专利名称：氮磷污染控制的复合湿地生态方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氮磷污染控制的高效复合湿地生态方法及其系统，属于人工湿地水处理方法与工艺的技术领域，可广泛用于城市、村镇、农田具有强冲击性，大流量的富含氮磷和悬浮物的暴雨径流处理，以及污废水的处理。
近十几年来，人工湿地技术正逐渐拓展至暴雨径流的处理和控制上，主要用于去除暴雨径流中的总悬浮固体、氮磷营养组分、有机物及重金属等，并成为处理暴雨径流的有效方法之一。各种人工湿地技术体现出不同的工艺、结构、运行参数及去除污染物的效果等。
瑞典Flemingsbergsviken暴雨湿地工程，由初沉池、湿塘、两级人工构造自由表面湿地、芦苇塘等组成，占地面积18hm2，控制流域面积9.6km2，水力停留时间为3～5d。经过3年时间的运行，总氮和总磷的去除率分别为35％和31％(Thomas Larm.Stormwaterquantity and quality in a multiple pond-wetland systemFlemingsbergsviken case study.Ecological Engineering.2000，1557～74)。
美国环保局颁布的暴雨径流人工湿地系统由前置库、2～3级人工自由表面湿地、半湿塘等组成，其占地面积一般不低于流域面积的1％～3％，水力停留时间不小于1d。长期运行结果表明，总悬浮固体的去除率为67％，铅的去除率为62％，总氮和总磷的去除率分别为28％和49％(USEPA，Storm Water Technology Fact SheetStorm Water Wetlands，September 1999)。
J.N.Carleton等人研究了世界各地运行的16个处理暴雨径流的自流式人工构造湿地工程。这些湿地面积占其控制流域面积的百分比介于0.78％～6.58％之间，其中有12个大于1.5％，水力停留时间介于1.4～5.0d之间。它们的运行时间至少为6个月。结果表明，这些湿地对总悬浮固体和各主要重金属的去除率多在60％～90％之间，总磷的去除率多在15％～40％之间，总氮的去除率则多在10％～35％之间。16个湿地工程中有2个采用了潜流构造湿地，它们对总氮和总磷的去除率为11％和17％(J.N.Carleton，et al.，Factors affecting the performance ofstormwater treatment wetlands.Water Research.2001，35(6)1552-1562)。
现有暴雨径流和污废水的人工湿地处理技术，在工艺组合上以人工自由表面湿地、塘为主；人工构建潜流湿地所用的填料以砂、砾石、碎石等为主。这些湿地对暴雨径流中总悬浮固体、重金属污染物具有较好的处理效果，但对氮、磷的去除效果较差，工艺组合单一。当暴雨径流中氮磷含量较高时，如村镇、农田等地的暴雨径流，采用现有湿地处理技术需要的占地面积大，水力停留时间长，对氮磷的去除效果不理想。
本发明的另一个目的是提供在上述方法中使用的沸石潜流湿地。
本发明公开了一种氮磷污染控制的复合湿地生态方法，其特征在于该方法包括下列步骤1)引导暴雨径流或污废水流入可去除粗颗粒和悬浮物的沉砂池；2)沉砂池中流出的水通过布水渠流入一级自由表面人工湿地，停留时间≥1.5h，拦截悬浮物，去除部分氮、磷；3)将一级自由表面人工湿地中流出的水引进含有沸石和炉渣的沸石潜流湿地，停留时间≥1.0h，强化氮磷的去除；4)沸石潜流湿地中流出的水通过布水渠流入二级自由表面人工湿地，停留时间≥8h，所述二级自由表面人工湿地接纳在所述沸石潜流湿地内发生生物再生过程中未被去除的硝酸盐，使硝酸盐进一步得到转化，强化氮磷的去除。
本发明同时公开了一个复合湿地生态系统，其特征在于该系统依次包括串联的沉砂池、一级自由表面人工湿地、沸石潜流湿地和二级自由表面人工湿地；所述沸石潜流湿地由配水渠、床体和集水渠组成；床体前后两侧设有布水墙，布水墙内侧填充有直径30～50mm的碎石，填充长度0.5m；床体中间下部填充填料，所述填料为沸石和炉渣；床体上部覆盖土壤，土壤上种植水生管束挺水植物；所述自由表面人工湿地中种植当地优势湿生植物，并在各个湿地的进水端设有矩齿形混凝土布水堰，所述布水堰每个进口沿湿地长度方向设置纵向布水渠，布水渠沿途设支渠。
所述沸石潜流湿地中沸石的粒径为20～40mm，炉渣的粒径为40～60mm。
所述沸石潜流湿地的长宽比1∶1～4∶1，坡度为0.3％～1％。
所述的水生管束挺水植物为茭草、芦苇或菖蒲中的一种或几种，所述植物的种植密度2～3株/米2。
所述的沸石潜流湿地的填料厚度为0.4～0.8m。
所述的沸石潜流湿地的土壤厚度为0.2～0.3m。
所述布水渠的渠长占湿地长度的25％～50％，深0.3～0.4m。
本发明与现有技术相比，采用自由表面人工湿地和潜流湿地组合工艺，在潜流湿地中采用沸石和炉渣作为填料，实现功能互补，提高整体除氮磷效果。一级自由表面湿地去除水中的悬浮物，有效保护沸石潜流湿地；采用大粒径的填料构建潜流湿地，防止单元堵塞。沸石对氨氮具有选择吸附性能，抗氨氮冲击能力强，炉渣利于磷的去除，填料表面生长的生物膜可强化污染物的降解。自由表面湿地采用强化布水系统，可使水流在湿地中分配均匀，增加有效停留时间，提高去除效果。整个工艺具有较强的抗冲击负荷能力，系统最大水力负荷可达0.5m3/m2·d，总悬浮固体、总氮、总磷的去除率分别为70％～80％、45％～55％、55％～65％，最小水力停留时间缩短至0.5～1.0d。
本发明具有宽带水力负荷，优化的填料粒径分布与湿地结构，配置适应性好、净化效果好的湿生植物，适于处理大流量的暴雨径流和污废水，具有用地面积少、氮磷去除效果好、抗冲击负荷能力强、运行费用低、易管理的特点。
图2为沸石潜流湿地结构示意图。
图3为强化布水系统平面示意图。
图中1-沉砂池；2-一级自由表面湿地；3-沸石潜流湿地；4-二级自由表面湿地；5-正常水位；6-布水堰；7-最高水位；8-沸石；9-炉渣；10-土壤；11-碎石；12-植物；13-配水渠；14-集水渠；15-布水墙；16-布水渠；100-进水；200-出水。
暴雨径流或污废水流入沉砂池1中，去除粗颗粒和悬浮物，沉砂池的设置增加了系统抗冲击负荷能力。沉砂池中流出的水通过布水堰6沿布水渠16进入一级自由表面湿地2，在湿地上种植当地优势湿生植物。一级自由表面人工湿地具有拦截悬浮物、去除部分氮、磷、有效防止沸石潜流湿地堵塞、减轻沸石潜流湿地污染物负荷、延长沸石潜流湿地使用期、增加系统抗冲击负荷能力的功能。
一级自由表面人工湿地中流出的水引进沸石潜流湿地3，如图2所示，来水100在配水渠13中经由布水墙15、碎石11均匀流过沸石8和炉渣9填料层，再经过碎石11、布水墙15进入集水渠14。在填料层上部覆盖土壤10，土壤上种植湿生植物12。径流或污废水中的悬浮物、总氮、总磷等污染物在沸石潜流湿地中沸石/炉渣—土壤—微生物—植物系统的综合作用下得到去除。
采用沸石潜流湿地是本发明的特色。一方面利用沸石潜流湿地中的沸石对氨氮的选择性吸附功能，快速吸附水中的氨氮，其去除率受温度影响较小；另一方面利用沸石比表面积较大、表面生长大量微生物的特点，强化生物硝化和反硝化作用。同时，系统可通过生物作用实现沸石的再生，使其保持持续的吸附能力，其作用机理为沸石潜流湿地中存在着动态的氨氮吸附和解析过程，被沸石吸附的氨氮在硝化细菌的作用下转化为硝酸盐，使得沸石表面的吸附位被腾空，沸石重新具备吸附氨氮的能力。与以碎石、中砂、砾石为填料的典型潜流湿地相比，在床深相近、水力停留时间相似的条件下，沸石潜流湿地对氨氮的去除率显著提高。
炉渣具有较大的比表面积，通过其表面形成的生物膜强化生物硝化反硝化过程，同时利于磷的去除。
沸石潜流湿地采用大粒径填料、利用沸石对氨氮选择性吸附的特点，使其具有较强的抗冲击负荷能力，特别是抗氨氮冲击负荷的能力，与普通的湿地系统不同，其去除氨氮的效果受温度影响较小。
沸石潜流湿地中流出的水200通过布水渠16流入二级自由表面人工湿地，在湿地上种植当地优势湿生植物。二级自由表面人工湿地接纳在所述沸石潜流湿地内发生生物再生过程中未被去除的硝酸盐，使硝酸盐进一步得到转化，强化氮磷的去除。因此该单元具有非常重要的作用，与潜流湿地构成有机结合，提高系统整体的去除率。
如图3所示，在上述的一级自由表面人工湿地和二级自由表面人工湿地中均采用强化布水系统，人工湿地的进水端设有矩齿形混凝土布水堰6，每个进口沿湿地长度方向挖纵向布水渠14，渠长占湿地长度的25％～50％，深0.3～0.4m，布水渠沿途设支渠，暴雨径流或污废水通过布水渠流入湿地，水流方向如图3中箭头所示。采用强化布水系统，可有效避免短流，充分利用湿地面积，使水力停留时间达到或接近设计值，防止由于水力冲击负荷过大对系统净化效果的影响。
本发明所述系统的一个具体实施例如下暴雨径流经过格栅流入沉砂池1中，沉砂池的面积900m2，池深0.6m；沉砂池中流出的水通过矩齿形混凝土布水堰6和布水渠16流入设计水深为0.2～0.4m，长宽比≥2∶1的一级自由表面人工湿地2，停留时间≥1.5h。一级自由表面人工湿地面积为4200m2，在湿地上种植当地优势植物如茭草、芦苇、水花生、菖蒲、红蓼等。
一级自由表面人工湿地中流出的水引进沸石潜流湿地，停留时间≥1.0h。沸石潜流湿地的底部设有防渗层，长宽比1∶1～4∶1，坡度0.3％～1％。沸石潜流湿地前端设有配水渠13，后端设有集水渠14，使进水100均匀流过潜流湿地横断面；在配水渠后和集水渠前设布水墙15，布水墙内侧设碎石区，填充直径30～50mm的碎石11，填充长度0.5m，厚度0.6m；在两个碎石区之间填充厚度为0.4m的填料，填料分别采用粒径为20～40mm的沸石8和粒径为40～60mm的炉渣9，填充长度各为7m。填料的上部覆盖厚度为0.2m的云南红壤10，在所述土壤上种植的植物12为茭草和芦苇，种植密度为3株/米2。沸石潜流湿地占地面积2500m2。
沸石潜流湿地中流出的水200通过布水渠16流入设计水深为0.2～0.4m，长宽比≥2∶1的二级自由表面人工湿地，停留时间≥8h，二级自由表面人工湿地面积45000m2，在湿地上种植当地优势植物如茭草、芦苇、水花生、菖蒲、红蓼等上述的一级自由表面人工湿地和二级自由表面人工湿地，从入口处沿湿地长度方向挖纵向布水渠14，渠长占湿地长度的25％～50％，深0.3～0.4m，布水渠沿途设支渠。
实践证明当进水为村镇及农田的暴雨径流时，采用本实施例所述的方法和湿地，其控制流域面积为4.6km2，因径流量的变化，水力停留时间为0.5～5d。径流中总悬浮固体、总氮和总磷浓度分别为78～860mg/L、4.41～51.8mg/L、0.2～4.9mg/L，系统对总悬浮固体、总氮和总磷的去除率分别为84％，54.8％和65％。单场暴雨径流的总氮、总磷最大去除量分别为1476kg氮、66.4kg磷。
权利要求
1.氮磷污染控制的复合湿地生态方法，其特征在于该方法包括下列步骤1)引导暴雨径流或污废水流入可去除粗颗粒和悬浮物的沉砂池；2)沉砂池中流出的水通过布水渠流入一级自由表面人工湿地，停留时间≥1.5h，拦截悬浮物，去除部分氮、磷；3)将一级自由表面人工湿地中流出的水引进含有沸石和炉渣的沸石潜流湿地，停留时间≥1.0h，强化氮磷的去除；4)沸石潜流湿地中流出的水通过布水渠流入二级自由表面人工湿地，停留时间≥8h，所述二级自由表面人工湿地接纳在所述沸石潜流湿地内发生生物再生过程中未被去除的硝酸盐，使硝酸盐进一步得到转化，强化氮磷的去除。
2.实现如权利要求1所述复合湿地生态方法的系统，其特征在于该系统依次包括串联的沉砂池、一级自由表面人工湿地、沸石潜流湿地和二级自由表面人工湿地；所述沸石潜流湿地由配水渠、床体和集水渠组成；床体前后两侧设有布水墙，布水墙内侧填充有直径30～50mm的碎石，填充长度0.5m；床体中间下部填充填料，所述填料为沸石和炉渣；床体上部覆盖土壤，土壤上种植水生管束挺水植物；所述自由表面人工湿地中种植当地优势湿生植物，并在各个湿地的进水端设有矩齿形混凝土布水堰，所述布水堰每个进口沿湿地长度方向设置纵向布水渠，布水渠沿途设支渠。
3.根据权利要求2所述的复合湿地生态系统，其特征在于所述沸石潜流湿地中沸石的粒径为20～40mm，炉渣的粒径为40～60mm。
4.根据权利要求2或3所述的复合湿地生态系统，其特征在于所述沸石潜流湿地的长宽比1∶1～4∶1，坡度为0.3％～1％。
5.根据权利要求2或3所述的复合湿地生态系统，其特征在于所述的水生管束挺水植物为茭草、芦苇或菖蒲中的一种或几种，所述植物的种植密度2～3株/米2。
6.根据权利要求2或3所述的复合湿地生态系统，其特征在于所述的沸石潜流湿地的填料厚度为0.4～0.8m。
7.根据权利要求2或3所述的复合湿地生态系统，其特征在于所述的沸石潜流湿地的土壤厚度为0.2～0.3m。
8.根据权利要求2或3所述的复合湿地生态系统，其特征在于所述布水渠的渠长占湿地长度的25％～50％，深0.3～0.4m。
全文摘要
氮磷污染控制的复合湿地生态方法及其系统，属于人工湿地水处理方法与工艺的技术领域。为了克服现有技术中存在的氮、磷去除效果差，水力停留时间长，占地面积大等缺点，本发明公开了一种氮磷污染控制的复合湿地生态方法，包括下列步骤引导暴雨径流或污废水依次流入沉砂池；一级自由表面人工湿地，停留时间≥1.5h；含有沸石和炉渣的沸石潜流湿地，停留时间≥1.0h；二级自由表面人工湿地，停留时间≥8h。本发明同时公开了一个复合湿地生态系统，该系统依次包括串联的沉砂池、一级自由表面人工湿地、沸石潜流湿地和二级自由表面人工湿地。本发明所述系统具有用地面积少、氮磷去除效果好、抗冲击负荷能力强、运行费用低、易管理的特点。
文档编号C02F9/14GK1446759SQ0312194
公开日2003年10月8日 申请日期2003年4月18日 优先权日2003年4月18日
发明者张旭, 李广贺, 周琪, 张荣社, 李旭东, 薛玉, 史云鹏, 唐翀鹏 申请人:清华大学, 同济大学