专利名称：一种污水脱氮除污方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种污水脱氮除污的生态化处理技术，特别是关于污水处理的过程中高效脱氮除污的技术方法及其装置。
背景技术：
随着污水排放量的增加，我国大部分地表水和部分浅层地下水污染日益严重，如果水污染得不到有效控制，将直接影响经济可持续发展和供水安全。即使在资金有保障的前提下，单纯靠污水处理厂也不可能实现水生态系统的根本好转。由于高昂的投资和运行费用，使得各种二级、三级水处理技术难以大面积推广。调查显示，湖泊与河流中的氮有50％以上来源于面源污染，农业面源污染已成为湖泊、河流、库塘等水环境污染的主要因素。农村地区的污水处理基本上是空白，大量未经处理就直接排入河流。江浙一带河网、湖泊众多，水体富营养化严重，很多饮用水水库尽管其它所有污染物水平都很低，但氮含量却超标。有效控制工农业生产和生活所带来的氮等污染物对于控制水体富营养化具有重要意义。
人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，是一种人为地将石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例构成基质，并有选择地植入植物的污水处理生态系统。通过自然生态系统中物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。基质表面和植物根际吸附大量微生物形成生物膜，污水流经生物膜时，大量的悬浮固体被基质和植物根系截留，有机污染物通过生物膜的吸收、同化及异化作用被去除。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其依次呈现好氧、缺氧和厌氧状态，保证了污水中的氮磷不仅能被植物和微生物作为营养而吸收，还可通过硝化、反硝化作用及微生物对磷的吸附积累将其从污水中去除。人工湿地作为一种新型生态污水处理技术，具有投资和运行费用低、抗冲击负荷、处理效果稳定、出水水质好、水生植物可利用等诸多优点。虽然人工湿地已经在污水处理中得到了一些应用，取得了比较好的效果，但还存在一些问题，如污水中的氨氮难以去除，氮去除率低，一般不超过60％，而且不能持续稳定地去除，水质难以达标。由于氨氮是造成水体富营养化的限制因子之一，必须强化人工湿地的脱氮能力。
刘超翔等人[环境科学，2003，24(5)92-96]对氮去除途径的分析表明，微生物的硝化—反硝化作用是人工湿地去除氮的主要途径，水生植物对氮的吸收量分别占总投加量的10％以上。张甲耀等人[环境科学研究，1999，19(3)323-327]的研究也表明，要提高湿地的脱氮效果，关键在于改善湿地的氧环境，从而改善硝化作用，以便保证湿地硝化—反硝化这一重要去氮机制的畅通。国外研究也发现，硝化—反硝化是湿地脱氮的主要方式，除氮量占总脱氮量的60-95％。而植物对氮的吸收量很低，为0.03-0.3g/m2d，并且要通过收割植物来最终完成氮的去除。有研究表明人工湿地在中等负荷情况下，通过植物收割对氮的去除率小于20％。可见，硝化—反硝化是人工湿地脱氮的主要机制。宋铁红等人[吉林建筑工程学院学报，2003，20(3)1-3]研究发现，人工湿地内氧含量对湿地去除效率有较大影响，提高湿地床体内的含氧量，有利于微生物的好氧代谢和硝化作用。在许多湿地中硝化速率要比反硝化速率慢很多，并事实上成为控制氮去除的限制因素。每转化1g NH4+-N成NO3--N，需要消耗4.3g氧气。对于1.0mg/L的NH4+-N，系统中溶解氧大于4.6mg/L时，硝化过程才能顺利进行。无论是表面流湿地，还是潜流湿地，氧含量都是碳和氮氧化的限制因素[Water Environment Research，1997，67(5)855-862]]，而湿地中植物传输的氧气是有限的，芦苇、沉水植物、浮水植物分别为0.02-12、0.5-5.2、0.25-9.6g/m2d。
为了提高人工湿地去除氨氮的效率，Green[Water Environment Research，1994，66(4)188-193]采取人工充气的办法来增加湿地中的溶解氧，以此提高硝化能力，结果大大提高了氨氮的去除率，但溶解氧增加的同时，抑制了反硝化作用的进行，从而使硝态氮的去除率有所下降。如何提高氨氮去除率的同时保证硝态氮的去除率是增强人工湿地脱氮效果的一个难点。每反硝化1g NO3-N成N2，需要消耗相当于2.86gBOD的有机物，可能发生反硝化的最小碳氮质量比为1。然而COD的降解主要发生在湿地床体的前段，造成床体后段反硝化所需有机碳源不足和后段降解能力的浪费。当污水有机物含量很低时，反硝化过程又不易进行，解决这一矛盾是提高人工湿地对氮去除率的另一难点。因此，要有效去除污水中的氮，必须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适宜的缺氧环境和充足的有机物来源，以保障反硝化作用的顺利进行。
发明内容
本发明针对目前人工湿地污水处理中，硝化作用需要好氧环境，而反硝化作用需要缺氧环境和一定的有机物碳源之间的矛盾，解决氮去除率低，从而导致水体的富营养化的技术问题，设计一种塔式污水脱氮除污装置及其处理污水的方法。
本发明采用以下技术方案实现上述目的。
一种污水脱氮除污装置，包括表层泥土、中层砂粒和底层砾石。在表层泥土上种植木本或草本植物，引入流动污水形成人工湿地。其特征是一污水引入区，用于絮凝和过滤沉淀污水以及含碳、氮有机物的初步分解，在污水引入区末端设提升污水的水泵和水管；一塔式瀑布区，用于含碳、氮有机物的进一步好氧分解和氨氮的硝化作用，由二层以上的表面流人工湿地堆叠成塔形，塔下层与污水引入区连成一体，污水引入区的提升水管延伸至顶层塔中部；一污水汇合区，与塔式瀑布区下层连成一体，用于硝态氮的反硝化作用和剩余有机物的继续分解以及排出脱氮除污后的出水。
一种污水脱氮除污方法，其特征包括以下步骤a、将人工湿地的污水引入区种植木本植物，在塔式瀑布区和污水汇合区种植草本植物，植物根系提供絮凝和沉淀作用，含碳、氮有机物的污水进行初步降解；b、将要处理的污水引入污水处理人工湿地装置，其中一部分经过污水引入区木本植物人工湿地后，直接进入塔式瀑布区人工湿地的底层，边流动边进行有机物的降解，与由塔式瀑布区顶层下跌至下层的污水一起流入污水汇合区。
c、另一部分污水由泵和水管提升进入塔式瀑布区的顶层中部，污水由上层湿地跌落至下一层湿地，经多层阶梯式跌落使污水充分溶解空气中的氧气，进行有机物好氧分解，NH4+-N硝化作用成为NO3--N，流入污水汇合区人工湿地；d、由所述的b步和c步处理后的污水经污水汇合区人工湿地进行反硝化作用，将污水中NO3-N转化为N2而排放到大气中，含碳有机物进一步分解成二氧化碳和水。
人工湿地系统在污水引入区和塔式瀑布区采用表面流湿地，在污水汇合区采用潜流湿地。
湿地填料由上至下可分3层表层为土壤，中层为煤渣，底层为砾石。
湿地内水生草本植物和木本植物可根据当地适生种类选择配置，如具有宁波特色的经济作物蔺草、茭白等。
污水先经过种植木本植物的引入区人工湿地，利用木本植物的根系絮凝、沉淀污水中的悬浮固体物质，污水引入区的污染物浓度较高，植物吸收营养物质多，生长快，木本植物比草本植物生物量大，不至造成生长过快而产生的一系列问题。在引入区人工湿地有机物部分分解，然后部分污水从塔式瀑布区顶部小湿地阶梯化跌水进入下层湿地，污水在跌水中充分利用大气富氧，有机物好氧分解加速，有机氮分解产生的氨氮与污水中原有的氨氮在好氧条件下转换为硝态氮的硝化速率大幅度提高；另一部分污水则从引入区人工湿地末端直接进入塔式湿地的底层，与塔式瀑布湿地顶层阶梯跌水而下、硝化作用完全、好氧分解较为彻底的污水一起汇合，这部分不经过塔式湿地跌水而直接进入塔式底层的污水，只进行了初步好氧分解，剩余的有机物可为污水汇合区的反硝化作用提供碳源，保证了硝化—反硝化这一主要脱氮机制的顺利畅通，使硝态氮彻底转化为氮气而释放到大气中，从而提高污水的脱氮除污效果。
本发明设计了塔式人工湿地与目前采用的人工湿地相比，可以提高污水中氮的去除效果，污水总氮去除率为70％～80％，氨氮去除率为75-85％，而且其余污染因子的去除效果也有所提高，污水CODcr去除率为85％～90％；污水总磷去除率为60～70％，总悬浮固体TSS去除率为80～85％。新型人工湿地的占地面积、投资、运行管理和成本与其余人工湿地基本相同，只需消耗少量电能提高水位，适合中小城市和广大农村地区应用。
本发明的显著进步和优点在于(1)污水塔式阶梯跌水充氧，强化生物的硝化作用和好氧代谢。只需消耗少量电能提高水位，使污水从上层小湿地分几次跌水进入下层小湿地，克服目前湿地含氧量少，硝化速率慢的瓶颈。
(2)部分污水直接进入污水汇合区，为生物的反硝化作用提供充足的碳源，提高反硝化作用效率。同时可避免湿地后段净化作用的浪费。
(3)将木本植物和草本植物相结合。协同利用两类植物根区的混合生物群落，提高人工湿地对污染物的去除率，降低湿地系统的脆弱性，提高其生命力。
(4)环境、社会、生态、经济效益四丰收。在圆形湿地间的埂子上，犹如在湖滨公园的瀑布间散步，让参观者得到教育和启发，认识湿地的作用，更好的保护环境，不光是一道靓丽的景观，也是环境教育的生态基地。一个县级小型污水处理厂，投资至少几千万元，污水处理费0.5-1元/吨，每天就要花费几千元。而人工湿地的投资费用约为两百万元(包括征地费)，处理费用不超过0.05元/吨，无剩余污泥产生，维护上只是清理渠道及管理作物，农民完全可承担，只需个别专业人员定期检查。
本项目的新型人工湿地技术既处理污水，既可改善广大农村和中小城市的卫生状况，又可美化环境，减缓地表水的富营养化趋势，是集环境效益、经济效益及社会效益于一体的污水处理方式。
图1是塔式人工湿地系统结构示意图；图2是塔式人工湿地系统结构的纵剖面图。
具体实施例方式
本试验采用的人工湿地为实验室规模的人工湿地装置，污水引入区1的长、宽、高为0.8m×0.7m×0.5m，污水汇合区3的长、宽、高为0.8m×0.7m×0.5m、塔式瀑布区2的顶层7小湿地直径0.6m、中间层8直径为1.0m，下层5的直径为1.4m，三层湿地的高度均为0.5m，总高度为1.5m，整个湿地系统的总面积为3.73m2。湿地系统的底层13为10cm厚的砾石(粒径2-6cm)，中层12为10cm厚的煤渣(粒径0.2-0.5cm)，表层11为10cm厚的泥土(粒径0.1-0.2cm)。在湿地污水引入区1的前段种植花卉树苗、水杉树苗等木本植物10，在其污水汇合区种植黑麦草、鸭舌草以及蔺草、茭白4等，在塔式瀑布区7、8种植景观型草本植物，如美人蕉、香蒲、黄花鸢尾、水百合等如附图1所示。塔式瀑布区由三层小人工湿地组成，每一层小人工湿地都由表层11土壤，中层12煤渣，底层13砾石组成，塔层之间设隔板17以阻止层间污水渗透，如图2所示。污水经人工湿地的前段一部份沿水平方向9往前流，一部份渗透入中层12与底层13，在此设集水槽和抽吸水泵15，将在中层渗流的部份污水经水管14提升至顶层7的小湿地的中层，放出水由顶层表面溢出，形成瀑布流逐层跌落，在跌水过程中吸收空气中的氧气。
同时建立一个面积大小相同的表面流湿地系统作为对照，污水进水区和出水区完全和上述新型湿地相同，湿地中部为通常的表面流湿地。湿地填料和植物种类也与塔式人工湿地完全相同。
实施例1以相同水力负荷(20cm/d)向两个人工湿地系统输入相同水质的模拟生活污水(COD为300mg/L，BOD5为160mg/L，总氮浓度为70mg/L，氨氮浓度为40mg/L，总磷浓度为4mg/L)，水力停留时间为3d。处理效果见表1。
表1新型人工湿地对污染物的去除效果(％)
实施例2与实施例1不同的是以相同水力负荷(20cm/d)向两个人工湿地系统输入相同水质的农田排灌水(COD为70mg/L，总氮浓度为7mg/L，氨氮浓度为4mg/L，总磷浓度为1mg/L)，水力停留时间为2d。处理效果见表2。
表2新型人工湿地对污染物的去除效果(％)
实施例3与实施例1不同的是以相同水力负荷(20cm/d)向两个人工湿地系统输入相同水质的混合生活污水与畜禽养殖废水(平均水质COD为270mg/L，BOD5为120mg/L，总氮浓度为40mg/L，氨氮浓度为28mg/L，总磷浓度为3.5mg/L)，水力停留时间为2d。处理效果见表3。
表3新型人工湿地对污染物的去除效果(％)
实施例4与实施例1不同的是以相同水力负荷(20cm/d)向两个人工湿地系统输入相同水质的猪场厌氧处理后废水(平均水质COD为680mg/L，BOD5为300mg/L，总氮浓度为80mg/L，氨氮浓度为45mg/L，总磷浓度为3mg/L)，水力停留时间为3d。处理效果见表4。
表4新型人工湿地对污染物的去除效果(％)
实施例5与实施例1不同的是以相同水力负荷(20cm/d)向两个人工湿地系统输入相同水质的富营养化河水(平均水质COD为52mg/L，BOD5为4.8mg/L，总氮浓度为1.8mg/L，氨氮浓度为0.8mg/L，总磷浓度为0.08mg/L)，水力停留时间为1d。处理效果见表5。
表5新型人工湿地对污染物的去除效果(％)
实施例6本试验采用的人工湿地为野外中试规模的现场人工湿地，污水引入区的长、宽、高为6m×4.5m×1m；污水汇合处理区的长、宽、高为6m×4.5m×1m；塔式瀑布区的顶层小湿地直径3m、中间层直径为6m，下层直径为10m，三层湿地的高度均为1m，总高度为3m，整个湿地系统的总面积为509m2。整个湿地系统的底层为12cm厚的砾石(粒径2-6cm)，中层为12cm厚的煤渣(粒径0.2-0.5cm)，表层为12cm厚的土壤(粒径0.1-0.2cm)。在湿地的污水引入区入水处种植花卉树苗、水杉树苗等木本植物，在污水汇合区种植黑麦草、鸭舌草以及蔺草、茭白等，在塔式瀑布区种植景观型草本植物，如美人蕉、香蒲、黄花鸢尾、水百合等。以20cm/d的水力负荷下稳定运行5个月(水力停留时间为3-5d)，试验所用污水来自农村沟渠，该沟渠经过农田和村镇，污水以生活污水为主，混有部分农田排灌水和雨水，水质和处理效果如表6所示。
表6污水水质和处理效果
权利要求
1.一种污水脱氮除污装置，包括表层泥土、中层砂粒和底层砾石。在表层泥土上种植木本或草本植物，引入流动污水形成人工湿地。其特征是一污水引入区(1)，用于絮凝和过滤沉淀污水以及含碳、氮有机物的初步分解，在污水引入区末端设提升污水的水泵和水管；一塔式瀑布区(2)，用于含碳、氮有机物的进一步好氧分解和氨氮的硝化作用，由二层以上的表面流人工湿地堆叠成塔形，塔下层(5)与污水引入区连成一体，污水引入区的提升水管(14)延伸至顶层(7)塔中部；一污水汇合区(3)，与塔式瀑布区下层连成一体，用于硝态氮的反硝化作用和剩余有机物的继续分解以及排出脱氮除污后的出水。
2.根据权利要求1所述的污水脱氮除污装置，其特征在于污水引入区(1)为表面流湿地区，塔式瀑布区(2)为表面流湿地区，污水汇合区(3)为潜流湿地区。
3.根据权利要求1所述的污水脱氮除污装置，其特征在于人工湿地表层(11)土壤粒径为0.1-0.2cm，中层(12)为0.2-0.5cm的煤渣，底层(13)为粒径2-6cm的砾石。
4.根据权利要求1所述的污水脱氮除污装置，其特征是在污水引入区(1)种植水杉树苗和花卉树苗(10)，在塔式瀑布区(2)种植景观型草本植物，在污水汇合区(3)种植黑麦草、鸭舌草和蔺草(4)。
5.一种污水脱氮除污方法，其特征包括以下步骤a、将人工湿地的污水引入区种植木本植物，在塔式瀑布区和污水汇合区种植草本植物，植物根系提供絮凝和沉淀作用，含碳、氮有机物的污水进行初步降解；b、将要处理的污水引入污水处理人工湿地装置，其中一部分经过污水引入区木本植物人工湿地后，直接进入塔式人工湿地的底层，边流动边进行有机物的降解，与由塔式瀑布区顶层下跌至下层的污水一起流入污水汇合区。c、另一部分污水由泵提升进入塔式瀑布区的顶层中部，污水由上层湿地跌落至下一层湿地，经多层阶梯式跌落使污水充分溶解空气中的氧气，进行有机物好氧分解，NH4+-N硝化作用成为NO3--N，流入污水汇合区人工湿地；d、由所述的b步和c步处理后的污水经污水汇合区人工湿地进行反硝化作用，将污水中NO3--N转化为N2而排放到大气中，含碳有机物进一步分解成二氧化碳和水。
6.根据权利要求5所述的污水脱氮除污方法，其特征是污水总氮去除率为70％～80％，氨氮去除率为75～85％，总磷去除率为60％～70％，总悬浮固体TSS去除率为80～85％，污水CODCr去除率为85％～90％。
全文摘要
一种污水脱氮除污方法及其装置，在表层泥土上种植木本或草本植物，引入流动污水形成人工湿地。一污水引入区，用于絮凝和过滤沉淀污水以及含碳、氮有机物的初步分解；一塔式瀑布区，用于含碳、氮有机物的进一步好氧分解和氨氮的硝化作用，由二层以上的湿地堆叠成塔形，污水引入区的提升水管延伸至顶层塔中部；一污水汇合区，与塔式瀑布区下层连成一体，用于硝态氮的反硝化作用和剩余有机物的继续分解以及排出脱氮除污后的出水。塔式瀑布污水脱氮除污处理装置建成城镇居民休闲式的景观造型，作为环境教育的基地之一。既可改善农村城镇卫生状况，又可美化环境，减缓地表水紧张趋势，节省土地资源和污水处理费用。
文档编号C02F3/30GK1821125SQ20061004979
公开日2006年8月23日 申请日期2006年3月10日 优先权日2006年3月10日
发明者叶芬霞, 李颖, 刘新文 申请人:宁波工程学院