申请日2017.12.11
公开(公告)日2018.10.16
IPC分类号C02F3/32; C02F3/34; C02F3/30; C02F101/16
摘要
本发明涉及基于低C/N比污水处理的潜流人工湿地、其构建方法和低C/N比污水强化脱氮处理方法，该方法在待处理污水地挖掘潜流人工湿地床体，并在内部设置2块隔离墙，将人工湿地床分隔成沿着水流方向依次排布的3个相对独立的配水区、处理区和集水区;在处理区内部从下至上依次装填硫磺/沸石/砾石层、细砾石/沸石层;将活性污泥注入潜流人工湿地前床体中，进行挂膜处理;接着在人工湿地前床体上装填土壤层，并在土壤层中种植水生植物;向潜流人工湿地内灌注污水，依次进行人工湿地启动处理、微生物驯化处理，构建得到污水处理潜流人工湿地。利用构建的人工湿地处理污水，脱氮效率高，对总氮、硝酸盐去除率高。
权利要求书
1.一种污水脱氮处理潜流人工湿地的构建方法，其特征是，包括如下顺序进行的步骤：
1)在待处理污水地挖掘潜流人工湿地床体，并在内部设置2块隔离墙，将人工湿地床分隔成沿着水流方向依次排布的3个相对独立的配水区、处理区和集水区;配水区与污水进水管相连通，集水区与出水管相连通;
2)在处理区内部从下至上依次装填硫磺/沸石/砾石层、细砾石/沸石层，获得人工湿地前床体;
3)将活性污泥注入潜流人工湿地前床体中，进行潜流人工湿地生物膜的挂膜处理，获得挂膜的人工湿地前床体;
4)在挂膜的人工湿地前床体的细砾石/沸石层上装填土壤层，并在土壤层中种植水生植物;
5)向潜流人工湿地内灌注污水，依次进行人工湿地启动处理、微生物驯化处理，直至人工湿地出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在75%以上，即得污水脱氮处理潜流人工湿地。
2.如权利要求1所述的构建方法，其特征是，所述污水为C/N比低于2的污水。
3.如权利要求1所述的构建方法，其特征是，步骤1)中所述配水区与所述人工湿地床体体积之比为10-20：100;所述集水区与所述人工湿地床体体积之比为10-20：100;所述处理区与所述人工湿地床体体积之比为60-80：100。
4.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤2)中所述硫磺/沸石/砾石层的高度与处理区的高度之比为68-83：100;所述细砾石/沸石层与处理区的高度之比为12-20：100;步骤4)中所述土壤层与处理区的高度之比为5-12：100。
5.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤3)中所述挂膜处理包括如下步骤：
3-1)向活性污泥中加入葡萄糖、硝酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾，混合均匀，制成强化活性污泥;
3-2)将强化活性污泥注入潜流人工湿地中并使得人工湿地前床体浸泡于强化活性污泥中，浸泡20-30h后排空湿地床;
3-3)向排空的湿地床内再注入强化活性污泥，并使得人工湿地前床体浸泡于强化活性污泥中，浸泡20-30h后排空湿地床;
3-4)重复步骤3-3)的强化活性污泥接种、浸泡和排空3-5次，即得到挂膜人工湿地前床体。
6.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤5)中所述启动处理包括如下步骤：
5-1)第一启动处理
向市政污水处理厂的尾水中加入葡萄糖并混合均匀，配制成第一模拟污水;接着向种植了水生植物的人工湿地内注入第一模拟污水，在温度为25-28℃的条件下保持水力停留时间为20-30h，进行第一启动处理;在第一启动处理过程中每天监测人工湿地出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮浓度的平均值，计算相应的去除率，直至TN的去除率达到并维持在70%以上，且保持稳定;
5-1)第二启动处理
向市政污水处理厂的尾水中加入葡萄糖并混合均匀，配制成第二模拟污水;接着向经过第一启动处理后的人工湿地内注入第二模拟污水，在温度为25-28℃的条件下保持水力停留时间为20-30h，进行第二启动处理;在第二启动处理过程中每天监测人工湿地出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮浓度的平均值，计算相应的去除率，直至TN的去除率达到并维持在70%以上，且保持稳定。
7.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤5)中所述驯化处理包括如下步骤：向第二启动处理后的潜流人工湿地中通入市政污水处理厂的尾水，在温度为25-28℃的条件下运行，进行微生物驯化处理，控制水力停留时间为20-30h，在驯化处理过程中每天监测人工湿地出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮浓度的平均值，计算相应的去除率，直至TN的去除率达到并维持在75%以上，且保持稳定，获得驯化成功的潜流人工湿地。
8.一种污水脱氮处理的潜流人工湿地，其特征是，按照如权利要求1-7任一所述方法构建而成。
9.一种污水脱氮处理方法，其特征是，包括将低C/N比污水输送至如权利要求8所述的污水脱氮处理的潜流人工湿地中，控制水力停留时间≥6h。
10.如权利要求9所述的脱氮处理方法，其特征是，输送至潜流人工湿地中的污水处理温度在10-30℃。
说明书
污水脱氮处理的潜流人工湿地、其构建方法和污水脱氮处理方法
发明领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种污水的强化脱氮处理系统、其构建方法及强化脱氮处理方法，特别涉及一种用于低C/N比污水脱氮处理的潜流人工湿地、其构建方法及强化脱氮处理方法。
发明背景
氮、磷是大多数水体富营养化的控制性因素。污水厂尾水中的氮和磷等是造成湖泊等水体富营养化的主要因素之一。对于湖泊、水库等封闭性水域，当水体内无机态总氮含量大于0.2mg/L，总磷大于0.01mg/L时，就有可能引发水华现象。而其中氮素污染是引起水质恶化的一个重要的原因，大量未经处理或未经适当处理的各种含氮废水排入江河，会给环境造成严重的破坏。因此，对污水厂尾水进行深度处理，特别是进行高效脱氮研究具有重要现实意义。
作为再生水水源的城市污水处理厂尾水存在含碳量低。此外有研究发现，尾水中80%以上的氮是以硝酸盐氮形式存在。目前对污水厂尾水常用的深度处理技术为过滤、生物滤池、人工湿地、膜分离等，其中膜分离、人工湿地等技术处理效果较好。相比其他方法人工湿地技术具有投资和运行费用低、出水水质好、运行维护方便等优点。
针对于低C/N比的污水，有异养反硝化或自养反硝化两种脱氮技术。但异养反硝化脱氮技术在应用到进水有机负荷较低，地下水和市政污水处理的二级处理工艺时，会出现碳源不足的现象，此时就需要额外投加有机物来提供碳源从而造成运行成本的增加。在投加有机物时，遇到水质波动较大的情况，往往不能精确的投加，投加过量时会造成浪费并且影响出水水质，投加量不足时脱氮达不到理想的效果。而自养反硝化是自养反硝化菌利用无机碳(如CO32-、HCO3-)合成细胞，无机物(S、S2O32-、Fe、Fe2+、H2以及NH4+等)作为硝酸盐还原的电子供体，从而完成反硝化过程，无需外加任何外加碳源。
硫自养反硝化过程是微生物利用无机碳源以还原态硫为硝酸盐还原的电子供体来进行的，此过程无需消耗碳源，被广泛应用在低C/N比的地下水和污水脱氮过程中。硫磺作为硫自养反硝化的电子供体参与反硝化过程，沸石表面的阳离子极易与水中的阳离子发生离子交换有助于维持体系的酸碱度平衡。因此，以硫磺作为反应器填料有利于弥补异养反硝化脱氮过程中电子供体的不足和稳定系统pH值。
单独使用硫磺不能稳定反应系统的pH，需要提供一定的碱度，如今普遍采用石灰石，也有采用沸石和硫磺联合使用。沸石的优势不仅是可以通过离子交换维持pH，也可以自身的吸附作用吸附氨氮。
沸石的一般化学式为：AmBpO2p·nH2O，结构式为A(x/q)[(AlO2)x(SiO2)y]n(H2O)其中：A为Ca、Na、K、Ba、Sr等阳离子，B为Al和Si，p为阳离子化合价，m为阳离子数，n为水分子数，x为Al原子数，y为Si原子数，(y/x)通常在1～5之间，(x+y)是单位晶胞中四面体的个数。
发明内容
本发明的目的是针对现有低C/N比高硝态氮的污水厂尾水处理存在的技术难题，提供了一种基于低C/N比的水平潜流人工湿地强化脱氮处理技术。低C/N比高硝态氮的污水厂尾水采用本发明提供的处理方法处理后，出水水质完全满足地表水排放的要求。本发明方法中采用的硫自养脱氮技术补充了异养反硝化碳源不足的缺点，很好的保证了体系具有高效脱氮的效率。因此，一套硫自养反硝化技术与水平潜流人工湿地相结合的处理方法可以有效强化低C/N比尾水深度脱氮过程。
为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种污水脱氮处理的潜流人工湿地的构建方法，包括如下顺序进行的步骤：
1)在待处理污水地挖掘潜流人工湿地床体，并在内部设置2块隔离墙，将人工湿地床分隔成沿着水流方向依次排布的3个相对独立的配水区、处理区和集水区;配水区与污水进水管相连通，集水区与出水管相连通;
2)在处理区内部从下至上依次装填硫磺/沸石/砾石层、细砾石/沸石层，获得人工湿地前床体;
3)将活性污泥接种于潜流人工湿地前床体中，进行潜流人工湿地生物膜的第一次挂膜处理，获得第一挂膜的人工湿地前床体;
4)在第一挂膜的人工湿地前床体的细砾石/沸石层上装填土壤层，并在土壤层中种植水生植物;
5)向潜流人工湿地内灌注污水，依次进行人工湿地启动处理、微生物驯化处理，直至人工湿地出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在75%以上，即得污水脱氮处理潜流人工湿地。
其中，所述污水为C/N比低于2的污水，优选为C/N比为1～2的污水。
特别是，所述污水选择C/N比低于2，优选为C/N比为1～2的污水处理厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。
其中，步骤1)中所述人工湿地床体呈长方体形或正方体形，优选为长方体形。
特别是，所述人工湿地床体的深度≤3m。
尤其是，所述潜流人工湿地为水平潜流人工湿地。
其中，所述隔离墙为具穿流孔的隔离板，隔离墙上均匀分布可供水流自由流通的穿流孔。
特别是，所述隔离墙上穿流孔的设置密度为1-2个/cm2，优选为1个/cm2。
尤其是，所述穿流孔的大小为50-201mm2，优选为113-115mm2。穿流孔可以是任意形状，通常为圆形。
特别是，所述穿流孔的孔径为4-8mm，优选为6mm。
污水从配水区水平方向均匀流入人工湿地反应区(即处理区)，再水平方向均匀流出人工湿地反应区。
其中，配水区容积与人工湿地容积之比为10-20：100，优选为15：100;处理区容积与人工湿地容积之比为60-80：100，优选为70：100;集水区容积与人工湿地容积之比为10-20：100，优选为15：100。
特别是，在潜流人工湿地床的侧壁上设置进水管，将污水引入人工湿地;在设置进水管相对的另一侧壁上设置出水管，将处理后的出水导出人工湿地。
尤其是，设置在所述人工湿地侧壁上的进水管沿着人工湿地床的深度方向垂直间隔排列，间隔距离为10-20cm，优选为15cm;设置在所述人工湿地侧壁上的出水管沿着人工湿地床的深度方向垂直间隔排列，间隔距离为10-20cm，优选为15cm。
所述出水管设置在与所述进水管设置的人工湿地侧壁相对的另一侧壁上，将处理后的出水导出人工湿地。进水管、出水管沿着水流方向设置。
其中，步骤2)中所述硫磺/沸石/砾石层的高度与处理区的高度之比为68-83：100，优选为68.5-77.5%，进一步优选为67.5-77.5%，更进一步优选为70：100;即所述硫磺/沸石/砾石层的体积与处理区的体积之比为68-83：100，优选为67.5-77.5%，更进一步优选为70：100;所述细砾石/沸石层与处理区的高度之比为12-30：100，优选为12.5-27.5%，进一步优选为20：100。
特别是，步骤2)中所述细砾石/沸石层的厚度为5-11cm，优选为8cm;硫磺/沸石/砾石层的厚度为20-31cm，优选为28cm;所述人工湿地处理区的高度为27-45cm，优选为40cm。
潜流人工湿地床的深度(即湿地处理区高度)可以根据设计需求相应改变，例如深度达到100cm或更深，相应的细砾石/沸石层、硫磺/沸石/砾石层的厚度也相应的根据各层与人工湿地床体的深度之间的比例进行相应的变化，加深或变浅，如果人工湿地的深度降低，则这些层的厚度也相应的减少。
其中，步骤2)中所述硫磺/沸石/砾石层中硫磺、沸石与砾石的体积比为1：1-2：1-2，优选为1:1:1。
特别是，所述砾石为颗粒状，粒径为4-16mm;沸石为颗粒状，粒径为4-8mm;硫磺为颗粒状，粒径为2-4mm。
尤其是，将体积比为1：1-2：1-2，优选为1：1：1的硫磺、沸石与砾石混合均匀后，在所述人工湿地的底部上均匀装填。
其中，所述细砾石/沸石层中细砾石与沸石的体积之比为1：1-2，优选为1：1。
特别是，是细砾石/沸石层中细砾石的粒径为4-8mm;沸石的粒径为的粒径为4-8mm。
尤其是，将体积比为1：1-2，优选为1：1的细砾石与沸石混合均匀后，均匀装填于所述硫磺/沸石/砾石层的上部。
其中，步骤3)中所述活性污泥选择市政污水处理厂的活性污泥。
特别是，所述活性污泥的MLSS浓度为3000-6000mg/L，优选为5000mg/L。
其中，所述的生物膜的挂膜处理包括：
3-1)向活性污泥中加入葡萄糖、硝酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾，混合均匀，制成强化活性污泥;
3-2)将强化活性污泥注入潜流人工湿地中并使得人工湿地前床体浸泡于强化活性污泥中，浸泡20-30h后排空湿地床;
3-3)向排空的湿地床内再注入强化活性污泥，并使得人工湿地前床体浸泡于强化活性污泥中，浸泡20-30h后排空湿地床;
3-4)重复步骤3-3)的强化活性污泥接种、浸泡和排空3-5次，即得到挂膜人工湿地前床体。
特别是，步骤3-1)中向所述活性污泥中加入的葡萄糖、硝酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾的量分别是，每30L活性污泥中加入3.3g葡萄糖，加入磷酸二氢钾0.339g，加入硝酸钠0.75g，氯化铵0.201g。
特别是，加入到活性污泥中的C:N:P的质量配比为100:5:1。
尤其是，所述加入到活性污泥中的硝酸钠和氯化铵的配比按N计为60-80：20-40，优选为70：30。
硝酸钠和氯化铵分别对应硝态氮和氨氮，营养液中硝酸钠和氯化铵的配比按N的贡献，分别占70%和30%。
其中，活性污泥选择市政污水处理厂的好氧活性污泥，优选为卡鲁塞尔氧化沟回流的活性污泥。
特别是，所述好氧活性污泥的MLSS浓度为3000-6000mg/L，优选为5000mg/L。
特别是，步骤3-2)、3-3)中所述浸泡时间优选为24h;步骤3-4)中重复次数为5次。
其中，步骤4)中所述土壤层的高度与处理区的高度之比为5-12：100，优选为5-10:100，进一步优选为10：100;土壤层的体积度与处理区的体积之比为5-12：100，优选为5-10:100，进一步优选为10：100;
特别是，所述土壤层的高度2-4cm，优选为4cm。
其中，所述种植的水生植物选为芦苇、美人蕉、香蒲、灯心草、水葱、风车草、黄花鸢尾、再力花或香根草中的一种或多种，优选为芦苇、美人蕉、香蒲、灯心草、水葱、风车草、黄花鸢尾、再力花或香根草中的两种或两种以上;进一步优选为芦苇、香蒲、水葱混合种植，或者菖蒲，黄花鸢尾，再力花，美人蕉混合种植。
特别是，所述水生植物的种植密度为10-30株/m2。
尤其是，所述菖蒲30株/m2;水葱24株/m2;香蒲20株/m2;黄花鸢尾16株/m2;芦苇16株/m2;再力花10株/m2;美人蕉10株/m2。
其中，步骤5)中所述人工湿地启动处理包括如下顺序进行的步骤：
5-1)第一启动处理
向市政污水处理厂的尾水中加入葡萄糖并混合均匀，配制成第一模拟污水;接着向种植了水生植物的人工湿地内注入第一模拟污水，在温度为25-28℃的条件下保持水力停留时间为20-30h，进行第一启动处理;在第一启动处理过程中每天监测人工湿地出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮浓度的平均值，计算相应的去除率，直至TN的去除率达到并维持在70%以上，且保持稳定;
5-1)第二启动处理
向市政污水处理厂的尾水中加入葡萄糖并混合均匀，配制成第二模拟污水;接着向经过第一启动处理后的人工湿地内注入第二模拟污水，在温度为25-28℃的条件下保持水力停留时间为20-30h，进行第二启动处理;在第二启动处理过程中每天监测人工湿地出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮浓度的平均值，计算相应的去除率，直至TN的去除率达到并维持在70%以上，且保持稳定。
特别是，步骤5-1)中所述第一模拟污水的COD为(100±20)mg/L，优选为100mg/L;TN为(25±5)mg/L，优选为25mg/L;C/N为(4±1)：1，优选为4：1。
尤其是，所述市政污水处理厂的尾水COD为20-45mg/L;TP为0.2-2mg/L;TN为10-35mg/L;C/N为1-4。
特别是，所述第一启动处理过程中控制水力停留时间为24h;第一启动处理时间为7-10天，优选为10天。
尤其是，所述第一启动处理至出水中直至TN的去除率达到并维持在70%以上。
特别是，步骤5-2)中所述第二模拟污水的COD为(50±10)mg/L，优选为50mg/L;TN为(25±5)mg/L，优选为25mg/L;C/N为(2±0.5)：1，优选为2：1。
尤其是，所述第二启动处理过程中控制水力停留时间为24h;第二启动处理时间为7-10天，优选为10天。
特别是，所述第二启动处理至出水中直至TN的去除率达到并维持在70%以上。
其中，步骤5)中所述驯化处理包括如下顺序进行的步骤：向第二启动处理后的潜流人工湿地中通入市政污水处理厂的尾水，在温度为25-28℃的条件下运行，进行微生物驯化处理，控制水力停留时间为20-30h，在驯化处理过程中每天监测人工湿地出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮浓度的平均值，计算相应的去除率，人工湿地出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在75%以上，且保持稳定，获得驯化成功的潜流人工湿地。
特别是，所述市政污水处理厂的尾水COD为20-45mg/L;TP为0.2-2mg/L;TN为10-35mg/L;C/N为1-4。
尤其是，所述水力停留时间为24h;所述驯化处理时间为7-10天，优选为10天。
特别是，所述人工湿地驯化处理至出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持为75%以上。
本发明另一方面提供一种按照上述方法构建而成的污水脱氮处理潜流人工湿地。
本发明再一方面提供一种利用上述污水脱氮处理潜流人工湿地进行污水强化脱氮处理的方法，包括将低C/N比污水输送至污水脱氮处理的潜流人工湿地中，其中控制水力停留时间≥6h。
其中，所述低C/N比污水为C/N比≤2的污水，优选为C/N比为1～2的污水。
特别是，所述污水选择C/N比低于2，优选为C/N比为1～2的污水处理厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。
其中，所述控制水力停留时间为6-24h。
特别是，输送至潜流人工湿地中的污水处理温度在10-30℃，优选为25-30℃。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明的强化脱氮方法中使用的硫磺、砾石和沸石价格便宜、原材料宜于获取、工况运行稳定且无需投加外加碳源，降低了成本。
2、本发明的强化脱氮系统的pH的缓冲能力强，污水处理区反应床中装填的沸石的表面的阳离子极易与水中的阳离子发生离子交换，对水中的阳离子具有较强的吸附性能，可以消耗硫自养反硝化过程中产生的H+，加强系统对pH的缓冲能力。
3、本发明采用硫自养反硝化技术和水平潜流人工湿地相组合的工艺对污水厂外排尾水进行深度处理，硫自养反硝化主要以硫自养反硝化菌作为功能菌，可利用硫化物及其他还原态硫化合物作为其代谢活动中的电子供体，以硝酸根作为电子受体，完成硫自养反硝化反应。本发明的低C/N比污水强化脱氮处理方法脱氮效率高，对污水中总氮(TN)、硝酸盐(NO3--N)去除率分别达到90%、97%以上。
4、本发明所述的方法中的湿地床设有与进水管相连通的配水区，可以防止进水水质波动，水量不稳定，使湿地装置进水更加均匀稳定;人工湿地还设置有与出水管相连通的集水区，确保出水更加均匀稳定;有利于水质水量的稳定。
5、本发明的强化脱氮处理人工湿地由硫自养反硝化技术与水平潜流人工湿地相结合的工艺，用于处理污水厂高硝态氮的外排尾水。
6、本发明的基于低C/N比的水平潜流人工湿地强化脱氮处理方法，在人工湿地反应床中添加砾石、沸石、硫磺等基质，通过硫自养反硝化作用产生H+，而沸石表面的阳离子极易与水中的阳离子发生离子交换，因此对水中的阳离子具有较强的吸附性能，有效的控制了出水的pH，同时沸石对氨氮有一定的吸附作用。
