专利名称：一种稳定高效的人工湿地污水处理系统及方法
技术领域：
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种稳定高效的人工湿地污水处理系统及方法。
背景技术：
人工湿地是一种为处理污水而利用生态工程措施模拟自然湿地建造的生态系统， 主要由基质(填料)、植物和微生物构成,通过湿地植物根系吸收、根系附着微生物降解等作用，实现对污染物的去除。目前利用人工湿地技术进行生活和工业污水净化已屡见不鲜， 起到非常好的生态与经济效益。但目前国内外湿地大量应用的植物主要是草本植物，有芦苇、美人蕉、香根草等。 但是这些植物均具有生物量小，对污染物的吸附能力有限，且具有地上生物质难以收获转移、容易散落在水体中腐败并且对水体造成二次污染等缺点。乔木、灌木作为植物修复材料在国外研究较多，而国内应用较少。国内的木本植物应用品种主要是池杉、白骨壤等，规模化应用在南方特殊地区或沿海。灌木型柳树无性系具有生长速度快，根系发达，对氮磷和有害重金属吸附能力强，耐污能力强，对水环境适应性好，耐平茬收获等特点，特别适宜于在人工湿地环境中生长发育，是优良的湿地植物材料。基质(填料)是人工湿地系统的重要组成部分，它不仅为植物、微生物生长提供适宜的条件，还通过吸附、沉淀、过滤等作用直接去除污染物。目前选用较多的填料是石砾、陶粒、沸石、煤灰、细砂、页岩、钢渣、炉渣等介质中的一种或几种。这些填料的主要缺点是比表面积小、微生物附着面积有限，去除污染物效果不佳。生物炭是由农作物秸杆、植物残渣、动物粪便等有机废弃物通过热裂解工艺加工而成的一种多孔碳，具有密度高、比表面积大、吸附能力强等特点，而且其微孔结构特别适宜于微生物的生长和发育，是一种理想的生物填料。人工湿地具有投资费用省、运行费用低、维护管理简便和美观等优点。但如果工程设计不合理，特别是不合理地选用和配置湿地基质与植物，就会导致人工湿地净化效率低、 使用寿命短等问题。目前的人工湿地系统中利用灌木型柳树无性系作为湿地植物，同时利用生物炭材料作为湿地生物填料处理废水方面还没有相关研究报道。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，提供一种稳定高效的人工湿地污水处理系统，该系统不仅具有现有人工湿地污水处理系统投资低、操作简便、维护运行费用省、耗能低，改善生态环境等特点，同时由于湿地植物与生物炭相互作用，强化了对污水中氮、磷和C0D&等污染物的去除效率、无二次污染，并且不受季节限制。本发明的另一目的是提供一种稳定高效的人工湿地污水处理系统来处理污水的方法。本发明的具体技术方案如下
一种稳定高效的人工湿地污水处理系统，包括常规污水预处理系统和人工湿地， 常规污水预处理系统包括格栅井、调节池和沉淀池，人工湿地包括布水装置、集水装置、池体、装填在池体内的湿地基质和种植于基质上的植物，污水预处理系统和人工湿地由管道连通，其特征在于所述湿地类型为潜流型人工湿地，湿地基质中含有生物炭材料，种植于基质上的植物为木本植物，生物炭材料以柳树生物质为原料制成。木本植物为灌木型柳树无性系，种植密度为I 5株/m2。生物炭材料为生物炭颗粒,粒径为5 40_。湿地基质包括按一定级配关系装填的卵石、砾石、碎石、陶粒、粗砂和生物炭材料。湿地基质分为三层结构，自下而上依次为底层、中间层和表层，底层包括卵石，中间层主要由砾石、碎石或陶粒中的一种或一种以上与生物炭材料混合组成，表层包括粗砂和生物炭材料。卵石层厚度为20 40cm，中间层厚度为60 100cm，表层厚度为10 30cm。一种稳定高效的人工湿地污水处理方法，其步骤主要包括(I)污水首先进入格栅井，主要去除较大的悬浮物和杂物。接着，格栅井的出水进入调节池，对水质水量进行调节。随后，调节池的出水经沉淀池沉淀悬浮颗粒物和砂粒等物质；(2)沉淀池的出水进入人工湿地系统，污水在湿地植物、包含生物炭材料的基质以及微生物的协同作用下通过物理、化学和生物作用得以净化；(3)经过净化后的水达标排放或回收利用。所述步骤(2)中的生物炭材料为柳树生物质原料在250_800°C和缺氧条件下炭化 1-6小时制成，粉碎制得生物炭颗粒，粒径为5 40mm。所述生物炭碳含量高达50-90%。所述步骤(2)中的湿地植物为灌木型柳树无性系，是来自于国内经过良种审定后的无性系，以及从瑞典农业大学、美国纽约州立大学、美国Double A Willow公司、西北农林科技大学以及江苏省林业科学研究院等单位选育的无性系，其具有生长速度快，根系发达， 对氮磷、重金属等各种有机污染物吸附能力强，耐污能力强，对水环境适应性好，耐平茬收获等特点。所述湿地植物可以进行直接移栽种植或进行扦插种植。所述直接移栽种植的灌木型柳树无性系为一年生丛状苗木，其侧枝数不少于5 个，高度不小于lm，带完整根系移栽。所述扦插种植的灌木型柳树无性系材料为从采穗圃中获取的一年生种条，剪取制作为长度5 50cm的插穗进行扦插种植。本发明根据灌木型柳树无性系生长速度快，根系发达，对氮磷和有害重金属吸附能力强，耐污能力强，对水环境适应性好，耐平茬收获等特点，以及生物炭材料密度高、比表面积大、吸附能力强，而且其微孔结构特别适宜于微生物的生长和发育等特点，结合潜流型人工湿地的简化结构,构建一个基于生物填料-灌木型柳树无性系-微生物三位一体的复合生态系统，对污水进行净化处理。本发明的有益效果如下I)、本发明通过利用灌木型柳树无性系作为人工湿地植物，结合生物炭材料和潜流型人工湿地的结构，能够对污水中NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5等污染物进行高效和深度去除，且去除率高达90%以上。
4
2)、在人工湿地污水处理设施进入运营后，对于种植的灌木型柳树无性系每I 4 年轮伐一次，通过收获地上部分生物质，就可达到彻底转移污水中NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5等污染物的目的，解决了传统湿地植物由于消亡更替而使植物残体进入水体造成二次污染的问题。3)、灌木型柳树无性系耐水湿，抗冻、抗病虫害能力和抗逆性强，萌芽能力强，耐平茬收割，种植一次可连续平茬收割20-30年，相比芦苇等传统湿地植物材料，易于管理维护和收获利用。此外，灌木型柳树无性系不具有生物入侵性，对当地的其它生物种群的负面影响很小。4)、在净化环境的同时，还具有一定的经济效益，收获后的柳树生物质可用来作为生产生物炭的原材料或生物质能源的原料。5)、本发明中使用的生物炭材料比表面积大、吸附能力强、多微孔，适合作为微生物生长发育的载体，并且对环境友好，无二次污染，使用时间长。由于研究已证明生物炭是一种稳定性碳源，废弃的生物炭填料可以直接埋入地下，成为一种有效的“碳汇”手段，有利于二氧化碳减排。经实验证明，生物炭的大量微孔吸附了有机物和废水中的氧气，为微生物群的生长繁殖提供了高浓度的营养源，而微生物代谢过程中产生的酶和辅酶又被吸附和富集在生物炭的微孔中，加之生物炭上微生物和有机物接触时间较长，使难以降解的有机物也有可能经生物氧化而分解。生物炭吸附的有机物也可以被灌木型柳树无性系根系所吸收利用，生物炭表面培育的微生物膜能够很好的降解污水中所含有机物，促进植物对污染物的吸收和固定，在冬季，生物炭可以弥补因柳树生长量及蒸腾作用降低而减弱的污水净化作用，使人工湿地系统能够不受季节限制保持稳定的污水净化效果。6)、灌木型柳树无性系根系发达，对污水的耐受力很强。应用于潜流型人工湿地后，其根系可以在湿地内部结构中得到充分的生长和发育，不仅能够吸收固定大量的氮、磷等污染物，而且可以将光合作用产生的或者叶片吸收的氧气通过通气组织向根部输送，除了保证植物呼吸作用所需的氧气之外，多余的氧气就通过根系泌氧形式扩散到周围的环境中，为生物炭表面培育的好氧微生物膜提供充足的氧气，促进生物炭表面的好氧微生物对有机物的降解作用。7)、灌木型柳树无性系为多年生植物，其景观效果比草本湿地植物较好，不仅发芽萌动期早而且落叶期晚，在北方地区景观持续期很长。8)、本发明中的人工湿地系统结构简单，节省了投资费用。与传统的二级污水厂相比，其建设投资费用和运行费节省了 50% 90%。本发明充分利用具有高吸附能力的灌木型柳树无性系，以及适宜于微生物发育的生物炭材料，利用生物炭和灌木型柳树无性系的相互促进作用，彻底强化了人工湿地处理污水的能力。与现有技术相比，提高了植物材料和湿地填料对污水处理的贡献率，无论在运行成本、操作维护、处理效果上，还是在所带来的经济效益上，都具有明显的优势。
图I是实施例I中的人工湿地的结构示意图。其中1_进水口，2_布水区,3_池体,4_底层填料区,5_中间层填料区,6_集水区， 7-出水口，8-表层填料区，9-湿地植物。
具体实施方式
以下通过具体实例进一步说明本发明。
实施例I
人工湿地系统主要由池体、基质、湿地植物、布水区、集水区和管道组成。人工湿地内部的填料由下至上依次为厚度为20cm、粒径约为30 40mm的卵石层，由粒径为10 20mm的砾石和粒径为5 IOmm的生物炭材料构成的厚度为IOOcm的中间层，以及由粒径为 5 IOmm的粗砂和粒径为5 IOmm的生物炭材料构成的厚度为IOcm的表层。
选用Salixsachalinensis CL. SX61,引自于美国 Double AWi I low 公司，将湿地植物培育系统中采集到的一年生幼苗直接移栽到湿地床上种植，种植密度为I株/m2。待植株稳定后，引入生活污水。污水依次流经常规污水预处理系统中的格栅井和调节池、沉淀池进行预处理，然后沉淀池的出水流入人工湿地系统，经湿地系统处理后(水力停留时间设为2 天)，NH4+-N，TN，TP，SS，C0D&，B0D5 的去除率分别达到了 92%、90%、92%、90%、93%和 94% 以上，在冬季 NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5 的去除率也分别达到了 90% ,89% ,90% ,88%, 92%和92%以上，效果稳定而良好。经处理后的废水可达标排放或回用。各项检测指标均参照国标法测定。
实施例2
人工湿地系统主要由池体、基质、湿地植物、布水区、集水区和管道组成。人工湿地内部的填料由下至上依次为厚度为30cm、直径约为40 50mm的卵石层，由粒径为10 25mm的碎石和粒径为10 20mm的生物炭材料构成的厚度为80cm的中间层，以及由粒径为 10 15mm的粗砂和粒径为10 20mm的生物炭材料构成的厚度为20cm的表层。
选用Salix miyabeana CL. SX64,引自于美国Double A Willow公司，从湿地植物培育系统中采用长度约为IOcm的一年生种条作为插穗扦插到湿地床上，种植密度为2株/ m2。待植株稳定后，引入生活污水。污水依次流经常规污水预处理系统中的格栅井和调节池、沉淀池进行预处理，然后调节池的出水流入人工湿地系统，经湿地系统处理后(水力停留时间设为7天)，NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分别达到了 92%、90%、93%、 90%、92%和91%以上，在冬季NH:-N，TN, TP, SS, CODcr，BOD5的去除率也分别达到了 90%, 88%、90%、87%、90%和90%以上，效果稳定而良好。经处理后的废水可达标排放或回用。 各项检测指标均参照国标法测定。
实施例3
人工湿地系统主要由池体、基质、湿地植物、布水区、集水区和管道组成。人工湿地内部的填料由下至上依次为厚度为25cm、直径约为30 50mm的卵石层，由粒径为10 25mm的陶粒和粒径为20 30mm的生物炭材料构成的厚度为70cm的中间层，以及由粒径为 15 20mm的粗砂和粒径为20 30mm的生物炭材料构成的厚度为30cm的表层。
选用Salix viminalisXSalix miyabeana CL. 99202-004(Fabius),弓丨自于美国 Double A Willow公司，从湿地植物培育系统中采用长度约为20cm的一年生种条作为插穗扦插到湿地床上，种植密度为4株/m2。待植株稳定后，引入生活污水。污水依次流经常规污水预处理系统中的格栅井和调节池、沉淀池进行预处理，然后调节池的出水流入人工湿地系统，经湿地系统处理后(水力停留时间设为5天)，NH4+-N, TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分别达到了 92 %、89 %、92 %、90 %、90 %和 95 % 以上，在冬季 NH:_N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率也分别达到了 91%、88%、89%、89%、90%和92%以上，效果稳定而良好。经处理后的废水可达标排放或回用。各项检测指标均参照国标法测定。
实施例4
人工湿地系统主要由池体、基质、湿地植物、布水区、集水区和管道组成。人工湿地内部的填料由下至上依次为厚度为40cm、直径约为50 60mm的卵石层，由粒径为20 30mm的陶粒和粒径为20 30mm的生物炭材料构成的厚度为60cm的中间层，以及由粒径为 10 15mm的粗砂和粒径为20 30mm的生物炭材料构成的厚度为20cm的表层。
选用Salix dasyclados CL. SVl,引自于美国Double A Willow公司，从湿地植物培育系统中采用长度约为30cm的一年生种条作为插穗扦插到湿地床上，种植密度为3株/ m2。待植株稳定后，引入生活污水。污水依次流经常规污水预处理系统中的格栅井和调节池、沉淀池进行预处理，然后调节池的出水流入人工湿地系统，经湿地系统处理后(水力停留时间设为6天)，NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分别达到了 90%、93%、90%、 90%、92%和90%以上，在冬季NH:-N，TN, TP, SS, CODcr，BOD5的去除率也分别达到了 89%, 92%、88%、89%、90%和90%以上，效果稳定而良好。经处理后的废水可达标排放或回用。 各项检测指标均参照国标法测定。
实施例5
人工湿地系统主要由池体、基质、湿地植物、布水区、集水区和管道组成。人工湿地内部的填料由下至上依次为厚度为40cm、直径约为70 80mm的卵石层，由粒径为20 30mm的碌石、碎石与粒径为15 25mm的生物炭材料构成的厚度为70cm的中间层，以及由粒径为20 25mm的粗砂和粒径为15 25mm的生物炭材料构成的厚度为IOcm的表层。
选用Salix sachalinensis X Salix miyabeana CL. 9870-23 (Marcy),引自于美国 Double A Willow公司，将湿地植物培育系统中采集到的一年生幼苗直接移栽到湿地床上种植，种植密度为4株/m2。待植株稳定后，引入生活污水。污水依次流经常规污水预处理系统中的格栅井和调节池、沉淀池进行预处理，然后调节池的出水流入人工湿地系统，经湿地系统处理后(水力停留时间设为7天)，NH4+-N, TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分别达到 7 92%、90%、91%、91%、93%和 90% 以上，在冬季 NH4+_N，TN，TP，SS，C0D&，BOD5 的去除率也分别达到了 91%、88%、90%、90%、91%和90%以上，效果稳定而良好。经处理后的废水可达标排放或回用。各项检测指标均参照国标法测定。
实施例6
人工湿地系统主要由池体、基质、湿地植物、布水区、集水区和管道组成。人工湿地内部的填料由下至上依次为厚度为30cm、直径约为60 80mm的卵石层，由粒径为20 30mm的碎石、陶粒和粒径为30 40mm的生物炭材料构成的厚度为85cm的中间层，以及由粒径为5 IOmm的粗砂和粒径为30 40mm的生物炭材料构成的厚度为15cm的表层。
选用Salix sachalinensisX Salix miyabeana CL. 9871-31 (Sherburne)，引自于美国Double A Willow公司，将湿地植物培育系统中采集到的一年生幼苗直接移栽到湿地床上种植，种植密度为2株/m2。待植株稳定后，引入生活污水。污水依次流经常规污水预处理系统中的格栅井和调节池、沉淀池进行预处理，然后调节池的出水流入人工湿地系统， 经湿地系统处理后(水力停留时间设为6天)，NH4+-N, TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分别%、94%、92 %和 90 % 以上，在冬季 NH:_N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5 的去除率也分别达到了 88%、89%、90%、92%、90%和90%以上，效果稳定而良好。经处理后的废水可达标排放或回用。各项检测指标均参照国标法测定。
实施例7
人工湿地系统主要由池体、基质、湿地植物、布水区、集水区和管道组成。人工湿地内部的填料由下至上依次为厚度为35cm、直径约为65 80mm的卵石层，由粒径为20 30mm的碎石、陶粒和粒径为30 40mm的生物炭材料构成的厚度为85cm的中间层，以及由粒径为5 IOmm的粗砂和粒径为30 40mm的生物炭材料构成的厚度为15cm的表层。
选用Salix viminalisX Salix miyabeana CL. 99202-004,引自于美国 Double A Willow公司，从湿地植物培育系统中采集长度约为20cm的一年生种条作为插穗扦插到湿地床上，种植密度为3株/m2。待植株稳定后，引入生活污水。污水依次流经常规污水预处理系统中的格栅井和调节池、沉淀池进行预处理，然后调节池的出水流入人工湿地系统，经湿地系统处理后(水力停留时间设为7天)，NH4+-N, TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分别达到了 93 %、90 %、91 %、94%、90 %和 89 % 以上，在冬季 NH:_N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5 的去除率也分别达到了 91%、88%、90%、91%、90%和88%以上，效果稳定而良好。经处理后的废水可达标排放或回用。各项检测指标均参照国标法测定。
实施例8
人工湿地系统主要由池体、基质、湿地植物、布水区、集水区和管道组成。人工湿地内部的填料由下至上依次为厚度为40cm、直径约为60 70mm的卵石层，由粒径为20 30mm的碎石、陶粒和粒径为30 40mm的生物炭材料构成的厚度为85cm的中间层，以及由粒径为5 IOmm的粗砂和粒径为30 40mm的生物炭材料构成的厚度为15cm的表层。
选用Salix purpurea CL. 9882-41 (Wolcott),引自于美国 Double A Wi I low 公司, 将湿地植物培育系统中采集到的一年生幼苗直接移栽到湿地床上种植，种植密度为5株/ m2。待植株稳定后，引入生活污水。污水依次流经常规污水预处理系统中的格栅井和调节池、沉淀池进行预处理，然后调节池的出水流入人工湿地系统，经湿地系统处理后(水力停留时间设为5天)，NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分别达到了 92%、95%、90%、 90%、90%和91%以上，在冬季NH:-N，TN, TP, SS, CODcr，BOD5的去除率也分别达到了 90%, 93%、90%、88%、88%和90%以上，效果稳定而良好。经处理后的废水可达标排放或回用。 各项检测指标均参照国标法测定。
实施例9
将上述八个实施例中湿地基质中的生物炭材料移去，在进出水、其它填料、湿地类型、植物、水力停留时间等条件完全不变的条件下，湿地系统对NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分别仅为65% 77%，60% 75%，62% 78%，65% 75%，66% 80%， 65 % 78 %，在冬季的NH4+-N，TN，TP，SS，C0D&，BOD5的去除率分别仅为63 % 75 %，57 % 71%, 59% 71%,60% 70%,60% 77%,60% 72%。
通过将实施例1-8和实施例9对比可见，本发明将生物炭材料作为填料应用到湿地系统中后，由于生物炭与湿地植物的相互作用，对生活污水中NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5等污染物的去除率均远远高于对照例，达到了很好的净化生活污水的目的。
最后，还需注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明8不局限于以上实施例，本发明的实施例不构成对本发明进一步应用的限制。
权利要求
1.一种稳定高效的人工湿地污水处理系统，包括常规污水预处理系统和人工湿地，湿地类型为潜流型人工湿地，常规污水预处理系统包括格栅井、调节池和沉淀池，人工湿地包括布水装置、集水装置、池体、装填在池体内的湿地基质和种植于基质上的植物，污水预处理系统和人工湿地由管道连通，其特征在于湿地基质中含有生物炭材料，种植于基质上的植物为木本植物,生物炭材料以柳树生物质为原料制成。
2.如权利要求I所述的稳定高效的人工湿地污水处理系统，其特征在于木本植物为灌木型柳树无性系。
3.如权利要求2所述的稳定高效的人工湿地污水处理系统，其特征在于灌木型柳树无性系的种植密度为I 5株/m2。
4.如权利要求I所述的稳定高效的人工湿地污水处理系统，其特征在于生物炭材料为生物炭颗粒。
5.如权利要求4所述的稳定高效的人工湿地污水处理系统，其特征在于生物炭颗粒的粒径为5 40mm。
6.如权利要求I所述的稳定高效的人工湿地污水处理系统，其特征在于湿地基质包括按级配关系装填的卵石、砾石、碎石、陶粒、粗砂和生物炭材料。
7.如权利要求I或6所述的稳定高效的人工湿地污水处理系统，其特征在于湿地基质分为三层结构，自下而上依次为底层、中间层和表层，底层包括卵石，中间层主要由砾石、 碎石或陶粒中的一种或一种以上与生物炭材料混合组成，表层包括粗砂和生物炭材料。
8.如权利要求7所述的稳定高效的人工湿地污水处理系统，其特征在于卵石层厚度为20 40cm,中间层厚度为60 100cm,表层厚度为10 30cm。
9.一种稳定高效的人工湿地污水处理方法，其步骤主要包括(1)污水首先进入格栅井，去除较大的悬浮物和杂物，格栅井的出水进入调节池，对水质、水量进行调节，调节池的出水经沉淀池沉淀悬浮颗粒物和砂粒；(2)沉淀池的出水进入人工湿地系统，污水在湿地植物、包含生物炭材料的基质以及微生物的协同作用下通过物理、化学和生物作用得以净化；(3)经过净化后的水达标排放或回收利用。
10.如权利要求9所述的稳定高效的人工湿地污水处理方法，其特征在于步骤(2)中的生物炭材料为柳树生物质原料在250-800°C和缺氧条件下炭化1-6小时后粉碎成颗粒，粒径为5 40mm n
全文摘要
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种稳定高效的人工湿地污水处理系统及方法。本发明提供一种稳定高效的人工湿地污水处理系统，该系统不仅具有现有人工湿地污水处理系统投资低、操作简便、维护运行费用省、耗能低，改善生态环境等特点，同时由于湿地植物与生物炭相互作用，强化了对污水中有机污染物物和重金属等污染物的去除效率、无二次污染，并且不受季节限制。还同时提供一种稳定高效的人工湿地污水处理系统来处理污水的方法。
文档编号C02F3/32GK102531179SQ201110366460
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者户利霞, 石翠玉, 赵杉, 闫增双, 马可 申请人:北京东溪柳环保工程有限公司