复合流人工浮岛水体净化的方法及装置 【技术领域】
本发明属一种治理污水的方法及装置，具体涉及一种人工浮岛治理污水的方法及装置。
背景技术
水体富营养化是人类面临的主要环境问题之一，也是困扰我国多年的环境问题之一。水体富营养化主要是由点源污染和面源污染中的氮、磷引起的。点源污染主要是由于目前我国的市政设施还不完善，城市污水处理厂的建设还不能适应经济社会发展的需要，全国城市生活污水处理率仅为37.4％，很大一部分未经处理的污水直接排入河流、湖泊等受纳水体中；面源污染主要是由于农业施用的氮肥、磷肥不能完全被植物所利用，在降水过程中随地表径流进入受纳水体中，引起水体氮磷浓度升高，导致水体富营养化。
由于目前没有能力将所有的污水收集处理，也不可能阻止氮肥、磷肥的施用，所以常采用河道直接净化技术，即通过一定的技术手段使污水在流过河道的过程中得到净化，减少氮、磷含量，从而降低进入湖泊的营养物质总量。目前河道直接净化技术主要包括河流曝气增氧、植物修复带、人工湿地、生物膜技术、微生物制剂技术和人工浮岛技术。前几种技术由于存在净化效率低、投资高、灵活性差等缺点，限制了其大规模的推广使用。现有人工浮岛技术则具有投资省、灵活性高、对河道水体中氮的净化效果好的优点，但其缺点在于对磷的净化效果很差，因此需要进一步开发具有同时高效脱氮除磷功能的人工浮岛技术。
本发明就是针对这一点，在现有人工浮岛基础上开发出的同时具有高效脱氮除磷功能的复合流人工浮岛净水技术。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种具有高效脱氮除磷功能的复合流人工浮岛水体净化的方法及装置，通过物理、化学、植物及微生物等作用使水体得到充分的净化。
解决上述问题的技术方案是：
本发明方法包含下述内容：
1、设置人工浮岛；
2、在人工浮岛上设置由填充颗粒填料形成的颗粒紧密堆积体填料区，为微生物的生长提供载体；
3、所述的颗粒紧密堆积体填料区在人工浮岛下部空间里分散分布，在若干散布的颗粒紧密堆积体填料区之间的空间里设置稀疏填料，构成流速明显高于颗粒紧密堆积体填料区渗透流速的稀疏填料区，从而在人工浮岛里形成水流阻滞力不同的复合填料区，利用水体所流过的不同填料区具有不同的水流阻滞力，在人工浮岛内形成具有水力联系的不同的溶解氧区域，当水流穿过稀疏填料区域和颗粒紧密堆积体填料区后能够在不同种群的微生物的作用下进行脱氮和去除污染物；
4、所述的颗粒紧密堆积体填料区在人工浮岛上部整片或分片分布，并在其上种植湿生挺水植物，使水流流过颗粒紧密堆积体填料时，水中的污染物与颗粒填料发生吸附、共沉淀，被植物及填料上附着的微生物代谢去除。
为了使上述颗粒紧密堆积体填料区既能具有较大的比表面积，又具有一定的透水性，填料区填充的颗粒填料粒径可选择0.1-50mm。
上述颗粒紧密堆积体填料区里填充的颗粒填料可以是生物陶粒和/或沸石填料和/或石英砂和/或其它类似的颗料填料。
上述的稀疏填料可以是纤维束填料和/或组合填料和/或弹性填料和/或其它松散填料。
本发明装置结构为：设有人工浮岛框架(3)，其特征在于：所述人工浮岛框架内设有具有一定透水性和较大比表面积的颗粒填料区(6)，颗粒填料区内填充有紧密堆积的颗粒填料(6a)，所述的颗粒填料区在人工浮岛框架下部是分散分布，散布颗粒填料区(6c)之间的空间里设有过流性好的稀疏填料(7a)，形成能使流过其的水流速度明显高于颗粒填料区渗透流速的稀疏填料区(7)，所述的颗粒填料区在人工浮岛框架上部是整片或分片分布，形成可种植湿生挺水植物的上层颗粒填料区(6b)，框架上装有浮子。
本发明涉及的人工浮岛为复合式填料结构，由两种性质不同的填料区构成，可以直接构建在河流、湖泊等地表水体上。
浮岛上设置的紧密堆积的颗粒填料区有较大比表面积，具有挂膜吸附作用，能够为微生物的生长提供载体，利用其较强的挂膜能力和吸附、共沉淀作用使水中地污染物被填料上附着的微生物代谢去除，去除水体中的有害物质，净化水体；
为保证人工浮岛系统的过流量，所述的颗粒填料区在框架下部是分散分布，散布的颗粒填料区之间设置了稀疏填料区，本发明设置两种填料区，可在人工浮岛框架内形成水流阻滞力不同的复合填料区，使水流形成多孔介质渗流与空间连续性水流并存的复合流。颗粒填料区对水流具有一定的阻滞作用，水流在颗粒紧密堆积体中流动速度相对较缓，呈渗流状态，从而使颗粒填料区域主要处于缺氧/厌氧状态；而水流在稀疏填料内部流动速度相对较快，使得稀疏填料区域主要处于好氧状态，从而在人工浮岛填料区域内形成具有水力联系的不同的溶解氧区域，当水流穿过稀疏填料区域和颗粒紧密堆积体后能够在好氧、厌氧菌的作用下进行高效的脱氮和去除有害物质。
由于颗粒紧密堆积体可采用压实堆积填充的方式，因此植物可以直接栽种在其上，本发明在上层颗粒填料区种植湿水挺水植物，利用挺水植物在生长过程中能够摄取水体中的氮、磷，进一步达到净化水体的目的。此外，颗粒填料在温度较低的季节，对挺水植物根系具有保温作用。尽管北方冬季植物枯萎死亡，但由于颗粒填料的存在，使得挺水植物在第二年春天能够复苏，避免了每年春季植物需重新栽种的麻烦
采用本发明对河流、湖泊等富营养化地表水体进行处理，能取得高效脱氮除磷的效果，而且具有运行稳定、使用灵活、投资运行费用低、管理方便、美观实用等优点，对受点源、面源污染导致氮、磷浓度较高的河流、湖泊进行治理，能够在一定程度上降低水环境中的营养物质负荷，减轻富营养化水平。
【附图说明】
图1、本发明装置实施例结构示意图
图2、图1的A向结构示意图
图3、本发明实施例单元生物颗粒填料体结构示意图
图4、“钟乳状”混合填料区内模拟水流流态图
图5、单一填料区内模拟水流流态图
1-挺水植物 2-植物根系 3-框架 4-筛网 5-筛网支撑架6-颗粒填料区 6a-颗粒填料 6b-上层颗粒填料区 6c-散布颗粒填料区7-稀疏填料区 7a-稀疏填料 8-钢丝 9-气泵 10-曝气管11-曝气头 12-气阀 13-浮子 14-绳索 15-锚桩
【具体实施方式】
本例设有人工浮岛框架3，作为整个系统的支撑体，浮岛上的颗粒填料6a填充在由筛网支撑架5支撑的筛网4内，形成颗粒填料区6。
本例在人工浮岛框架内下部设有若干柱状的散布颗粒填料区6c，其上端与上层连成片的颗粒填料区6b连为一体，使人工浮岛内的整体颗粒填料区6呈钟乳石状。这种结构可增加颗粒填料与水流的交换量。
人工浮岛内的整体颗粒填料区6是由8个单元颗粒填料体组合而成，每个单元颗粒填料体上部6b1的截面大于下部的截面，各单元颗粒填料体上部6b1组合成可种植湿生挺水植物的上层颗粒填料区6b，每个单元颗粒填料体下部呈向下延伸的柱体6c1，各单元颗粒填料体下部柱体之间的空间里装有稀疏填料7a，形成稀疏填料区7。
每个单元颗粒填料体上部6b1可以大致呈倒圆锥形或倒方锥形或倒圆台形，本例单元颗粒填料体上部6b1呈方板块状，方板块下部设有截面小于方板块截面、向下延伸的柱体6c1，方板块6b1与柱体6c1通过截面从上向下渐缩的锥体6d1连为一体，每个单元颗粒填料体外形呈上大下小的漏斗状，8个单元颗粒填料体上部6b1方板块拼合成连成片的所述人工浮岛框架内上部的上层颗粒填料区6b，下部的柱体6c延伸到框架底部(也可延伸到水底)，颗粒填料柱体6c之间的空间里装有稀疏填料填料7a，形成稀疏填料区7。
人工浮岛框架尺寸为：长×宽×高＝2m×1m×1m，每个单元颗粒填料体上部的方形板块6b1尺寸为：长×宽×高＝0.5m×0.5m×0.1m，锥体6d1部分厚度为0.1m，柱体部分的高度为0.8m，柱体6c1横截面呈方形，尺寸为：0.2m×0.1m。8个单元颗粒填料体上部的方形板体拼合成2m×1m×0.1m的上层颗粒填料区6b，上层颗粒填料区下部延伸到框架空腔底部的颗粒填料柱体6c分别通过锥体部分与上层颗粒填料区连为一体。
每个单元颗粒填料体均是由形状与单元颗粒填料体外形相同的筛网4填充颗粒填料6a构成，这样可以将事先预制好的单元颗粒填料体在人工浮岛上现场拼合成所需的钟乳状颗粒填料区6，筛网4固定于设在框架内的筛网支撑架5上。
前面所述组成整体颗粒填料区的单元颗粒填料体是呈上大下小的形状，使其上部可以组合成连成一片(如方形可连成片)或虽然不能连成片(如圆形)但分布比较密集的上层颗粒填料区，用于种植更多的湿生挺水植物。
也可将单元颗粒填料体设计成上下直径一致的形状，但这种情况下单元颗粒填料体的直径也应相应增大，以保证其上部有足够的面积种植湿生挺水植物。
人工浮岛框架3及筛网支撑架5由PVC管材制成。筛网4采用镀锌网。
本例颗粒填粒区填充的颗粒填料6a是粒径为3-8mm的生物陶粒，含有：
SiO2 60-65％；CaO和/或MgO 3-5％；Al2O3 17-22％；Fe2O3 5-8％。
上述陶粒中所含SiO2、CaO、MgO、Al2O3及Fe2O3等成分，能够通过吸附共沉淀作用去除水体中的磷，弥补了目前人工浮岛对磷净化效果差的不足。
本发明方法中所述颗粒紧密堆积体填料区要求有较大的比表面积，是为了能够形成较大的挂膜面积，填充颗料的粒径越小，比表面积会越大，但粒径过小，会使堆积体填料区的透水性过小，虽然本发明所要设置的是由小过流量填料区与大过流量填料区组成的复合填料区，但小过流量流量区也需要有一定的透水性，才能发挥其净化功能，所以颗粒紧密堆积体填料区的颗粒粒径的选择既要保证该填料区有较大的比表面积，又要保证有一定的透水性，通常该填料区的颗粒填料粒径应在0.1-50mm为宜，优选方案是粒径为1-20mm。
框架内下部颗粒填料柱体之间的空腔里设有若干纤稀疏填料7a，形成稀疏填料区7，本例采用的稀疏填料是纤维束组合填料，即由安装在塑料骨架上的纤维束填料组成，纤维束组合填料上端挂在上部的筛网上，下端与框架下部设置的钢丝8相对固定。
纤维束组合填料7a单片直径为15cm，安装中心间距为20cm。
纤维束组合填料具有挂膜能力强，过流能力好的特点。
本例的湿本生挺水植物1选择香蒲和芦苇，栽种于上层颗粒填料区6b之上，种植密度为38～40株/平方米，种植比例为1∶1，其中进水一侧种植香蒲，出水一侧种植芦苇，其植物根系2可深入布满整个生物颗粒填料区6，并可进一步穿过筛网4生长在整个人工浮岛基质区域内。
人工浮岛进水端安装有包括气泵9、曝气管10、曝气头11的曝气装置，通过控制气阀12控制曝气量的大小。气泵9固定在人工浮岛进水端框架3上，曝气头11位于深入框架0.6m处位置，实际应用中，可调整气阀12控制气水比为10∶1。曝气装置可进一步提高水体中的溶氧度，提高水体净化效果。
本发明在人工浮岛上设置了两种填料区，经过对两种填料的填充形状及尺寸进行试验，采用本例“钟乳状”填充方式可以在人工浮岛框架内形成水流阻滞力不同的复合填料区，使水流形成多孔介质渗流与空间连续性水流并存的复合流，这种复合流呈立体曲变状水流(图4)，使水体在流过人工浮岛系统时反复穿过不同溶解氧含量的填料区域，即颗粒填料区域和纤维束组合填料区域，从而在好氧/厌氧菌的作用下实现高效的脱氮除磷功能。若水流流过的区域只有一种填料，则不能形成这种立体曲变状水流(图5)，净化效果远不及本例采用“钟乳状”填充方式的净化效果。
人工浮岛框架3两侧设有浮子13，使人工浮岛能够在浮力的作用下悬浮于水体表面，浮子为空心圆桶，其大小根据人工浮岛系统质量进行计算。使用中，人工浮岛通过绳索14固定在河床或湖泊底部的锚桩15上。
本例生物颗粒填料孔隙率为40％，总填充体积为0.4m3，有效容积为0.16m3，纤维束组合填料总填充体积为1.6m3，有效容积为1.5m3，人工浮岛系统总有效容积为1.66m3，水力停留时间为42h，日处理量为0.95m3/d。实施例采用连续进水方式，进水为北运河河水，水力停留时间为42h，经三个月的连续运行，原水水质和经过本系统处理后的出水水质中各污染物平均浓度见表1。
表1进出水水质表
水质指标 NH4+-N NO3--N NO2--N 总无机氮 TP 进水平均值(mg/L) 9.80 1.72 0.22 11.74 1.69 出水平均值(mg/L) 0.43 0.8 0.1 1.33 0.23 平均去除率(％) 95.6 53.5 54.6 88.7 83.0
如表1所示，复合流人工浮岛水体净化技术能够有效的去除水体中的氮、磷。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。