本发明涉及水处理技术领域，特别涉及一种人工湿地组合基质及其除磷方法。
背景技术：
磷是水体富营养化的限制性因子，是污水处理排放和富营养化水体修复过程中需要优先控制的指标。磷在其整个地球化学循环过程中没有稳定的气态化合物，仅仅有少量磷化氢存在，因此磷的循环过程属于沉积型的循环过程。目前除磷的方法虽然很多，但本质上分为三大类，即生物法、物理化学法和生物-物理-化学组合法。
人工湿地作为一种低投入、高效率、易维护的生态工程，在世界各地被广泛用于处理各类污水，也广泛用来治理农村、农业面源污染，蓄积和净化雨水径流等。人工湿地除磷主要通过植物吸收、微生物同化和基质的物理化学吸附三个途径。其中，基质是人工湿地系统除磷的最主要途径。不同基质由于其物理化学性质的差异，对磷的去除效果差异很大，选择高效的除磷基质对人工湿地的除磷能力至关重要。
大量研究表明，与多种基质如无烟煤、沸石、蛭石、陶粒、炉渣、砾石、蛭石、页岩、土壤、砂、火山岩等相比，钢渣的除磷效果最好。但是钢渣呈碱性，导致出水ph超过地表水环境质量标准，直接排放会对生态环境造成损害，从而限制了钢渣在人工湿地中的应用。专利cn103663711a公布了一种高效除磷的人工湿地组合基质、人工湿地系统及除磷方法，在湿地水流方向上先后设置钢渣单元和糠醛渣单元，利用糠醛渣中含有的酸类中和经钢渣处理后的碱性出水。但糠醛渣中不仅含有一定量的氮、磷等营养元素，还含有大量的有机质，且盐分质量含量高，因此，经糠醛渣处理后的出水会存在有机质超标和盐度高的风险。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明目的在于提供一种人工湿地组合基质及其除磷方法，利用本发明提供的人工湿地组合基质进行除磷，除磷后出水的ph值降低。
本发明提供了一种人工湿地组合基质，在水流方向上，依次包括独立的钢渣单元和无烟煤单元；所述钢渣单元和无烟煤单元的体积比为1～5：1，所述钢渣单元中氧化钙的质量含量为19～61％。
优选地，所述钢渣单元中钢渣的粒径为10～40mm。
优选地，所述钢渣单元中的钢渣包括转炉渣、电炉渣和平炉渣中的一种或多种。
优选地，所述无烟煤单元中无烟煤的粒径为2～10mm。
本发明还提供了利用上述组合基质除磷的方法，包括以下步骤：
待处理污水依次经过所述人工湿地组合基质的钢渣单元和无烟煤单元。
优选地，所述待处理污水为达到或优于城镇污水处理厂污染物一级b排放标准的污水。
优选地，所述待处理污水的总水力停留时间为2～72h。
有益技术效果：本发明提供了一种人工湿地组合基质，在水流方向上，依次包括独立的钢渣单元和无烟煤单元；所述钢渣单元和无烟煤单元的体积比为1～5：1，所述钢渣中氧化钙的质量含量为19～61％。待处理污水依次经过所述人工湿地组合基质的钢渣单元和无烟煤单元。本发明提供的人工湿地组合基质中钢渣作为主要除磷基质，将其作为一个独立单元，充分发挥其高效除磷能力；选择除磷效果略逊于钢渣的无烟煤作为辅助除磷基质，在中和钢渣出水碱性的同时进一步除磷，保证出水达标。本发明实施例实验数据表明，利用本发明的人工湿地组合基质除磷后，人工湿地出水磷度达到地表iv类水标准，ph值满足地表水环境质量标准。
具体实施方式
本发明提供了一种人工湿地组合基质，在水流方向上，依次包括独立的钢渣单元和无烟煤单元；所述钢渣单元和无烟煤单元的体积比为1～5：1，所述钢渣中氧化钙的质量含量为19～61％。
在本发明中，所述钢渣单元中钢渣的粒径优选为10～40mm，更优选为15～35mm，最优选为25～30mm。
在本发明中，所述钢渣单元中的钢渣优选包括转炉渣、电炉渣和平炉渣中的一种或多种，更优选为转炉渣。当所述钢渣为两种或两种以上的混合物时，本发明对混合物中各原料的配比没有特殊限定，以任意比例混合即可。
在本发明中，所述转炉渣中炉渣中氧化钙的质量含量优选为46～61％；所述电炉渣中氧化钙的质量含量优选为19～35％。
在本发明中，在运行过程中，所述钢渣中的cao组分水解生成ca(oh)2，ca(oh)2释放ca2+和oh-离子，ca2+与磷酸盐结合，生成磷酸钙盐沉淀，从而达到除磷的目的，而oh-离子也会使出水ph值升高。
在本发明中，所述钢渣中还含有三氧化二铁，二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁和氧化镁中的一种或几种。
在本发明中，所述钢渣单元为垂直流工艺或水平潜流工艺。
在本发明中，所述无烟煤单元中无烟煤的粒径优选为2～10mm，更优选为5～8mm。
在本发明中，所述无烟煤比表面积大，不含有毒有害物质，机械强度高，化学性质稳定，在一般酸性、碱性、中性环境中均不溶解。本发明提供的无烟煤单元具有良好的物理吸附作用，且在对污水处理过程中有氢离子或金属阳离子释放，经钢渣单元处理后的碱性出水再经无烟煤单元处理后，ph值会降低。
在本发明中，所述无烟煤单元为垂直流工艺或水平潜流工艺。
本发明还提供了利用上述组合基质除磷的方法，包括以下步骤：
待处理污水依次经过所述人工湿地组合基质的钢渣单元和无烟煤单元。
在本发明中，所述待处理污水优选为达到或优于城镇污水处理厂污染物一级b排放标准的污水。
在本发明中，所述待处理污水在经过所述人工湿地组合基质前还包括预处理。
在本发明中，所述预处理包括去除待处理污水表面的大颗粒漂浮物。本发明对去除待处理污水表面的大颗粒漂浮物的方法没有特殊限定，选用本领域技术人员熟知的方法即可。
在本发明中，所述待处理污水的总水力停留时间优选为2～72h，更优选为10～60h，最优选为20～40h。总水力停留时间过短，不能满足出水标准，且高水力负荷会增加人工湿地堵塞的风险；总水力停留时间过长会增加出水ph值且增加占地面积和投资。
在本发明中，所述人工湿地组合基质运行前期，所述钢渣单元中含有较多的ca2+和oh-，设置较短的水力停留时间减少了水与钢渣的接触时间，有利于降低钢渣单元的出水ph值，使其经无烟煤单元进一步处理后，出水ph值满足地表水环境质量标准。
在本发明中，所述人工湿地组合基质运行后期，所述钢渣单元中ca2+和oh-下降，钢渣单元的出水ph值会略有下降，除磷效率也会随之下降，可以设置较长的水力停留时间，使整个人工湿地出水磷浓度满足出水标准，且出水ph值满足地表水环境质量标准。
在本发明中，所述运行前期为前30～180天为运行前期，运行后期为其余天数。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
在人工湿地水流方向上，依次独立设置钢渣和无烟煤作为基质的两个独立的钢渣单元和无烟煤单元，钢渣单元和无烟煤单元的体积比为1：1。
钢渣单元选择粒径为20～30mm的转炉渣作为基质。
无烟煤单元选择粒径为2mm的无烟煤作为基质。
钢渣单元和无烟煤单元为垂直流工艺。
待处理水需经过预处理，去除大颗粒的漂浮物后，先进入钢渣单元，经钢渣单元处理后的出水再进入无烟煤单元，运行前30天总水力停留时间设为2～24h，通过调整水力停留时间，使钢渣单元出水ph值不高于10，经检测钢渣单元对磷的去除率大于90％，无烟煤单元出水满足地表水环境质量标准。
运行后期，总水力停留时间设为24～72h，通过调整水力停留时间，使无烟煤单元出水磷浓度达到地表iv类水标准，出水ph值满足地表水环境质量标准，且不会因水力负荷过高，引起人工湿地堵塞。
实施例2
在人工湿地水流方向上，依次设置钢渣和无烟煤作为基质的两个独立的人工钢渣单元和无烟煤单元，钢渣单元和无烟煤单元的体积比为3：1。
钢渣单元选择粒径为10～20mm电炉渣的钢渣作为基质；
无烟煤单元选择粒径为2～4mm的无烟煤作为基质
待处理水为污水处理厂尾水，达到或优于城镇污水处理厂污染物一级b排放标准。
钢渣单元和无烟煤单元为水平潜流工艺。
待处理水需经过预处理，去除大颗粒的漂浮物后，先进入钢渣单元，经钢渣单元处理后的出水再进入无烟煤单元，运行前180天总水力停留时间设为2～12h，通过调整水力停留时间，使钢渣单元出水ph值不高于12，无烟煤单元出水磷浓度达到地表ⅳ类水标准。定时检测出水ph和磷浓度，当钢渣单元出水ph值不高于10，出水磷浓度开始呈上升趋势时，适当延长水力停留时间，使整个人工湿地出水磷浓度达到地表ⅳ类水标准，出水ph值满足地表水环境质量标准，且不会因水力负荷过高，引起人工湿地堵塞。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。