基于沸石填料的人工湿地处理养猪场沼液实现短程硝化的装置及方法与流程

本发明属于环境工程中的污水处理技术领域，具体涉及一种基于沸石填料的人工湿地处理养猪场沼液实现短程硝化的装置及方法。

背景技术：

近年来，我国生猪产量占全球生猪总产量的比例均超过50％，是世界生猪出产第一大国。然而，伴随而来的是环保的巨大压力。养猪废水含有高浓度有机物、氨氮和磷等物质，如不经有效处理排放到环境水体或回用于种植业，会对环境和农业生态造成直接危害，进而威胁人类健康。目前，大部分规模化养猪场均建有厌氧沼气池。养猪废水经过厌氧发酵处理后，大量cod被去除，有机态氮转化为无机态氮，因而养猪场沼液具有高氨氮、低有机碳/氮比的特点。此外，常规生物处理工艺的脱氮路径为氨氮→硝酸盐氮→氮气，由于有机物矿化菌以异养菌为主，繁殖能力强，而氨氧化菌为自养菌，繁殖能力弱，导致在好氧生物处理过程中有机物被优先分解矿化，反硝化反应因缺少有机碳源而被抑制。因此，采用常规生物处理工艺处理脱氮性能较差，对高氨氮浓度、低有机碳/氮比值的养猪场废水尤其如此。

人工湿地作为一种污水生态处理技术在国内外有大量研究和应用，但用于处理养猪场废水(沼液)，仍存在诸多问题。首先，由于养猪场废水的污染物浓度很高，日处理1吨养殖废水所需人工湿地面积高达数十平方米，在我国很难推广应用。此外，将人工湿地用于养猪场沼液处理时，由于进水氨氮浓度过高、系统供氧不足等原因，自养氨氧化效果不佳，氨氮去除效果差，而有机物的异养矿化效果较好，因有机碳源短缺抑制反硝化脱氮的问题同样存在，导致出水水质很差。

厌氧氨氧化作为一种新型脱氮工艺，使污水自养脱氮成为可能，从而能大幅降低对有机碳的需求，因此特别适合低有机碳高氨氮养猪场沼液的处理。实现厌氧氨氧化工艺的关键是能够稳定实现短程硝化，即将氨氮氧化控制到亚硝态氮阶段，不产生或少产生硝态氮。目前，短程硝化作用的研究和应用均基于活性污泥法(a2o、sbr等)、生物接触氧化法、生物流化床法(mbbr)、曝气生物滤池法(baf)等生物处理工艺，淹水曝气供氧，通过调节溶解氧(do)、ph等参数来实现短程硝化。因此，该类工艺存在能耗较高、管理维护复杂、短程硝化率受水质水量影响大等问题。为了克服常规技术的缺陷，本发明提供了一种基于人工湿地原理的短程硝化工艺及方法。

技术实现要素：

针对养猪场沼液采用人工湿地等生态处理技术难以稳定生成亚硝态氮以及水力负荷低的难题，本发明的首要目的在于提供一种基于沸石填料的人工湿地处理养猪场沼液实现短程硝化的装置。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置的基于沸石填料的人工湿地处理养猪场沼液实现短程硝化的方法。

本发明目的通过以下技术方案实现：

基于沸石填料的人工湿地处理养猪场沼液实现短程硝化的装置，其特征在于，包括沼液储存池或混凝沉淀出水池，以及人工湿地；所述人工湿地包括上下叠置的湿地i和湿地ii，其中：

所述湿地i和湿地ii的高度比为2:1～10:1；所述湿地i和湿地ii高度之和为1.0～3.0m；

所述湿地i为垂直流湿地；所述湿地ii为潮汐流湿地；

所述湿地i在湿地ii的正上方，竖向叠置，两者填料直接接触，分界面为淹水高度界面；所述湿地i包括第一沸石功能层；所述湿地ii包括第二沸石功能层和碎石层；

所述装置还包括中压风机、散水装置和排水-通风管；所述散水装置设置在湿地i上部；所述排水-通风管设置在湿地ii的碎石层中；所述排水-通风管在湿地外侧设置三通，三通竖直方向通过进风管与中压风机相连，三通水平方向安装有电动阀。

优选的，所述第二沸石功能层设置在碎石层上方；所述第一沸石功能层装填沸石或沸石与碎石的混合填料；所述第二沸石功能层装填沸石或沸石与碎石的混合填料；所述碎石层装填碎石填料。

优选的，所述第一沸石功能层和第二沸石功能层均由粒径为0.2～1.0cm的沸石组成，或由粒径为0.2～1.0cm的沸石与粒径为0.5～1.0cm的碎石混合组成；所述碎石层由粒径为2～5cm的碎石组成。

更优选的，所述第一沸石功能层和第二沸石功能层由沸石与碎石混合组成时，沸石与碎石的体积比为1:9～9:1。

优选的，所述进风管最高点高于湿地ii，防止后者淹水时废水进入中压风机；所述中压风机风压为1100～2600pa，风量为5m³/min～30m³/min。

优选的，所述散水装置为喷淋装置，能够将废水均匀喷洒于湿地i表面。

优选的，所述人工湿地的池体为砖混结构，底部和池壁做防渗处理。

本发明所述的基于沸石填料的人工湿地处理养猪场沼液实现短程硝化的装置的运行模式为一天运行6～12个周期，每个周期2～4小时，包括进水、淹水、排水、落干四个阶段；落干期间通风1～2次，每次10～30min。

一种基于沸石填料的人工湿地处理养猪场沼液实现短程硝化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预处理：为减少人工湿地堵塞风险和除磷，对养猪场沼液进行混凝沉淀得到混凝沉淀出水；也可以直接处理养猪场沼液，不影响系统短程硝化的实现；

(2)系统运行方法：混凝沉淀出水或沼液由潜污泵和散水装置均匀喷洒于湿地表面，每次进水量为0.05～0.16m³/m²；

进水时排水-通风管上的电动阀关闭，潮汐流湿地水位不断升高，进水结束后下部潮汐流湿地被水淹没，在淹水期填料进一步吸附氨氮，同时进行缺氧脱氮；

淹水特定时间后电动阀打开，整个装置向外排水，系统处于落干环境，采用中压风机通风，为系统供氧，吸附在填料表面的氨氮继续被氨氧化菌氧化为亚硝态氮；由于游离氨(fa)或游离亚硝酸(fna)对亚硝酸盐氧化菌的抑制，使系统氨氧化产物主要为亚硝态氮，从而实现短程硝化。

本发明中的人工湿地上部以垂直流方式运行，下部以潮汐流方式运行；废水均匀穿过上部垂直流湿地时，部分氨氮被填料吸附；填料表面生物膜上的氨氧化菌利用填料空隙中的氧气进行短程硝化，将氨氮氧化成亚硝态氮；当系统运行稳定后，形成了亚硝酸盐氧化菌被抑制的现象，其原因为，养猪场沼液出水ph均高于7，甚至超过8，游离氨浓度较高，对亚硝酸盐氧化菌产生抑制作用；其次，随着氨氧化的进行，填料表面生物膜呈弱酸性(ph<7)，此时，游离亚硝酸也会对亚硝酸盐氧化菌产生一定抑制作用，因此系统形成了稳定的短程硝化；下渗的废水将之前运行周期产生的亚硝态氮和少部分硝态氮带入到下部潮汐流湿地，潮汐流湿地中的沸石进一步吸附氨氮；之后排水-通风管上的电动阀开启，潮汐流湿地向外排水，同时吸入部分空气给系统供氧；在系统落干期，采用中压风机给系统短时间通风供氧1～2次，将填料空隙中的缺氧空气更换为新鲜空气，给系统提供氨氧化所需的氧气，此时，上部垂直流湿地和下部潮汐流湿地均发生短程硝化反应。

本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本系统将垂直流人工湿地与潮汐流人工湿地竖向叠置，并选用对氨氮吸附能力强的沸石作为主体填料，可以充分发挥两种湿地的优点，提高系统的水力负荷。

(2)本系统的短程硝化避免了淹水曝气，无需精确控制通风量，也无需调节系统内ph，与传统生物处理工艺通过调控水体溶解氧(do)和ph的方法相比，本系统方法简单，所需设备少，能耗很低，无需添加药剂。

(3)本系统能够实现稳定的短程硝化，为高效自养脱氮提供合适底物。

附图说明

图1为本发明基于沸石填料的人工湿地处理养猪场沼液实现短程硝化的装置的结构示意图。

图中1为沼液储存池，2为人工湿地，包括上部的湿地i和下部的湿地ii；其中，10-潜污泵，11-进水管，20-第一沸石功能层，21-第二沸石功能层，22-碎石层，23-散水装置，24-排水-通风管，25-三通，26-电动阀，27-进风管，28-中压风机。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明提供了一种基于沸石填料的人工湿地处理养猪场沼液实现短程硝化的装置，如图1所示，包括沼液储存池1，人工湿地2；所述人工湿地2包括叠置的湿地i和湿地ii，所述湿地i为垂直流湿地；所述湿地ii为潮汐流湿地；其中：

所述湿地i和湿地ii的高度比为2:1～10:1；所述湿地i和湿地ii高度之和为1.0～3.0m；

所述湿地i由第一沸石功能层20组成；所述第一沸石功能层20装填沸石或沸石与碎石的混合填料；所述湿地ii由第二沸石功能层21和碎石层22组成；所述第二沸石功能层21装填与第一沸石功能层20相同的填料；所述碎石层22装填碎石填料；

所述装置还设有散水装置23，排水-通风管24和中压风机28；所述散水装置23设置在湿地i上部；所述排水-通风管24设置在湿地ii的碎石层中；所述排水-通风管24在湿地外侧设置三通25，三通25竖直方向通过进风管27与中压风机28相连，三通25水平方向安装有电动阀26，只有在系统排水时将其开启，其余时间均为关闭模式；

所述进风管27最高点高于湿地ii，防止后者淹水时废水进入中压风机28。

所述第一沸石功能层20和第二沸石功能层21均由粒径为0.2～1.0cm的沸石组成，或由粒径为0.2～1.0cm的沸石与粒径为0.5～1.0cm的碎石混合组成；所述湿地ii的碎石层22由粒径为2～5cm的碎石组成；

所述第一沸石功能层20和第二沸石功能层21中沸石与碎石的混合比为1:9～9:1；

所述中压风机28风压为1100～2600pa，风量为5m³/min～30m³/min。

所述湿地i表层不种植物。

所述散水装置23为喷淋装置，能够将废水均匀喷洒于湿地i表面。

实施例1

本实施例水力负荷为0.64m³/(m²·d)。装置结构如图1所示。本实施例中湿地i和湿地ii高度分别为1.40m和0.20m，高度比为7:1。散水装置23将废水均匀的喷淋于湿地i表面，渗滤下来的废水进入湿地ii中。由于电动阀26关闭，湿地ii内水面不断升高。当进水结束时，水面升高到湿地i与湿地ii界面处。碎石层22内设置排水-通风管24，用于将处理后的废水排出系统和落干时给系统通风供氧。排水-通风管24在池外部分装有三通25，其两端分别连接进风管27和电动阀26。设备均由时间控制器控制其开闭。

本实施例人工湿地装置由管径160mm的pvc管制作，管高1.7米，填料总厚度1.6米，采用喷淋方式进水。试验柱第一沸石功能层20和第二沸石功能层21的高度分别为1.40m和0.10m，均装填沸石，其粒径范围为0.2～0.4cm。碎石层高度为0.10m，装填碎石，其粒径范围为2～4cm。湿地i表层未种植物。

本实施例人工湿地的运行模式为：采用间歇性进水方式，每天进水8次，每次进水0.08m³/m²，水力负荷为0.64m³/(m²·d)。进水时排水-通风管24上的电动阀26关闭，此时，废水不断从湿地i向湿地ii渗滤，沸石功能层21的水位升高。当进水完毕时，废水将湿地ii填料完全淹没。保持淹水状态2min。之后打开电动阀，系统开始排水，10min后排水完毕，电磁阀关闭。在落干期给系统通风2次，每次20min。

试验采用某养猪场沼液为原水，具体水质如下：ph为7.35～7.77，cod为725～1100mg/l，氨氮为680～1232mg/l，硝态氮为<1mg/l,亚硝态氮为<1mg/l。

系统运行稳定后，经过新型人工湿地装置处理后水质如下：ph为6.22～6.68，cod为378～975mg/l，氨氮为104～433mg/l，亚硝态氮为295～639mg/l，硝态氮为36～200mg/l。

实施例2

本实施例水力负荷为0.64m³/(m²·d)，与实施例1相同。装置结构如图1所示。本实施例的填料层布设次序与实施例1完全相同，主要区别是第一沸石功能层20和第二沸石功能层21装填的是沸石与碎石的混合填料，沸石与碎石的体积比为1.5:1。

试验同样采用某养猪场沼液为原水，具体水质如下：ph为7.35～7.77，cod为725～1100mg/l，氨氮为680～1232mg/l，硝态氮为<1mg/l,亚硝态氮为<1mg/l。

系统运行稳定后，经过新型人工湿地装置处理后水质如下：ph为6.27～7.51，cod为362～930mg/l，氨氮为221～473mg/l，亚硝态氮为432～642mg/l，硝态氮为3～46mg/l。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。