专利名称：垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理城市污水的方法
技术领域：
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理城市污水的方法。
背景技术：
城市污水复合人工湿地处理方法主要有垂直流与水平流、水平流与垂直流、垂直流与表面流以及垂直流与垂直流复合等四种。
水平流与垂直流复合人工湿地系统按照水平流在前，垂直流在后的方式串联起来，水平流床体高80cm，一般填充砾石基质，垂直流床体高100cm以上，通常采用较细的基质如砂等作为渗滤介质，污水先经过水平流床处理后，自流进入垂直流床表层均匀布水，在垂直下渗的过程中得到处理，然后将垂直流床的硝化处理出水回流至水平流床完成反硝化作用。在水平流床中种植有泌氧能力的大型挺水植物如芦苇、香蒲、水葱、风车草、再力花和菖蒲等。在垂直流床中种植有美人蕉、再力花、月季和香根草等。
垂直流与水平流复合人工湿地系统按照垂直流床在前，水平流床在后的方式串联起来组成复合系统。垂直流和水平流床体高度和填充基质如上所述。污水先经过垂直流床去除大部分有机物和硝化处理后，自流进入水平流床，同时直接引入一部分未经垂直流床处理的原污水作为碳源，在水平流床完成反硝化脱氮过程。
垂直流与表面流复合人工湿地系统按照垂直流床在前，表面流床在后的方式串联起来组成复合系统。表面流床体高约30cm，采用普通土壤为处理介质，污水在以土壤为介质的表面呈水平流动，并在介质层中种植有泌氧能力的大型挺水植物如芦苇、茭白、香蒲、再力花、美人蕉、菖蒲、水葱和野生稻等，利用水生植物的泌氧能力为人工湿地基质上的生物膜分解污水中的有机物质提供氧气。污水先经过垂直流床去除大部分有机质和硝化处理后，自流进入表面流床的前端与部分未经垂直流床处理的污水(作为碳源)混合，在表面流人工湿地完成反硝化脱氮过程。
垂直流与垂直流复合人工湿地系统(复合垂直流)由下行池和上行池组成，两池中间设有隔墙，底部连通，床体高50-60cm，采用砂石作为处理介质，污水从下行流经底部通道流向上行流，上行流和下行流床都种有植物，如芦苇、风车草、美人蕉和香根草等。
存在的不足之处有(1)水平流与垂直流复合人工湿地虽然能完成一部分氮的硝化与反硝化，因水平流供氧条件较差导致硝化效果不是很强，总氮去除率也不高，仅为30-45％，而且需要将硝化处理出水回流，既增加了动力消耗，又随着回流比的增大减少了污水处理水量，增加了占地面积，同时还降低了磷的去除率；其次，水平流人工湿地采用石灰石、大理石或白云石基质的除磷效果不高，仅为30-50％，从而影响了复合人工湿地的除磷寿命；第三，垂直流人工湿地的耗氧处理能力和硝化能力不能得到完全发挥，占地面积也较大。(2)垂直流与水平流复合人工湿地，相对于本发明来说，主要是占地面积较大，要比本发明增加1/3的占地面积。(3)垂直流与表面流复合人工湿地，表面流设计的时候必须要保障水中有充足的溶解氧以完成NH4+-N的硝化，同时又要使反硝化细菌有适宜的缺氧与好氧交替环境和充足的有机物作为碳源，以保障反硝化脱氮这一表面流人工湿地中主要脱氮途径的顺利进行；垂直流和表面流两种人工湿地系统各自对生活污水中磷的去除能力都不是很好，特别是表面流人工湿地较差，而且现行垂直流人工湿地广泛采用的砂砾石等基质对磷的吸附饱和使用寿命都较短，一般为5年；(4)复合垂直流人工湿地，水流由下行流流向上行流的方式，系统较容易堵塞。由于系统整体缺氧，充氧能力低。虽然间歇式进水改善了氧状况，但进水中的溶解氧在下行池即已消耗至很低的水平，不能提供良好的硝化作用环境条件，不能产生大量硝酸盐作为反硝化作用的底物，使硝化-反硝化途径不畅通，因此总氮的去除率也不是十分的理想。
发明内容
本发明的目的是克服现有城市污水复合人工湿地处理方法的不足，提供一种处理成本低，占地面积小，去除磷氮效果好的垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理城市污水的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理城市污水的方法，包括将污水先经过垂直流人工湿地处理，然后再经过水平流人工湿地处理，垂直流人工湿地与水平流人工湿地均填充有处理介质，垂直流人工湿地在上，水平流人工湿地在下，并且水平流人工湿地分为前后两个湿地，两个湿地之间有孔相通；垂直流人工湿地直接建造在前一个水平流人工湿地上；污水先经过垂直流人工湿地处理，再进入前一个水平流人工湿地处理，然后通过连通孔流进后一个水平流人工湿地处理。所述垂直流人工湿地中填充的处理介质为高炉渣和草炭的混合基质，所述水平流人工湿地中填充的处理介质是自下而上填充砾石和煤渣。垂直流人工湿地的作用是对耗氧有机物的大部分去除和对生活污水的完全硝化；水平流人工湿地的作用是进一步完成对NH4+-N、COD和BOD5的去除。垂直流人工湿地直接与其底部的水平流人工湿地相连接，这样节省了占地面积。所述高炉渣和草炭的体积比为4～19∶1。
在上述方法中，将一部分污水直接流入水平流人工湿地作为碳源，与垂直流人工湿地处理出水在水平流人工湿地中的混合，污水与垂直流人工湿地处理出水的体积比为1∶4～6。此做法的目的是利用生活污水中的有机物(BOD)作为碳源，在水平流人工湿地的缺氧条件下，完成垂直流人工湿地处理出水中的硝酸盐在水平流人工湿地中的反硝化脱氮过程。
在上述方法中，在垂直流人工湿地中种植风车草，在后一个水平流人工湿地中种植美人蕉。利用风车草和美人蕉的植物摄取作用去除部分磷。
在上述方法中，在垂直流人工湿地池壁上设置空气对流开关。空气对流开关设在池壁靠近底面，池壁两边各装一个开关，灌水时关闭，不灌水时打开，以保持垂直流良好的空气对流，使垂直流床中有充足的空气，从而使污水的硝化作用得到了加强。
在上述方法中，污水在进入垂直流人工湿地处理之前，先经沉淀池去除砂粒和较大颗粒的悬浮物，然后抽入高水位箱，再自流进入垂直流人工湿地处理。
垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理城市污水中有机物和脱氮方法是将垂直流人工湿地和水平流人工湿地重叠起来，垂直流人工湿地在上，直接连接底部水平流人工湿地。城市污水先进入沉淀池去除SS(砂粒和较大颗粒的悬浮物)后，再经水泵提升至高水位箱，然后自流至垂直流人工湿地均匀布水，经垂直流人工湿地处理后，去除大部分SS、COD、BOD5，并进行废水的硝化作用，接着流向底部的水平流人工湿地，利用水平流人工湿地完成对有机物的大部分去除，并通过反硝化作用(将沉淀池的部分出水直接引入水平流湿地作为碳源)和水生植物等的吸收完成对氮的部分去除。
垂直流与水平流一体化复合人工湿地去除城市污水中磷方法是利用上述有机物和脱氮方法的工艺流程，在去除有机物和脱氮的同时完成对废水中磷的去除。具体方法是在垂直流人工湿地中填充对磷具有很强固定能力的高炉渣和草炭混合基质，可以去除污水中绝大部分磷；在水平流人工湿地中填充的煤渣基质可以去除大部分剩余的磷；此外，风车草和美人蕉的植物摄取作用可去除污水中的一部分磷。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果①利用垂直流人工湿地去除部分TN、TP、COD、BOD5、SS和废水的完全硝化，利用水平流人工湿地完成COD、BOD5、SS和TP的部分去除功能以及废水的反硝化作用；污水经垂直流人工湿地硝化后进入水平流人工湿地在水平流人工湿地的缺氧环境条件下，利用污水中有机物(BOD)和床体积累的有机质以及动植物的残体作为碳源完成反硝化脱氮作用，同时也增加了水平流人工湿地对BOD5和COD的去除能力。垂直流与水平流一体化复合人工湿地不需要回流，从而降低了处理成本。一体化复合人工湿地对城市污水中COD、BOD5、NH4+-N和TN的去除率分别达到75～85％、70～80％、70-90％和50-60％以上，处理出水中COD和BOD5的浓度分别小于60和20mg/L，基本上达到城市污水处理厂一级排放标准。
②利用垂直流人工湿地填充的高炉渣和草炭混合基质完成污水中绝大部分磷的去除功能；利用水平流人工湿地中煤渣和砾石基质对磷的固定作用完成对污水中磷的部分去除功能，同时利用垂直流和水平流人工湿地中栽种的风车草和美人蕉的植物摄取作用去除部分磷，从而可使复合人工湿地对城市污水中TP的去除率达到80-85％以上，处理出水中的TP浓度小于1mg/L，基本达到了城市污水处理厂一级排放标准，并且本发明创造技术对磷的使用寿命达到10年以上。
③在垂直流底部池壁两边开了两个通气孔，这样有利于垂直流床上下空气对流，从而使污水经过垂直流床时的硝化作用加强，为水平流床的反硝化作用提供了足够的底物—硝酸盐态氮。
④为了进一步提高总氮的去除效果，将一部分污水直接加入水平流人工湿地，利用水平流床的缺氧与好氧交替条件和污水中有机物(BOD)作为碳源，将来自垂直流床处理出水中的硝酸盐态氮还原成N2O和N2。
⑤将垂直流床叠放在水平流床之上，节省了占地面积，同时也降低基建投资和处理成本。
图1为城市污水垂直流与水平流一体化复合人工湿地垂直流床结构图；图2为城市污水垂直流与水平流一体化复合人工湿地水平流床结构图；图3为城市污水垂直流与水平流一体化复合人工湿地结构图。
图中1—沉淀池、2—水泵、3—高位水箱、4—污水管、5—阀门水表、6—布水主管、7—布水支管、8—污水碳源加入管、9—混合基质层、10—连通孔、11—砾石层、12—煤渣基质层13—空气对流开关、14—水平流床出水管、15—水平流床出水集水池。
具体实施例方式
城市污水垂直流与水平流一体化复合人工湿地中的沉淀池、垂直流人工湿地、水平流人工湿地等单元结构是由管道连接而成的。
垂直流人工湿地由床体和布水管组成，床体的床壁用不渗漏材料做成，床壁为水泥抹面的砖结构，底部为混凝土结构。床体为混合基质层，厚度为85cm，填充高炉渣和草炭混合基质。布水管分布在混合基质层表面以下5-10cm处，垂直流床的底部就是水平流床的表层，填充的基质为煤渣基质，并在垂直流床体中种植深根的有利于硝化作用植物风车草。
如图1、2、3所示，“王”字形布水管分布在混合基质表面以下5-10cm处，布水管由布水主管6和多条布水支管7组成，布水主管6分布在床体的中间，其长度与床体长度相当，其中一端密封，另一端与污水进水管4相连接，布水支管7固定连接在布水主管的两旁，另一端密封，其长度为床体宽度的一半，布水支管向下部位开有小孔。
在入水口上安装污水管4，在污水管4上设有阀门和水表5，以控制污水的进水速度。
污水碳源加入管8为 形管，一头直接与污水管4连接，并在污水管4上设有阀门和水表5，另一头沿着池壁插入垂直流床混合基质层9底部以下。
垂直流床底部两侧池壁各设有一个空气对流开关13，垂直流床灌水时，关闭空气对流开关13，防止污水流走；不灌水时打开空气对流开关13，以利于垂直流床通风对流。
水平流床墙体和底部用不渗漏材料做成，床壁为水泥抹面的砖结构，底部为混凝土结构。水平流床为长方形，长宽比为2∶1，沿着长度方向分为正方形的前后两格，隔墙设有多个连通孔10，污水可以通过连通孔10由前格流入后格，再流出水平流床。水平流床底部砾石层11厚约15cm，填充砾石的直径为3-5cm，然后在其上填充70cm厚的煤渣基质层12。
日设计处理水量0.8-2.4m3/d。
设计参数格栅采用2cm×2cm铁丝网，直立于化粪池出水口与地下引水管相接的检查井中。
沉淀池设计尺寸为2.0m×1.8m×2.0m，有效水深1.0m，有效容积3.6m3，砖结构水泥抹面。
垂直流人工湿地设计尺寸长×宽×高为2m×1.0m×0.85m，分两格，砖结构水泥抹面。单池实用尺寸长×宽1.0m×1.0m×0.85m。其中，混合基质层厚85cm，由高炉渣和草炭混合组成。
水平流人工湿地设计尺寸长×宽×高为2m×2m×0.80m，分为处理和对照两个部分，每个部分又分为前后两个子床。水平流床底部先填充15cm厚砾石作为垫层，然后再填充65cm厚的煤渣基质。经垂直流床处理过的污水从上自流而下进入前一个水平流子床，然后再通过连通孔10连接后一个水平流子床。
运行方式采用的水力停留时间(HRT)分别为16h，1d，2d。整个系统分两部分，一部分为不种植植物，另一部分为种植植物。垂直流床种植的植物为风车草，相应的水平流床种植的植物为美人蕉。
本发明是这样实现城市污水首先经过沉淀池1除去污水中的砂粒和悬浮颗粒物质，然后用水泵2提升进入高位水箱3，再沿着污水管4进入布水主管6，在进入布水主管6前有控制阀门和计量水表5，布水支管7直接放置在垂直流床混合基质的表面上，污水从布水支管7均匀开设的小孔投配在垂直流床混合基质层9上，污水经过混合基质层9垂直向下渗滤，由于基质的过滤截留和吸附作用以及植物根系的摄取作用完成对耗氧有机物和TP的大部分去除和完全硝化。垂直流人工湿地的处理出水可利用垂直流人工湿地床体与水平流人工湿地之间的落差，污水自流进入水平流人工湿地。污水经过水平流人工湿地后，利用水平流人工湿地煤渣基质的过滤截留和吸附作用去除污水中剩余的COD、BOD5和TP，同时从高水位箱3引入一部分污水通过碳源加入管8直接加到水平流人工湿地作为碳源，与垂直流床的硝化出水在水平流床的煤渣基质层12混合，然后通过水平流床的连通孔10流入另一格水平流床，再次通过煤渣基质层12的过滤截留和植物吸收作用，分别经过2/3d-2d停留时间和反硝化脱氮过程后再经过水平流床出水管14排入水平流床出水集水池15。
处理效果(mg/L，％)如表1、表2、表3和表4所示。
表1为城市污水经垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理后，污水中的COD浓度变化情况；表2为城市污水经垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理后，污水中的BOD5浓度变化情况；表3为城市污水经垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理后，污水中的NH4+-N浓度变化情况；表4为城市污水经垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理后，污水中的TP浓度变化情况；表5为城市污水经垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理后，污水中TN浓度变化情况；表6为不同碳源污水与硝化处理出水之比条件下，水平流湿地出水TN浓度变化情况。
表1、COD浓度变化情况
表2、BOD5浓度变化情况
表3、NH4+-N浓度变化情况
表4、TP浓度变化情况
表5、TN浓度变化情况
表6、不同碳源污水与硝化处理出水之比条件下水平流湿地出水TN浓度变化情况
权利要求
1.垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理污水的方法，包括将污水先经过垂直流人工湿地处理，然后再经过水平流人工湿地处理，垂直流人工湿地与水平流人工湿地均填充有处理介质，其特征是垂直流人工湿地在上，水平流人工湿地在下，水平流人工湿地分为前后两个湿地，两个湿地之间有连通孔相通，垂直流人工湿地直接建造在前一个水平流人工湿地上；污水先经过垂直流人工湿地处理，再进入前一个水平流人工湿地处理，然后通过连通孔流进后一个水平流人工湿地处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述垂直流人工湿地中填充的处理介质为高炉渣和草炭的混合基质，所述水平流人工湿地中填充的处理介质是自下而上填充砾石和煤渣。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是将一部分污水直接流入水平流人工湿地作为碳源，与垂直流人工湿地处理出水在水平流人工湿地中的混合，污水与垂直流人工湿地处理出水的体积比为1∶4～6。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是在垂直流人工湿地中种植风车草，在后一个水平流人工湿地中种植美人蕉。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是在垂直流人工湿地的池壁下部设置空气对流开关。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是在污水在进入垂直流人工湿地处理之前，先经沉淀池去除砂粒和较大颗粒的悬浮物，然后抽入高水位箱，再自流进入垂直流人工湿地处理。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述高炉渣和草炭的体积比为4～19∶1。
全文摘要
本发明涉及污水处理领域，公开了一种垂直流与水平流一体化复合人工湿地处理城市污水的方法。包括将污水先经过垂直流人工湿地处理，然后再经过水平流人工湿地处理，垂直流人工湿地与水平流人工湿地分别填充高炉渣/草炭混合基质和砾石/煤渣混合基质，垂直流人工湿地在上，水平流人工湿地在下，水平流人工湿地分为前后两个湿地，两个湿地之间有连通孔相通，垂直流人工湿地直接建造在前一个水平流人工湿地上；污水先经过垂直流人工湿地处理，再进入前一个水平流人工湿地处理，然后通过连通孔流进后一个水平流人工湿地处理。本发明的城市污水处理方法，处理成本低，占地面积小，去除磷氮效果好。
文档编号C02F3/30GK1884139SQ200610036318
公开日2006年12月27日 申请日期2006年7月3日 优先权日2006年7月3日
发明者崔理华 申请人:华南农业大学