适于潜流人工湿地的强化脱氮方法及强化脱氮湿地系统与流程

本发明涉及一种适于潜流人工湿地的强化脱氮方法，还涉及一种采用该方法的强化脱氮潜流人工湿地系统，属水处理和环境保护技术领域。

背景技术：

湖泊是与人类生存和社会发展密切相关的一种重要和独特的自然资源。但由于城市进程加快，人类活动干扰，生活污水处理厂尾水不经深度处理直接排入湖体，使n、p等营养物质大量进入湖泊，造成富营养化。目前普遍认为由于氮磷释放导致的水体富营养化直接促使水华的形成，资料显示，总氮和总磷分别超过0.5mg/l和0.02mg/l，就可能爆发水华。

人工湿地可去除水体中的氮，而且具有能源消耗低、接近自然等优点，因此人工湿地可较好地用于防治水体富营养化。传统人工湿地工艺对除氮有许多限制因素，如do、ph、水温、微生物、基质、植物等，因此国内外许多学者对强化型人工湿地进行了研究，如复合流人工湿地、间歇曝气型人工湿地及潮汐流人工湿地等。在强化型人工湿地中，由于人工强化，可以显著提高人工湿地中do浓度，有利于nh4⁺-n的去除。然而生活污水处理厂尾水中大量的no3^--n也是造成水华现象的氮源之一，且需要在厌氧条件下才能得以去除，因此目前普遍存在的人工强化型湿地大部分不能完全满足对总氮的良好去除，仍会有大量的no3^--n排出。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种适于潜流人工湿地的强化脱氮方法，还提供了一种采用该方法的强化脱氮潜流人工湿地系统，以在相对较低成本下，提高人工湿地对总氮的去除率。

本发明所采用的技术方案：一种适于潜流人工湿地的强化脱氮方法，其包括下列步骤：

满池进水，在前一操作周期的基础上，将待处理污水送入潜流人工湿地至满池；

满池反应，不进水也不排水，即静置反应；

半池排水，使池内水位下降至半池；

半池反应，不进水也不排水，即静置反应，

所述满池进水时间和满池反应时间之和与所述半池排水时间和半池反应时间之和基本相等。

所述满池进水的方式优选为间歇式进水，所述半池排水的方式优选为瞬间排水。

所述满池进水的布水方式优选为通过布水管以水滴形式布水。

所述满池进水的时间与所述满池反应的时间可以基本相同。

作为一个优选的实施例，所述满池进水的时间为3小时，所述满池反应的时间为3小时，所述瞬间排水和半池反应的时间合计为6小时，由此，半池反应的时间接近于6小时。

一种强化脱氮潜流人工湿地系统，采用上述任意一种方法运行，包括一个或多个潜流人工湿地单元，所述潜流人工湿地单元的池体内自上至下依次设有种植基质层和填料层，所述填料层的上面设有布水管，根据实际情况，所述布水管可以设置在所述填料层的顶部、种植基质层的下部或者填料层和种植基质层之间，所述布水管上设有布水孔，所述布水管连接布水总管，通过布水总管接入待处理污水，所述填料层的下面设有集水管，根据实际情况，所述集水管可以位于所述填料层的底部或所述填料层的下方，所述集水管上设有集水孔，所述集水管的出水端延伸在池体外，并连接有半池排水管，所述半池排水管设有半池排水阀，所述半池排水管的出水高程对应于池内的半池水位高度。

所述种植基质上通常可以种植有植物，可以根据净化需要依据植物特点或现有技术选择所种植植物的种类和种植密度。

所述池体的池底和填料层之间可以设有细沙保护层。

所述池底可以设有防渗层，所述池体的池壁上也可以设有防渗层。

所述集水管的出水端还可以连接有满池排水管，所述满池排水管的出水高程对应于池内的满池水位高度。

所述集水管的出水端还可以连接有泄空排水管，所述泄空排水管的出水高程对应于池内的零高度水位，所述泄空排水管设有泄空阀。

所述半池排水管、满池排水管、泄空排水管以及半池排水阀和泄空阀(如果设有的话)均设置了出水阀门井内，各排水管的出口延伸至集水渠内，将水排入集水渠。

可以采用设置系统统一的集水渠，将各湿地单元的排水排入该统一的集水渠。

所述布水总管可以连接进水阀的出口，所述进水阀的进口连接布水渠，由此通过进水阀的控制，接入布水渠的水。

可以采用设置系统统一的布水渠，由系统统一的布水渠向各湿地单元供水。

所述进水阀可以安装在进水阀门井内。

依据自动化控制需要，这种系统通常可以设有用于控制阀门工作的plc控制装置，所述plc控制装置设有分别接入所述进水阀和半池排水阀的电控端的控制线缆，用于控制进水阀和半池排水阀的工作状态，实现所需的进水和排水。

所述plc控制装置还可以设有接入所述泄空阀的电控端的控制线缆，以在必要时控制泄空阀将池内的水泄空。由于泄空阀仅在特定情形下开启，为简化控制系统，也可以采用手动阀门。

受plc控制装置控制的阀门，例如半池排水阀、进水阀和泄空阀(如果设有且由plc控制装置控制的话)等，均可以采用电控电动阀门，以便于实现对其的控制。

当设有多个所述潜流人工湿地单元，可以采用同一个plc控制装置对各所述潜流人工湿地单元进行控制。

当所述潜流人工湿地单元的数量为多个时，分为多个批次，同批次的潜流人工湿地单元同步操作，不同批次的潜流人工湿地单元的操作周期等间隔分布，以便于控制并形成相对平稳的水处理流量。

本发明的工作原理和有益效果为：微生物对水中氮的去除依次分为氨化、硝化和反硝化三个步骤，其中氨化反应是氨化细菌在好氧环境中将有机氮转化成nh4⁺-n，硝化反应是硝化细菌在好氧环境中将nh4⁺-n转化成no3^--n，反硝化反应是反硝化细菌在厌氧或缺氧环境中将no3^--n还原成n²脱除，从而完成脱氮，本发明每个操作周期内完成“满池进水-满池反应-半池排水-半池反应”四个阶段，一个周期内营造好氧/缺氧交替的氧环境，在“满池进水+满池反应”阶段为好氧环境阶段，进水中所含以及进水过程中溶入的氧，选择以水体滴落的方式布水有利于促进氧的溶解，使得池内水体处于有氧状态，通过氨化菌和硝化菌在有氧状态下的生化反应，实现氮氨化和硝化，有机氮和nh4⁺-n最终转化成no3^--n/no2^--n，“半池排水-半池反应”阶段为缺氧阶段，经过“满池进水+满池反应”的消耗，水中处于缺氧状态，有利于反硝化菌群的代谢活动，将硝态氮还原为n²，从湿地系统中释放出来。

在半池反应过程中，填料层的上半部位于水面以上，透气性相对较好，新鲜空气进入该区域的填料中，达到了提高填料中氧传输量和氧利用率的目的，好氧微生物的活性得以激发，残留在填料层中的有机污染物被好氧微生物分解氧化，有利于提高相关净化率，而填料层中氧环境的回复，也为下一周期的好氧反应提供了有利条件，而位于下半部的填料处于水中，空气难以渗透和溶解，由此维持了水中的缺氧状态，使厌氧代谢及反硝化反应得以有效进行。而瞬间排水方式以及布水管进水方式，使得池内基本上处于推流状态，填料层上部的好氧状态和下部的缺氧状态得以维持，使得各部分能够更有效地充分发挥相应生化效应，尽管水中存在着一定的扩散传质效应，但远远达不到充分混合的程度，出水中的任何部分基本上都经历了相同的好氧-缺氧反应过程，不存在短路现象，使得反应更为充分，保证了对各种可生化污染的净化效果。

本发明完成了氨化-硝化-反硝化的全过程，不仅降低了氨氮含量，而且还降低了硝态氮的含量，实现了彻底的脱氮，明显提高了脱氮效率，并且除磷效果也很好。根据申请人的现场实验，采用本发明的方法对市政污水处理厂尾水经预处理调节水量和水质后进行强化脱氮处理，潜流人工湿地系统启动及调试三个月后运行稳定，稳定期31天内间检测codcr、nh4⁺-n、tn、tp的平均进水浓度分别为54.98mg/l、5.06mg/l、14.30mg/l、0.61mg/l，平均出水浓度分别为24.36mg/l、0.40mg/l、4.55mg/l、0.23mg/l，平均去除率分别为55.7％、91.9％、68.1％、59.9％，除tn外，其它三项出水指标均达到地表ⅳ类水，进水ph稳定在7.4左右，出水ph稳定在7.7左右，具体进出水情况如图3(a)-图3(d)所示。其中对codcr的检测方法采用重铬酸钾分光光度法，对nh4⁺-n的检测方法采用纳式试剂分光光度法，对tn的检测方法采用盐酸萘乙二胺分光光度法，对tp的检测方法采用钼酸铵分光光度法。

本发明在一个反应池内完成全部反应过程，设备简单，操作方便，特别是工艺控制相对容易，具有较强的抗冲击能力，在好氧反应阶段无需补充曝气补氧，在缺氧反应阶段无需补充碳源，有利于降低建设成本和运行成本，有利于推广实施。

附图说明

图1是涉及潜流人工湿地单元的构造示意图；

图2是若干潜流人工湿地单元的分组示意图；

图3(a)是稳定工作状态下系统进出水中codcr随运行时间的变化及去除率；

图3(b)是稳定工作状态下系统进出水中nh4⁺-n随运行时间的变化及去除率；

图3(c)是稳定工作状态下系统进出水中tn随运行时间的变化及去除率；

图3(d)是稳定工作状态下系统进出水中tp随运行时间的变化及去除率。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明为解决传统间歇垂直潜流人工湿地不能良好地脱除总氮的问题，构建了一种新型“满池进水—满池反应—半池排水—半池反应”的间歇运行垂直潜流人工湿地系统，在一个周期内构建好氧/缺氧交替的氧环境，好氧阶段(满池进水和反应期)有利于氨氮转化成硝氮，缺氧阶段(半池反应期)有利于硝氮的去除，最终实现总氮的强化去除。

采用间歇运行，运行周期为2周期/天，1个周期(12h)内完成“满池进水—满池反应—半池排水—半池反应”四个阶段，淹没(满池进水+反应)时间:半池排空(满池排水+反应)时间＝6h:6h。

系统由48个湿地单元3组成，分成4个批次，依次循环完成间歇操作。每个湿地单元设计三个电动闸阀(进水阀、半池排水阀、泄空阀)控制湿地进出水状态，并利用plc控制系统远程监控电动闸阀的工作状态，实现湿地运行状态的远程监控。

如图1所示，收集的污水处理厂尾水经预处理调节水量和水质后进入布水渠1，通过进水阀门井2中的进水阀14的控制，使水体均匀布到各个潜流湿地单元中进行深度净化，净化后的水排至集水渠5，集水渠中的水分四个出水口排出至景观表流湿地，当整个系统需要修整或者遇到强大暴雨情况时，将泄空口的阀门开启，使布水渠1中的水直接流出，整个系统处于排空状态。

主体处理工艺采用上进水下出水的垂直潜流湿地工艺，主体运行方式采用“间歇满池进水—满池反应—瞬间半池排水—半池反应”的间歇运行。间歇运行操作如下：系统设置48个湿地单元，共分4大区域，每个区域12个单元；湿地每天布水2个周期，每个周期12个小时，淹没排空比为6h:6h；每个周期分四个批次(每个批次12个单元，分别从4大区域中依次运行3个)，每个批次进水时间为3个小时，同一批次12个单元同时进水；每个批次排水时间为进水结束后3个小时，同一批次12个单元同时排水(排水单元同进水单元)，进水闸开启时，出水闸关闭，具体单元分组情况如图2所示。自动控制参数如下表所示：

表潜流湿地间歇运行电动闸阀控制参数

设计处理水量q＝15000m³/d，水力负荷hl＝0.4m³/(m²·d)，湿地单元的尺寸为长×宽×高＝50m×25m×1.4m，水力停留时间hrt≈1.2d。

如图1所示，潜流湿地单元3的池体内部，从上到下依次为植物6、布水管(包括布水总管和布水支管7)、填料层8、集水管9、细沙保护层10，其中填料层8填充沸石、石灰石和火山岩的混合填料，也可以为分别以沸石、石灰石和火山岩为填料的相间分布的多层，为核心净化区。在一个周期里，淹没期(6h)内完成“间歇进水-满池反应”阶段，半池排水阀15和泄空阀16处于关闭状态，进水阀门井2中，采用电动闸门作为进水阀14，布水渠1的水通过进水阀14的控制，依照间歇设计定时开启，将水体均匀布到潜流湿地单元的布水支管7中，布水时间控制在3h以内，布水过程中，水滴从上至下慢慢滴落，滴落过程充分吸氧，提升整个水体的氧浓度；布水完成后，池体处于满水状态，开始进行满池反应阶段(3h)，在满池反应阶段，携氧水体与填料表面的微生物充分接触并发生物理吸附-化学-生物反应，进水大部分氨氮能够通过硝化细菌作用转化成硝氮，大大降低了出水氨氮浓度。半池排空期(6h)内完成“瞬时半池排水-半池反应”阶段：在出水阀门井4中，有三个不同高度的出水管，即满池排水管11、半池排水管12和泄空排水管13，其中满池排水11用于应急情况发生时，作为湿地需要连续运行时的出水管路，半池排水管12为是常规间歇半池排水的出水管路，采用电动闸阀作为半池排水阀15控制其开启，泄空排水管13为湿地需要应急排空时的出水管路，采用电动闸阀作为泄空阀16控制其开启；当淹没阶段完成后，半池排水阀15开启，水体瞬时进入集水管9，集水管收集的水再汇集到半池排水管12排入至集水渠，半池排水阀15待下一个周期开始前关闭；潜流湿地内瞬时剩余半池水体不外排，进入半池反应阶段(6h)，此阶段内由于水体在湿地下部，大气复氧和植物根系输氧能力都不强，因此水体中溶解氧浓度低，处于缺氧状态，有利于厌氧反硝化细菌将硝氮转化成氮气排出湿地，随着一个周期内不同的运行阶段，完成整个脱氮过程。半池水体经半池反应后继续保留不外排，进入下一周期，此种运行方式一方面可以延长部分水体的水力停留时间，另一方面可以保证下一周期的反应阶段处于满池状态，浸末整个填料层，提高填料层的利用率。

为控制湿地单元3的运行，设计在每个单元进水侧建设1个电动控制闸门作为该单元的进水阀，共48个；每个单元出水侧建设1个电动控制闸门作为该单元的半池排水阀，共48个；每个单元出水的底部建设1个电动控制闸门作为泄空阀，共48个。整个过程中电动闸阀的周期性开启/闭合由远程plc系统自动控制，在远程终端实时监控湿地的间歇运行状态。

参见图3(a)-(d)，一个运行实例为：系统启动及调试三个月后运行稳定，稳定期31天内间检测codcr、nh4+-n、tn、tp的平均进水浓度分别为54.98mg/l、5.06mg/l、14.30mg/l、0.61mg/l，平均出水浓度分别为24.36mg/l、0.40mg/l、4.55mg/l、0.23mg/l，平均去除率分别为55.7％、91.9％、68.1％、59.9％，除tn外，其它三项出水指标均达到地表ⅳ类水，进水ph稳定在7.4左右，出水ph稳定在7.7左右。具体进出水情况如图3所示。其中对codcr的检测方法采用重铬酸钾分光光度法，对nh4+-n的检测方法采用纳式试剂分光光度法，对tn的检测方法采用盐酸萘乙二胺分光光度法，对tp的检测方法采用钼酸铵分光光度法。

本发明与传统的间歇运行潜流人工湿地相比，具有以下优点：

1)“间歇满池进水-满池反应-瞬时半池排水-半池反应”的运行方式，能够使床体处于好氧/厌氧交替的环境中，好氧阶段有利于氨氮的去除，为反硝化提供更多的硝氮，缺氧阶段有利于硝氮的良好去除，最终实现对总氮的高效脱除，减少硝氮对河湖的污染，降低河湖蓝藻暴发的概率；

2)目前大部分人工湿地强化脱总氮往往通过几个池体串联的复合型湿地实现的，本发明将氨化、硝化和反硝化等强化措施集成到一个池体中，一个周期内依次完成强化好氧脱氨氮+强化缺氧脱硝氮，这样不仅可以节省湿地占地面积，减缓城市用地紧缺现状，还能在有限用地的基础上强化湿地的处理能力，提升湿地的净化效率，使湿地在水环境治理领域中充分发挥其净水能力；

3)系统设置若干湿地单元，分批次依次间歇运行，使主进水渠能够连续进水、主排水渠连续排水；

4)系统设计三个不同高程的出水管路，保障紧急情况发生时能对湿地有更好的控制，便于维护管理；

5)系统进排水均采用电动闸阀，由plc系统远程控制，减少人为管理工作，便于后期运行管理。

上述实施例仅表达了本发明的某种具体实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此理解为对本发明专利范围的限制，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

所称满池为潜流人工湿地内的水位达到设定的满负荷水位高度，所称半池为潜流人工湿地内的水位高度达到设定的满负荷水位高度的一半，所称达到达到设定的满负荷水位高度。

所称满池、半池为实际操作中可以视为满池或半池的水位，可以恰好处于设计的满池或半池运行水位，也可以为处于实际操作中允许作为满池或半池操作的水位范围，例如，与相应设计水位相差±5％或±10％的范围内，实际操作中允许的范围也可以通过实验获得。

所称等于、相同或基本相同等表述包括恰好相等，也包括实际操作中允许的变化范围或能够取得实质相同的运行效果的范围，例如，与恰好相等相差±5％或±10％的范围内，实际操作中允许的范围也可以通过实验获得。

本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。