申请日2017.07.11
公开(公告)日2017.09.26
IPC分类号C02F9/14; B09C1/10; B09C1/00
摘要
本发明涉及一种复合污水处理和重金属土壤修复的方法，包括依赖山坡而建的多级阶梯式人工湿地，每级人工湿地包括受重金属污染的土壤层、基质层、植物和防渗层，受重金属污染的土壤层中添加适量沸石和蛭石，并放入若干条蚯蚓;以及筛选和布设合适的植物和基质类型，污水逐级通过人工湿地系统。最终实现了高效净水、景观美化同时能实现重金属土壤修复的目的，该方法能长期保持稳定的去污和土壤修复效果，有利于丰富物种多样性，美化景观，为公众提供观赏休憩场所和科普教育基地。
权利要求书
1.一种复合污水处理和重金属土壤修复的方法，其特征在于，主要由依赖山坡而建的多级阶梯式人工湿地组成，其中，每级人工湿地包括受重金属污染的土壤层、基质层、植物和防渗层，所述受重金属污染的土壤层中添加适量沸石和蛭石，并放入若干条蚯蚓;污水通过上一级人工湿地底部的排水管排至其他各级人工湿地中;具体包括以下步骤：
(1)农村污水排入污水预处理池中，进行初步隔油、除杂及匀质化处理;
(2)预处理后的污水自流入一级垂直流人工湿地中，所述一级垂直流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤、细石粗砂层、细砂层和不同粒径的砾石，所述一级垂直流人工湿地的砾石层中填埋布水管，在土壤层中埋设有集水管，该土壤层表面种植蜈蚣草和苎麻;
(3)经一级垂直流人工湿地净化后的污水通过重力作用自流入二级水平流人工湿地进行处理，所述的二级水平流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤、沸石和砾石，在该土壤层表面种植鱼腥草、芦苇和黄杨，且在沸石和砾石中投放硝酸细菌和亚硝酸细菌;经二级水平流人工湿地净化后的污水通过重力作用自流入三级垂直流人工湿地进行处理，三级垂直流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤和基质，该基质包括富含钙的石灰石和煤渣，在土壤层表面种植菖蒲、龙葵和蓖麻;经三级垂直流人工湿地净化后的污水通过重力作用自流入四级水平流人工湿地进行处理，四级水平流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤、蛭石和和组合填料，在该土壤层表面种植红豆草、东南景天和水蓼。
2.根据权利要求1所述的一种复合污水处理和重金属土壤修复的方法，其特征在于，所述一级垂直流人工湿地中的砾石粒径分别为20-30mm和10-20mm。
3.根据权利要求1所述的一种复合污水处理和重金属土壤修复的方法，其特征在于，所述四级水平流人工湿地中的组合填料具有吸附磷的作用，由40-60%重量比的炉渣、10-30%重量比的红壤和10-20%重量比海蛎壳组成。
说明书
一种复合污水处理和重金属土壤修复的方法
技术领域
本发明涉及污水净化和土壤修复技术领域，尤其涉及一种复合污水处理和重金属土壤修复的方法。
背景技术
2007年，我国96%的农村没有污水处理系统，3.2亿农民不能饮用清洁水。导致农村水体污染严重的主要原因之一是农村生活污水的随意排放。生活污水污染主要表现在两个方面：(1)生活污水极易腐烂变质、滋生蚊蝇、传染疾病，严重影响村容村貌，对农村地区卫生健康带来极大隐患。(2)生活污水最终将通过地面和地表渗透到地下，造成地下水质污染，对农村生活饮用水的安全带来危害。建设部、国家环境保护局和科技部提出到2010年全国城市和建制镇的污水处理率不低于50%的目标。我国社会主义新农村建设也要求对农村生活污水进行有效处理，进而改善村容村貌，保障农村地下水源安全，提高农产品质量，保护农村生态环境。
土壤是人类赖以生存和发展的物质基础，是农业生产的基本生产资料。但随着城市化、工业化不断深入，矿产资源开发、金属冶炼、污水灌溉、化肥的大量使用等人类活动，使得含多种重金属的污染物通过各种途径进入土壤，造成了土壤重金属污染，从而导致土壤退化，生态破坏，并通过地球化学链、食物链进入生物体进而危及人类健康和生命安全。土壤重金属污染物主要是汞、铅、铜、锌、铬、镍、锡以及金属砷等。如何减轻日益严重的土壤重金属污染，进而修复还原利用的问题已迫在眉睫，亟待研究。目前，对重金属污染土壤的治理途径按其机理主要有2 种：(1)改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定从而降低其在环境中的迁移性和生物可利用性;(2)从土壤中去除重金属，以使其存留浓度接近或达到背景值。国内外已开展较多重金属污染土壤修复技术的研究，主要以客翻换土、钝化、淋洗、电化学修复、化学固定等方法为主的物理化学修复技术和以植物、微生物和动物为主的生物修复技术，可以说是各有利弊，然而目前仍缺乏经济高效且环境友好的技术将重金属从污染土壤中移走。
人工湿地处理系统是20世纪70年代发展起来的一种污水处理技术，因具有处理效果好、建设和运行费用低、易于维护管理等优点而受到世界各国的普遍重视，成为近年来发展较快的一种污水处理新技术。目前广泛应用于富营养化水体、垃圾渗滤液、畜禽养殖废水、食品废水等治理。人工湿地是在一定的基质(填料)上种植湿地植物，对有机物和氮、磷污染物具有较强的降解能力。人工湿地是利用基质-微生物-植物这个复合生态系统的物理、化学、和生物的三重协调作用，通过过滤、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化。早在20世纪初，英国和美国就有利用香蒲(Typha angustifolia)沼泽处理污水的先例。
目前有关湿地植物的大多数研究均围绕草本进行，香蒲(Typha sp.)、芦苇(Phragmites sp.)、水葱(Scirpus sp.)、美人蕉(Canna sp.)、凤眼莲(Eichhorinacrassipes)、苔草(Carex sp.)、灯心草(Juncus sp.)、鸢尾(Iris sp.)等在世界范围内被广泛引种栽培。在我国，菖蒲(Acorus calamus)、藨草(Scirpus sp.)、草芦(Phalarissp.)、茳芏(Cyperus malaccensis)、浮萍(Lemna minor)、茭白 (Zezania latifalia)等也得到广泛研究和应用。而且，不同湿地植物种类混植形成的复合湿地植被普遍地比纯种植被更具优势，多种类复合的湿地植被比纯种植被具有更高的污水净化效率，对寄生虫捕食或暴发性疾病也具有更稳定的抵抗力。对芦苇湿地在全球范围内单一和混合种植的净化数据统计发现，混合种植系统不仅净化效率更高，而且效果更稳定。
另外，填料是人工湿地的重要组成部分，为湿地植物、微生物提供了生长环境，其自身也参与了人工湿地过滤、吸附、微生物降解等过程。所以高效经济的填料筛选以及配置，直接决定了人工湿地的脱氮除磷效率，从而影响系统对污染水体的修复效果，因而具有十分重要的意义。传统人工湿地填料多以土壤、石英砂、砾石等为主，但由于这些材料吸附性能较差，人工湿地在运行一段时间后，填料对氮磷的吸附逐渐达到饱和，其去除率开始下降。目前，采用陶粒、改性沸石、活性炭等高效人工吸附填料替代传统人工湿地填料，取得了较好的处理效果，但是由于这些填料的成本较高，很难在实际工程中进行大面积的推广和应用。污水处理效果与基质填料类型关系密切，有针对性的合理布设单一填料和复合填料，能有效提高人工湿地中的污染物去除率。
而土壤的化学修复技术主要是基于污染物土壤化学行为的一种改良措施，如添加改良剂、抑制剂等化学物质来降低土壤中重金属的水溶性、扩散性和生物有效性，从而使重金属转化为低毒性或移动性较低的化学形态，以减轻重金属对生态和环境的危害。化学修复的机制主要包括沉淀、吸附、氧化还原、水解和pH 调节等。化学修复技术主要包括土壤改良技术、土壤淋洗技术、电动修复技术等。土壤动物修复技术是指利用土壤动物及其肠道微生物在人工控制或自然条件下，在污染土壤中生长、繁殖、穿插等活动过程中对污染物进行分解、消化和富集的作用，从而使污染物降低或消除的一种生物修复技术。土壤的植物修复技术是指利用植物吸收、分解、挥发或固定土壤中的重金属，降低重金属在土壤中的含量和有效态含量，从而降低其对生物的危害。其实质是将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上，而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的忍耐和超量积累能力，将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收)后可将重金属移出土体，以达到治理污染与恢复生态的目的。
土壤重金属污染具有复杂性、不可逆性和表聚性等特点，单一治理方法很难将其全部重金属去除干净，2种或2种以上修复技术相结合，能够较好发挥各自的优点，更有利于土壤重金属污染的修复。联合修复技术是近年来研究的热点，联合修复技术螯合剂—植物修复，向土壤中施用螯合剂提高土壤溶液中重金属的含量，从而强化超积累植物对重金属的吸收;电压-植物修复，在电压作用下，电极附近土壤溶液发生电化学反应，改变了土壤的理化性质，加快土壤固体上重金属的解吸，提高土壤溶液中重金属的含量，有利于超积累植物的吸收、积累。在此基础上种植适宜的超富集植物，可以更有效地修复土壤。
目前国内外虽然对土壤修复和污水处理虽有许多研究，也有上述的一些处理方法，但是，目前无论哪种方法处理效果都不太理想，或是出水水质达不到排放要求，或是成本太高而无法在我国推广应用。农村生活污水是一种有机质和氮磷浓度都很高的废水，单独的厌氧或好氧工艺都是不适合的，单独厌氧工艺的出水达不到排放要求，单独的好氧工艺不能承受如此高浓度、高负荷的废水，必然出现污泥膨胀等一系列问题，而且运行费用较高。同时，需要指明的是还没有发现人工湿地处理污水复合土壤修复技术，其基于植物的筛选和基质的合理布设，配合协同处理污水和土壤，并取得良好的实用价值。
发明内容
针对上述领域中的缺陷，本发明的目的是为了提供一种高效净水、景观美化同时能实现重金属土壤修复的人工湿地复合净化方法，该方法能长期保持稳定的去污和土壤修复效果，有利于丰富物种多样性，美化景观，为公众提供观赏休憩场所和科普教育基地。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：处理方法主要由依赖山坡而建的多级阶梯式人工湿地组成，其中，每级人工湿地包括受重金属污染的土壤层、基质层、植物和防渗层，所述受重金属污染的土壤层中添加适量沸石和蛭石，并放入若干条蚯蚓;污水通过上一级人工湿地底部的排水管排至其他各级人工湿地中;具体包括以下步骤：
(1)农村污水排入污水预处理池中，进行初步隔油、除杂及匀质化处理;
(2)预处理后的污水自流入一级垂直流人工湿地中，所述一级垂直流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤、细石粗砂层、细砂层和不同粒径的砾石，所述一级垂直流人工湿地的砾石层中填埋布水管，在土壤层中埋设有集水管，该土壤层表面种植蜈蚣草和苎麻;
(3)经一级垂直流人工湿地净化后的污水通过重力作用自流入二级水平流人工湿地进行处理，所述的二级水平流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤、沸石和砾石，在该土壤层表面种植鱼腥草、芦苇和黄杨，且在沸石和砾石中投放硝酸细菌和亚硝酸细菌;
(4)经二级水平流人工湿地净化后的污水通过重力作用自流入三级垂直流人工湿地进行处理，三级垂直流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤和基质，该基质包括富含钙的石灰石和煤渣，在土壤层表面种植菖蒲、龙葵和蓖麻。
(5)经三级垂直流人工湿地净化后的污水通过重力作用自流入四级水平流人工湿地进行处理，四级水平流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤、蛭石和组合填料，在该土壤层表面种植红豆草、东南景天和水蓼。
进一步地，一级垂直流人工湿地中的砾石粒径分别为20-30mm和10-20mm。
进一步地，四级水平流人工湿地中的组合填料具有吸附磷的作用，由40-60%重量比的炉渣、10-30%重量比的红壤和10-20%重量比海蛎壳组成。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明通过将污水处理和重金属土壤修复技术相结合，同时解决了污水中有机物、N和P的去除问题，也实现了受重金属污染的土壤修复问题，二者相得益彰。
(2)通过向受污染的土壤层中添加人工湿地的常见基质，如沸石和蛭石，从而改变了土壤中重金属的存在形态，以便吸附重金属、降低其移动性和毒性，从而抑制对流入污水的危害;另外，通过添加蚯蚓，其具有吞食有机物质和富集、分解和消化重金属的能力，提高土壤通透性(透水、透气)，与微生物协同作用和促进有机物质的降解等生物学功能。
(3)湿地植物选择具有针对性，如蜈蚣草具有富集砷和汞的能力，龙葵能富集镉，苎麻能提高土壤中的汞净化效果，水蓼能吸附土壤中的锰离子等，另外，这些植物可以对污水进行直接净化作用和间接净化作用。
(4)依据污水中的污染物种类，合理选择和布设不同的基质填料，配合微生物和植物的综合作用，最终出水的总磷(磷酸盐)和氨氮浓度优于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的Ⅳ类水质标准，COD去除率达到95%以上。
(5)整个人工湿地系统的污水依靠重力输送，节约了整个处理系统的能耗。
具体实施方式
下面详细说明本发明的优选实施方式。
本发明的具体实施方式：一种复合污水处理和重金属土壤修复的方法，包括以下工艺步骤：(1)农村污水排入污水预处理池中，进行初步隔油、除杂及匀质化处理;(2)预处理后的污水自流入一级垂直流人工湿地中，所述一级垂直流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤、细石粗砂层、细砂层和粒径为20-30mm和10-20mm的砾石，所述一级垂直流人工湿地的砾石层中填埋布水管，在土壤层中埋设有集水管，该土壤层表面种植蜈蚣草和苎麻;(3)经一级垂直流人工湿地净化后的污水通过重力作用自流入二级水平流人工湿地进行处理，所述的二级水平流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤、沸石和砾石，在该土壤层表面种植鱼腥草、芦苇和黄杨，且在沸石和砾石中投放硝酸细菌和亚硝酸细菌;(4)经二级水平流人工湿地净化后的污水通过重力作用自流入三级垂直流人工湿地进行处理，三级垂直流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤和基质，该基质包括富含钙的石灰石和煤渣，在土壤层表面种植菖蒲、龙葵和蓖麻;(5)经三级垂直流人工湿地净化后的污水通过重力作用自流入四级水平流人工湿地进行处理，四级水平流人工湿地自上而下铺设受重金属污染的土壤、蛭石和组合填料，在该土壤层表面种植红豆草、东南景天和水蓼。其中，四级水平流人工湿地中的组合填料具有吸附磷的作用，由40-60%重量比的炉渣、10-30%重量比的红壤和10-20%重量比海蛎壳组成。另外，受重金属污染的土壤层中添加适量沸石和蛭石以对土壤进行矿物修复，以及放入若干条蚯蚓以进一步利用动物来消化、分解以及富集重金属和有机物等。
经过人工湿地处理后，出水中的总磷(磷酸盐)和氨氮浓度优于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的Ⅳ类水质标准，COD去除率达到95%以上;土壤经过化学修复、生物修复后，植物、蚯蚓以及微生物对土壤中的重金属进行吸收和富集，随后集中收割这些植物，通过连续种植可达到有效降低或去除土壤中的重金属，高效地进行了土壤修复工作。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
