一种强化型人工湿地除磷填料床

本发明涉及污水处理技术领域，具体提供了一种强化型人工湿地除磷填料床。

背景技术：

人工湿地是一种生态型污水处理技术，有着高效率、低投入、低维护成本、高景观、因地制宜、工程基建和运转费用低等系列优点，在城市生活污水、工农业生产废水等各类污水处理中均有广泛应用。

磷是水体富营养化问题的重要限值因子，如何经济有效控制水体磷含量，确保水体生态环境健康发展一直是困扰水治理领域的难题之一。人工湿地主要由湿地填料、湿地植物和微生物三部分构成。人工湿地对废水中磷的去除主要是通过湿地填料基质的理化反应、湿地植物根系的吸收以及微生物的积累等几方面共同作用完成的。因此，强化人工湿地的除磷效能是极其重要的，同时也利于人工湿地技术的进一步推广。其中湿地填料的吸附与拦截作用是人工湿地除磷的主要机制，因此构建高效经济的湿地除磷填料床是实现有效提升系统除磷力的关键所在。

目前实际应用中的人工湿地填料多选用砾石、砂、土壤等，这些填料具有低成本的优点，但吸附除磷性能一般，尤其是在系统运行一段时间后，除磷率下更为明显，甚至出水难以达到去污目标。为解决以上问题，很多学者在实验室和小试试验中，筛选出一批高效除磷的湿地填料，如改性沸石、陶粒、活性炭等，而以上材料虽具有高除磷率，但因价格偏高、制备复杂等问题，难以在实际工程中大面积应用。因此选择合理的湿地基质填料结合根系发达的湿地植物和微生物降解作用，合理利用废弃物，达到高效除磷目的，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种强化型人工湿地除磷填料床，具有成本低廉、除磷高效稳定、使用寿命长、管理便捷等优点，可作为人工湿地强化除磷单元，置于湿地系统中端或末端，实现人工湿地污水处理系统的高效经济除磷目标。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种强化型人工湿地除磷填料，其由组合填料和聚磷菌活化液复合而成。进一步地，将聚磷菌活化液和组合填料混合后即得。

进一步地，所述组合填料选自如下填料的任意组合：沸石、麦饭石、碎石、磁铁矿、火山石、白云石、页岩陶粒、牡蛎壳、海蛤壳、煤渣、炉渣、草炭、粗砂、砾石、黏土陶粒、粉煤灰、钢渣。

进一步地，所述组合填料包括火山石、钢渣和牡蛎壳。

进一步地，所述组合填料中，火山石、钢渣和牡蛎壳三者质量比为：1～3:1～3:1～3。进一步地，所述组合填料中，火山石、钢渣和牡蛎壳三者质量比选自：3:2:1、3:1:2、2:1:3、2:3:1、1:2:3和1:3:2。进一步地，所述组合填料中，火山石、钢渣和牡蛎壳三者质量比为2:3:1。进一步地，所述钢渣粒径选自8～12mm的钢渣；所述牡蛎壳经球磨后使用，粒径控制在8～12mm；所述火山石粒径控制在8～12mm。

进一步地，所述聚磷菌活化液的制备过程如下：取红糖、聚磷菌粉混合于去离子水中，培养制得。

进一步地，所述红糖、聚磷菌粉和去离子水的质量比为1:1:75。进一步地，所述培养条件为：25℃下培养48h。

进一步地，所述组合填料和聚磷菌活化液的质量体积比(g/ml)为30:1～30。进一步地，所述组合填料和聚磷菌活化液的质量体积比(g/ml)为30:1、30:2、6:1、3:1、3:2、1:1。具体地，所述组合填料和聚磷菌活化液的质量体积比(g/ml)为3g组合填料+3ml聚磷菌活化液，3g组合填料+0.1ml聚磷菌活化液，3g组合填料+0.2ml聚磷菌活化液，3g组合填料+0.5ml聚磷菌活化液，3g组合填料+1ml聚磷菌活化液，3g组合填料+2ml聚磷菌活化液。

进一步地，所述强化型人工湿地除磷填料中不含聚磷菌活化液。

另一方面，本发明提供一种强化型人工湿地除磷填料床，包括人工湿地池体，

所述人工湿地池体内设置有填料区、湿地植物区、隔流板、集水区、进水管和排水管；

所述填料区填充有本发明所述的强化型人工湿地除磷填料。

进一步地，所述湿地植物区的植物选用高景观抗污强的植物，优选为再力花。

进一步地，所述人工湿地池体可选用砖砌、钢筋混凝土、玻璃钢、碳钢等不同材质制作而成。

进一步地，所述集水区和填料区之间通过隔流板区分；所述隔流板与人工湿地池体底部之间留有排液口；所述集水区底部设置有石灰石区，所述石灰石区厚度略大于排液口高度，优选石灰石区厚度为10cm，所述石灰石的直径在3cm左右；

所述湿地植物区设置在填料区上部；

所述进水管的出口设置在填料区上表面下，进一步优选在上表面下2cm位置；所述排水管设置在石灰石区上部。

进一步地，在所述填料区上表面设置溢流管。所述溢流管设置的目的为：在暴雨时节，雨水可及时从溢流管中流出，保证人工湿地系统的正常运行。

隔流板的设置可保证处理系统内部良好的水力流态，避免短流现象发生。通过石灰石区设置有效阻挡填料区微小颗粒堵塞排水管，进而影响集水区的稳定出水。

本发明另一目的提供一种通过本发明所述强化型人工湿地除磷填料床进行高效除磷的方法，所述方法包括如下步骤：

制备本发明所述的强化型人工湿地除磷填料；

制造并完成本发明所述强化型人工湿地除磷填料床；

关闭出水管，在污水进入强化型人工湿地除磷填料床并待水位上升至填料区表面后停止进水；

经36～72h后，使填料区的填料与废水中磷充分反应；

开启进水管和出水管，使所述强化型人工湿地除磷填料床正常运行。

钢渣属于碱性基料，所含游离钙、镁氧化物与水或湿气反应可转化为氢氧化物，能够与磷酸根中和，有效实现除磷，本身钢渣具有多孔的物理特征，具有优越的吸附效果和很好的还原特性，能够有效去除污水中的污染物，对磷的吸附效率是优质且长效的。

火山石是一种多孔石材，比表面积在120m²/g以上，孔隙率达40％以上的火山石为聚磷菌提供了有力的生长条件，挂膜速度快。火山石中含有钠、镁、铝、硅、钙、钛、锰、铁、镍、钴和钼等几十种矿物质和微量元素，这些物质可作为活性物质与磷酸根进行离子交换和发生化学反应，对污染物有很强的吸附能力，对水质改善具有有益效果。

牡蛎壳具有丰富天然的多级孔状结构，主体部分为棱柱层，孔径分布从1～10μm不等，使其本身就具有持久有效的吸附能力、交换能力和催化分解能力，还能为聚磷菌提供生长的场所，从而进一步提高去磷效率。

聚磷菌能够在无竞争的条件下，从新输入的需处理的污水中获取足够多的短链脂肪，在聚磷菌获取了大量有机食物的情况下，能释放出足够多的磷酸和能量，供其它微生物合成atp(三磷酸腺苷)，从而大大增加了磷的去除率。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明制备的强化型人工湿地除磷填料为火山石、钢渣和牡蛎壳与聚磷菌复合而成；钢渣、牡蛎壳和火山石都具有优越的吸附能力，三者协同作用能有效去除污水中的污染物，磷的吸附去除具有长效效果，而且本身为聚磷菌提供优越的生长场所；通过本发明实施例可知复合了聚磷菌的填料，展现了更高除磷率。

(2)本发明强化型人工湿地除磷填料床中的填料不易堵塞，能够以废制废，可限制降低污水运行的处理成本，实现社会效益、经济效益和环境效益的统一。

(3)本发明制备的强化型人工湿地除磷填料为火山石、钢渣和牡蛎壳与聚磷菌复合而成；其中钢渣为工业副产品，牡蛎壳为养殖副产品，即原料本身为废弃物，因此原料低廉易得；将工业/养殖废弃物合理地应用于污水处理领域，有效实现“以废治废”目标，符合当前绿色资源化利用的要求。

(4)本发明的强化型人工湿地除磷填料床，可作为人工湿地强化除磷单元，置于湿地系统中端或末端，实现人工湿地污水处理系统的高效经济除磷目标，具有除磷高效稳定的优点，中试试验过程中，连续运行3个月，除磷率高达93.45-97.5％，且不易受温度影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明的实施例的填料床示意图。

图中，填料区1、进水管2、湿地植物区3、隔流板4、人工湿地池体5、排水管6和石灰石区7。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种强化型人工湿地除磷填料床，包括人工湿地池体，

所述人工湿地池体内设置有填料区1、湿地植物区3、隔流板4、集水区、进水管2和排水管6；

所述填料区1填充有本发明所述的强化型人工湿地除磷填料；

所述湿地植物区的植物选用根系发达、高景观抗污强的植物，优选为再力花；

所述人工湿地池体可选用砖砌、钢筋混凝土、玻璃钢、碳钢等不同材质制作而成；

如图1所示，所述集水区和填料区之间通过隔流板区分；所述隔流板与人工湿地池体底部之间留有排液口；所述集水区底部设置有石灰石区，所述石灰石区厚度略大于排液口高度，优选石灰石区厚度为10cm，所述石灰石的直径在3cm左右；

所述湿地植物区设置在填料区上部；

所述进水管的出口设置在填料区上表面下，进一步优选在上表面下2cm位置；所述排水管设置在石灰石区上部；

在所述填料区上表面设置溢流管。所述溢流管设置的目的为：在暴雨时节，雨水可及时从溢流管中流出，保证人工湿地系统的正常运行。

隔流板的设置可保证处理系统内部良好的水力流态，避免短流现象发生。通过石灰石区设置有效阻挡填料区微小颗粒堵塞排水管，进而影响集水区的稳定出水。

实施例1不同配比下组合填料除磷比较实验

选择除磷性能较好的3种填料：钢渣、火山石、牡蛎壳，按照不同质量比例进行混合，即1:2:3，1:3:2，2:1:3，2:3:1，3:1:2，3:2:1，实验组设置6组，每组均称取组合填料总质量为3g，将填料放入250ml锥形瓶中，加入150ml的10mg/l磷酸二氢钾溶液及2滴氯仿溶液，在条件为25℃，150r/min的恒温振荡器中振荡48h后，测定上清液tp浓度，实验结果如表1所示。

表1除磷率比较

表1中组1、组2、组3、组4、组5、组6表示钢渣、火山石、牡蛎壳的质量比例依次为1:2:3、1:3:2、2:1:3、2:3:1、3:1:2、3:2:1。

结论：从表1中六组的试验结果可以看出，运用本发明的填料具有较好的除磷效果，其中以组6的效果最佳。

实施例2：组合填料与单一填料除磷比较实验

称取组合填料(钢渣、牡蛎壳、火山石质量比为3:2:1)、单一钢渣填、单一火山石、单一牡蛎壳，各3g，放入250ml锥形瓶中，加入150ml的10mg/l磷酸二氢钾溶液及2滴氯仿溶液，在条件为25℃，150r/min的恒温振荡器中振荡48h后，测定上清液tp浓度，实验结果如表2所示。

表2除磷率比较

从表2的结果比对可知，在初始浓度为10mg/l磷溶液的条件下，组合填料的除磷效果明显强于单一填料的效果。

实施例3：组合填料载菌除磷比较实验

将2g聚磷菌菌粉和2g红糖均匀溶于150ml去离子水中，在25℃条件下培养48h制成聚磷菌活化液，称取105℃条件下干燥2h的组合填料3g(即火山石1g、钢渣1.5g、牡蛎壳0.5g),将3g组合填料依次与0、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0ml聚磷菌活化液进行复合，形成6组不同配比的复合填料，在150ml的20mg/l的kh2po4溶液中加入不同配比复合填料，在温度为25℃，转速为150r/min的条件下，振荡48.0h后取样,测定上清液tp含量。

表3除磷率比较

表3中组1为3g组合填料(无聚磷菌活化液)，组2为3g组合填料+0.1mg/l聚磷菌活化液,组3为3g组合填料+0.2mg/l聚磷菌活化液，组4为3g组合填料+0.5mg/l聚磷菌活化液，组5为3g组合填料+1.0mg/l聚磷菌活化液,组6为3g组合填料+2.0mg/l聚磷菌活化液。

从表3的除磷率结果可知，在初始浓度为20mg/l磷溶液的条件下，增加聚磷菌后，除磷效果显著优于组合填料。

实施例4：温度对复合填料除磷影响实验

称取105℃条件下干燥2h的组合填料3g(即火山石1g、钢渣1.5g、牡蛎壳0.5g)，量取聚磷菌活化液2ml，将3g组合填料、2ml聚磷菌活化液混合于250ml锥形瓶中，加入150ml的20mg/l的kh2po4溶液,复合填料在15℃、20℃、25℃、30℃四种不同温度条件下，转速为150r/min，振荡48.0h后取样，测定上清液tp含量。

表4除磷率比较

结合实施例1～4的数据可知，采用本实施例的组合除磷效果好，且不同的温度对于除磷影响几乎没有，说明本实施例的填料在除磷方面不受温度影响。

实施例5：初始浓度对复合填料除磷影响实验

称取105℃条件下干燥2h的组合填料3g(即火山石1g、钢渣1.5g、牡蛎壳0.5g)，量取聚磷菌活化液2ml，将3g组合填料、2ml聚磷菌活化液混合于250ml锥形瓶中，加入150mlkh2po4溶液,复合填料在kh2po4溶液初始浓度为20、50、100mg/l三种不同条件下，转速为150r/min，振荡48.0h后取样，测定上清液tp含量。

表5除磷率比较

从实施例5的结果看，本发明的复合填料对不同浓度的磷具有较高的去除效果，可在废水处理流程中可置于湿地系统中端或末端，实现人工湿地污水处理系统的高效经济除磷目标。

实施例6：ph值对复合填料除磷影响实验

称取105℃条件下干燥2h的组合填料3g(即火山石1g、钢渣1.5g、牡蛎壳0.5g)，量取聚磷菌活化液2ml，将3g组合填料、2ml聚磷菌活化液混合于250ml锥形瓶中，加入150ml的20mg/l的kh2po4溶液,调整溶液ph值,使复合填料在ph值为2、4、6、7、8、10、12不同条件下，转速为150r/min，振荡48.0h后取样，测定上清液tp含量。

表6除磷率比较

表6中组1、组2、组3、组4、组5、组6、组7表示不同ph值反应条件，即ph值依次为2、4、6、7、8、10、12。

从表6的结果看，不同的ph对本发明复合填料除磷效果影响不大，进一步证明本发明的复合填料的应用范围广。

实施例7：室外中试检测实验

采用钢化玻璃构建水平潜流湿地装置，长宽高依次设置为40、30、70公分。装置内填充60公分厚度的复合填料，选取生长情况良好且长势相近的三株再力花，均匀种植于人工湿地装置内。实验水源来自于中南林业科技大学环境实验园内化粪池污水，水质情况如下：codcr为196.12-403.11mg/l，tn为10.31-20.75mg/l，nh3-n为7.09-14.62mg/l，tp为1.66-4.32mg/l。日处理量为100l，表面水力负荷为0.83m/d。装置连续运行130d，每周取样一次，测定主要污染物进出水浓度。

表7去污率比较

从实施例7的结果看，本发明提供的除磷填料床能够高效除磷和氮，具有很强的应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。