一种强化脱氮农村生活污水人工湿地系统及净化方法
【专利摘要】本发明提供一种强化脱氮农村生活污水人工湿地系统及净化方法。所述系统，包括至少一湿地床，所述湿地床采用红砖和秸秆作为填充物装填形成，由下向上填充物的粒径逐渐变小，在湿地床表面添加了脱氮菌液和/或在湿地床内部添加了脱氮菌液。所述方法，在前述湿地床上方布放生活污水，在湿地床底部获得净化水，在布放生活污水之前，在湿地床表面添加脱氮菌液和/或在湿地床内部添加脱氮菌液。本发明的系统及方法通过在湿地床表面均匀喷洒脱氮菌液和/或内部注入脱氮菌液，进行强化脱氮，可以增强系统脱氮功能。
【专利说明】
一种强化脱氮农村生活污水人工湿地系统及净化方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种污水处理技术，特别涉及一种用于农村生活污水处理的人工湿地系统及净化方法。
【背景技术】
[0002]水资源在我们国家比较紧缺，人均水资源仅为世界人均占有量的1/4。据中国环境状况公报显示，国内水环境污染比较严重，特别是江河流域已经遭到污染。随着生活质量的提高，生活源污染已经占到总污染的主要部分，且呈现逐年增加的趋势。农村人口在我国占据很大比重，目前我国农村人口居住比较分散，人口数量较多，几乎没有任何生活污水收集和处理措施，农村生活污水几乎直接排放，造成了水体的严重污染。据统计每年我国农村生活污水产生量80多亿吨。我国大多数农村生活水平相对落后，适合处理农村生活污水的污水处理工艺不多，寻找和研发适合农村分散生活处理的工艺是目前处理农村生活的重中之重。
[0003]除了生活污水，目前农村建筑废弃垃圾以及田间秸杆等农村生活废弃物产生量大且处理模式落后，还以直接丢弃、随意堆放为主，几乎占到产生量的80%。据资料统计全国建筑垃圾每年产生量高达4亿吨；2005年全国秸杆总产生量达到84183.12万吨。废弃物的不当处理，不仅对农村的村容村貌造成影响，而且主要是对大气、土壤和水体造成污染，严重威胁到居民的身心健康。如何将农村生活废弃物，如农村生活污水、废弃建筑垃圾、田间秸杆进行无害化处理资源化利用是当前新农村建设以及美丽乡村建设的重要内容。
[0004]目前对于生活污水的处理技术有很多，主要包括传统活性污泥法、A/0法，氧化沟法等等。但根据我国农村地域、人口居住分布以及经济条件来说，人工湿地比其他传统的处理方法具有更多的优势。人工湿地具有投资低、运行和管理费用低、对水量和水质变化适应能力强等特点，它与天然湿地类似，充分利用基质-微生物和植物复合生态系统实现对污水的净化。
[0005]人工湿地有多种，如何发挥人工湿地的污水处理功效，达到处理要求，选择湿地类型，在人工湿地的设计中，基质、植物和水是设计的主要因素。但目前选择基质和植物，以及确定水流方式的体系还不够完善。对于处理我国分散式农村生活污水处理的湿地设计研究还处于起步过程。
[0006]人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。
[0007]人工湿地与传统污水处理厂相比具有投资少、运行成本低等明显优势，在农村地区，由于人口密度相对较小，人工湿地同传统污水处理厂相比，一般投资可节省1/3—1/2。在处理过程中，人工湿地基本上采用重力自流的方式，处理过程中基本无能耗，运行费用低，在人口密度较低的农村地区，建设人工湿地比传统污水处理厂更加经济。
[0008]我国应用用于农村污水的人工湿地不多，目前文献报道的湿地基质或是价格较贵，例如活性炭，砾石，石英砂等，或是净化污水的效果不是很好，例如河沙等，都不尽如人意。因而如何选择基质，使其适用于农村生活污水净化，不仅价格低廉，而且还能实现很好的污水净化效果，是业界亟待解决的技术问题之一。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种强化脱氮农村生活污水人工湿地系统及净化方法，其可以对农村生活污水进行净化并增强系统脱氮功能。
[0010]本发明的强化脱氮农村生活污水人工湿地系统，包括至少一湿地床，所述湿地床采用红砖和秸杆作为填充物装填形成，由下向上填充物的粒径逐渐变小，在湿地床表面添加了脱氮菌液和/或在湿地床内部添加了脱氮菌液。
[0011]优选地，所述湿地床由下向上包括:
[0012]—承托层，厚度为5cm，由粒径为3-5cm的粘土红砖填充构成；
[0013]—第二层，厚度为5cm，由粒径为l-3cm的粘土红砖填充构成；
[0014]一第三层，厚度为70cm，由粒径为0.5-1 cm的粘土红砖填充构成；
[0015]—上层，厚度为20cm，由粘土红砖与稻杆的混合物填充构成，粒径均小于0.5cm，粘土红砖:秸杆的重量比为1:1。
[0016]优选地，湿地床表面脱氮菌液的添加量为每平米添加0.2-0.5L;湿地床内部脱氮菌液的添加量为每3立方米添加1.5-2.5L。
[0017]优选地，所述湿地床设有用于向所述湿地床内部注入脱氮菌液的多用途管道，所述多用途管道包括竖直管道和水平管道，所述竖直管道竖直插入所述湿地床内，上方超出所述湿地床的上表面，下方与所述水平管道连通，所述水平管道上设有若干小孔。
[0018]优选地，所述竖直管道竖直插入所述湿地床内50-80cm，每平米铺设I根，所述水平管道上的小孔直径为2mm，各孔间距为50mm，所述水平管道长1.Sm。
[0019]其中，所述人工湿地系统还包括布水管、集水箱、排水箱和配水箱，其中在所述湿地床上方设置布水管，将污水运输到所述湿地床上方并释放;在所述湿地床下游连接集水箱，用于收集经湿地床净化后的净化水;在所述集水箱下游设置排水箱，用于收集经过人工湿地系统后所排放的污水;所述布水管上游连接配水箱，所述配水箱中设置有前处理过滤
目.ο
[0020]本发明的强化脱氮农村生活污水净化方法，用湿地床对生活污水进行净化，其中，所述湿地床采用红砖和秸杆作为填充物装填形成，由下向上填充物的粒径逐渐变小，在湿地床上方布放生活污水，在湿地床底部获得净化水，在布放生活污水之前，在湿地床表面添加脱氮菌液和/或在湿地床内部添加脱氮菌液。
[0021]优选地，湿地床表面脱氮菌液的添加量为在每个配水期的第一天，每平米添加
0.2-0.5L;湿地床内部脱氮菌液的添加量为在每个配水期的第一天，每3立方米添加1.5-
2.5L0
[0022]优选地，向湿地床表面均匀喷洒脱氮菌液，和/或通过湿地床中设置的多用途管道向湿地床内部注入脱氮菌液。
[0023]优选地，在配水期对多用途管道每天曝气，在落干期对多用途管道每天曝气，在非曝气时间自然复氧。
[0024]本发明具有以下优点和积极意义:
[0025]本发明的人工湿地系统所采用的基质主要为农村的废弃的秸杆或建筑垃圾，不仅可以净化污水，也可以将农村废弃物变废为宝。另外本发明中，生长于此基质的水生植物可以是水生蔬菜，例如水芹菜，空心菜等，不仅可以对污水起到净化作用，而且会对农民产生经济价值。
[0026]本发明可有效的处理农村生活污水，特别是针对小型户用农村生活污水，工艺简单，建造方便，适宜于农村分散生活污水处理，可以对农村生活污水进行就地处理，还具有环境生态效益。
[0027]充分利用农村废弃红砖，废弃秸杆为湿地基质，通过系统对农村生活污水的净化，不仅将生活污水净化，而且将农村废弃物进行资源化利用，变为人工土(指上部SO-1OOcm的基质将变为人工土，有效解决农村固体废物的无害化、减量化处理及资源化利用问题)，达到废弃物进行以废制废，变废为宝的目的。
[0028]相对于现有的人工湿地来说，本发明的湿地基质采用农村的废弃的秸杆或建筑垃圾，价格低廉，但是污水净化效果好。
[0029]本发明中，通过在湿地床表面喷洒脱氮菌液和/或内部注入脱氮菌液，进行强化脱氮，可以增强系统脱氮功能。并且，利用多用途管道，还可以在对污水进行净化的同时，将湿地床内部的气体排出，防止产生臭味。进一步，使多用途管道自然复氧或曝气充氧，可以减少系统在较长时间浸水状态下的自我能力恢复时间和系统堵塞现象。
[0030]本发明的有益效果可以从以下具体应用实例得到证实:
[0031]具体应用实例一:
[0032]天津蓟县某农村生活废水，污水中CODcr208mg/L，NH3_N 33.4mg/L,TN 45mg/L,TP 2.8mg/L，经本发明处理，水力负荷为0.2m3/(m2.d)，出水CODcr小于50mg/L，NH3-N小于3mg/L，TN小于15mg/L，TP小于0.5mg/L。净化装置运行2个月稳定，植物生长良好，出水水质稳定，净化装置出水达到《城镇污水处理厂污水排放标准(GBl 8918-2002)》一级A。
[0033]具体实例二:
[0034]天津西青某农村生活废水(含分散养殖废水)，污水中CODcr435mg/L，NH3-N78.6mg/L,TN 10lmg/L,TP 9.5mg/L，经本发明处理，水力负荷为0.2m3/(m2.d)，出水CODcr小于50mg/L，NH3_N小于3mg/L，TN小于15mg/L，TP小于0.5mg/L。净化装置运行2个月稳定，植物生长良好，出水水质稳定，净化装置出水达到《城镇污水处理厂污水排放标准(GB18918-2002)》一级 A。
【附图说明】
[0035]图1为本发明的垂直流人工湿地装置的结构示意图；
[0036]图2为本发明的人工湿地系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0037]本发明的以农村废弃红砖-秸杆为基质的农村生活污水人工湿地系统，包括至少一垂直流人工湿地装置，该装置可以实现污水净化，构成一种生活污水净化装置。在包括两个以上的垂直流人工湿地装置的情况下，可以使各装置并行设置在系统中。如图1所示，所述垂直流人工湿地装置包括一箱体，在该箱体内，从下往上，包括承托层1、第二层2，第三层3和上层4，所述各层采用不同粒径大小的农村建筑废弃红砖和农村废弃秸杆进行装填。其中，由下向上，填充物的粒径逐渐变小。
[0038]从下而上顺序铺设的各层，其铺设方式的一个实施例如下:
[0039]所述承托层I，厚度为5cm，由粒径为3-5cm之间的粘土红砖填充构成；
[°04°]所述第二层2，厚度为5cm，由粒径为l-3cm之间的粘土红砖填充构成；
[0041 ]所述第三层3，厚度为70cm，由粒径为0.5-1 cm之间的粘土红砖填充构成；
[0042]所述上层4，厚度为20cm，由粘土红砖与稻杆的混合物填充构成，粒径均小于
0.5cm,粘土红砖:秸杆的重量比为1:1。
[0043]所述垂直流人工湿地装置上可以种植湿地植物5，所述湿地植物5采用耐寒、易生长、耐污性能高的植物，如水芹菜、空心菜、鸢尾、菖蒲、水葱等，所述湿地植物5的种植密度为15-30株/m2。
[0044]可以在所述垂直流人工湿地装置上层的红砖和秸杆中均匀添加脱氮菌液，添加量为每平米添加0.2-0.5L。添加方式不限。
[0045]可以在所述垂直流人工湿地装置内部添加脱氮菌液，添加量为每3立方米注入1.5-2.5L。添加方式不限。优选在所述垂直流人工湿地装置内部铺设多用途管道7，通过多用途管道7向所述垂直流人工湿地装置内部添加脱氮菌液。
[0046]优选地，所述多用途管道7结构如下:包括竖直管道701和水平管道702。其中竖直管道701竖直插入所述垂直流人工湿地装置内50-80cm，每平米铺设I根，竖直管道701上方超出所述垂直流人工湿地装置上表面，竖直管道701的下方与水平管道702连通，水平管道702上设有直径为2mm的若干小孔，各孔间距为50mm。水平管道702长1.Sm。可以理解，所述尺寸仅为优选参数，具体适用时可以根据需要进行改变。
[0047]如图2所示，本发明的以农村废弃红砖-秸杆为基质的农村生活污水人工湿地系统，依照水的流向(图中以箭头标示)，包括依次串联的配水箱10、湿地床20、集水箱30和排水箱40ο作为一个实施例，配水箱10尺寸大小为1.5m X Im X Im(长X宽X高)，湿地箱20尺寸大小为2m X ImX 1.2m，集水箱30尺寸大小为0.2m X ImX 1.2m，排水箱40尺寸大小为1.5m XImX Im0
[0048]所述配水箱10，不仅用于处理农村生活污水的调配，而且其中前段配有农村生活原污水的前处理过滤装置101，可对污水进行过滤。该过滤装置101采用不锈钢滤网膜103将配水箱10隔开，通过滤网膜将污水进行过滤。滤网膜孔隙度为30目，滤网膜底部距离箱体底部高度为40cm。滤网膜底部为挡板102。如此设置的目的是:滤网膜可以过滤污水，将较大的悬浮颗粒物过滤;下部的挡板102的作用为将较大颗粒悬浮物或污泥沉淀在挡板102的一侧后，可方便集中清理且不影响挡板102另一侧配水。
[0049]所述湿地床20采用图1的垂直流人工湿地装置构成，用于净化污水。所述湿地床20，其上方设置布水管503，优选在距离湿地床20的上层4表面上方20cm处设置布水管503，所述布水管503，将取自所述配水箱10的污水运输到所述湿地床20的上方并释放到湿地床20上层4 ο所述湿地床20，其箱体内部设有液位计，优选三针式液位计504，所述液位计可控制湿地床20箱体内的液位高度，液位高度优选控制在距离湿地床20底部40cm-85cm处。
[0050]集水箱30连接于湿地床20下游，用于收集经湿地床20净化后的净化水。集水箱30与湿地床20的连接，可以采用管道或其它方式，优选采用如下方式:集水箱30与湿地床20壁靠壁紧邻设置，或者可以采用一个箱体分隔为湿地床20与集水箱30，在集水箱30、湿地床20箱体紧邻的侧壁底部设置有若干个孔，如4个孔，使两箱体连通，水可以经由所述孔从湿地床20箱体渗透至集水箱30内。
[0051]排水箱40设置在集水箱30下游，与集水箱30采用管道连接，且管道上设置有开关阀门，以便控制排放。排水箱40是人工湿地系统的一部分，主要用于收集所有经过人工湿地系统净化后所排放的净化水;在实验研究过程中主要作用为读取污水经过人工湿地后的排水体积以及测定净化后的水质浓度。
[0052]本发明的人工湿地系统包括布水系统，包括潜水栗501、流量计502及布水管503。潜水栗501(型号QDX3-20-0.55)放置于配水箱10中。潜水栗501下游连接液体流量计502(量程范围10L/h-80L/h)。液体流量计502优选设置在配水箱10箱体外部。采用潜水栗501和流量计502共同控制进水时间和流量大小。流量计502下游连接布水管503，优选多孔布水管503，将水运送到湿地床20上方并释放。布水管503有若干分支，如四个分支，均设置有开关阀门，可单独调节每个分支布水流量和大小。优选的，每个布水管503分支长2m，管子上设有直径为2mm的若干小孔，各孔间距为50mm。布水管503设置在距离湿地床20的上层4表面上方约20cm处。
[0053]为了测试取样方便，优选的，在湿地床20的箱体上，由下而上每隔20cm设置取样孔(未图示)，设置高度分别为20cm, 40cm, 60cm, 80cm, 100cm。取样孔处设置有管道，管道向箱体内部水平延伸0.5m，所述延伸部分的管道上面设置小眼，以便水进入管道中间。管道顶头加盖密封。
[0054]为了更好地控制水流，如控制布水时间、布局，进一步优选配置如下。配水箱10到湿地床20的连接管道上设有阀门601控制水流开关，四支布水管503上分别设有四个阀门602控制布水管道的分支流速大小、启停等，集水箱30的排水可经阀门603控制流入排水箱40 ο每个箱体均设有污水、污泥排放管道且均有阀门控制:配水箱10前处理过滤装置101处理前的排放由阀门605控制;配水箱10前处理过滤装置101处理后的排放由阀门606控制;湿地床20、集水箱30的排放分别由阀门607、阀门608控制；排水箱40的排放由阀门609或阀门604控制。
[0055]优选的，所述人工湿地系统的表面水力负荷(每平方米表面积单位时间内通过的污水体积数)为0.2-0.8m3/(m2.d)，配水-落干周期为7天，湿干时间比为3:4。所述人工湿地系统的表面水力负荷可以通过液体流量计502、潜水栗501和电箱来控制;配水期的配水时间和落干期的落干时间可以人工控制。
[0056]采用本发明的系统进行污水处理，其流程如下。结合参阅图2。利用所述前处理过滤装置101对污水进行过滤，在所述配水箱10中对农村生活污水进行调配(根据需要水质要求或工艺参数要求，从水力负荷、污染负荷等方面进行进水调配)。所述潜水栗501将调配后的污水抽取，经流量计502后，输送到布水管503。所述布水管503将污水输出到湿地床20上方。污水在重力作用下，由上至下依次经过湿地床20的各层进行净化。净化后的净化水从湿地床20箱体与集水箱30紧邻的侧壁底部的孔渗透至集水箱30内。集水箱30内的净化水经管道输送到排水箱40储存。其中进行强化脱氮，具体为:在污水进入湿地床20之前，向湿地床20的上层红砖和秸杆混合物表面添加脱氮菌液，以增强系统的脱氮功能，添加方式可以为均匀喷洒，添加量优选为在每个配水期的第一天，每平米喷洒0.2-0.5L;以及在污水进入湿地床20之前，向湿地床20内部注入脱氮菌液，以增强系统脱氮功能，添加方式可以为通过湿地床20中设置的多用途管道7注入，添加量优选为在每个配水期的第一天，每3立方米注入
1.5-2.5L。表面喷洒脱氮菌液与内部注入脱氮菌液，二者可以分别进行或者同时进行。并且，利用多用途管道7，除了注入脱氮菌液进行强化脱氮之外，还可以在对污水进行净化的同时，将湿地床20内部的气体排出，防止产生臭味。进一步，使多用途管道7自然复氧或曝气充氧，可以减少系统在较长时间浸水状态下的自我能力恢复时间和系统堵塞现象。优选地，在配水期对多用途管道曝气每天10分钟，目的是增加系统中好氧脱氮微生物(包括湿地土著脱氮微生物和外来人工添加的脱氮微生物)生长代谢过程中的需氧量。在落干期每天曝气半小时，以强化系统性能的恢复、系统内部气体的排除以及系统的堵塞等。以上所述的10分钟、半小时只是优选曝气量，也可根据需要调整曝气量。系统在非曝气时间段进行自然复氧。
[0057]以上所述的实施例，只是本发明较优选的【具体实施方式】，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种强化脱氮农村生活污水人工湿地系统，包括至少一湿地床，所述湿地床采用红砖和秸杆作为填充物装填形成，由下向上填充物的粒径逐渐变小，其特征在于，在湿地床表面添加了脱氮菌液和/或在湿地床内部添加了脱氮菌液。2.如权利要求1所述的人工湿地系统，其特征在于，所述湿地床由下向上包括: 一承托层，厚度为5cm，由粒径为3-5cm的粘土红砖填充构成； 一第二层，厚度为5cm，由粒径为l-3cm的粘土红砖填充构成； 一第三层，厚度为70cm，由粒径为0.5-lcm的粘土红砖填充构成； 一上层，厚度为20cm，由粘土红砖与稻杆的混合物填充构成，粒径均小于0.5cm，粘土红砖:秸杆的重量比为10:1。3.如权利要求1或2所述的人工湿地系统，其特征在于，湿地床表面脱氮菌液的添加量为每平米添加0.2-0.5L;湿地床内部脱氮菌液的添加量为每3立方米添加1.5-2.5L。4.如权利要求1或2所述的人工湿地系统，其特征在于，所述湿地床设有用于向所述湿地床内部注入脱氮菌液的多用途管道，所述多用途管道包括竖直管道和水平管道，所述竖直管道竖直插入所述湿地床内，上方超出所述湿地床的上表面，下方与所述水平管道连通，所述水平管道上设有若干小孔。5.如权利要求4所述的人工湿地系统，其特征在于，所述竖直管道竖直插入所述湿地床内50-80cm，每平米铺设I根，所述水平管道上的小孔直径为2mm，各孔间距为50mm，所述水平管道长I.8mο6.如权利要求1或2所述的人工湿地系统，其特征在于，所述人工湿地系统还包括布水管、集水箱、排水箱和配水箱，其中在所述湿地床上方设置布水管，将污水运输到所述湿地床上方并释放;在所述湿地床下游连接集水箱，用于收集经湿地床净化后的净化水;在所述集水箱下游设置排水箱，用于收集经过人工湿地系统后所排放的污水;所述布水管上游连接配水箱，所述配水箱中设置有前处理过滤装置。7.—种强化脱氮农村生活污水净化方法，用湿地床对生活污水进行净化，其中，所述湿地床采用红砖和秸杆作为填充物装填形成，由下向上填充物的粒径逐渐变小，在湿地床上方布放生活污水，在湿地床底部获得净化水，其特征在于，在布放生活污水之前，在湿地床表面添加脱氮菌液和/或在湿地床内部添加脱氮菌液。8.如权利要求7所述的净化方法，其特征在于，湿地床表面脱氮菌液的添加量为在每个配水期的第一天，每平米添加0.2-0.5L;湿地床内部脱氮菌液的添加量为在每个配水期的第一天，每3立方米添加1.5-2.5L。9.如权利要求7所述的净化方法，其特征在于，向湿地床表面均匀喷洒脱氮菌液，和/或通过湿地床中设置的多用途管道向湿地床内部注入脱氮菌液。10.如权利要求9所述的净化方法，其特征在于，在配水期对多用途管道每天曝气，在落干期对多用途管道每天曝气，在非曝气时间自然复氧。
【文档编号】C02F3/32GK105858896SQ201610237663
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】陈昢圳, 郑向群, 任天志, 刘月敏, 孙琎, 化进城
【申请人】农业部环境保护科研监测所