折叠式多级内电解潜流人工湿地的制作方法

本发明涉及人工湿地领域，尤其涉及一种针对工业园区含盐尾水深度处理的强化脱氮除磷折叠式多级内电解潜流人工湿地。
背景技术：
：含盐有机尾水是工业园区污水处理厂的一类典型尾水，此类水通常含有较高的色度、盐度和难降解有机物，bod/cod一般低于0.2，可生化性较差。随着我国工业化进程的加快，诸多生产领域会产生难降解有机废水，如印染、造纸、化工、农药、采油、海产品加工等。近年来，由于城市发展的需要，大量工业园区相继建立。截至2015年，仅上海市、江苏省就分别拥有多达12个、86个规模相对较大的工业区。这些园区内的众多企业每日都产生大量的工业废水，此类废水通常色度和盐度高，还含有大量难降解有机物。高盐或含盐废水进入园区内的污水处理厂，从而影响其生物处理效果，导致园区污水处理厂尾水中盐度和难降解有机物进一步影响受纳水体水生动植物与微生物生长，并严重破坏水环境质量。人工湿地作为一种经济、易维护、无二次污染、抗缓冲能力较强的处理工艺，越来越多的被应用来深度处理生活生产尾水。是一种同时具备环境效益与生态效应的新型处理工艺，不仅可以有效的去除污染物，对改善区域气候，调节生态循环具有重要作用。然而现有的人工湿地在对工业尾水进行深度处理时面临的最主要的问题是尾水可生化性弱，即水中难降解有机物含量高，进一步影响了人工湿地对污染物的去除效果。因此，亟待开发耐高盐和难降解污染物的强化脱氮除磷人工湿地系统，以实现对工业园区尾水的稳定深度降解，并改善其对受纳水环境的持续影响。技术实现要素：解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有人工湿地处理工业园区含盐尾水同步脱氮除磷效果差、易堵塞的问题，提供一种折叠式多级内电解潜流人工湿地。技术方案：折叠式多级内电解潜流人工湿地，包括折叠式多级内电解潜流湿地床体和出水渠，所述出水渠设于折叠式多级内电解潜流湿地床体的下游，且出水渠的底部设有出水管道；所述折叠式多级内电解潜流湿地床体内部按流向分隔为三级，其中第一级潜流湿地与第二级潜流湿地之间的分隔装置的上部设有溢流孔，第三级潜流湿地与第二级潜流湿地之间的分隔装置的下部设有溢流孔，出水渠与第三级潜流湿地之间的分隔装置的上部设有溢流孔，每一级潜流湿地床体基质自下而上依次为粗砾石层、中砾石层、细砾石层和细碎石层，所述第一级潜流湿地的粗砾石层内设有进水布水管道，所述各级潜流湿地的中砾石层内设有铁炭，所述各级潜流湿地的细碎石层上设有挺水植物。上述铁炭为架构式结构，铁与炭通过高温烧结包容在一起，其铁炭质量比为5:1，粒径为10-30mm。上述铁炭与填料之间的投加质量比例为3:100。上述砾石层中的砾石为棱状，其中粗砾石粒径为16-32mm、中砾石粒径为5-15mm和细砾石粒径为4-8mm。上述细碎石粒径为2-4mm。上述粗砾石、中砾石、细砾石、细碎石的铺设厚度分别为150mm、650mm、100mm、200mm。上述折叠式多级内电解潜流湿地深度为1.10m，其中第一级与第三级潜流湿地床体长与宽分别为2.00m、3.00m，第二级潜流湿地床体长与宽分别为0.80m、3.00m。上述挺水植物包括芦苇、西伯利亚鸢尾或黄花鸢尾。上述芦苇种植于第一级潜流湿地、西伯利亚鸢尾种植于第二级潜流湿地、黄花鸢尾种植于第三级潜流湿地，其种植密度分别为30株/m2、20株/m2、20株/m2本发明折叠式多级内电解潜流人工湿地系统，用于工业园区含盐尾水的强化脱氮除磷，其中尾水由水泵提升，经穿孔布水管均匀地向湿地床体布水，然后流经第一级上向式潜流湿地床，一方面污水中的无机盐离子通过与基质填料之间的物理吸附、化学沉淀、植物与微生物的吸收作用，从水体中脱离，减轻了盐度对后续工艺的胁迫作用；另一方面，进水中部分的难降解有机氮可以发生氨化作用，被微生物转化为氨氮，一部分供植物和微生物吸收利用，一部分被微生物利用进水中的溶解氧发挥硝化作用转化为硝酸盐氮；同时，硝化产生的酸可有效促进铁炭内电解的发生，推进水中的难降解有机物通过铁炭内电解作用将大分子有机物转化为小分子有机物，提高了尾水的可生化性，为后续微生物进行反硝化脱氮时增加可利用的碳源；析出的fe2+或fe3+也与水中的磷酸盐形成沉淀，从而实现tp的快速深度去除。尾水在这一级经过初步的处理，盐度降低，部分污染物得到去除。紧接着尾水进入第二级下向式潜流湿地床，植物发达的根系及较强的泌氧能力为好氧硝化细菌提供了有利的生存环境，在植物根系附近水中的氨被氧化成硝酸根，而在远离根系及基质底部do浓度较低，形成缺/厌氧区，结合湿地中的铁炭内电解作用又增加了可利用的碳源，反硝化细菌充分利用该碳源进行反硝化作用将水中的硝酸根还原为气态氮，从而实现氮的高效去除，在这一级中的深度脱氮包括了硝化反硝化、同步硝化反硝化等多种脱氮途径。最后尾水进入第三级上向式潜流湿地床，此时，水体中的溶解氧含量已经下降到相当低的水平，剩余的硝酸盐氮利用湿地中更好的厌氧环境，进一步强化了反硝化作用。三级折叠潜流湿地系统，变向的增加了有效深度，减少埋深，延长了尾水与基质的接触时间，使的碳氮磷等重点污染物可以得到深度有效的同步去除。所述的强化脱氮除磷人工湿地系统水力停留时间可通过调节进水阀门控制，当进水负荷较大时，可适当增加水力停留时间。所述的强化脱氮除磷人工湿地系统中的第一级上向式潜流湿地采用平行布置的6根穿孔布水管均匀布水，污水经由三级潜流湿地排出。该穿孔布水管通过水泵加压布水到湿地床体中，污水通过水力膨胀自下而上流动。所述的砾石层采用棱状的砾石填料，在相同的堆积体积下，棱状的砾石层孔隙度更大，并通过填料粒径的合理搭配，能有效的缓解堵塞问题。有益效果：1、含盐工业尾水盐度高、有机污染成分复杂、可生化性差，严重影响湿地微生物、植物生长及其污染物处理功效。本发明的一种针对含盐工业尾水的强化脱氮除磷人工湿地系统采用折叠式三级串联垂直潜流湿地，比单一的垂直潜流人工湿地净化效果更好。在每一级潜流湿地中投加铁炭填料，通过铁炭的内电解作用，不仅可有效的将水中的难降解有机物转化为小分子的易于降解的有机物，为反硝化区提供更多的可利用碳源；还可有效降低废水对湿地微生物、植物的抑制性，提升湿地生态系统的稳定。同时低价态的fe能够作为电子供体参与到亚硝酸盐、硝酸盐的还原反应中，而高价态的fe则可以作为电子受体参与含氮物质的氧化过程，使得氮素在氨化、硝化、反硝化过程中转化的更有效率；析出的fe2+或fe3+也与水中的磷酸盐形成沉淀，达到快速有效除磷的效果。目前，运用人工湿地处理含盐工业尾水的研究相对较少，且较集中于对耐盐植物的筛选及组合工艺的研究上，往往忽视了对人工湿地内部微环境的改善，使得人工湿地对含盐废水的污染物去除，特别是氮素的去除效果显得较为疲软。高锋等对人工湿地处理含盐污水的特性进行了研究，发现在含盐污水中微生物数量随着盐度的升高而显著减少，与脱氮有关的酶活性也随之下降，在试验过程中，氨氮及tn的去除率分别从73.5％、61.9％下降至47.1％、38.9％，脱氮效果大幅下降。与之相比，本发明的一种针对含盐工业尾水的强化脱氮除磷人工湿地系统采用折叠式三级串联垂直潜流湿地，在处理不同含盐量的废水时，能够较好的维持湿地内部微环境的稳定性，使污染物保持较高的去除效果。2、本发明的一种针对工业尾水的强化脱氮除磷人工湿地系统采用上向流进水，与传统的下向流进水相比，在水力膨胀的作用下，发生堵塞的风险更小；其次每一级湿地系统中核心处理区填料的粒径较大(5-15mm中砾石和10-30mm铁炭)，表面的细碎石的铺设可保证植物的稳定生长，这样使得被填料截留的污染物在整个湿地床中的分布更趋于均匀，可有效的缓解湿地的堵塞问题。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2是平面布置图；图3冬季污水厂尾水tn、氨氮去除率图。图中：1-出水渠；2-出水管道；3-进水布水管道；4-挺水植物；5-粗砾石层；6-铁炭；7-中砾石层；8-细砾石层；9-细碎石层；10-溢流孔。具体实施方式下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述。应当指出，此处所描述的具体实施方式仅用于解释说明本发明，并不用于限制本发明。实施例1如图1所示，折叠式多级内电解潜流人工湿地，包括折叠式多级内电解潜流湿地床体和出水渠1，所述出水渠1设于折叠式多级内电解潜流湿地床体的下游，且出水渠1的底部设有出水管道2；所述折叠式多级内电解潜流湿地床体内部按流向分隔为三级，其中第一级潜流湿地与第二级潜流湿地之间的分隔装置的上部设有溢流孔10，第三级潜流湿地与第二级潜流湿地之间的分隔装置的下部设有溢流孔，出水渠与第三级潜流湿地之间的分隔装置的上部设有溢流孔，每一级潜流湿地床体基质自下而上依次为粗砾石层5、中砾石层7、细砾石层8和细碎石层9，所述第一级潜流湿地的粗砾石层内设有进水布水管道3，所述各级潜流湿地的中砾石层7内设有铁炭6，所所述各级潜流湿地的细碎石层上设有挺水植物4。所述铁炭6为架构式结构，铁与炭通过高温烧结包容在一起，其铁炭质量比为5:1，粒径为10-30mm。铁炭6与填料之间的投加质量比例为3:100。所述砾石层中的砾石为棱状，其中粗砾石粒径为16-32mm、中砾石粒径为5-15mm和细砾石粒径为4-8mm。所述细碎石粒径为2-4mm。所述粗砾石、中砾石、细砾石、细碎石的铺设厚度分别为150mm、650mm、100mm、200mm。所述折叠式多级内电解潜流湿地深度为1.10m，其中第一级与第三级潜流湿地床体长与宽分别为2.00m、3.00m，第二级潜流湿地床体长与宽分别为0.80m、3.00m。所述挺水植物包括芦苇、西伯利亚鸢尾或黄花鸢尾。芦苇种植于第一级潜流湿地、西伯利亚鸢尾种植于第二级潜流湿地、黄花鸢尾种植于第三级潜流湿地，其种植密度分别为30株/m2、20株/m2、20株/m2。具体来说，强化脱氮除磷折叠式多级内电解潜流湿地床体分为三级，第一级为脱盐与除磷区，自下而上分别填入粗砾石、中砾石、小砾石、细碎石，其铺设厚度分别为150mm、650mm、100mm、200mm，尾水进入该区后，部分无机盐离子通过化学沉淀及物理吸附作用脱离水体，同时，磷酸根与析出的铁离子形成沉淀，实现tp的快速深度去除；第二、三级为深度脱氮区，自下而上分别填入粗砾石、中砾石、细砾石、细碎石，其铺设厚度分别为150mm、650mm、100mm、200mm；其中铁炭与碎石为均匀混合投加，底部及四周均做防渗处理。尾水在这里主要进行反硝化脱氮。挺水植物4种植在湿地表层，本方案中优选的挺水植物4为：芦苇、西伯利亚鸢尾、黄花鸢尾。芦苇生物量大，耐盐，对污水水质适应性强，其根系发达，对填料基质具有良好的穿透作用，能够更好的传递氧；西伯利亚鸢尾与黄花鸢尾耐严寒，在冬季依然可以发挥效能。植物在湿地系统中扮演着重要的角色，其发达的根系为微生物提供附着的场所，同时，植物的根系分泌出的一些关键酶及有机质对微生物合成及分解水中污染物具有促进作用。实施例2某县工业园区污水处理厂含盐尾水水质如表1所示，为对该工业园区尾水进行深度处理，提出一种针对工业园区尾水处理的强化脱氮除磷折叠式多级内电解潜流人工湿地系统。本实施例同实施例1，进水都采用水泵提升加压进水。本实施例中人工湿地系统水力停留时间为2d，运行时间为5-11月。经过处理，出水中氮、磷等各项污染物平均浓度见表1，各项出水指标均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准(gb18918—2002)》中一级a标准，其中cod、nh3-n与tp满足《地表水环境质量标准(gb3838-2002)》中ⅳ类水标准，tn稳定小于10mg/l。表1该强化脱氮除磷多级潜流人工湿地对某县工业园区污水厂尾水的处理效果水质指标mg/lcodtnnh3-nno3-ntp进水35-4618-247.8-13.22.1-3.21.02-1.44出水18-216.8-8.71.4-2.81.2-1.40.21-0.42去除率48-54.3％62.2-64％78.8-82.1％42.9-56.3％70.8-79.4％实施例3实施例1所述人工湿地用于处理某工业园区含盐尾水各组分条件如下表：表2含盐尾水各组分ca2+mg2+na+codtntp41.2mg/l89.5mg/l881mg/l60.5mg/l19.5mg/l3.14mg/l将尾水引入系统中，将hrt设置为2d，试验周期为30d。经过上述处理后，其出水水质如下表：表3出水水质尾水中ca2+、mg2+平均去除率超过45％，na+去除率稳定在15％左右。ca2+、mg2+主要在第一级湿地中去除，其去除率分别占到总去除率的55％、50.5％。cod、tn、tp去除率分别为61％、70.2％、82.5％；其中三级出水中tn的相对去除率分别为16.8％、54％、29.2％，反硝化作用主要发生在第二、三级湿地中，脱氮效果佳。实施例4实施例1所述人工湿地处理苏北某县工业园区污水处理厂含盐尾水。冬季低温是影响人工湿地处理效果的一个限制因素，也是阻碍人工湿地在北方地区推广的一个主要原因。本实施例中湿地表层细碎石高于床体之间的溢流孔，尾水在湿地表层细碎石下部流动，湿地表层不过水，但植物发达的根系能从表面细碎石层下部基质中吸收水养分；细碎石层及植物在湿地表面起到了很好的保温作用，降低了湿地内部与外界的热交换，因此在冬季低温条件下，尾水依然能保持一个相对较高的水温。图3为该尾水冬季tn、氨氮的去除率。如图3所示，在冬季气温较低(12-2月)的条件下，湿地中的尾水平均水温仍能维持在7℃以上，大部分微生物仍能正常生存代谢，出水中tn、氨氮的去除率保持在较高的去除水平，tn出水浓度稳定低于10mg/l，氨氮出水浓度在1.5mg/l以下，达到地表水ⅳ类标准，平均去除率分别为51.6％、72.5％。有其他学者研究了我国北方地区冬季人工湿地脱氮效果，平均气温在-3℃～4℃时，湿地出水水温在2℃～6℃，其出水中tn、氨氮的平均去除率分别为23.4％、51％；当气温下降到-4℃以下时，tn去除率更是下降到12.6％。在冬季低温条件下，本发明显现出更好的去除率及保温效果。本发明中添加的铁炭中的fe不仅是细胞用于合成的必要元素，fe在递氢过程中，也加速了呼吸链循环，提高了异养菌活性。对自养菌而言，低价态fe是供氢体，提供氢离子和电子，促进酶促反应辅酶和相关酶的合成，加速自养细菌化能合成的过程，从而有效的增强了微生物对尾水中污染物的去除效果。实施例5实施例1所述人工湿地处理苏北某县工业园区污水处理厂含盐工业尾水。湿地系统污染物去除功效与湿地微生物群落结构组成紧密相关，本实施例采用了高通量测序技对新型折叠式多级内电解潜流湿地内微生物进行了深入分析，通过对比其他潜流湿地在微生物多样性与组成上的差异，从分子生物学角度揭示该新型人工湿地对尾水强化脱氮的机理，为其深度处理污水厂尾水的进一步推广应用提供理论依据。表4微生物alpha多样性指数ace指数与chao指数用来表征群落分布丰度，ace或chao指数越大，说明群落丰富度越高；shannon与simpson指数用来估算样品中微生物多样性，shannon值越大或simpson值越小，则说明群落多样性越高。从表中数据可以明显的看出，内电解湿地中的微生物在多样性及丰富度上要优于普通湿地。两组湿地样品的覆盖率均在0.95之上，说明样品中序列没有被测出的概率较低，测序结果较好的代表了样品中微生物的真实情况。表5微生物属水平群落丰度分布在这两类湿地中均能检测到优势菌属浮霉状菌属，浮霉状菌属、出芽菌属和小梨形菌属都隶属于浮霉状菌门。浮霉状菌参与氨化、硝化、反硝化等作用过程，在缺氧条件下，能以no3-和no2-为电子受体，进行厌氧氨氧化作用，浮霉状菌还可利用有机酸将硝酸盐和亚硝酸盐氧化为n2。hydrogenophaga(噬氢菌属)也是一类具有更强适应性的好氧反硝化细菌。从表中可以看到，在普通湿地与内电解湿地这两类湿地中，与脱氮有关的微生物分别占总生物量的7.94％和17.81％，其中硝化细菌分别占到总生物量的2.75％和6.66％，内电解湿地比普通湿地在脱氮微生物水平上要优于普通湿地。有学者曾在对不同类型潜流湿地微生物群落特征研究中发现，在其研究的三个充填不同基质(石英砂、砾石、土壤)的潜流湿地中，硝化细菌只占总细菌数的0.25％、0.26％、0.51％，硝化细菌在整个微生物数量中占比较小。可见铁炭内电解人工湿地与普通湿地相比，在脱氮微生物总量上有明显的优势，对脱氮微生物的代谢循环具有促进作用。这也从生物学上解释了内电解人工湿地可实现深度脱氮的原因。以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。当前第1页12