度。
51.作物型人工湿地通过输水渠布水，湿地布置要相对集中，方便管理。本实施例中，作物型人工湿地总面积3.0ha，单个单元面积为200m2，则整体分为约150个单元。每个单元均需配输水渠，预计输水渠长约18.5km。相邻布水穿孔管间距不大于每个单元池宽的10％，且≤1m，集水穿孔管孔径为20-30mm。
52.作物型人工湿地的冬季保温采用植物割倒之后，用植物覆盖在作物型人工湿地表面。
53.经作物型人工湿地处理后的污水进入出水河道净化器，河道净化器相当于表面流人工湿地，对各种污染物具有一定的去除效果：bod5的去除率可达到20％～30％，cod去除率可达到20％～30％，ss的去除率可达20％～30％，氨氮的去除率可达30％～50％，总磷的去除率可达20％～40％，tn去除率可达30％～60％。
54.请参见图4，河道净化器污染削减区包括设置于河道与支浜汇入口处的浮动湿地11、设置于河道中部的沉水植物区12以及设置于河道末端的挺水浮叶植物区13。
55.本实施例中，河道净化器占地总面积3.4ha，平均水深1.0m，其中河道挺水和沉水植被种植区为2.8ha；浮动湿地为0.6ha，分别布置在支浜的汇入口，总共5块，面积分别为0.06、0.09、0.15、0.15、0.15ha。
56.浮动湿地的主要作用是拦截支浜污染物的汇入。本实施例中，在项目区河道5条支浜的汇入口布置5块总面积为0.6ha的浮动湿地，每块浮动湿地都由单体拼接而成。浮动湿地单体1m(长)
×
1m(宽)
×
1.1m(高)的构造，设计成上、中、下3层结构：上层区域为水生植物区，种植水生经济植物，该区域有效高为20cm；中层区域为水生动物区，笼养滤食性水生动物贝类，利用贝类的滤食作用去除污染物，并通过贝类的消化作用大幅度提高有机污染物的生物可降解性，该区域高为30cm；下层区域为人工介质区，悬挂兼具软性及半软性特征的高效人工介质，大量富集微生物，形成高效生物膜净化区。人工介质底部设重物以克服水的浮力，尽量保证其竖直，该部分高为60cm。
57.本实施例中，项目河道的范围：长350m，宽约20-30m，总面积约1ha。河道的典型断面为河道两侧有一定的挺水植物作为缓冲带，中部水深1m左右，种植沉水植物。污水通过作物型人工湿地核心净化区后，水体处于缺氧状态。通过沉水植物的光合作用，为水体增加氧含量。沉水植物优选为能够兼顾冬季和夏季的植物，以轮叶黑藻、穗状狐尾藻、苦草、菹草等为主，同时搭配金鱼藻等植物，形成沉水植物群落。通过挺水及浮叶植物，创造兼氧的环境，进一步去除水中的污染物。所述挺水植物优选为能够兼顾冬季和夏季的植物，主要以香蒲、芦苇、睡莲为主，同时辅以少量的其它植物，水生植物群落，丰富景观层次。
58.利用本实施例的混合净化系统，可对污水厂尾水进行高效脱氮处理。具体为：
59.污水厂尾水通入生物滤池强化预处理区后，出水口连接作物型人工湿地核心净化区，通过输水渠布水，分别流经表层、覆盖层、第二填料层、第一填料层、过渡层与导水层，经过填料吸附后排出，流进河道净化器污染物削减区，通过前端拦截进入人工湿地，再到达河
道中间的沉水植物区，最后经过挺水浮叶植物区进行末端净化，净化后排放。
60.表1为各处理单元对污水的处理效率情况。
61.表1各处理单元对污水的处理效率情况
[0062][0063]
经上述工艺处理后，计算得到出水水质为：cod 16.80mg/l、bod 3.78mg/l、nh
3-n 1.40mg/l、tp 0.22mg/l、tn 2.48mg/l；出水水质满足设计要求的地表水环境质量准ⅳ类(cod≤30mg/l，bod5≤6mg/l，nh
3-n≤1.5mg/l，tn≤2.5mg/l，tp≤0.3mg/l)。
[0064]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。