硼镁强化植物泌氧实现硫自养脱氮除磷与硫化氢减量的人工湿地系统及运行方法

本发明属于污水处理，具体涉及硼镁强化植物泌氧实现硫自养脱氮除磷与硫化氢减量的人工湿地系统及运行方法。

背景技术：

1、人类活动所产生的氮磷污染物是导致水体富营养化的重要原因，氮磷的超标排放会引起水体环境恶化，尤其是以黄河三角洲自然保护区为代表的生态环境敏感区域，最大程度削减进入自然水体的氮磷污染物是控制水体富营养化，保障用水及生态安全的重要途径。

2、传统的异养反硝化是水体中氮素去除的关键步骤，已被广泛地应用于污水处理中，但通常需要额外投入碳源，运行成本过高且投加量难于精准控制，容易造成出水有机物(cod)超标，或者反硝化不充分，同时也会释放温室气体，加剧全球变暖。依靠聚磷菌在厌氧-好氧条件下实现除磷，是当前广泛采用的除磷方法，但是因为聚磷菌与相关脱氮菌群污泥龄不同，故而在实现同步脱氮除磷方面存在矛盾。

3、硫自养反硝化技术以还原态的硫源为电子供体，在缺氧环境中将硝态氮还原为氮气，相较于传统异养反硝化，其具有无需投加有机碳源，硫源来源广泛、成本小，能很好地适应进水氮素负荷波动的冲击，污泥产量小等优点，是人工湿地低碳深度脱氮的新途径。但是硫自养反硝化过程会产生硫酸根，造成ph下降至酸性，且由于湿地基质中存在厌氧和缺氧环境，硫酸根在硫酸盐还原菌作用下会转化为硫化氢，这是导致人工湿地应用后植物根系腐烂，黑臭水体产生的主要原因。同时硫化氢也是一种急性剧毒气体，不利于人体健康。此外，单一的硫自养反硝化过程无法实现同步除磷，需要与其他过程耦合才可实现深度除磷。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题就是提供硼镁强化植物泌氧实现硫自养脱氮除磷与硫化氢减量的人工湿地系统及运行方法，构建垂直潜流型人工湿地系统，其反应区内添加可释放硼镁的硫滤料和石英砂，在反应区上部释放硼、镁元素，强化植物根系泌氧，调节湿地根系周围环境，减少硫化氢产量；同时，利用可释放硼镁的硫滤料析出的铁盐，实现含磷污染物的深度去除，实现驱动硫自养反硝化-人工湿地耦合系统，达到对含氮磷污水低碳深度脱氮除磷的目的，出水能够达到中国地表水环境标准iv类水水质要求。

2、采用的技术方案为：

3、硼镁强化植物泌氧实现硫自养脱氮除磷与硫化氢减量的人工湿地系统，包括垂直流型的湿地系统主体，所述湿地系统主体包括底部的缓冲区和上层的反应区，中间通过多孔板间隔；

4、所述缓冲区设置底座，底座上层区域的侧面设置进水口，缓冲区上层为多孔板；所述多孔板的上层为反应区，所述反应区内添加可释放硼镁的硫滤料与石英砂，反应区顶端开口，用来栽植湿地植物；反应区靠近顶端开口的侧壁设置出水口；

5、所述反应区的中央设置中空管，中空管内放置ph及溶解氧探头，所述ph及溶解氧探头通过导线连接ph及溶解氧联合监测仪；

6、所述湿地系统主体的进水口通过连接蠕动泵连接进水桶，其出水口连接出水桶。

7、优选的，所述反应区为圆柱形，其侧壁由下到上均匀设置一排滤料取样口，所述滤料取样口至少设置两个。

8、作为进一步的优选，所述反应区侧壁由下到上均匀设置一排水样采样口，所述水样采样口至少设置两个。

9、作为进一步的优选，所述缓冲区除底座的部位，其余为圆柱形，反应区的圆柱形直径与缓冲区的圆柱形直径相等，缓冲区与反应区的高度比为1:3～20；

10、所述缓冲区侧面进水口的相对一侧设置进气口，所述进气口连接曝气泵。

11、优选的，所述多孔板为圆形带有一定厚度的板，其上有两个圆周，内侧圆周的直径与缓冲区、反应区的直径相适配，内侧圆内均匀设置若干个布水孔，用于滤料承托及均匀布水；

12、所述多孔板外侧圆周的直径大于反应区的直径，多孔板与缓冲区、反应区的连接为密闭连接；

13、所述布水孔的直径小于可释放硼镁的硫滤料颗粒的直径。

14、优选的，所述湿地植物根部位于出水口位置。

15、优选的，所述可释放硼镁的硫滤料与石英砂均匀混合，其比例为3～5:1；可释放硼镁的硫滤料是利用工业生产所生成的含硫、铁、硼和镁的废料制备，在反应区上部，ph为5.75-6.85范围时，可促进硼、镁元素的释放。

16、优选的，所述中空管的顶端高于反应区的顶端，中空管为pvc管，其上设置均匀分布的若干个小孔。

17、硼镁强化植物泌氧实现硫自养脱氮除磷与硫化氢减量的人工湿地系统的运行方法，包括如下步骤：

18、(1)通过进水管连接进水桶、蠕动泵、湿地系统主体，进水管连接至缓冲区的进水口上；通过出水管连接湿地系统主体和出水桶，出水管从反应区的出水口连接至出水桶；

19、(2)启动蠕动泵，污水从进水桶中经过进水管进入湿地系统主体的缓冲区，进水方式为连续流，经多孔板后进入反应区，在反应区中自下而上经可释放硼镁的硫滤料进行氮磷污染物的去除，ph及溶解氧探头实时监测中空管中的ph值及溶解氧浓度；水体停留时间为2～4.5h；

20、(3)净化后的污水从反应区出水口经出水管流入出水桶，排入自然水体中。

21、优选的，所述步骤(2)中，在反应区下部，进水中会带入部分溶解氧，发生硝化反应，消耗溶解氧，将氨氮转化为硝酸盐；在反应区中部，进行以可释放硼镁的硫滤料析出的硫为电子供体的自养反硝化过程，实现硝酸盐的去除，产生氮气，并形成硫酸盐存在于污水中，溶解氧消耗，硫酸盐还原菌在厌氧或缺氧条件下将部分硫酸盐还原为硫化氢；在反应区上部继续进行硫自养反硝化脱氮，造成ph下降，ph为5.75-6.85范围时，可促进滤料中铁及硼镁元素的释放，一方面，铁离子会与磷酸盐生成沉淀，实现深度除磷，另一方面，释放的硼镁元素被植物吸收，促进植物根系生长，强化根系泌氧过程，形成多个含有溶解氧的微区，且这些溶解氧将还原而产生的硫化氢再次氧化，产生硫单质或硫酸盐，实现硫化氢的减量化，硫单质又进一步促进硫自养反硝化脱氮的过程，ph及溶解氧探头监测的溶解氧浓度在0.5～0.8mg/l。

22、经出水口的出水氨氮含量为0.3±0.2mg/l，硝酸盐含量为0.6±0.3mg/l，磷酸盐为0.1±0.1mg/l。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

24、本发明的系统采用硫自养反硝化和人工湿地耦合的工艺技术，与传统异养反硝化相比，能够实现以城镇生活污水为代表的低碳氮比污水的低碳深度脱氮处理，包括城镇污水处理厂处理后不含可生物降解有机物的出水。可实现外碳源零投加，节约100％的碳源投加费用，自养菌较异养菌污泥产量降低87％，出水水质可稳定达到中国地表水环境标准iv类水水质，具有良好的环境经济效益。

25、本发明的系统设置缓冲区，通过缓冲区可调控向反应区的进水情况，可使反应区抵抗进水负荷波动的冲击，具有长期运行的稳定性，运行和维护费用较以乙酸钠为外碳源的异养反硝化系统降低45％，应用范围广。

26、可释放硼镁的硫滤料，充分利用工业中含硼、镁、硫元素多的废料制备，析出的硼镁元素强化了人工湿地系统中植物根系的泌氧，使反应区上部存在好氧微区，溶解氧在0.5～0.8mg/l左右，能够将氧化硫酸根还原产生的硫化氢，硫化氢产量低于0.5ppm。生成单质硫或硫酸根，硫单质又可作为硫源进一步促进硫自养反硝化脱氮。