一种处理近海污水的人工生态净化系统及控制方法与流程

本发明涉及水污染控制领域，尤其涉及一种处理近海污水的人工生态净化系统及控制方法。

背景技术：

随着我国沿海地区经济的快速发展和人类活动的日益频繁，大量废水产生并排放入海，近海海洋生态环境问题日益突出，如沿岸海域赤潮连年频发、重金属污染和有机物污染的范围不断扩大等。除以上常规污染加剧之外，抗生素和抗性基因的污染也呈愈发严重之势。迅速发展的近海养殖业是近海抗生素和抗性基因污染加剧的重要贡献者之一。近海海产养殖中，为提高海产品产量，抗生素用量较大，未经利用的饲料以及水产品代谢物中均含有高浓度的抗生素，这直接导致高浓度抗生素海产养殖废水的产生。但是，抗生素对抗性基因的选择压力会导致抗性细菌的产生，抗生素的过量使用会加速细菌抗性基因突变和抗性基因水平转移，甚至会转移到致病菌内(包括人类致病菌和其它生物致病菌)，这将导致致病菌难以被相应药物有效杀死，这不仅会造成海洋生物发病甚至死亡，破坏海洋生态环境，造成海产养殖减产，破坏海产养殖业的持续稳定发展，而且还会严重危害人类健康。因此，根据我国国情，正确分析近海污染问题，并采取合理有效措施，对近海环境保护，促进近海事业的健康可持续发展乃至人类健康的保持有重要意义。

目前，国内外污染水体治理技术中，人工生态技术是提高污染水体处理效率和处理效果的重要方法。人工湿地技术作为一种新型的污染水体生态修复技术，目前在各类污染水体(富营养化水体、垃圾渗滤液、畜禽养殖废水、食品废水等)治理中得到了广泛应用。其原理主要是利用湿地中填料基质、植物和微生物之间的相互作用，通过一系列物理、化学以及生物作用来实现对污水的净化。目前对人工湿地的研究主要集中在处理受污染淡水方面，且已成为淡水污水治理的主要方法之一，而在受污染海水处理方面，特别是近海污染水体的研究方面却鲜有报道，而目前在近海污水处理中，应用较为广泛人工生态技术主要为人工生态岛礁技术。近海污染水体的特殊性在于其的高盐度，由于水体中盐度对植物产生的胁迫作用，高等植物和微生物的正常生长受到抑制，由基质-微生物-植物形成的复合生态系统的协调作用无法充分发挥，进而会影响到人工湿地的净化效能。因此，在人工湿地处理近海污染水体中，选取一种耐盐的高等植物或为微生物营造一个耐盐的、合适的生长环境尤为重要。

本近海污水人工净化生态系统中，首先将近海污水引入填料池(填料为水泥砖块、水泥块和煤渣)，利用基质的吸附作用强化除磷和抗生素净化，然后将处理水引入上层栽有红树植物、下层填充煤渣水泥块和木屑混合物的反应池中，在植物吸收和微生物分解协同作用强化脱氮，进一步强化除磷和抗生素净化，是人工生态湿地生态技术处理近海污水的创新应用。

现有的系统利用垂直潜流人工湿地装置，采用比表面积大、氮磷吸附能力好、生物持有量高的海蛎壳、废砖块和沸石作为主要湿地填料对废水进行脱氮除磷；其具有成本低、能耗低、不易堵塞、脱氮除磷效率高、占地面积小、结构简单、运行管理方便等优点。但是该系统主要适合于生活污水、畜禽养殖废水和垃圾渗滤液等污水的处理，而不适合含盐较高的近海污水的处理。

目前的近海人工生态处理技术中，海藻栽培技术应用较为广泛，但是海藻栽培虽对氮磷有较好的吸收去除作用，但是其对抗生素的去除作用尚少有报道，同时海藻的后期处理麻烦，长期的高浓度的氮磷污水可能造成海藻的泛滥生长，形成水华现象，进而对近海造成生态破坏。而人工湿地技术对淡水污染水体的处理效果较好，但是在海水污染水体中的应用却鲜有报道，因此，本发明主要是人工湿地生态技术的应用海水污染水体处理中，研究和开发出适用于含盐较高的近海污染水体的人工湿地处理系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够去除氮磷同时有效去除抗生素污染的近海污水的人工生态净化系统。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术措施：

一种处理近海污水的人工生态净化系统，能够去除氮磷，同时有效去除抗生素污染，包括进水泵路装置以及反应池，所述反应池包括依次连接的进水区、反应区和出水区；所述进水区包括第一卵石填料区以及设置于所述第一卵石填料区上的进水管组成，所述进水管连接所述进水泵路装置；所述反应区包括设置于所述反应区中间段的第二卵石填料区以及设置于所述第二卵石填料区两侧的填充区组成，所述填充区包括上下相对设置的海泥层以及复合填料层；所述海泥层由海泥组成，所述海泥层上种植盐生植物，所述复合填料层由水泥砖块、煤渣和木屑组成。

所述出水区为第三填料区，所述第三填料区填充有水泥砖块；所述出水区的底部设置有排水管，所述排水管上设置有电磁阀，用于调控所述反应池内水位；污水由所述进水泵路装置通过所述进水管流入，通过所述第一卵石填料区以均匀布水，而后流经所述第二卵石填料区以及所述填充区，污水静置4-7h后，最后通过所述出水区的排水管排出。

本发明还可以通过以下技术措施进一步完善：

作为进一步改进，所述出水区进一步设置有溢流管，用于所述反应池内水位的调节。

作为进一步改进，所述第一卵石填料区以及所述第二卵石填料区内填装有卵石，且卵石填料粒径范围为2cm-5cm，过筛。

作为进一步改进，所述水泥砖块粒径范围为2mm-7mm。

作为进一步改进，所述海泥层的厚度范围为10cm-20cm，所述复合填料层的厚度范围为30cm-50cm。

作为进一步改进，蓄水间隔时间为2-4h，以模拟潮汐涨落状态。

作为进一步改进，所述海泥层上种植的盐生植物为红树植物。

作为进一步改进，所述反应池池底设置有0.5-1％的坡度，方便所述系统排水。

另一方面，提供一种处理近海污水的人工生态净化系统的控制方法，包括以下步骤：

s1，污水由所述进水泵路装置通过所述进水管流入，关闭所述电磁阀；

s2，通过所述第一卵石填料区以均匀布水；

s3，流经所述第二卵石填料区以及所述填充区，污水静置4-7h；

s4，开启所述电磁阀，处理后的水从所述排水管排出。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1、对含盐度较高的近海污水处理效果较好，脱氮除磷效果较好，抗生素净化率高，运行费用低。本发明中，利用耐盐红树植物作为湿地植物，具有良好的泌氧和代谢盐分的作用，为功能微生物提供了良好的生长环境。在植物吸收作用和微生物的协同作用下，近海污水中氮、磷和抗生素的去除率均在70％以上。本专利在反应区填充木屑作为缓释碳源材料，可长久的向水体缓释碳源，可解决近海水碳源不足的问题，另外对水泥砖块和煤渣进行理化性质分析，填料多孔的结构(尤其是微孔)、较大的比表面积也非常有利于微生物的附着和生长，进而有利于有机物的降解作用，且木屑具有良好的吸附氨氮和抗生素的能力，因此具有稳定的脱氮能力和抗生素净化能力。另外，本发明运行操作简单，不消耗动力，节省了运行成本。

2、填料价格低廉，来源广泛，符合工程需求。填料中含有较高的al、fe和ca元素，有利于污水当中磷素的吸附沉淀去除，且所用填料比表面积均较大，有利于生物膜的生长附着，提高了本发明专利当中的生物持有量，从而提高了本发明专利对污水中磷和抗生素的生物处理效果。

3、填料的填充方式以及进出水方式的优化有效地防止系统内部短水区和死水区的出现。本发明系统为潮汐流人工湿地模式，蓄水时包括下降流，水平流和上升流。在进水时，水流呈下降流态势，这可以为硝化细菌提供充足的氧气，促进硝化反应的充分进行；反应池在蓄水过程中，水流呈平行上升态势，水平流有利于水流的均匀分布和氧气的输送，而上升流和恰当的持水时间可以为反硝化反应提供合适的厌氧环境。同时，反应池的预留坡度和卵石填料的均匀布水能够减少系统内的水力死区，保证系统内良好的水力流态，有效防止填料层堵塞且可使污水中的污染物得到充分降解，也不易滋生蚊蝇，散发不良气味。

4、本系统以水泥砖块、煤渣和木屑为填料的人工湿地系统运行成本低、填料吸附饱和量大、周期长、微生物量丰富，与其它人工生态处理方法相比，本发明专利稳定运行时间长，无需频繁更换基质，大大降低了人工湿地处理系统的运行和管理成本。

附图说明

图1是本发明一种处理近海污水的人工生态净化系统的剖面图。

图2是本发明一种处理近海污水的人工生态净化系统的平面图。

主要元件符号说明

反应池1

进水区11

反应区12

出水区13

第一卵石填料区111

进水管112

第二卵石填料区121

填充区122

海泥层1221

复合填料层1222

出水区13

排水管131

电磁阀1311

溢流管132

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一，请参阅图1至图2，本发明提供一种处理近海污水的人工生态净化系统，能够去除氮磷，同时有效去除抗生素污染，该净化系统包括进水泵路装置(未示出)以及反应池1，所述反应池1包括依次连接的进水区11、反应区12和出水区13；所述进水区11包括第一卵石填料区111以及设置于所述第一卵石填料区111上的进水管112组成，所述进水管112连接所述进水泵路装置；所述反应区12包括设置于所述反应区12中间段的第二卵石填料区121以及设置于所述第二卵石填料区121两侧的填充区122组成，所述填充区122包括上下相对设置的海泥层1221以及复合填料层1222；所述海泥层1221由海泥组成，所述海泥层1221上种植盐生植物，所述复合填料层1222由水泥砖块、煤渣和木屑组成。

所述出水区13为第三填料区，所述第三填料区填充有水泥砖块；所述出水区13的底部设置有排水管131，所述排水管131上设置有电磁阀1311，用于调控所述反应池1内水位；污水由所述进水泵路装置通过所述进水管1112流入，通过所述第一卵石填料区111以均匀布水，而后流经所述第二卵石填料区121以及所述填充区122，污水静置4-7h后，最后通过所述出水区13的排水管131排出。

所述出水区13进一步设置有溢流管132，用于所述反应池1内水位的调节。通过设置所述溢流管132，当所述系统遭受暴雨冲击或水力负荷较大时，可利用所述溢流管132降低系统受冲击程度，保证本系统的有效运行。

所述第一卵石填料区111以及所述第二卵石填料区121内填装有卵石，且卵石填料粒径范围为2cm-5cm，过筛，以均匀布水，同时起到初步脱氮除磷作用。

所述水泥砖块粒径范围为2mm-7mm，具有强化脱氮除磷作用。

所述海泥层1221(可采用厦门近海采集的适于盐生植物生长的海泥)的厚度范围为10cm-20cm，所述复合填料层1222的厚度范围为30cm-50cm。

所述海泥层1221上种植的盐生植物为红树植物。利用耐盐红树植物作为湿地植物，具有良好的泌氧和代谢盐分的作用，为功能微生物提供了良好的生长环境。在植物吸收作用和微生物的协同作用下，近海污水中氮、磷和抗生素的去除率均在70％以上。

所述复合填料层1222由水泥砖块、煤渣和木屑组成，木屑作为微生物处理的缓释碳源层，为微生物的分解提供碳源支撑；混合填料，可以防止木屑流失，通过反硝化细菌的有效作用，以实现反硝化脱氮的目的。

同时，填料廉价且性能优良。所述水泥砖块是常见的建筑材料，所述煤渣是燃煤电厂排放出的固体废弃物，价格低廉，来源广泛，符合工程需求。填料中含有较高的al、fe和ca元素，有利于污水当中磷素的吸附沉淀去除，且所用填料比表面积均较大，有利于生物膜的生长附着，提高了所述系统中的生物持有量，从而提高了所述系统对污水的处理效果。

所述反应池1内池水的停留时间为4-7h，以满足充足的反应时间；然后释放池水，蓄水间隔时间为2-4h，以模拟潮汐涨落状态。涨潮时所述系统可实现含盐浓度较高的海水中碳、氮、磷元素的同步去除，相比于其他处理设备具有绝对优势。

所述反应池1池底设置有0.5-1％的坡度，方便所述系统排水。同时，能够减少所述系统内的水力死区，保证所述系统内良好的水力流态，有效防止填料层堵塞且可使污水中的污染物得到充分降解。

另一方面，提供一种处理近海污水的人工生态净化系统的控制方法，包括以下步骤：

s1，污水由所述进水泵路装置通过所述进水管112流入，关闭所述电磁阀1311；优选的，在所述进水区11内设置有三根进水管112，分别按上、中、下排布，开始时，控制污水从最上端的进水管进水，再依次控制污水从中下两根进水管进入；

s2，通过所述第一卵石填料区以均匀布水；

s3，流经所述第二卵石填料区以及所述填充区，污水静置4-7h；

s4，开启所述电磁阀，处理后的水从所述排水管排出。

本系统模拟潮汐流模式，蓄水时包括下降流，水平流和上升流。在进水时，水流呈下降流态势，这可以为硝化细菌提供充足的氧气，促进硝化反应的充分进行；反应池1在蓄水过程中，水流呈平行上升态势，水平流有利于水流的均匀分布和氧气的输送，而上升流和恰当的持水时间可以为反硝化反应提供合适的厌氧环境，同时，不易滋生蚊蝇，散发不良气味。

本系统在中试中取得较好效果，实验室反应器的运行条件如下：

由氯化铵、磷酸二氢钾及海盐配制而成低c/n、低浓度磷的模拟近海废水。各反应阶段的反应池为砖砌结构，之间用导流管联通。进水由兰格bt100-2j蠕动泵控制，流量100ml/min，水力停留时间为6h。每1.7d取一次终水测cod，nh4⁺-n，tn和tp，系统连续运行6h，各阶段反应池的规格(长×宽×高)如下：

进水区：0.6m×0.5m×0.6m；反应区：4.1m×0.5m×0.6m；出水区：0.9m×0.5m×0.6m。

实施例一中，在所述进水区11填充50cm厚卵石(2-5cm)，过筛；所述第二卵石填料区121填充50cm厚卵石(2-5cm)，所述两侧的海泥层1221填充20cm厚海泥，所述两侧的复合填料层1222填充30cm厚水泥砖块、煤渣和木屑的复合填料，所述水泥砖块与所述煤渣的粒径范围5mm，过筛；所述海泥层1221上栽种红树植物秋茄。第三填料区填充50cm厚水泥砖块，所述水泥砖块粒径范围5mm，过筛。所述系统对盐度为30‰的近海污水的处理效果如表1所示。

表1近海污水的人工生态净化系统进水与终水指标对比表：

实施例二，与上述实施例一一样，不同的是，在所述进水区11填充55cm厚卵石(2-5cm)，过筛；所述第二卵石填料区121填充55cm厚卵石(2-5cm)，所述两侧的海泥层1221填充25cm厚海泥，所述两侧的复合填料层1222填充30cm厚水泥砖块、煤渣和木屑的复合填料，所述水泥砖块与所述煤渣的粒径范围4mm，过筛；所述海泥层1221上栽种红树植物秋茄。第三填料区填充55cm厚水泥砖块，所述水泥砖块粒径范围4mm，过筛。所述系统对盐度为35‰的近海污水的处理效果如表2所示。

表2近海污水的人工生态净化系统进水与终水指标对比表：

所述系统可用于含盐浓度较高的近海污水处理。

实施例三，与上述实施例一一样，不同的是，所配置的海水中加入海产养殖常用抗生素(土霉素和磺胺二甲嘧啶)以模拟海产养殖废水。同时在所述进水区11填充55cm厚卵石(2-5cm)，过筛；所述第二卵石填料区121填充55cm厚卵石(2-5cm)，所述两侧的海泥层1221填充25cm厚海泥，所述两侧的复合填料层1222填充40cm厚水泥砖块、煤渣和木屑的复合填料，所述水泥砖块与所述煤渣的粒径范围6mm，过筛；所述海泥层1221上栽种红树植物秋茄。第三填料区填充55cm厚水泥砖块，所述水泥砖块粒径范围5mm，过筛。所述系统对盐度为25‰的近海污水的处理效果如表3所示。

表3近海养殖废水的人工生态净化系统进水与终水指标对比表

从上述可知:将模拟海产养殖废水引入填料池，利用基质的吸附作用强化除磷和抗生素净化，然后将处理水引入上层栽有红树植物、下层填充煤渣水泥块和木屑混合物的反应池中。木屑具有良好的吸附氨氮和抗生素的能力，因此具有稳定的脱氮能力和抗生素净化能力，在植物吸收和微生物分解协同作用强化脱氮，进一步强化除磷和抗生素净化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。