专利名称：人工湿地高效污水处理协同甲烷废气氧化的方法和系统的制作方法
人工湿地高效污水处理协同甲烷废气氧化的方法和系统技术领域
本发明属于环境保护领域，具体涉及人工湿地高效污水处理协同甲烷废气氧化的方法和系统。
背景技术：
随着我国畜禽养殖业的迅速发展，大、中型畜禽养殖场产生了大量高浓度(有机物、氨氮)的畜禽粪便污水，另外，水中的致病微生物导致存在大规模疾病暴发和流行的潜在危险，其随意排放对地面水体和地下水也会产生严重的污染，而若将未经处理的粪便污水直接施入田地，粪便中的高浓度的污染物和有害细菌会严重影响作物生长，因此对畜禽养殖场大量的高浓度污水进行处理后排放或者用于农田回用，对保护环境，促进水资源利用十分重要。
除此之外，大、中型畜禽养殖场室内因畜禽日常活动，通过新陈代谢及粪便发酵会产生大量低浓度的甲烷气体，若仅采用通风设备将此气体排放到大气中，会给全球的温室气体减排造成很大的压力。据报道，农业源温室气体排放占全球温室气体排放的10-12%，其中畜禽养殖的贡献率约为37%，在甲烷排放中，我国每年有大约3-6万m3的甲烷以低浓度甲烷的形式泄漏到大气中。目前越来越多的大、中型畜禽养殖场采用沼气工程来处理畜禽养殖场废弃物，但其过程中也会有约10%的甲烷气体以低浓度甲烷的形式泄漏到大气中。我国已经承诺在2020年与2005年相比单位⑶P温室气体减排40-45%，因此减排技术的研究意义重大，减少低浓度甲烷排放会有效服务于国家战略需求。国内关于低浓度甲烷减排技术的研究较少。国外对于高浓度甲烷(1600mg/m3)的处理多采用再生热源氧化法(RT0)，但该方法在处理低浓度甲烷气体时投入能量较大，且增加额外的CO2排放。因此，对于低浓度的甲烷减排，开发设计简便易行且高效经济的净化技术至关重要。
人工湿地污水处理技术是20世纪70年代发展起来的一种生态污水净化技术，以其投资少、建设运营成本低、净化效果好等特点近年来受到了广泛关注。污水在人工湿地系统中的净化主要以基质、植物和微生物通过物理、化学及生物作用协同完成的。 相比于传统的水平潜流人工湿地，垂直流人工湿地虽然具有较好的复氧效果，且水流方式会使污水与湿地基质以及湿地植物根系有更充分的接触，可以充分利用湿地中微生物作用对污染物， 特别是有机物和氨氮进行好氧降解，但畜禽养殖场废水中有机物、氨氮等污染物含量很高， 具有较好的氧环境的垂直流人工湿地一般也无法充分满足污染物好氧降解的氧需求。传统的生物膜法处理含低浓度甲烷废气因运行成本低、无二次污染等优点而得到广泛关注，当水不断流经附着生物膜表面时，会在生物膜表面形成一层液膜，而此液膜将成为微生物提供生活和物质交换场所，废气中的甲烷会首先在液膜中溶解，再被微生物吸收，或直接被吸附，然后通过微生物的氧化分解而被降解，废气中的甲烷在随气流流动的过程中会得到逐步的净化，但净化后的废气大部分被直接释放，造成了一定程度的能源浪费。发明内容
人工湿地高效污水处理协同甲烷废气氧化的方法采用连续进水的垂直流人工湿地，并利用水体自身重力和气体的上浮力在人工湿地床体中同时处理畜禽养殖场废水和低浓度溢出甲烷气体，且低浓度甲烷气体处理后的剩余气体可对湿地进行曝气，充分利用气体动能，从而进一步提高湿地床体的氧化环境，提高流经湿地中污水及废气中污染物的好氧降解。
实现上述方法的人工湿地高效污水处理协同甲烷废气氧化的系统系统包括污水进水管I，低浓度甲烷进气管2，湿地植物3，布水器4，布水基质层5，进水水流6，人工湿地曝气反应床7，进气气流8，布气室9，人工湿地出水管10，水封装置11，人工湿地集水管12， 出气气流13，均匀曝气头14等。畜禽养殖场污水经过过滤、沉淀等预处理后流入污水进水管1，通过布水器4进入布水基质层5，布水器4为带有多条支水管的多孔管，布水基质层 5中选用粒径较小的细沙等基质作为填料，使污水在布水基质层5中均匀分布后沿进水水流6的方向自上而下流动，保证污水与人工湿地曝气反应床7中湿地基质、湿地植物3根系以及附着与其表面的微生物充分接触，使污染物高效降解。畜禽养殖场中产生的低浓度甲烷气体通过低浓度甲烷进气管2进入湿地床体内布气室9，布气室9设置多条支管，且支管上设置向上均匀开孔的均匀曝气头14，使气体稳定的沿着进气气流8的方向从下往上的流动，气体中的低浓度甲烷在湿地床体内部流动过程中与湿地基质及植物根系表面附着的微生物充分接触后，先从气相转入液相，溶解于微生物表面的液膜中，再在液相中被湿地有关微生物吸收、吸附，通过代谢作用而被降解去除，同时，气流在人工湿地曝气反应床7流动过程中还会对湿地床体有一个曝气的效果，形成人工湿地曝气反应床7，进而可以大大提高湿地床体的氧化环境，促进畜禽养殖场高浓度废水中污染物的好氧去除，最终剩余的无害气体形成出气气流13。湿地出水管10设置一段水封装置11，水封装置11为一段U型的管，内部会形成一段永久的淹没区，自行形成液封，阻挡布气室9中的气体未经人工湿地曝气反应床7而直接由出水管10 口排出。与现有技术相比，
本发明的有益效果在于:
(I)本发明中，系统将人工湿地处理高浓度畜禽养殖场污水耦合低浓度溢出甲烷处理。利用湿地微生物作用处理低浓度甲烷，并利用含有低浓度甲烷废气对人工湿地进行曝气，提高湿地床体的氧化环境，进而促进湿地系统对高浓度畜禽养殖场污水中污染物的去除。
(2)本发明中，采用均匀布水器4和布水基质层5，使高浓度的畜禽场废水从湿地顶端均匀的由上而下的进入人工湿地，使废水与湿地基质、湿地植物3根系以及附着与其表面的微生物充分接触，人工湿地曝气反应床7底部设置曝气装置，对湿地床体进行曝气， 有利于污染物的高效降解。
(3)本发明中，湿地床体设置低浓度甲烷气体进气布气室9和配套的均匀曝气头 14，可使气体稳定后沿着进气气流8的方向在湿地内部逐渐向上扩散，较低浓度甲烷在湿地床体内部流动过程中被湿地微生物氧化去除。
(4)本发明中，人工湿地出水管10设置水封装置11，可以防止布气室9中的甲烷废气未经人工湿地曝气反应床7中氧化去除，而直接 由出水管10 口排出。
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图1为该人工湿地耦合低浓度甲烷及污水处理系统的示意图，图2为布气室9的剖面示意图。
附图标记:
1:污水进水管；2:低浓度甲烷进气管；
3:湿地植物；4:布水器；
5:布水基质层；6:进水水流；
7:人工湿地曝气反应床；8:进气气流；
9:布气室；10:人工湿地出水管；
11:水封装置；12:人工湿地集水管；
13:出气气流；14:均匀曝气头。
具体实施方式
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下面结合附图以及标记，进一步详细说明本发明。
畜禽场污水经过沉淀等预处理后流入污水进水管I，通过布水器4进入湿地床体， 使污水在布水基质层5中均匀分布后沿进水水流6的方向自上而下流动，保证污水与人工湿地曝气反应床7中湿地基质、湿地植物3根系以及附着于其表面的微生物充分接触，使污染物高效降解。畜禽养殖场中产生的低浓度甲烷气体通过低浓度甲烷进气管2进入湿地床体内布气室9，使气体稳定后通过均匀曝气头14，沿着进气气流8的方向从下往上的流动， 气体中的低浓度甲烷在湿地床体内部流动过程中与湿地基质及污水充分接触后，被湿 地微生物吸收、吸附，通过代谢作用而被降解去除，生产无害的出气气流13。同时，气流在人工湿地曝气反应床7流动过程中还会对湿地床体有一个曝气的效果，形成人工湿地曝气反应床 7，进而可以大大提高湿地床体的氧化环境，促进畜禽养殖场高浓度废水中污染物的好氧去除。最终污水处理后通过人工湿地集水管12收集后，从人工湿地出水管10排出。湿地出水管10设置一段水封装置11，内部会形成一段永久的淹没区，自行形成液封，阻挡布气室9 中的气体未经人工湿地曝气反应 床7而直接由出水管10 口排出。
权利要求
1.人工湿地高效污水处理协同甲烷废气氧化的系统，其特征在于该系统包括布水基质层(5 )和人工湿地曝气反应床(7 )，其中布水基质层(5 )中设置布水器(4 )与污水进水管(I)相连接，并种植湿地植物(3)，人工湿地曝气反应床(7)底部设置带有均匀曝气头(14) 的布气室(9)和人工湿地集水管(12)，其中布气室(9)与低浓度甲烷进气管(2)相连，人工湿地集水管(12)出口设置带有水封装置(11)的人工湿地出水管(10)。
2.如权利要求I所述的系统，其特征在于所述系统将畜禽养殖场高浓度污水处理和含有低浓度甲烷废气氧化处理进行了高效的耦合。利用湿地微生物作用处理低浓度甲烷废气，并利用含有低浓度甲烷废气对垂直流人工湿地进行曝气，提高湿地床体的氧化环境，进而提高湿地系统对高浓度畜禽养殖场废水中污染物的好氧去除。
3.如权利要求I所述的系统，其特征在于所述布水基质层(5)选用粒径较小的细沙等作为基质，并设置均匀布水器(4 )。
4.如权利要求I所述的系统，其特征在于所述人工湿地曝气反应床(7)底部设置低浓度甲烷气体进气布气室(9)及均匀曝气头(14)，可使气体稳定后沿着进气气流(8)的方向在湿地内部逐渐向上扩散。
5.如权利要求I所述的系统，其特征在于所述人工湿地出水管(10)设置水封装置(II)。
全文摘要
本发明属于环境保护领域，涉及人工湿地高效污水处理协同甲烷废气氧化的方法和系统。其中，系统选用氧环境较好的垂直流人工湿地，该系统包括布水基质层(5)和人工湿地曝气反应床(7)，其中布水基质层(5)中设置布水器(4)与污水进水管(1)相连接，并种植湿地植物(3)，人工湿地曝气反应床(7)底部设置带有均匀曝气头(14)的布气室(9)和人工湿地集水管(12)，其中布气室(9)与低浓度甲烷进气管(2)相连，人工湿地集水管(12)出口设置带有水封装置(11)的人工湿地出水管(10)。本发明针对畜禽养殖场大量高浓度废水生态处理氧需求难以满足，以及含有低浓度甲烷废气随意排放造成温室效应的问题，将畜禽养殖场废水及废气的处理进行了高效的耦合，提供了一种高效低耗的人工湿地高效污水处理协同甲烷废气氧化的方法和系统。
文档编号B01D53/84GK103253823SQ20131015851
公开日2013年8月21日 申请日期2013年5月2日 优先权日2013年5月2日
发明者吴树彪, 吕涛, 董仁杰, 刘芳 申请人:中国农业大学