一种多元梯级人工湿地污水处理系统搭建方法

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种多元梯级人工湿地污水处理系统，所述系统适用于地表水体、生活污水、养殖废水和农业污水的处理。

背景技术：

1、近年来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，工业废水、面源污水和生活污水的排放量日益增加，直接排入或未经完全处理排入城市内水体，进一步导致水污染形势逐渐加剧。由于过度开发和利用湿地同时污染了水资源，江河水体达标率较低，湖泊水体富营养化严重等问题。近年来全球地表水丧失使用功能（劣于地表水ⅴ类标准）水体比例为逐年增长。城市地表水与城市内河污染的问题所处的形势较为严峻，因此，进一步发展城市河流污染有效处理已迫在眉睫。人工湿地是一种常见的生态处理技术，与天然湿地相比，其生态系统具有更高的生产力和更好的污染物去除率。通过湿地中填料、植物和微生物对污染物的吸附、同化、利用，可以达到对水中污染物的去除的目的。其特点主要有：建造运行成本低、运行简单、对污染物的去除能力强、抗冲击负荷能力强，并且具有景观价值等优点，在污水处理领域受到了越来越多的关注。同时，关于人工湿地的各类的强化手段也成为了目前该领域内的研究热点之一。

2、依据潜流人工湿地系统中水流流动方式的不同可以再细分为水平潜流和垂直潜流人工湿地。其中垂直流人工湿地是自20世纪90年代中期开始广泛应用的一种人工湿地类型，近年来也逐渐广泛应用于多种废水的处理。随着研究推广，又衍生出了多种不同的运行方式，例如间歇表面布水垂直流湿地、循环垂直流湿地、连续下流式淹没垂直流湿地以及瞬间排水的潮汐流人工湿地，但一般来说，垂直流湿地其水流在床体中的流动方向是沿垂直方向流动的，而且随着进水负荷、进水频率（间歇式布水）循环比（回流式）以及排空时间比（潮汐式）等运行参数的不同，其运行效果也有所不同。

3、现有潜流人工湿地面临多重问题。如潜流人工湿地往往由于其复氧效果优于水平潜流人工湿地，所以湿地内易发生硝化进程，其虽然对高氨氮废水的处理效果优势更加明显，但其建设费用相对较高，而且容易发生堵塞。同时，氮是植物生长发育的必需营养素之一，小分子含氮物质可被人工湿地中的植物吸收，合成为植物自身物质，最后定期移除多余的植物组织，达到将部分无机氮从系统中彻底去除的目的；但潜流湿地中湿地植物的固氮能力较弱，大部分氮素仍然以植物废弃物的形式重新又回到水体；且当前潜流人工湿往往要面对极端条件污水，极端条件污水意味富营养化水体更加严重，严重影响湿地植物的存活，甚至导致植物消失，同时，水体中过量的氨会损害植物生理结构，导致植物营养摄取量减少，从而导致叶片萎黄，抑制生长，降低其根部吸收，如专利申请2019104871930，该系统便无法面对极端条件的污水。此外，人工湿地内的溶解氧浓度高低对湿地有机污染物和氨氮的去除同样具有很大的影响，如何提高人工湿地的溶解氧浓度同样关系到人工湿地的污水处理效率。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中人工湿地建设费用高，潜流湿地面临的氨氮去除能力有限、植物受损、易堵塞等缺陷，从而提供一种多元梯级人工湿地污水处理系统搭建方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种多元梯级人工湿地污水处理系统搭建方法，包括：预曝气池单元构建、周丛生物单元构建和潜流湿地单元构建；

4、第一步：预曝气池单元构建，包括曝气井和设置在曝气井底部的曝气盘；采用直径为600mm的混凝土井作为曝气井，在曝气井底部设置曝气盘，曝气盘直径为220-300mm，曝气盘内部水平格栅状设置若干第一曝气管，第一曝气管上均匀设置有纳米级微孔曝气头，第一曝气管的管径为8mm-10mm，第一曝气管的数量和微孔曝气头的数量设置要满足整个曝气盘的曝气量大于2.5 m3/h，工作面积为大于0.3m3；安装时，要保证曝气盘及其内第一曝气管的中线均处于同一水平线上；

5、第二步：周丛生物单元构建，包括：

6、周丛生物培育，选取野生水与营养液共同制备周丛生物，具体配比为100体积的野生水内加入1体积的营养液；在培养室中悬挂柔性填料，添加上述比例的营养液和野生水，在光照3000 -50000lux、温度18-35℃、一天中遮光12小时/光照12小时的环境下培育25天，至填料表面出现一层墨绿色的粘稠状物质，则认为周丛生物已培育完成；

7、其中野生水的水源选取标准为：含有藻类、细菌、真菌、原生动物和后生动物，ph值7.5-8，总氮的标准为1.15-1.25 mg/l，氮氧标准为0.65-0.7 mg /l，氨氮的标准为0.5-0.55mg /l，总磷的标准为0.1-0.12mg /l，溶解性总磷的标准为0.035-0.08 mg /l；

8、营养液的配比是：在1立方米的蒸馏水中添加1l微量元素母液、86.12g 的nano3、37.8g的cacl2•2h2o、38.12g的mgso4•7h2o、12.5g的nahco3、26.7g的nasio3•9h2o、8.66g的k2hpo4、23.87g的h3bo3、47g的维生素b12、110g的硫氨酸、1l的hepes 缓冲液得到营养液；

9、（2）周丛生物接种：采用现浇混凝土沉井作为周丛生物氧化池，在周丛生物氧化池采用悬挂式或斜板式进行聚氨酯海绵的配置，在聚氨酯海绵上接种上述培育完成的周丛生物；同时在周丛生物氧化池内添加金鱼藻、狐尾藻、矮杆苦草；并在周丛生物氧化池底部靠近边侧处设置带阀排泥管，以便外排系统长期运行后衰败的周丛生物残体；

10、第三步：潜流湿地单元构建：采用垂直分层方式构建潜流湿地系统；

11、（1）选择超高分子量聚乙烯桶作为潜流湿地单元容器，潜流湿地单元容器内径为600mm，高度大于1000mm；

12、（2）在所述潜流湿地单元容器底部填装高度为100mm的砾石层，其中砾石的粒径为3mm，潜流湿地单元容器的砾石层处连通有fecl2溶液供给管；

13、（3）砾石层上表面铺设反冲洗层，反冲洗层包括栅栏状反向高压冲洗管，在反向高压冲洗管内设置第二曝气管，通过第二曝气管保证潜流湿地内溶解氧浓度达到0.2mg/l；

14、（4）在反冲洗层上表面铺设200mm高度的第一混合基质，第一混合基质由生物炭和沸石均匀混合组成，其中，生物炭和沸石的粒径均为5mm，同时，在第一混合基质中水平埋设一个阳极条形铁电极板，阳极条形铁电极板距离第一混合基质下表面的距离为100mm；

15、（5）在第一混合基质上表面铺设300mm的第二混合基质，第二混合基质由铁矿物填料和沸石均匀混合组成，铁矿物填料和沸石的粒径均为5mm；

16、（6）在第二混合基质上表面铺设200mm的第三混合基质，第三混合基质由磁吸填料、生物炭和沸石组成均匀混合组成，磁吸填料、生物炭和沸石的粒径均为3mm，第三混合基质中水平埋设一阴极条形电极板，阴极条形电极板距离第三混合基质上表面的距离为50mm；

17、（7）第三混合基质上表面为水层，湿地植物为香蒲、莎草、鸢尾、灯心草、菖蒲或美人蕉；在水层设置循环回流管，循环回流管的入口连接潜流湿地单元容器的水层、循环回流管的出口连接预曝气池单元的曝气井底壁，将潜流湿地单元内的高铁离子溶液回流至预曝气池单元，进而在周丛生物单元中被利用，并适当补充潜流湿地底部铁含量；

18、待处理污水进水管连接曝气井底部的污水入口，并在污水入口处将污水的ph值调节为5.5-6.5；曝气井污水出口设置在曝气井顶部，曝气井污水出水管连接周丛生物氧化池底部的污水入口，周丛生物氧化池出水管连接至潜流湿地单元容器的砾石层；污水处理时保证污水在周丛生物单元停留时间不得低于10小时，然后送入潜流湿地单元；设置控制单元，在污水处理过程中对各单元的ph值进行全程跟踪测量控制。

19、优选化学稳定好，耐酸碱腐蚀，常温吸水性小，具有优良的耐低温性能的热塑性树脂管制作第一曝气管和第二曝气管。

20、所述微量元素母液的配比是：将4 .4g的na2edta•2h2o、3.2 g的fecl3•6h2o、2.5 g的cuso4•5h2o、23 g的znso4•7h2o、11 g的cocl2•6h2o、185 g的mncl2•4h2o、19 g的na3vo4、6.5g的na2moo4•2h2o溶于1l蒸馏水中得到微量元素母液。

21、铁矿物填料为针铁矿、四方纤铁矿或纤铁矿，优选为四方纤铁矿。

22、曝气盘的第一曝气管连接第一空气压缩机；潜流湿地单元容器内的第二曝气管连接第二空气压缩机；循环回流管上设置循环泵。

23、本发明技术方案，具有如下优点：

24、（1）本发明是一种多元梯级人工湿地污水处理系统，包括预曝气池单元、周丛生物单元和潜流湿地单元；待处理污水通过进水管进入曝气井底部，曝气井底部水平布置有曝气盘，曝气盘的第一曝气管连通第一空气压缩机，通过曝气盘对污水进行预曝气处理；曝气井顶部连接有曝气井污水出水管，曝气井污水出水管连接至周丛生物氧化池的底部，完成预曝气的污水在周丛生物氧化池内被周丛生物吸收、转化处理；在周丛生物氧化池顶部连接有周丛生物氧化池出水管，周丛生物氧化池出水管连接至潜流湿地单元容器的底部，潜流湿地单元容器内部从下往上依次铺设有砾石层、反冲洗层、第一混合基质、第二混合基质、第三混合基质，第三混合基质上部设置有水层和湿地植物，污水在潜流湿地单元内进行多级处理。

25、（2）采用纳米曝气技术进行预曝气，提高进入周丛生物单元的污水的氧含量，扩大周丛生物单元好氧生物在浅水区的氧还原带区间，在氧还原带区间好氧微生物利用o2为电子受体，对污染物进行降解，尤其是提高对有机物污染物和氨氮的去除率。同时，设置循环回流管，将含铁水循环回流至预曝气池单元，在周丛生物单元的深水区创建高铁环境，扩大深水区铁还原带，在该还原带区间好氧微生物利用铁离子为电子受体，提高对有机物污染物和氨氮的去除率。将预曝气技术和含铁水循环回流技术协同配合，提高微生物对污染物的降解能力。微生物活动对水体的化学组成和化学物质的迁移等有很大的影响，而水体中存在的 o2、铁阳离子等最终电子受体直接影响着微生物种群的分布和微生物活动。微生物利用这些最终电子受体，通过好氧呼吸、脱氮、铁还原、硫酸盐还原和产甲烷等途径对有机污染物进行降解。

26、（3）在潜流湿地单元前设置周丛生物单元，利用周丛生物对污水中氨氮提前去除，即达到氮素的回收，又避免了极端条件污水被直接送入潜流湿地中，对湿地中植物造成损害。在潜流湿地单元设置第二曝气单元保证潜流湿地内溶解氧浓度0.2mg/l。同时在潜流湿地单元底部设置反冲洗单元，即可以反向高压流水，使得堵塞在内部的固体杂质被冲刷出来。

27、（4）沸石是常见的硅酸盐矿物，以硅原子为中心，四周分布氧原子的硅氧四面体和以铝原子为中心的铝氧八面体。由于铝氧四面体中存在电价未被中和的氧原子，沸石结构带负电。因此，在静电作用下，沸石吸附大量的na+、k+、ca2+等金属离子中和负电荷，由于氨氮对沸石的依附能力更强，能够将金属离子换出去，并且沸石本身是具有良好的催化性能，可以促进吸附质在其表面进行高效的化学反应；同时，沸石颗粒内部具备较发达的孔道和空旷的骨架结构，晶穴体积可以达到自身体积的40%-50%，其比表面积可以达到400-1000m2/g，对微生物具有富集作用。本发明在潜流湿地单元垂直方向设置三层混合基质，利用沸石的结构特性对污水中存在的氨氮进行过滤，进一步防止氨氮对潜流湿地单元顶部的植物损伤。在第二混合基质的中铁矿物中铁氧氢化合物与沸石负载形成新的填料对污水中氨氮的去除率能够达到90%以上，同时在第一混合基质和第三混合基质中分别设置阳极铁电极和阴极电极，配合第一、三混合基质中生物炭，其中生物炭颗粒充当电极材料，在沸石中形成大量微观原电池产生微电场，进一步提高了潜流湿地对氮氧的去除，对氮氧的去除可以达到99.9%以上。