公布日：2022.04.15
申请日：2021.12.28
分类号：C02F3/32(2006.01)I;C02F3/34(2006.01)I;C02F3/02(2006.01)I
摘要
本发明提供涉及一种人工湿地污水处理方法。采用曝气/布水一体化装置对垂直潜流湿地进行曝气和布水，曝气/布水一体化装置包括曝气/布水一体管以及曝气风机，曝气/布水一体管包括设置在垂直潜流湿地的下部的布水管、设置在布水管中的微米曝气管，布水管和微米曝气管之间形成有间隙；按照气水体积比为(1～2)：1使空气或氧气进入微米曝气管，使待处理水进入间隙，空气或氧气与待处理水在间隙内混合并形成带气泡的待处理水，带气泡的待处理水进入垂直潜流湿地进行净化处理。本发明能够在提高内部氧转移效率的同时，降低人工潜流湿地系统的占地面积；在高水力负荷条件下，也具有较优异的水处理效果。
权利要求书
1.一种人工湿地污水处理方法，其特征在于，其采用曝气/布水一体化装置对垂直潜流湿地进行曝气和布水；所述曝气/布水一体化装置包括曝气/布水一体管以及曝气风机，所述曝气/布水一体管包括设置在所述垂直潜流湿地的下部且开设有多个布水孔的布水管、设置在所述布水管中且自所述布水管的一端延伸至另一端的微米曝气管，所述布水管和所述微米曝气管之间形成有供水流通的间隙；按照气水体积比为(1-2)：1使空气或氧气进入所述微米曝气管，使待处理水进入所述间隙，所述空气或氧气与所述待处理水在所述间隙内混合并形成带气泡的待处理水，所述带气泡的待处理水进入所述垂直潜流湿地进行净化处理且部分所述空气或氧气以气泡的形式上行至所述垂直潜流湿地的上部。
2.根据权利要求1所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述间隙的进水口的进水流速小于等于0.3m/s。
3.根据权利要求2所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述布水管的管径为100mm-200mm，所述曝气管的管径为16mm-28mm。
4.根据权利要求3所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述布水管具有0.2％-0.5％的水力坡度。
5.根据权利要求1所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述布水孔的孔口流速小于等于0.1m/s。
6.根据权利要求5述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述布水孔的孔径为8mm-20mm，所述布水管的开孔率为0.5％-1.2％。
7.根据权利要求1所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述垂直潜流湿地的水力负荷为1.5-3.5m3/(m2•d)；所述带气泡的待处理水在填料层中的水力停留时间为2-7h。
8.根据权利要求1所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述带气泡的待处理水以与竖直方向呈30-60°夹角向下进入所述填料层。
9.根据权利要求8所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述布水管具有两排所述布水孔，一排位于所述布水管的前侧面的下半部分，另一排位于所述布水管的后侧面的下半部分，所述布水孔在所述布水管的前后方向上间隔设置，所述布水管具有圆形横截面，在所述布水孔的中心所在的圆形横截面上，所述布水孔的中心与所述圆形横截面的圆心的连线和过所述圆形横截面的圆心且沿上下方向延伸的直线之间形成的夹角α的角度为30-60°。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，当所述布水管的长度小于等于15m，所述微米曝气管的管径为16-20mm；或，当所述布水管的长度大于15m且小于等于25m，沿所述微米曝气管中气体流动方向，所述微米曝气管包括管径为20mm-28mm的第一管部、与所述第一管部相连通的管径为16mm-20mm第二管部；或，当所述布水管的长度大于25m且小于等于35m，沿所述微米曝气管中气体流动方向，所述微米曝气管包括管径为25mm-28mm的第一管部、与所述第一管部相连通的管径为20mm-25mm第二管部、以及与所述第二管部相连通的管径为16mm-20mm的第三管部。
11.根据权利要求1所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述填料层使用的填料为钙质公分石、沸石、火山岩、碎石中的一种或多种；所述填料层的上端部种植挺水植物。
12.根据权利要求1所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述待处理水经配水渠进入所述间隙，净化处理后自所述垂直潜流湿地的上部通过溢流进入集水渠，所述配水渠和所述集水渠分别位于所述垂直潜流湿地的两侧，所述垂直潜流湿地的上部和所述集水渠溢流连接，所述曝气/布水一体管的一端位于所述配水渠中且所述间隙与所述配水渠相连通，所述曝气/布水一体管的另一端位于所述集水渠中且与所述集水渠密封固定连接，所述曝气/布水一体管的另一端设有可拆卸密封部件；所述垂直潜流湿地的溢流口位于所述填料层的上方且距离所述填料层的上表面的距离为0.2m-0.3m。
13.根据权利要求1或12所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述曝气/布水一体化装置包括多根沿所述填料层的前后方向间隔且两两相互平行排布的曝气/布水一体管，每根所述曝气/布水一体管均沿所述填料层的左右方向延伸，每根所述曝气/布水一体管的所述微米曝气管分别与所述曝气风机相连通。
14.根据权利要求13所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，所述填料层包括一个或多个填料层分区，每个所述填料层分区的面积为300m2-1000m2，每个所述填料层分区中设置1-4组所述曝气/布水一体化管，每组包括3-10根间隔排列且两两相互平行的所述曝气/布水一体管，同组中所有所述微米曝气管通过输气管道与所述曝气风机相连通，所述输气管道包括分别与一根所述微米曝气管相连通的多根支管，以及与所述多根支管相连通的总管，所述总管与所述曝气风机相连通。
15.根据权利要求1所述的人工湿地污水处理方法，其特征在于，单根所述曝气/布水一管的服务面积不超过65m2。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在提高内部氧转移效率的同时，能够降低人工潜流湿地系统的占地面积和降低维护成本；在提高水力负荷而不提高曝气量的前提下，也具有较优异的水处理效果的人工湿地污水处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种人工湿地污水处理方法，
其采用曝气/布水一体化装置对垂直潜流湿地进行曝气和布水；
所述曝气/布水一体化装置包括曝气/布水一体管以及曝气风机，
所述曝气/布水一体管包括设置在所述垂直潜流湿地的下部且开设有多个布水孔的布水管、设置在所述布水管中且自所述布水管的一端延伸至另一端的微米曝气管，所述布水管和所述微米曝气管之间形成有供水流通的间隙；
按照气水体积比为(1-2)：1使空气或氧气进入所述微米曝气管，使待处理水进入所述间隙，所述空气或氧气与所述待处理水在所述间隙内混合并形成带气泡的待处理水，所述带气泡的待处理水进入所述垂直潜流湿地进行净化处理且部分所述空气或氧气以气泡的形式上行至所述垂直潜流湿地的上部。
发明人通过对曝气系统和布水系统进行改造结合做成曝气/布水一体化装置，在不提高曝气功率以及曝气量的前提下，在潜流湿地系统中实现水气同路通过填料层，并具有较高的氧转移效率，部分气泡能够穿过填料层到达水面，填料层中形成较强且稳定的好氧环境，从而提高硝化能力。在高氧转移效率条件下，大量气泡进入填料层，通过气泡擦洗能够减少填料层堵塞风险，延长湿地使用寿命，并降低后期填料翻洗等运行维护费用；同时在高氧转移效率条件下，可适当增加填料层的高度，不需要显著增加曝气装置的功率，也有部分气泡能够到达水面，因此在相同的体积下，占地面积减小，相比常规湿地处理系统，达到相同或更好的污水处理效果所需的能耗更低。
优选地，所述间隙的进水口的进水流速小于等于0.3m/s。
本发明中，所述的管径均是指内径(DN)。
传统布水穿孔管的管径为DN50mm-DN100mm，流速为1.5m/s-2.0m/s，若将本发明的布水管换成传统布水穿孔管，那么潜流湿地靠近进水口的前端约37％区域中未见气泡未进入填料层。
进一步优选地，所述布水管的管径为100mm-200mm，进一步优选为100mm-150mm；
且进一步优选地，所述微米曝气管的管径为16mm-28mm。
进一步优选地，所述布水管的管径减去所述微米曝气管的管径后的值为75mm-122mm。
优选地，所述布水管具有0.2％-0.5％的水力坡度，即沿所述布水管中水流方向，所述布水管在所述填料层中倾斜向下延伸，所述布水管的两端的高度差为所述布水管的长度的0.2％-0.5％，可使布水更加均匀。
进一步优选地，所述布水管具有0.2％-0.35％的水力坡度。
优选地，所述布水孔的孔口流速为小于等于0.1m/s。
进一步优选地，所述布水孔的孔径为8mm-20mm，进一步优选为10mm-20mm。
传统布水穿孔管布水孔的孔口流速大于等于1m/s，约50％以上的气泡在布水管内直接溶气，未进入填料层。
进一步优选地，所述布水管的开孔率为0.5％-1.2％，进一步优选为0.6％-1.0％。传统布水穿孔管开孔率为0.05％-0.3％，当开孔率为0.08％时，约56％的气泡在布水管内直接溶气，未进入填料层。
布水管和微米曝气管的管径调整结合布水孔的孔径的调整，可以有效降低气泡在间隙中直接溶解，使大量气泡计入填料层。
传统布水穿孔管的管径为DN50mm-DN100mm，孔径为5mm-10mm，开孔率为0.05％-0.3％，气泡在传统布水穿孔管中的溶解量较大，需要不断加大曝气量，才能保证部分氧气能够以气泡的形式转移至垂直潜流湿地的上端部，能耗大大提高，水处理成本显著增加。
所述微米曝气管为市场常规成品曝气管。
优选地，所述垂直潜流湿地的水力负荷为1.5-3.5m3/(m2•d)。
优选地，所述带气泡的待处理水在填料层中的水力停留时间为2-7h。
优选地，所述带气泡的待处理水以与竖直方向呈30-60°夹角向下进入所述填料层。
布水管中水以斜向填料层底部的方向进入填料层中，气泡和水以潜流方式向上流经填料层到达水面，经此调整，整个填料层中气泡分布更加均匀，部分气泡能够穿过填料层到达水面。
进一步优选地，所述布水管具有两排所述布水孔，一排位于所述布水管的前侧壁的下半部分，另一排位于所述布水管的后侧壁的下半部分，所述布水孔在所述布水管的前后方向上间隔设置，所述布水管具有圆形横截面，在所述布水孔的中心所在的圆形横截面上，所述布水孔的中心与所述圆形横截面的圆心的连线和过所述圆形横截面的圆心且沿上下方向延伸的直线之间形成的夹角α的角度为30-60°。
进一步优选地，布水孔的中心与所述圆形纵截面的圆心的连线和过所述圆形横截面的圆心且沿上下方向延伸的直线之间形成的夹角α的角度为40-50°。
根据一些具体且优选的实施方式，当所述布水管的长度小于等于15m，所述微米曝气管的管径为16-20mm。
根据另一些具体且优选的实施方式，当所述布水管的长度大于15m且小于等于35m，所述微米曝气管由2-3段不同管径的微米曝气管依次相连而成，相邻的两段所述微米曝气管中，处于上游的所述微米曝气管的管径大于处于下游的所述微米曝气管的管径，处于上游的所述微米曝气管的长度为处于下游的所述微米曝气管的长度的的1.2-2倍。
进一步优选地，处于上游的所述微米曝气管的管径为处于下游的所述微米曝气管的管径的1.1-1.8倍，再进一步优选为1.1-1.6倍。
根据一些具体实施方式，当所述布水管的长度大于15m且小于等于25m，沿所述微米曝气管中气体流动方向，所述微米曝气管包括管径为20mm-28mm的第一管部、与所述第一管部相连通的管径为16mm-20mm的第二管部。
更进一步地，所述第一管部和所述第二管部的长度之比为(1.5-2)：1。
根据另一些具体实施方式，当所述布水管的长度大于25m且小于等于35m，沿所述微米曝气管中气体流动方向，所述微米曝气管包括管径为25mm-28mm的第一管部、与所述第一管部相连通的管径为20mm-25mm的第二管部、以及与所述第二管部相连通的管径为16mm-20mm的第三管部。
更进一步地，所述第一管部、所述第二管部、所述第三管部的长度之比为(1.5-2)：(1.2-1.5)：1。
当布水管较长时，将微米曝气管分段设置，且相邻两段微米曝气管中位于下游的微米曝气管的管径小于位于上游的微米曝气管的管径，能够保证湿地出水末端仍有大量气泡穿过填料层到达水面。
布水管最好不要超过35m主要是因为潜流湿地的填料层或填料分区与布水管平行的侧面的长度不能超过35m，实践中发现，超过35m时，潜流湿地远离进水口的末端会发生潜流，例如，当潜流湿地长度45m时，潜流湿地远离进水口的末端约有18％区域发生短流。
根据一些具体且优选地实施方式，若布水管的长度≤15m时，选择管径DN16mm的微米曝气管1级布设。
根据另一些具体且优选地实施方式，若布水管的长度为15m-25m时，选择管径DN25mm、管径DN20mm、管径DN16mm中的任意两种不同管径的微米曝气管分2级布设，布设时，沿微米曝气管中气体流动方向，相邻两段微米曝气管中位于上游的微米曝气管的管径大于位于下游的微米曝气管的管径。
根据另一些优选地实施方式，若布水管的长度为25m-35m时，选择管径DN28mm、管径DN25mm、管径DN20mm、管径DN16mm中的任意两种不同管径的微米曝气管分3级布设，同样的，布设时，沿微米曝气管中气体流动方向，相邻两段微米曝气管中位于上游的微米曝气管的管径大于位于下游的微米曝气管的管径。此时若采用1级布设，效果明显变差，例如当潜流湿地与布水管平行的侧面的长度为27m，采用管径DN20mm的微米曝气管直接1级铺设在布水管内，潜流湿地远离进水口的末端约22％区域中气泡数量比靠近进水口的前端约少32％。
优选地，相邻两段所述微米曝气管通过空气软管连通，保障其密封性、连通性。所述空气软管的长度相对所述曝气管的总长可忽略不计。
优选地，填料层可采用常规人工湿地填料，包括但不限于钙质公分石、沸石、火山岩、碎石中的一种或多种。
优选地，所述填料层的上端部种植挺水植物。所述挺水植物包括但不限于香蒲、水葱。
根据一些具体且优选地实施方式，所述待处理水经配水渠进入所述间隙，净化处理后自所述垂直潜流湿地的上部通过溢流进入集水渠，
所述配水渠和所述集水渠分别位于所述垂直潜流湿地的两侧，所述垂直潜流湿地的上部和所述集水渠溢流连接，所述曝气/布水一体管的一端位于所述配水渠中且所述间隙与所述配水渠相连通，所述曝气/布水一体管的另一端位于所述集水渠中且与所述集水渠密封固定连接，所述曝气/布水一体管的另一端设有可拆卸密封部件，
所述垂直潜流湿地的溢流口位于所述填料层的上方且距离所述填料层的上表面的距离为0.2m-0.3m。
曝气/布水一体管的另一端可以打开，便于维护，具体地，所述可拆卸密封部件包括但不限于法兰盲板。
当所述微米曝气湿地系统组装完毕后，可通过调节配水渠的进水量来调节进水口流速以及布水口流速等，从而调节水力停留时间，保证污水处理效率。
优选地，所述曝气/布水一体化装置包括多根沿所述填料层的前后方向间隔且两两相互平行排布的曝气/布水一体管，每根所述曝气/布水一体管均沿所述填料层的左右方向延伸，每根所述曝气/布水一体管的所述微米曝气管分别与所述曝气风机相连通。
进一步优选地，所述多根曝气/布水一体管分为一组或多组，每组包括两根或两根以上的所述曝气/布水一体管，同组中所有所述微米曝气管通过输气管道与所述曝气风机相连通，所述输气管道包括分别与一根所述微米曝气管相连通的多根支管，以及与所述多根支管相连通的总管，所述总管与所述曝气风机相连通。
进一步优选地，所述微米曝气管的进气口与所述输气管通过快速接头相可拆卸的连接，组装和拆卸十分方便。
在一些实施方式中，在总管和/或支管上设置控制阀门，控制阀门与控制系统电连接，实现自动化控制曝气启停或曝气量。
在另一些实施方式中，将控制系统与曝气风机连接，实现自动化控制曝气风机的运行，达到自动化调整曝气操作的目的。
在实际应用时，可根据湿地系统的规模设置垂直潜流湿地的规格，根据垂直潜流湿地的占地面积设一组或多组曝气/布水一体管，曝气/布水一体管的数量根据需要选择。优选地，单根所述曝气/布水一管的服务面积不超过65m2。
优选地，所述填料层包括一个或多个填料层分区，每个所述填料层分区的面积为300m2-1000m2，每个所述填料层分区中设置1-4组所述曝气/布水一体化管，每组包括3-10根间隔排列且两两相互平行的所述曝气/布水一体管，同组中所有所述微米曝气管通过输气管道与所述曝气风机相连通，所述输气管道包括分别与一根所述微米曝气管相连通的多根支管，以及与所述多根支管相连通的总管，所述总管与所述曝气风机相连通。
进一步优选地，每个填料层分区分别设置独立的配水渠，可以灵活调节各填料层分区中进水口流速。
优选地，每个所述填料层分区在所述曝气/布水一体管的延伸方向上的长度不超过35m。
优选地，所述间隙的进水口的中心到所述填料层的底部的距离为所述的填料层的高度的1/5-1/3倍。
优选地，单根所述曝气/布水一体管的服务面积小于等于65m2。实际应用时，优选单根所述曝气/布水一体管的服务面积为30m2-65m2。通过对曝气/布水一体管的整体结构的调整优化，单根曝气/布水一体管的服务面积可以达到65m2且在服务面积内气泡分布较均匀。
根据一些具体实施方式，所述主管上设有控制阀门，所述曝气/布水一体化装置还包括微米曝气智能控制装置，所述微米曝气智能控制装置通过控制电缆与所述控制阀门和/或所述曝气风机相连接。
具体地，所述的微米曝气智能控制装置为曝气智能控制系统柜，通过控制电缆与控制阀门连接，用于控制阀门的逻辑控制系统，作为运行模块设置于曝气智能控制系统柜内，组成协同统一的智能控制系统，该系统应用实时控制理念、反馈+前馈串级控制策略，来进行有效的工艺调控，将关键工艺参数协同一体作为模型模拟算法的关键数据，真正有效指导控制系统的智能化的全流程调控，实现出水水质稳定达标、节能降耗、优化系统运行的功能。
具体地，所述的控制阀门为电磁阀。
本发明将布水、曝气功能集成一体化，通过调整系统结构以及水处理条件，使水气同路自填料层的下端部向上流过填料层，部分气泡可穿过填料层到达水面，达到同时均匀布水布气功能，经实践发现：
1、本发明在不提高曝气量的前提下，部分气体能够以气泡的形式从填料层的底部上行至水面，从而改善湿地系统内氧分布，形成较强、较稳定且较平衡的氧化环境，利用湿地中的基质、微生物、植物的综合作用对待处理水进行深度净化，提高有机物的分解效率和氨氮的硝化能力，最大限度的减少了湿地填料内部的有机物残留，降低填料堵塞风险。
2、在冬季低温条件下，水气同路时增加曝气量可以改善水流流态，防止结冰，同时可提高溶解氧的浓度，提高硝化反应速率。
3、本发明相比传统潜流湿地，水力负荷提高3-5倍；水力停留时间缩减50-80％，占地面积节省50％以上(具体设计参数需根据实际进水水质确定)。
4、在高水力负荷条件下，NH3-N去除率仍能维持在60％以上。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明通过对曝气湿地系统水处理方法的调整，结合结构的改进，将曝气和布水一体化，在不提高曝气功率以及曝气量的前提下，也能实现水气同路向上流经填料层，具有很高的氧转移效率，能够形成较强的好氧环境，提高湿地系统的硝化能力。并在高氧转移效率条件下，大量气泡进入填料层，通过气泡擦洗减少填料层堵塞风险，可增加填料层高度，减小占地面积，以及延长湿地使用寿命，降低后期填料翻洗等运行维护费用，同时曝气装置的能耗也更低。
（发明人：刘妍婧;郭鹏;陈希勇;彭剑峰;王晶晶;鞠佳伟）
