基于燃煤烟气净化径流湿地系统及利用其进行烟气净化的方法
【专利摘要】基于燃煤烟气净化径流湿地系统及利用其进行烟气净化的方法，属于大气污染生态治理与修复【技术领域】。所述系统包括湿地生态系统、湿地水力系统、湿地烟气进气布气系统三个部分，烟气经过换热器温度降低为20度以下，经烟气布气干管进入安装在湿地底部的穿孔布气管束均匀排放进入湿地基质层，通过湿地基质层的吸附，微生物同化作用（利用SO2、NOx、CO2构建生物体），水体溶解，并进一步在湿地上层的藻菌共生生态系统中进一步微生物净化和湿地植物的同步吸收作用，高效净化烟气，形成烟气污染物减排和温室气体CO2的高效回收。本发明的径流湿地结构简单、施工维护方便，实现城市燃煤烟气治理生态化、景观化、节能化。
【专利说明】基于燃煤烟气净化径流湿地系统及利用其进行烟气净化的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于大气污染生态治理与修复【技术领域】，涉及一种针对燃煤烟气生态净化的径流湿地系统及利用该系统进行烟气净化的工艺。
【背景技术】
[0002]我国是以煤炭为主要能源形式的国家，煤炭在能源中的占比达到70%，因此燃煤烟气污染是重要的大气环境污染成因，是雾霾天气的祸首。随着城市化水平的提高，人们对环境质量要求也越来越高，但是2013年城市大气污染形势极为严峻，高污染的雾霾天气严重影响了人们的生活。其中大气污染物S02、N0x、PM都严重超标。
[0003]传统的燃煤烟气治理技术包括:
1、烟气除尘:去除烟气中的颗粒物(PM)。(I)物理方法:在烟气尾部增加袋式除尘器；水击除尘脱硫，但是袋式除尘成本高对PM2.5没有效果，水击除尘效率低；(2)静电除尘:在烟气尾部增加静电除尘器，效率高成本高，但是对PM2.5去除效率低。
[0004]2、烟气脱硫:除去烟气中的S02。(I)化学方法:投加脱硫剂一干法炉内脱硫，在燃煤中按比例添加脱硫剂，在燃烧过程脱硫，但是成本高对高硫煤去除效果差。湿法脱硫:在烟气尾部增加脱硫塔，含硫烟气通过湿雾状的脱硫剂，雾状脱硫剂对SO2形成高效化学吸收，脱硫效果好，成本高，会形成含新的含硫化合物、脱废水等后续处理问题，增加工程造价。
[0005]3、烟气脱硝:去除烟气总的氮氧化物的过程。
[0006]4、电化学方法同步脱硫脱硝:CAEB — EPS技术是利用高能电子束(0.8?lMeV)辐照烟气，将烟气中的二氧化硫和氮氧化物转化成硫酸铵和硝酸铵的一种烟气脱硫脱硝技术。该技术的工业装置一般采用烟气降温增湿、加氨、电子束辐照和副产物收集的工艺流程。
[0007]以上烟气净化技术除了在烟气尾部增加的必要处理设施外还需要对净化后的烟气进行除湿等处理，降低烟气的含水率，保证烟气的抬升高度。建设和运行成本高，尤其是脱硝的运行成本极高，难以实施。为此提出径流湿地生态方法同步除尘、脱硫脱硝，CO2减排的生态烟气净化技术。
[0008]径流湿地是污水处理的常规成熟技术，能够有效的去除水体中的N、P、C0D、重金属等污染物，为了能有有效的净化烟气中的PM、SO2, NOx, CO2、重金属等，燃煤烟气首先通过热交换器降温后，通过布气管道通入湿地水体中，在湿地的基质形成吸附和水体中形成有效的溶解，由于S02、CO2本身都具有很好的亲水性，易溶于水，溶于水后即可以采用湿地生态净化技术，去除烟气中的污染物。同时为了提高湿地的处理效率，对湿地的基质进行改良，形成高效的基质吸附层、同时在水体中增加仿生水草，仿生水草成为微生物、藻类生长的载体材料，提高湿地系统的有效生物量，充分利用反硝化细菌、硫化细菌、藻类的附着生长特定，增加微生物的密度，提高径流湿地的处理效率。形成基质吸附同步湿地微生物同化异化作用,湿地植物吸收、分解净化烟气中的污染物。[0009]传统用于污水处理的径流湿地，壤土、沙石等基质对烟气的各类污染物的吸收固定化效果差，水体中针对烟气中的净化的特效微生物如硫化细菌、反硝化细菌、藻类浓度低，不能有效净化烟气。故针对烟气净化的目的，对传统的径流湿地进行改良，提出了基于燃煤烟气净化径流湿地系统。
【发明内容】
[0010]针对传统用于污水处理的径流湿地，壤土、沙石等基质对烟气的各类特征污染物的吸收固定化效果差，水体中针对烟气中的净化的特效微生物如硫化细菌、反硝化细菌、藻类浓度低，不能有效净化烟气的功能，本发明提供了一种针对燃煤烟气净化的径流湿地系统及利用其进行径流湿地净化烟气的方法，从技术上解决了这些问题。
[0011]本发明的目的是通过如下技术方案实现的:
一种基于燃煤烟气净化径流湿地系统，包括湿地生态系统、湿地水力系统、湿地烟气进气布气系统三个部分，其中:
所述湿地生态系统包括由坝体和底板构成的湿地、湿地基质层、湿地仿生水草填料和湿地植物，湿地主体为由坝体的坝面围成的水池，在湿地底板上铺设湿地基质层，水池内设置有湿地仿生水草填料和湿地植物；
所述湿地水力系统包括进水干管、进水水平支管组、出水水平支管组、汇水槽和排水干管，进水干管从湿地前端顶部进入，进入湿地主体后转向为与坝面平行，沿坝面伸入湿地底部，在底部转向平行于底板后与进水水平支管组相连，出水水平支管组位于湿地末端的顶部，出水水平支管组直接插入位于坝体外部的汇水槽，汇水槽与排水干管相连；
所述湿地烟气进气布气系统包括烟气进气干管和穿孔布气管束，烟气布气干管在湿地前端贴近底板穿入湿地后在湿地的底部与穿孔布气管束垂直相连。
[0012]一种利用上述湿地系统进行径流湿地烟气净化的方法，其工艺过程为:
(1)来水经过进水干管进入湿地底部，在底部经过进水水平支管组形成在湿地底部的多点均匀进水，水在湿地基质底部扩散，到湿地顶部的活动水面，形成由前到后的流动，到达湿地尾部，经过位于湿地顶部的出水水平支管组对来水的多点收集后排入汇水槽，经过排水干管排入地表水体；
(2)烟气经过换热器温度降低为20度以下，经烟气布气干管进入安装在湿地底部的穿孔布气管束均匀排放进入湿地基质层，通过湿地基质层的吸附，微生物同化作用，水体溶解，并进一步在湿地上层的由浮游生长的微生物与附着在仿生水草填料上的微生物共同构成的藻菌共生生态系统中进一步净化，湿地植物的同步吸收，高效净化烟气，形成烟气污染物减排和温室气体CO2的高效回收。
[0013]上述工艺过程中，水力负荷为lm3/m2，烟气负荷为单位面积负荷IOm3烟气/lm2。
[0014]本发明基于燃煤烟气的径流湿地净化系统结构设计，采用前端底部进水，后端顶部出水的径流性湿地水力流态。相比于现有技术，本发明具有如下优点:
1、实现燃煤烟气的湿地生态治理与净化，建设成本低，运行成本低、长效性好，景观效果好；高温烟气的余热还可以保证湿地的冬季运行，形成冬季特色的绿色湿地景观。
[0015]2、径流湿地在净化烟气的S02、NOx, PM、重金属的同时，还能收获藻类、湿地植物芦苇，作为生物质二次开发利用。[0016]3、径流湿地结构简单、施工维护方便，实现城市燃煤烟气治理生态化、景观化、节能化。
[0017]4、利用本设施可以实现热能回收、低能耗、长效净化燃煤烟气尤其是燃煤电厂排放的烟气的S02、NOx, PM2.5、重金属、温室气体(C02、CO等)。径流湿地在净化烟气的同时可以同步净化雨水径流、生活污水，同时具有很好的景观和生态效能。
[0018]5、本发明涉及的径流湿地流入烟气SO2的净化效率高于95% ；N0X高于85%，PM2.5闻于98%。
[0019]6、为了提供更为丰富营养物质，有机物、P等，可以选择污水处理厂二级排放的污水作为湿地用水，同步实现对污水的三级处理深度净化，实现污水的资源化利用。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为基于燃煤烟气净化径流湿地系统的平面布置图；
图2为图1的1-1向剖面图；
图3为图1的2-2向剖面图；
图4为穿孔布气管束的结构示意图；
图5为图4的b-b向剖面图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0022]【具体实施方式】一:如图1-3所示，本实施方式的基于燃煤烟气净化径流湿地系统，包括湿地生态系统、湿地水力系统、湿地烟气进气布气系统三个部分，其中:
所述湿地生态系统包括湿地、湿地基质层、湿地仿生水草填料2-8和湿地植物2-6，湿地结构由坝体2-1和底板2-2构成，湿地基质层、湿地仿生水草填料2-8、湿地植物2-6构成湿地生态系统。湿地主体为由四面45度放坡坝面围成的水池，在湿地底板2-2上方铺设有湿地基质层，水池内设置有湿地仿生水草填料2-8和湿地植物2-6 ；
所述湿地水力系统包括进水干管1-1、进水水平支管组1-2、出水水平支管组1-3、汇水槽1-4和排水干管1-5,进水干管1-1、进水水平支管组1-2构成湿地进水布水系统,出水水平支管组1-3、汇水槽1-4和排水干管1-5构成湿地出水布水系统。进水干管1-1从湿地前端顶部进入，进入湿地主体后通过弯头转向为与坝面平行，沿坝面伸入湿地底部，在底部通过弯头转向平行于湿地底板2-2，进水干管1-1通过三通1-1-1与垂直于进水干管1-1的水平横管1-1-2相连，横管1-1-2上通过三通连接由多个水平相互平行的布水管组成的进水水平支管组1-2，进水水平支管组1-2通过固定支撑墩1-6固定，布水管的末端通过弯头与喇叭口 1-1-3相连，出水水平支管组1-3高位安装于湿地末端的顶部，出水水平支管组1-3平行于底板垂直于湿地末端壁面，出水水平支管组1-3直接插入位于坝体2-1外部的汇水槽1-4，实现排水汇集在汇水槽1-4中，并通过与汇水槽1-4相连的排水干管1-5排水进入地表水体。汇水槽1-4为钢筋混凝土结构，长度与湿地的宽度相当。
[0023]来水经过进水干管1-1进入湿地底部，在底部经过多个进水水平支管组1-2，形成在湿地前端底部多点均匀进水。水在湿地基质底部扩散，到湿地顶部的活动水面，形成由前到后的流动，到达湿地尾部，经过位于湿地顶部的出水水平支管组1-3对来水的多点收集后排入汇水槽1-4，经过排水干管1-5排入地表水体。
[0024]所述湿地烟气进气布气系统包括烟气进气干管3-1和穿孔布气管束3-2，该系统用于净化燃煤烟气，单位面积负荷IOm3烟气/lm2。烟气布气干管3-1在湿地前端，高于水面位置的高位进烟气，通过弯头和立管3-1-1在湿地前端贴近底板2-2穿入湿地，在湿地底部平行沿湿地长度方向通长铺设。烟气布气干管3-1在湿地的底部与水平穿孔布气管束3-2垂直相连。烟气由烟气布气干管3-1进入，经过穿孔布气管束3-2扩散进入湿地底部的基质层。经过基质吸附和湿地生态系统净化，实现对污染物的深度处理。穿孔布气管束的开孔位置及大小为图4-5所示。
[0025]高温烟气经过换热器降温至20度以下，经过布置在湿地基质底部的穿孔布气管束均匀排放进入湿地基质层，经过湿地基质吸附生物净化污染物，同时仿生水草上微生物群落，藻菌共生水生态系统进一步净化溶解在水体中的S02、NOx, CO2 (SO2, NO2, CO2易溶于水)、进一步，具有发达根系湿地植物同步吸收S02、NOx，这些丰富的生态系统协同作用实现高效烟气净化。
[0026]【具体实施方式】二:本实施方式中，所述径流湿地的坝体2-1和底板2-2均采用土石方加防渗土工布构成。坝体2-1为素土夯实,上铺防渗土工布,表面为毛石混凝土 300mm厚的护坡。湿地底板2-2与坝体2-1的结构相同。坝体2-1高度大于lm。
[0027]【具体实施方式】三:本实施方式中，所述湿地基质层由湿地烟气吸附基质层2-3和湿地营养壤土层2-4构成。湿地烟气吸附基质层2-3为多孔介质球粒结构化炉渣，铺设于底板2-2上，为了实现吸附后的生化同化净化烟气中的污染物，控制结构化基质为直径2-5cm的球粒，球粒的孔隙率在70%，孔眼的直径在3-5微米，根据入口烟气中污染物的浓度选择基质的厚度为30-50cm，有利于硫化细菌、反硝化细菌进入基质层实现微生物生化同化过程；湿地营养壤土层2-4为壤土，铺设于湿地烟气吸附基质层2-3之上，厚度为5cm-10cm之间。
[0028]【具体实施方式】四:本实施方式中，为了进一步提高对固定化和溶解在水体中的SO2^NOxXO2的净化，在径流湿地的流动相增加仿生水草生物填料2-8，仿生水草填料2-8采用以氨纶和尼龙为主的超细纤维编织片状材料，宽5cm，长度可以根据水的深度调整，以增加附着生长的硫化细菌、反硝化细菌、微藻的生物量，实现高效生化净化烟气效果，尤其是大量的微藻能够在光的作用下利用CO2，构建生命体，实现温室气体回收。湿地仿生水草填料2-8通过固定绳2-7和固定桩2-5进行悬挂固定在湿地水体中。该填料为藻类和微生物生长提供载体，提高系统的生物量，该系统的生物量是没有载体填料生物量的10-20倍，进而提闻系统的净化效率。
[0029]【具体实施方式】五:本实施方式中，针对烟气净化的需求,湿地植物2-6选择特效对S02、N0x耐受性强的芦苇，芦苇的种植密度为2株/m2。芦苇具有很好的耐污性能尤其耐S02，而且其发达的根系能够有效的吸收基质吸附和水体溶解的污染物(S、N等作为合成蛋白质的重要元素)。
【权利要求】
1.基于燃煤烟气净化径流湿地系统，其特征在于所述系统包括湿地生态系统、湿地水力系统、湿地烟气进气布气系统三个部分，其中: 所述湿地生态系统包括由坝体和底板构成的湿地、湿地基质层、湿地仿生水草填料和湿地植物，湿地主体为由坝面围成的水池，在湿地底板上铺设湿地基质层，湿地水体内安装有湿地仿生水草填料和种植湿地植物； 所述湿地水力系统包括进水干管、进水水平支管组、出水水平支管组、汇水槽和排水干管，进水干管从湿地前端顶部进入，进入湿地主体后转向为与坝面平行，沿坝面伸入湿地底部，在底部转向平行于底板后与进水水平支管组相连，出水水平支管组位于湿地末端的顶部，出水水平支管组直接插入位于坝体外部的汇水槽，汇水槽与排水干管相连； 所述湿地烟气进气布气系统包括烟气进气干管和穿孔布气管束，烟气布气干管在湿地前端贴近底板穿入湿地后在湿地的底部与穿孔布气管束垂直相连，形成在湿地底部多点均匀分布烟气。
2.根据权利要求1所述的基于燃煤烟气净化径流湿地系统，其特征在于所述坝体和底板均采用土石方加防渗土工布构成。
3.根据权利要求1所述的基于燃煤烟气净化径流湿地系统，其特征在于所述坝体为素土夯实，上铺防渗土工布，表面为毛石混凝土 300mm厚的护坡,坝体高度大于lm。
4.根据权利要求1所述的基于燃煤烟气净化径流湿地系统，其特征在于所述湿地基质层由湿地烟气吸附基质层和湿地营养壤土层构成，湿地烟气吸附基质层铺设于底板上，湿地营养壤土层铺设于湿地烟气吸附基质层之上。
5.根据权利要求4所述的基于燃煤烟气净化径流湿地系统，其特征在于所述湿地烟气吸附基质层为多孔介质球粒结构化炉渣，球粒直径为2-5cm，球粒的孔隙率在70%，孔眼的直径在3-5微米。`
6.根据权利要求4所述的基于燃煤烟气净化径流湿地系统，其特征在于所述湿地营养壤土层为壤土，铺厚度为5cm-10cm之间。
7.根据权利要求1所述的基于燃煤烟气净化径流湿地系统，其特征在于所述仿生水草填料采用以氨纶和尼龙为主的超细纤维编织片状材料，宽5cm。
8.根据权利要求1所述的基于燃煤烟气净化径流湿地系统，其特征在于所述湿地植物为芦苇。
9.根据权利要求8所述的基于燃煤烟气净化径流湿地系统，其特征在于所述芦苇的种植密度为2株/m2。
10.一种利用权利要求1-9任一权利所述的基于燃煤烟气净化径流湿地系统进行烟气净化的方法，其特征在于所述方法步骤如下: (1)来水经过进水干管进入湿地底部，在底部经过进水水平支管组形成在湿地底部的多点均匀进水，水在湿地基质底部扩散，到湿地顶部的活动水面，形成由前到后的流动，到达湿地尾部，经过位于湿地顶部的出水水平支管组对来水的多点收集后排入汇水槽，经过排水干管排入地表水体； (2)烟气经过换热器温度降低为20度以下，经烟气布气干管进入安装在湿地底部的穿孔布气管束均匀排放进入湿地基质层，通过湿地基质层的吸附，微生物同化作用，水体溶解，并进一步在湿地上层的由浮游生长的微生物与附着在仿生水草填料上的微生物共同构成的藻菌共生生态系统中进一步净化，湿地植物的同步吸收，高效净化烟气，形成烟气污染物减排和温室气体 CO2的高效回收。
【文档编号】B01D53/84GK103657398SQ201310747569
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】王丽, 王琳, 王丽杰, 何玉荣, 李浩然, 霍玉鑫 申请人:哈尔滨工业大学