本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种基于植物优化配置的强化脱氮除磷人工湿地系统。
背景技术
人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。
人工湿地处理与传统废水处理工艺相比有以下优点：需要的构筑物和设备较少，不需人工曝气供氧，基建投资和运行费用较低，一般只需常规处理的1/2—1/5左右；湿地处理系统不设二沉池，处理系统的产泥量较少等等。在废水人工湿地处理系统中，氮的去除主要有两个方式：一是有机氮经生化分解转化为氨氮，氨氮在好氧区被硝化菌氧化成为硝酸盐和亚硝酸盐，硝酸盐和亚硝酸盐在缺氧区又被反硝化菌还原成氮气而最终脱除；二是通过植物吸收得到去除。而对磷的去除主要是通过吸附、络合、化学沉淀、植物吸收和物理沉淀得到去除。目前，我国自然水体中氮污染日趋严重，因此人工湿地在脱氮除磷方面的应用也逐步受到重视，但是存在的问题是，人工湿地仅靠植物的吸收作用，对氮、磷的去除有限，并且，吸收去除速度较慢。还有，人工湿地目前在北方寒冷地区应用受限，主要是因为多数湿地植物均不耐寒，植物冬季保温措施对人工湿地的运行维护提出了很高要求。
技术实现要素：
本发明提供一种基于植物优化配置的强化脱氮除磷人工湿地系统，针对传统人工湿地氮、磷去除速度慢、效率低的缺点，基于植物筛选优化配置，具有处理效果好、制备简单、运行费用低等优点，特别是，全部筛选耐寒植物，使系统在北方寒冷地区应用时也可平稳过冬，无需额外保护。
本发明中所述人工湿地，由四个区组成，分别是预处理区、强化除氮区、强化除磷区和稳定出水水质区，具体的技术方案如下：
(一)预处理区，为水平流潜流式人工湿地，设计水力停留时间为9d，水力负荷为3—5cm/d，布水深度为30cm，有机负荷为20—50kgbod/(hm2·d)，进水流速为0.8—5m/s，出水流速为0.8—1.2m/s。
进一步地，所述预处理区的主要作用是平衡去除n、p、k等污染物和抵抗水力冲击，调整流速，因此主要选用能去除各种污染物的挺水型草本植物，深根丛生型和深根散生型结合，由以下5个单元组成：
(1)进水布水系统单元；
(2)植物水葱单元，本单元水力停留时间为2d，选用植物为水葱，匍匐根状茎粗壮，具许多须根，根系发达，生长量大，营养生长与生殖生长并存，对n、p、k的吸收都比较丰富，秆高大，为深根散生型挺水植物，选择种植在迎水的第一区，有效对抗水流冲击负荷，降低流速，平衡去除各种污染物，并且最佳生长温度15-30℃，10℃以下停止生长，能耐低温，北方大部分地区可露地越冬；
(3)植物香蒲单元，本单元水力停留时间为3d，选用植物为香蒲，为深根散生型挺水植物，可同时去除n、p、k，地上茎向上渐细，水量较少时可提高水速，水量较高时降低水速，有效调节水速，并且生长适温为15-30℃，当气温下降到10℃以下时，生长基本停止，越冬期间能耐零下9℃低温；
(4)植物皇竹草单元，本单元水力停留时间为4d，选用植物为皇竹草，为深根丛生型挺水植物，具有较强的抗逆性，可耐低温及微霜，并且为丛生型植物，稳定水流流速；
(5)a5单元：集水出水系统。
进一步地，本区调节水流速度的目的是经试验证明，当湿地的流速在1.0—1.2m/s，并且具有稳定流速时，去除污染物的效果可提升约10—30％。
(二)强化除氮区，为水平流潜流式人工湿地，设计水力停留时间为7—8d，水力负荷为4—6cm/d，布水深度为30—60cm，氮负荷为0.8—2.0kgn/(hm2·d)。
进一步地，由6个单元串联而成，间隔放置泌氧速率有明显差异的植物，形成串联的两级ao形式，主要去除废水中超标的氮类污染物质。
进一步地，所述强化除氮区由以下6个单元组成：
(1)进水配水系统；
(2)本单元水力停留时间为2d，选用植物为灯心草，多年生草本水生植物，具有完全泌氧屏障的耐涝性植物，植物的泌氧作用能在此区形成一个好氧区趋于缺氧区，氨氮在好氧区被好氧除氮微生物氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，亚硝酸盐和硝酸盐在缺氧区被兼氧微生物转化成氮气；特别的是，相比李氏禾、水生黍、风车草和茳芏等同样具有完全屏障根基部的植物，灯心草是唯一一个能在北方寒冷条件下生存的完全泌氧屏障植物；
(3)本单元水力停留时间为2d，选用植物为菖蒲，深根散生型挺水植物，是沁氧速率较高的植物，其根部具有发达的通气组织，能将光合作用产生的或叶片吸收的氧气通过气道输送至根区，能将光合作用产生的或叶片吸收的氧气通过气道输送至根区，有氧区域会改变根区土壤及水体中重金属的氧化还原状态及溶解性，促进湿地植物对重金属的吸收，同时向水中释放氧气，此区由缺氧区逐渐趋向好氧区，前区未经处理的亚硝酸盐和硝酸盐在缺氧区被兼氧微生物转化成氮气，前区未经处理的氨氮在好氧区被好氧除氮微生物氧化成亚硝酸盐和硝酸盐；另外，其最适宜生长的温度20-25℃，10℃以下停止生长，冬季以地下茎潜入泥中越冬，耐寒。
(4)本单元水力停留时间为2d，选用植物为灯心草，多年生草本水生植物，具有完全泌氧屏障的耐涝性植物，植物的泌氧作用能在此区形成一个好氧区趋于缺氧区，氨氮在好氧区被好氧除氮微生物氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，亚硝酸盐和硝酸盐在缺氧区被兼氧微生物转化成氮气；
(5)本单元水力停留时间为1—2d，选用植物为菖蒲，深根散生型挺水植物，此区由缺氧区逐渐趋向好氧区，前区未经处理的亚硝酸盐和硝酸盐在缺氧区被兼氧微生物转化成氮气，前区未经处理的有机物在好氧区被氧化去除。
(6)出水集水系统。
(三)强化除磷区，为表流式人工湿地，设计水力负荷为200—260m3/(hm2·d)，有机负荷为50—70kgbod/(hm2·d)，主要去除废水中超标的磷污染物质，选用根茎、球茎及种子植物，此类植物的生长需要大量的p、k元素，可大幅度提高系统对磷的去除效果。
进一步地，所述强化除磷区，选用植物为泽泻，多年生水生或沼生草本，块茎直径1-3.5厘米，或更大，产黑龙江、吉林等省区，耐寒。相比于，其他根茎、球茎及种子植物，例如睡莲、荷花、马蹄莲、慈姑、荸荠、芋、菱角和芡实等，泽泻的特点是耐寒，并且花期长。
(四)稳定出水水质区，为垂直流潜流式人工湿地，设计水力停留时间为6d，水力负荷为15—20cm/d，布水深度为60—100cm，有机负荷为60—100kgbod/(hm2·d)，在纵向流的过程中，污水依次经过植物区和不同介质的截留区，废水中的低浓度污染物被吸附和过滤，进一步提高出水水质。
进一步地，所述稳定出水水质区从上至下，由以下6个层组成：
(1)植物层，选择深根丛生型挺水植物，并且耐寒，例如皇竹草、薏米，此类植物的根系入土深度较大，因此适用于垂直流潜流式人工湿地，并且具有良好的吸附处理性能；
(2)进水配水系统；
(3)粗砂层，占10％的最大粒度为50mm，高度30cm，主要作为中颗粒滤料，起到过滤作用；
(4)细砂层，占10％的最大粒度为30mm，高度20cm，主要作为细颗粒滤料，起到过滤作用；
(5)卵石层，占10％的最大粒度为75—80mm，高度20cm，主要作为粗颗粒滤料及支撑填料，起到过滤及支撑作用；
(6)集水出水系统。
本发明的有益效果为：
(1)处理效果好：本发明的人工湿地系统由四个区组成，每个区均有重点的去除对象，预处理区平衡去除各种污染物并且调节水流速度，强化除氮区利用两级ao作用强化去除氮类污染物，强化除磷区利用植物特性强化去除磷类污染物，稳定出水水质区利用吸附和过滤作用进一步稳定和提高出水水质，具有良好的去除效果；
(2)方法简单、基建和运行费用低：筛选不同种类不同属性的植物，利用植物的本身特性营造出不同的湿地环境，无需额外配置水泵和曝气设备，方法简单，基建和运行费用低。
(3)可以适用于北方寒冷环境，本发明中全部植物均筛选耐寒植物，使系统在北方寒冷地区应用时也可平稳过冬，无需额外保护，大大降低了人工湿地的维护保养费用，增加了人工湿地的推广应用范围。
附图说明
图1为人工湿地分区平面结构示意图；
图2为人工湿地分单元平面结构示意图。
其中，1、预处理区，2、强化除氮区，3、强化除磷区，4、稳定出水水质区，1-1、预处理区第一单元，1-2、预处理区第二单元，1-3、预处理区第三单元，1-4、预处理区第四单元，1-5、预处理区第五单元，2-1、强化除氮区第一单元，2-2、强化除氮区第二单元，2-3、强化除氮区第三单元，2-4、强化除氮区第四单元，2-5、强化除氮区第五单元，2-6、强化除氮区第六单元。
具体实施方式
一种基于植物优化配置的强化脱氮除磷人工湿地系统，由四个区成，分别是预处理区1、强化除氮区2、强化除磷区3、和稳定出水水质区4；
废水从预处理区1流经强化除氮区2、强化除磷区3至稳定出水介质区4。
所述预处理区1为水平流潜流式人工湿地，由五个单元组成，分别为预处理区第一单元1-1、预处理区第二单元1-2、预处理区第三单元1-3、预处理区第四单元1-4和预处理区第五单元1-5；
设计水力停留时间为9d，其中预处理区第二单元1-2的植物为水葱，水力停留时间为2d；预处理区第三单元1-3的植物为香蒲，水力停留时间为3d；预处理区第四单元1-4的植物为皇竹草，水力停留时间为4d；水力负荷为3—5cm/d，布水深度为30cm，有机负荷为20—50kgbod/(hm2·d)，进水流速为0.8—5m/s，出水流速为0.8—1.2m/s。
所述强化除氮区2，为水平流潜流式人工湿地，由六个单元串联而成，间隔放置泌氧速率有明显差异的植物，形成串联的两级ao形式分别为强化除氮区第一单元2-1、强化除氮区第二单元2-2、强化除氮区第三单元2-3、强化除氮区第四单元2-4、强化除氮区第五单元2-5和强化除氮区第六单元2-6；
设计水力停留时间为7—8d，其中强化除氮区第二单元2-2的植物为灯心草，水力停留时间为2d；强化除氮区第三单元2-3的植物为菖蒲，水力停留时间为2d；强化除氮区第四单元2-4的植物为灯心草，水力停留时间为2d；强化除氮区第五单元2-5的植物为菖蒲，水力停留时间为1-2d；水力负荷为4—6cm/d，布水深度为30—60cm，氮负荷为0.8—2.0kgn/(hm2·d)。
所述强化除磷区3，为表流式人工湿地，设计水力负荷为200—260m3/(hm2·d)，有机负荷为50—70kgbod/(hm2·d)，选用植物为泽泻。
所述稳定出水水质区4，为垂直流潜流式人工湿地，从上至下，由以下六个层分别为深根丛生型挺水植物、进水配水系统、粗砂层、细砂层、卵石层和集水出水系统；
所述粗砂层，占10％的最大粒度为50mm，高度30cm；
所述细砂层，占10％的最大粒度为30mm，高度20cm；
所述卵石层，占10％的最大粒度为75—80mm，高度20cm；
设计水力停留时间为6d，水力负荷为15—20cm/d，布水深度为60—100cm，有机负荷为60—100kgbod/(hm2·d)。
深根丛生型挺水植物4-1为皇竹草、薏米。