申请日2019.12.02
公开(公告)日2020.03.27
IPC分类号C02F3/32; C02F3/34; C02F101/10
摘要
本发明公开一种适于低温环境利用生物高效除磷防堵工程湿地系统及方法，该系统包括除磷系统、透明保温棚以及热气体供应系统，透明保温棚覆盖和包封所述除磷系统;热气体供应系统与所述除磷系统联通，为除磷系统提供加热的气体，除磷系统包括多个植物生长区、微生物净化区、隔离层、防渗层及排水管;植物生长区包括基质层和生长在基质层上的植物;基质层包含从上往下的四层：第一层为土壤层，厚度25～30cm;第二层至第四层为砂砾石或建筑拆除垃圾材料层，第二层粒径为0.05～0.3cm，厚度25～30cm,第三层粒径为1～1.5cm,厚度25～30cm，第四层粒径为2.8～3.6cm,厚度25～30cm;微生物净化区用于微生物除磷，多个植物生长区设置于微生物净化区之中。
权利要求书
1.一种适于低温环境利用生物高效除磷防堵工程湿地系统，其特征在于,包括：除磷系统(10)、透明保温棚(20)以及热气体供应系统(30)，
其中，所述除磷系统(10)包括多个植物生长区(11)、微生物净化区(12)、隔离层(13)、防渗层(14)以及排水管(15);
所述植物生长区(11)包括基质层和生长在基质层上的植物(115);所述基质层包含从上往下或者说顺水流方向颗粒物粒径依次变大的四层：第一层(111)为土壤层，厚度25～30cm;第二层至第四层为砂砾石或者建筑拆除垃圾材料层，其中第二层(112)基本被第一层包封，其粒径为0.05～0.3cm，厚度25～30cm,第三层(113)基本被第二层包封，其粒径为1～1.5cm,厚度25～30cm，第四层(114)基本被第三层包封，其粒径为2.8～3.6cm,厚度25～30cm;
所述微生物净化区(12)用于微生物除磷，所述多个植物生长区(11)相互间隔地位于所述微生物净化区(12)之中;
所述隔离层(13)设置于所述第一层(111)的侧面上，包含上下两层金属丝网层以及中间的短纤土工布层;
所述防渗层(14)设置于所述系统的底部及周围;
所述排水管设置在所述基质层的第四层中，用于将净化后的水排出除磷系统;
其中，所述透明保温棚(20)覆盖和包封所述除磷系统(10);
其中，所述热气体供应系统(30)与所述除磷系统(10)联通，为所述除磷系统(10)提供加热的气体，例如提供加热的空气。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述热空气供应系统(30)包括气体加热装置(31)、气泵(32)以及供气管路(33)，供气管路(33)延伸进入除磷系统(10)并且设置在所述微生物净化区(12)中。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述微生物净化区(12)中填充有基质(121)，该基质包括糠醛渣和钢渣、或包括糠醛渣、钢渣和活性污泥。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述金属丝网层为不锈钢丝网层。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述短纤土工布的单位面积质量为约350-450g/m2。
6.根据权利要求1所述的系统，其中,所述第一层至第四层各层斜坡坡比为约1:1.5。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述植物生长区(11)中的植物选自狐尾藻、小茨藻、水毛茛、马来眼子菜、轮藻、黑藻。
8.一种利用根据权利要求1-7中任一系统来处理污水进行除磷的方法，包括以下步骤：
1)在植物生长区(11)栽种所述植物;
2)将待处理污水通过微生物净化区(12)排入湿地系统，控制水位在植物生长区(11)基质层顶端处水深约70-90cm;
3)启动热气体供应系统，将加热的空气通入除磷系统中待处理水体，使水体达到预定的温度;
4)进行除磷操作，所述除磷操作包括单独进行植物除磷操作或者同时进行植物除磷和微生物除磷操作;
5)当植物生长到一定高度后，收割并清出湿地系统。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述单独进行植物除磷操作包括：
6)向微生物净化区(12)加入糠醛渣和钢渣，并通过pH值实时监测系统来监测湿地系统的水体酸碱度，使水体保持弱酸性到中性，此时主要通过植物吸收及同化作用而除磷，当微生物净化区(12)中填充的糠醛渣和钢渣累积的高度和植物生长区(11)基质齐平或接近时，将填充的糠醛渣和钢渣清除，在一定时间后，利用磷浓度检测计检测磷浓度，达到预设浓度后打开排水管，将除磷后的水经基质层从排水管排出;
7)关闭排水管，重复上述步骤2)、3)、4)和6)。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述同时进行植物除磷和微生物除磷操作包括：
8)向微生物净化区(12)抛洒一层糠醛渣，然后抛洒一层活性污泥，通过pH值实时监测系统监测此时湿地系统水体酸碱度，然后通过加入糠醛渣、钢渣使水体保持弱酸性到中性;一段时间后再次重复糠醛渣、活性污泥抛洒以及pH调节的操作，活性污泥中微生物对污水中磷正常同化和对磷过量积累进行除磷，此时除磷主要是植物除磷和微生物除磷;当微生物净化区(12)中填充的糠醛渣、钢渣和活性污泥累积的高度和植物生长区(11)基质层顶部齐平或接近时，将填充的糠醛渣、钢渣和活性污泥清除;在一定时间后，利用磷浓度检测计检测磷浓度，达到预设浓度后打开排水管，将除磷后的水经基质层从排水管排出;
9)关闭排水管，并重复上述步骤2)、3)、4)和8)。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述单独进行植物除磷操作在植物生长期内进行。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述同时进行植物除磷和微生物除磷操作在非植物生长期内进行。
13.根据权利要求10所述的方法，其中每次抛洒活性污泥层厚约5cm。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括在步骤5)之后，重复步骤1)-5)。
说明书
一种适于低温环境利用生物高效除磷防堵工程湿地系统及方法
技术领域
本发明涉及污水生态处理领域，特别是涉及一种适于低温环境利用生物高效除磷防堵工程湿地系统及方法。
背景技术
工程湿地指由人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水处理。
工程湿地废水处理技术是20世纪七八十年代发展起来的一种污水生态处理技术，一般由人工基质和生长在其上的水生植物(如芦苇、香蒲等)组成，是一个独特的土壤(基质)-植物-微生物生态系统。当污水通过系统时，其中污染物质和营养物质被系统吸收、转化或分解，从而使水质得到净化。
湿地对磷的去除是植物吸收、微生物去除及物理化学作用三方面共同作用的结果。废水中无机磷在植物吸收及同化作用下可变成植物的ATP、DNA和RNA等有机成分，通过植物的收割而去除;物理化学作用包括填料对磷的吸附及填料与磷酸根离子的化学反应，这种作用对无机磷的去除会因填料的不同而有差别。由于石灰石及含铁质填料中Ca和Fe可与PO43-反应而沉淀去除PO43-，因而它们是除磷效果较好的填料。含钙质或铁质的地下水渗入人工湿地也有利于磷的去除。微生物对磷的去除包括它们对磷的正常同化和对磷的过量积累。在一般二级污水处理系统中，当进水磷含量为10mg/L时，微生物对磷的同化吸收去除仅是进水总磷量的4.5%～19%，所以，微生物除磷主要是通过强化后对磷的过量积累来完成的。
上述三种作用对磷的去除能力是不同的，一般以植物对磷的吸收作用为主。但是在替换工程湿地填充的基质时，也将种子库及已生根的植株带出了湿地，这将导致工程湿地除磷效果大大降低或者工程湿地短期内不可使用。同时，工程湿地存在占地面积大的缺点。
另外，当环境温度较低时，生物的活动例如代谢活动就会变弱，例如，5℃经常被认为是“生物学零度”低于这个温度，生物活动就会停滞或相当慢，从而减慢生物除磷的速度或者完全停滞。
因此，需要新的除磷技术，以消除现有技术中存在的至少部分技术问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适于低温环境利用生物高效除磷防堵工程湿地系统及方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种适于低温环境利用生物高效除磷防堵工程湿地系统，包括除磷系统10、透明保温棚20以及热气体供应系统30，
其中，所述除磷系统10包括：多个植物生长区11、微生物净化区12、隔离层13和防渗层14以及排水管15;
其中所述植物生长区11包括基质层和生长在基质层上的植物;所述基质层包含从上往下或者说顺水流方向颗粒物粒径依次变大的四层：第一层111为土壤层，厚度25～30cm;其中第二层112基本被第一层包封，其粒径为0.05～0.3cm，厚度25～30cm,第三层113基本被第二层包封，其粒径为1～1.5cm,厚度25～30cm，第四层114基本被第三层包封，其粒径为2.8～3.6cm,厚度25～30cm;
所述微生物净化区12用于微生物除磷，所述多个植物生长区11相互间隔地位于所述微生物净化区12之中;
所述隔离层13设置于所述第一层111的侧面上，包含上下两层金属丝网层以及中间的短纤土工布层;
所述防渗层14设置于所述系统的底部及四周;
所述排水管设置在所述基质层的第四层中，用于将净化后的水排出除磷系统;
其中，所述透明保温棚20覆盖和包封所述除磷系统10;
其中，所述热气体供应系统30与所述除磷系统10联通，为所述除磷系统10提供加热的气体，例如提供加热的空气。
优选地，所述植物生长区11中的植物为两种以上不同生长期的植物，植物例如可以优选沉水植物。
优选地，所述热空气供应系统30包括气体加热装置31、气泵32以及供气管路33，供气管路33延伸进入除磷系统10并且设置在所述微生物净化区12中。
优选地，第二至第四层具有合适的压实系数，例如0.92-0.98，例如0.95等。第二至第四层中的基质可以采用建筑拆除垃圾、砂砾石或者其他合适的材料。
优选地，所述微生物净化区12中填充有基质121，该基质包括选自糠醛渣、钢渣、或包括糠醛渣、钢渣和活性污泥。糠醛渣和钢渣可以具有适当的粒径，例如分别具有2mm-8mm以及5mm-20mm的粒径。
优选地，所述金属丝网层为不锈钢丝网层。
优选地，所述短纤土工布的单位面积质量为约350-450g/m2，优选为400g/m2。
优选地，所述第一层至第四层各层斜坡坡比为约1:1～1:4，优选1:1.5。
优选地，所述植物生长区11中的植物115选自狐尾藻、小茨藻、水毛茛、马来眼子菜、轮藻、黑藻等。
根据本发明另一方面，还提供一种适于低温环境利用生物高效除磷防堵工程湿地系统来进行除磷的方法，包括以下步骤：
1)在植物生长区11栽种所述植物;植物生长区与微生物净化区交替设置，并且植物生长区高于微生物净化区。
2)将待处理污水通过微生物净化区12排入湿地系统，控制水位在植物生长区11基质层顶端处水深约70-90cm，优选80cm;
3)启动热气体供应系统，将加热的空气通入除磷系统中待处理水体，使水体达到预定的温度
4)进行除磷操作，所述除磷操作包括单独进行植物除磷操作或者同时进行植物除磷和微生物除磷操作;
5)当植物生长到一定高度后，收割并清出湿地系统。
优选地，所述单独进行植物除磷操作包括：
6)向微生物净化区12加入糠醛渣和钢渣，并通过pH值实时监测系统来监测湿地系统的水体酸碱度，使水体保持弱酸性到中性，此时主要通过植物吸收及同化作用而除磷，当微生物净化区12中填充的糠醛渣和钢渣累积的高度和植物生长区11基质齐平或接近时，将填充的糠醛渣和钢渣清除，在一定时间后，利用磷浓度检测计检测磷浓度，达到预设浓度后打开排水管，将除磷后的水经基质层从排水管排出;
7)关闭排水管，重复上述步骤2)、3)、4)和6)。
优选地，所述同时进行植物除磷和微生物除磷操作包括：
8)向微生物净化区12抛洒一层糠醛渣，然后在抛洒一层活性污泥，通过pH值实时监测系统监测此时湿地系统水体酸碱度，然后通过加入糠醛渣、钢渣使水体保持弱酸性到中性;一段时间后再次重复糠醛渣、活性污泥抛洒以及pH调节的操作，活性污泥中微生物对污水中磷正常同化和对磷过量积累进行除磷，此时除磷主要是植物除磷和微生物除磷;当微生物净化区(12)中填充的糠醛渣、钢渣和活性污泥累积的高度和植物生长区(11)基质层顶部齐平或接近时，将填充的糠醛渣、钢渣和活性污泥清除;在一定时间后，利用磷浓度检测计检测磷浓度，达到预设浓度后打开排水管，将除磷后的水经基质层从排水管排出;
9)关闭排水管，并重复上述步骤2)、3)，4)和8)。
优选地，其中所述单独进行植物除磷操作在植物生长期内进行。
其中所述同时进行植物除磷和微生物除磷操作在非植物生长期内进行。
优选地，其中每次抛洒活性污泥层厚约5cm。
优选地，所述同时进行植物除磷和微生物除磷操作中，每次抛洒的一层糠醛渣厚约5cm。
优选地，所述方法，还包括在步骤5)之后，重复步骤1)-5)。
有益效果：本发明通过将除磷系统分为植物生长区和微生物净化区，且植物生长区基质从上往下或者说顺水流方向颗粒物粒径依次变大，造成颗粒物之间的间隙从上往下或者说顺水流方向越来越大，另外基质化学性质稳定不易产生化学沉淀物，进而使植物生长区基质内不易发生堵塞，堵塞物多被截留在基质表面，基质起到了滤杂质且可排水的目的，使得植物生长区基质大多只需更换表层或者不需要更换，延长了植物生长区基质的使用寿命，而微生物除磷的微生物净化区基质的更换不会对植物除磷产生影响，所以解决了替换工程湿地填充的基质将种子库及已生根的植株带出了湿地而导致工程湿地除磷效果大大降低或者工程湿地短期内不可使用的问题;水比热容大，温度变化慢，有利于沉水植物生长，进而有利于除磷。
直接向待处理水体排入加热后的空气，不仅可以实现对待处理水体进行加热和富氧的作用以利于微生物和植物生长，而且带有余温的气泡从水体表面冒出，使塑料薄膜保温棚内气温不至于过低从而使水面结冰，进而影响沉水植物的光合作用，另外相比于用暖气管道供热曝气管富氧，直接用加热后的气体曝气可以减少管道铺设，减少成本。
糠醛渣不仅可以和钢渣配合使用调整除磷系统水体酸碱度，而且可以为微生物的代谢和繁殖提供有机物，一般情况下在弱酸性到中性时，磷的生物可利用性最高。分层添加活性污泥、糠醛渣、钢渣是因为活性污泥与除磷系统水体接触面积一定，加入过多则会导致之后采用挖泥船清淤量较大，使得微生物净化区基质利用更加充分。
另外，糠醛渣、钢渣因有较大比表面积，可为微生物提供大量附着点，有益于微生物的生长和代谢，且能过滤净化水体。
采用不同生长期植物搭配种植，延长除磷系统利用植物吸收除磷的时间。利用建筑拆除垃圾作为基质，以及活性污泥、糠醛渣、钢渣的利用，实现了废物的资源化。（发明人王宏亮;单洪亮;黄卓;吕明浩;张琳;杜永仓）
