专利名称：生活污水垂直流－水平流复合人工湿地脱氮除磷方法
技术领域：
本发明专利涉及污水处理技术。
背景技术：
生活污水人工湿地处理方法主要有垂直流人工湿地、水平流人工湿地和水平流与垂直流复合人工湿地三种。
垂直流人工湿地床体高100cm以上，通常采用较细的基质如砂等作为渗滤介质，污水在自表层向下的垂直渗滤过程中得到处理，其所采用的植物大多数为芦苇、风车草、香根草、再力草、莎草和美人蕉等。
水平潜流人工湿地床体高约60～80cm，采用较粗基质如砾石作为处理介质，污水在人工湿地的地表下呈水平流动，并在基质层中种植有泌氧能力的大型挺水植物如芦苇、香蒲、水葱、鸢尾和菖蒲等，利用水生植物的泌氧能力为人工湿地基质上的生物膜分解污水中的有机物质提供氧气。
水平流与垂直流复合人工湿地是按水平流人工湿地在前，垂直流人工湿地在后的顺序串联起来组成复合人工湿地。生活污水首先经水平流人工湿地去除大部分SS、COD、BOD5和部分氨氮，再向垂直流人工湿地布水，完成对耗氧有机物的彻底去除和将剩余的氨氮完全硝化，并将垂直流人工湿地的硝化处理出水按50～100％回流比回流至水平流人工湿地首端进行内碳源前置反硝化脱氮处理；在水平流人工湿地和垂直流人工湿地中填充高磷吸附基质，并在水平流人工湿地基质上种植水生植物，在垂直流人工湿地基质上种植水生植物或陆生花卉。
存在的不足之处有(1)水平流人工湿地存在好氧条件不足等缺点，它虽能很好地去除SS，并且也能去除一些BOD。但是，它通常对氨氮的去除效果不好。由于它不能完成大部分废水的硝化过程，即使其具有较强的反硝化作用能力，因而也不能独立完成废水的硝化和反硝化两个处理过程，以达到废水脱氮处理的目的。同时除磷效果也较差，一般只有30-40％，而且现行广泛采用的砾石基质对磷的吸附饱和寿命较短，一般为2～3年；(2)垂直流人工湿地对废水中耗氧有机物的处理能力和硝化能力较强，它比水平流人工湿地具有更好的好氧条件，且对废水中BOD5和COD的去除效果都较好，但对SS的去除效果较水平流人工湿地差；虽然它对废水的硝化处理能力很强，但是其反硝化作用能力也较水平流人工湿地差，因而也不能单独完成废水的硝化和反硝化两个处理过程，以达到废水脱氮处理的目的。同时对磷的去除率也只有40-50％，并且砂、砾石基质的除磷寿命较也短，一般为3-4年。(3)水平流与垂直流复合人工湿地虽然能完成一部分氮的硝化与反硝化，但总氮去除率不高，仅为30-45％，而且需要将硝化处理出水回流，既增加了动力消耗，又随着回流比的增大减少了污水处理水量，增加了占地面积，同时还降低了磷的去除率；其次，水平流人工湿地采用石灰石、大理石或白云石基质的除磷效果不高，仅为30-50％，从而影响了复合人工湿地的除磷寿命，并且在水平流人工湿地上不能种植蔬菜等经济作物；第三，垂直流人工湿地的耗氧处理能力和硝化能力不能得到完全发挥，占地面积也较大。
发明内容
本发明创造的目的是①将垂直流与水平流人工湿地按垂直流在前，水平流在后的顺序组成复合人工湿地，充分利用垂直流人工湿地完成对耗氧有机物和悬浮物的大部分去除和对生活污水的完全硝化，并利用水平流人工湿地完成对SS、COD和BOD5的彻底去除，并通过反硝化作用完成对氮的大部分去除；②将一小部分未经处理的污水直接进入水平流人工湿地首端，在水平流人工湿地的缺氧条件下，利用生活污水中的有机物作为碳源完成反硝化脱氮过程；③在垂直流人工湿地填充高炉渣基质，在水平流人工湿地填充炉渣和高炉渣基质，以达到较高的总磷去除率和延长基质除磷的使用寿命等目的；④在垂直流人工湿地种植陆生花卉和鲜切花卉，在水平流人工湿地种植蔬菜，以增加复合人工湿地的经济效益和审美价值。
生活污水垂直流—水平流复合人工湿地脱氮除磷方法是将垂直流人工湿地和水平流人工湿地串联起来，垂直流人工湿地在前，水平流人工湿地在后。生活污水首先经垂直流人工湿地的床体处理后，去除部分SS、COD、BOD5并进行硝化作用。接着通过集水池的静水压力向地势稍低的水平流人工湿地自流布水，在水平流人工湿地中，利用蔬菜根系供氧能力较差所提供的缺氧条件和垂直流人工湿地硝化处理出水中的部分有机物作为碳源，完成反硝化脱氮过程，如果碳源不足或因硝化处理出水中DO含量较高而不能形成缺氧条件，要把部分未经处理的污水直接进入水平流人工湿地前端补充碳源，以提高水平流对氮的去除效果。在垂直流人工湿地和水平流人工湿地中填充高效除磷基质，并在垂直流人工湿地上种植陆生花卉和鲜切花卉，在水平流人工湿地上种植蔬菜。
生活污水垂直流—水平流复合人工湿地除磷方法是利用上述脱氮方法的工艺流程，在脱氮的同时完成对废水中磷的去除。具体方法是首先，在垂直流人工湿地中填充对磷具有很强固定能力的基质高炉渣，并种植美人蕉、月季和玫瑰，利用高炉渣基质和花卉植物去除废水中的大部分磷；在水平流人工湿地的配水区和集水区中填充对磷有较强固定能力的基质如大理石或石灰石、在床体中填充炉渣，在床体表层填充高炉渣，并种植蔬菜如西洋菜、蕹(通)菜、韭菜、生菜、黄瓜、西红柿(樱桃番茄)、慈姑和茭白等，利用基质和蔬菜去除污水中的一部分磷。
现结合附图对本发明作说明
图1为生活污水垂直流—水平流复合人工湿地结构图。
图2为生活污水垂直流—水平流复合人工湿地垂直流床结构图。
图3为生活污水垂直流—水平流复合人工湿地水平流床结构图。
图中1-格栅、2-沉淀池、3-污水管、4-布水主管、5-布水支管、6-高效除磷基质层、7-砾石垫层、8-处理出水排水管、9-集水池、10-进水主管、11-布水支管、12-砾石配水区、13-高效除磷基质层、14-覆盖层、15-砾石集水区、16- 排水管、17-清水池、18-污水管。
生活污水垂直流—水平流复合人工湿地由垂直流人工湿地、集水池和水平流人工湿地、清水池组成，按垂直流人工湿地在前，水平流人工湿地在后的顺序串联起来组成复合人工湿地。在垂直流人工湿地的床体内放置高效除磷基质如高炉渣，并种植陆生花卉和鲜切花卉。在水平流人工湿地的床体内放置高效除磷基质如炉渣和高炉渣，在覆盖层表面种植蔬菜。生活污水经垂直流人工湿地中高效除磷基质的固定作用和植物根系的摄取作用以及伴随着的物理、化学和微生物等作用后，完成对有机物的部分去除和完全硝化，污水进入集水池后利用集水池的静水压力和落差向水平流人工湿地自流布水；利用水平流人工湿地高效除磷基质的固定作用和植物根系的摄取作用以及伴随着的物理、化学和微生物等作用，去除大部分SS、COD、BOD5，通过反硝化作用完成对氮的去除，并使部分未经处理的污水直接进入水平流人工湿地补充碳源，提高对氮的去除效果。
生活污水垂直流—水平流复合人工湿地中的垂直流人工湿地、集水池、水平流人工湿地和清水池等单元结构是由管道连接而成的。
生活污水复合人工湿地垂直流床由床体和布水管组成，床体的床壁和底部用不渗漏材料做成，如果建造在地面上，床壁为水泥抹面的砖结构，底部为混凝土结构。床体从下而上分布为砾石垫层7和高效除磷基质层6。床体高度90cm以上，砾石垫层7厚度10～15cm，由下而上分布粒径约4cm的石灰石和粒径约1cm的石灰石；高效除磷基质层厚度为70～80cm，高效除磷基质层放置高炉渣，高炉渣粒径为0.25mm～5mm。布水管分布在高效除磷基质表面，采用表面布水以防阻塞。在垂直流床体中种植耐低溶解氧的花卉如玫瑰、康乃馨、剑兰、非洲菊、百合花、茳花、美人蕉等。
布水管分布在高效除磷基质层的表面，布水管由布水主管4和多条布水支管5组成，布水主管4分布在床体的中间，其长度与床体长度相当，其中一端密封，另一端与污水进水管3相连接，布水支管5固定连接在布水主管的两旁，另一端密封，其长度为床体宽度的一半，布水支管向下部位开有小孔。
垂直流人工湿地的床底具有一定的排水坡度便于排水，在排水口上安装排水管8，在排水管8上设有阀门，以控制处理出水的排水速度。在垂直流人工湿地床体的出水口一端建造与床体连接成一体的集水池9，床体经处理的污水通过排水管8排放到集水池9，排水管8的排水口与进水管11的进水口要有落差。集水池9底部设有排水管10，排水管8和排水管10上设有阀门，以控制排水速度。另从污水进水管3接一支管18至集水池9，使一部分污水直接进入水平流人工湿地补充碳源。
生活污水垂直流—水平流复合人工湿地中的水平流人工湿地床体的床壁和底部用不渗漏材料做成，如果建造在地面上其床壁为水泥抹面的砖结构，底部为混凝土结构。
水平流人工湿地床体从进水口到出水口依次设置砾石配水区12，高效除磷基质层13，砾石集水区15，床体上部设有进水管11，底部设 字型排水管16。砾石配水区12和砾石集水区15各占床体总长度的20％以下，高效除磷基质层13占床体总长度的60％以上。砾石配水区12和砾石集水区15填充破碎的大理石或石灰石，粒径为3～5cm。高效除磷基质层13填充炉渣。和高炉渣砾石配水区12、砾石集水区15和高效除磷基质层13填料的填充厚度为70～80cm，在填料上面填充高炉渣作为覆盖层14，高炉渣覆盖层厚度为10～15cm，水平流人工湿地床体高度为90cm以上。在覆盖层上种植西洋菜、蕹(通)菜、韭菜、生菜、黄瓜、西红柿(樱桃番茄)慈姑、茭白等蔬菜。在高炉渣覆盖层以下，设置进水管11，进水管11与垂直流床的排水管8相连接。在水平流人工湿地床体的出水口一端建造清水池17，床体经处理的污水通过 字形排水管16排放到清水池17， 字形排水管16上设有阀门，以控制排水速度。
清水池17是收集水平流人工湿地处理出水的砂井，其壁和底部为不渗漏材料做成，如果建造在地面上，其壁为水泥抹面的砖结构，底为混凝土结构。为了降低处理池的建造成本，三个垂直流人工湿地并联与一个集水池串联，三个水平流人工湿地并联。每个垂直流人工湿地都装有阀门的排水管与集水池接通，集水池底设有排水管与三个水平流人工湿地接通，每个水平流人工湿地都装有阀门的排水管与清水池接通。
本发明是这样实现生活污水首先经过格栅1除去污水中的杂物，污水进入沉淀池2，由清水泵将沉淀池2污水抽出，沿污水管3进入布水主管4和布水支管5进入垂直流人工湿地，污水在垂直流人工湿地中向下潜流，经过高效除磷基质层6、砾石垫层7，污水经过垂直流人工湿地后由于基质的吸附作用和植物根系的摄取作用完成对耗氧有机物的彻底去除和完全硝化，垂直流人工湿地的污水利用垂直流人工湿地床体与集水池具有落差，污水经过排水管8流入集水池，排水管上设有阀门，控制污水的流量和垂直流人工湿地的储水量，集水池9的污水利用垂直流人工湿地与水平流人工湿地的落差，流经水平流人工湿地的砾石配水区12，高效除磷基质层13和砾石集水区15。污水经过水平流人工湿地后，利用水平流人工湿地中砾石孔隙的过滤作用，去除污水中的SS。污水经过水平流人工湿地，利用水平流人工湿地的炉渣基质的吸附作用及植物根系摄取作用去除污水中的COD、BOD5和大部分氨氮。水平流人工湿地的污水经过排水管16进入清水池17，排水管16为 字形，设在水平流床底部，并设有阀门，控制污水的排出速度和水平流床的储水量。另外，使部分未经处理的污水直接沿污水进水管1 8进入集水池9，然后利用垂直流人工湿地和水平流人工湿地的落差进入水平流床，以补充碳源。
发明创造具有以下优点①利用垂直流人工湿地去除部分SS、COD、BOD5和废水的完全硝化，利用水平流人工湿地完成COD、BOD5和SS的大部分去除功能以及废水的反硝化，从而完成对废水的硝化与反硝化，并使垂直流和水平流人工湿地的去除功能得到了极大程度的发挥，缩短了水平流人工湿地的水力停留时间，减少了垂直流与水平流复合人工湿地的占地面积。
②污水经垂直流人工湿地硝化后进入水平流人工湿地，在水平流人工湿地中利用蔬菜供氧能力较低所形成的缺氧条件以及垂直流人工湿地硝化处理出水中的BOD5、COD和水平流人工湿地累积的有机质作为碳源完成生活污水的反硝化脱氮过程，在硝化处理出水中碳源不足或其DO含量较高的情况下，将一部分未经处理的污水直接进入水平流人工湿地作为碳源或形成缺氧条件，既能完成生活污水的反硝化脱氮作用，又能增加水平流人工湿地对BOD5、COD的去除能力。
③垂直流与水平流复合人工湿地不需要回流硝化处理出水，从而解决了水平流-垂直流复合人工湿地的回流问题，降低了动力消耗和处理成本，并且提高了总氮的去除率，缩短了水力停留时间和减少了占地面积，同时还防止了因硝化处理出水回流所引起的磷去除率降低现象的发生。
④利用垂直流人工湿地填充的高炉渣基质，完成对生活污水中大部分磷的去除功能；利用水平流人工湿地中填充的炉渣和高炉渣基质对磷的固定作用，完成对废水中磷的部分去除功能。同时利用垂直流和水平流人工湿地中栽种的陆生花卉、鲜切花卉和蔬菜根系的摄取作用去除部分磷，从而可使复合人工湿地对生活污水中总磷的去除率达到85～95％以上，处理出水中总磷的浓度小于1mg/L，达到城市污水处理厂一级排放标准，并且本发明创造技术对磷的使用寿命达到8～10年以上。
⑤利用垂直流人工湿地去除了生活污水中大部分耗氧有机物COD和BOD5，解决了水平流人工湿地种植蔬菜的缺氧烂根问题；利用垂直流人工湿地完成生活污水中大部分氨氮和有机氮的硝化，为水平流人工湿地种植蔬菜提供了大量可直接利用的硝酸盐营养液；利用垂直流人工湿地去除了绝大部分病原微生物和细菌，为水平流人工湿地种植蔬菜达到安全食用要求提供了可靠的保障。
实施例日设计处理水量0.9～3.0m3/d。
设计参数格栅采用2cm×2cm铁丝网，直立于化粪池出水口与地下引水管相接的检查井中。
沉淀池设计尺寸为2.0m×1.8m×2.0m，有效水深1.0m，有效容积3.6m3，砖结构水泥抹面。
垂直流人工湿地设计外径尺寸长×宽×高为3.35m×3.67m×0.9m，分三格，单池实用尺寸长×宽2.9m×1.1m×0.9m。实际使用面积共12m2。垂直流床垫层直径为8cm和4cm的石灰石组成，厚10～15cm；高效除磷基质层厚75～80cm。集水池的实用尺寸长×宽为0.4m×3.37m。集水池收集三块垂直流床处理出水混合后，通过管道、阀门借助静水压力向三块水平流床自流配水。
水平流人工湿地设计内径尺寸长×宽×高为2.7m×3.37m×0.9m的矩形池一个。水平流床又分为三个池并联运行，单池实用的尺寸长×宽×高为2.7m×1.1×0.9m。水平流床分砾石配水区、高效除磷基质层和砾石集水区，各占床体长度的1/5、3/5、1/5，分别填充的是石灰石或大理石、炉渣、石灰石或大理石。其上覆盖一层厚10cm的高炉渣。
运行时间和运行方式从2004年3月开始试运行，采用的HRT为1、2和3天。在3块垂直流床上，第1块(VF1)为不种植物的对照，第2块(VF2)种植玫瑰，第3块(VF3)种植美人蕉。在3块水平流床上，第1块(HF1)为不种植物的对照，第2块(HF2)种植通菜，第3块(HF3)种植西洋菜和韭菜。
处理效果(mg/L，％)如表1、表2、表3和表4所示。
表1为生活污水经垂直流—水平流复合人工湿地脱氮除磷处理后，污水中的COD浓度变化情况；表2为生活污水经垂直流—水平流复合人工湿地脱氮除磷处理后，污水中的BOD5浓度变化情况；表3为城市污水经复合人工湿地脱氮除磷处理后，污水中的TN浓度变化情况；表4为城市污水经垂直流—水平流复合人工湿地脱氮除磷处理后，污水中的TP浓度变化情况。
COD浓度变化情况
表1
BOD5浓度变化情况
表2
TN浓度变化情况
表3
TP浓度变化情况
表权利要求
1.生活污水垂直流—水平流复合人工湿地脱氮除磷方法，其特征在于按垂直流人工湿地在前，水平流人工湿地在后的顺序串联起来组成复合人工湿地，生活污水首先经垂直流人工湿地，再通过水平流人工湿地，并使部分未经处理的污水直接进入水平流人工湿地以补充碳源；在垂直流和水平流人工湿地中都填充高效除磷基质，并在垂直流人工湿地基质上种植陆生花卉和鲜切花卉，在水平流人工湿地基质上种植蔬菜。
2.根据权利要求1所说除磷的方法，其特征在于高效除磷基质有两种第一种是垂直流人工湿地的高效除磷基质，它是采用高炉渣为原料直接填充而成；第二种是水平流人工湿地的高效除磷基质，它采用炉渣作为床体基质，高炉渣作为床体表层覆盖材料。
3.根据权利要求1所说的脱氮除磷方法，其特征在于在垂直流人工湿地上种植的花卉品种为陆生花卉美人蕉、月季和鲜切花卉玫瑰、康乃馨、剑兰和非洲菊；在水平流人工湿地上种植的蔬菜品种为西洋菜、蕹(通)菜韭菜、生菜、黄瓜、西红柿、慈姑和茭白。
全文摘要
生活污水垂直流－水平流复合人工湿地脱氮除磷方法涉及环保治理技术领域，利用垂直流人工湿地与水平流人工湿地串联组成复合系统处理生活污水，垂直流人工湿地采用干湿交替方式运行，水平流人工湿地采用连续运行方式，部分未经处理的污水直接进入水平流人工湿地补充碳源，提高水平流人工湿地对氮的去除效果。垂直流人工湿地填充富含铁、钙、硅和铝等氧化物的高炉渣，水平流人工湿地填充富含钙的大理石或石灰石和煤渣。垂直流人工湿地栽种的花卉为陆生花卉为美人蕉、月季和鲜切花卉—玫瑰、非洲菊，水平流人工湿地所栽种的蔬菜为西洋菜、蕹(通)菜、韭菜、生菜、黄瓜、西红柿(樱桃番茄)、慈姑和茭白。
文档编号C02F3/32GK1583604SQ20041002742
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月2日 优先权日2004年6月2日
发明者崔理华, 朱夕珍 申请人:华南农业大学