一种强化污水脱氮除磷的双层人工湿地系统及其操作方法 【技术领域】
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种强化污水脱氮除磷的双层人工湿地系统及其操作方法，主要利用人工湿地处理污水的方法达到强化污水脱氮除磷的目的。
背景技术
污水土地处理人工湿地技术(Constructed Wetlands，CWs)已成为一种世界关注的水污染控制技术。人工湿地最早公开报道于1904年，但正式作为一种污水处理技术，则兴起于70年代的美国、澳大利亚、荷兰、丹麦、英国等国家，而其迅速发展则为近二十年。近年来，人工湿地应用于处理村镇生活污水、控制农业面源污染和河流湖泊富营养化的研究屡见报道。
然而，传统的人工湿地污染物负荷低、占地面积大、易堵塞、供氧不足、脱氮除磷效果不理想等不足制约了人工湿地的发展速度和应用规模。
针对人工湿地污水处理系统供氧不足，目前的研究主要集中在以下几个方面：(1)筛选复氧能力强的植物，但对浓度较高、负荷大的污水处理效果不明显，也不能解决植物复氧季节性的差异；(2)增加人工湿地处理单元流程或降低负荷；(3)增加前处理，如在土地处理前增加硝化段或对污水预曝气以提高进水的溶解氧等；(4)人工湿地污水处理系统中结合人工曝气技术，补充湿地内部溶解氧，该方法可以提高植物没有长成前和冬季植物作用减弱时土地系统的处理效果，但增加了能耗和运行费用；(5)水泵提升或利用地势落差进行跌水充氧。
针对人工湿地污水处理系统反硝化效果差的特点，目前的研究主要集中在以下几个方面：(1)分段进水，以原水作为碳源；(2)增加回流系统，将部分出水回流；(3)控制条件，在介质内部形成好氧区和缺氧区。
针对人工湿地除磷效果不佳，目前的研究主要集中在以下几个方面：(1)采用絮凝沉淀等化学法对污水进行预处理；(2)在人工湿地中增加对磷素吸附能力强的填料；(3)后接土地渗滤等深度处理单元，吸附去除人工湿地出水中的磷素。
以往人工湿地的研究与应用过程中存在以下问题：以土壤或细砂为主的湿地易堵塞且污染物负荷低；单纯依靠植物复氧存在供氧不足的问题，氨氮去除效果差，而采取人工曝气又增加了能耗和运行费用；湿地后段碳源不足导致反硝化脱氮效果不理想；引入如炉渣、钢渣、石英砂等高效除磷填料主要依靠吸附作用除磷，一方面填料本身的理化性质可能对湿地植物的生长带来负面影响，另一方面吸附饱和后填料的置换导致投资成本的增加，吸附饱和后填料的处理处置具有潜在的二次污染等问题。
【发明内容】
本发明的目的之一是提供一种占地面积少、不易堵塞、脱氮除磷效果好、投资运行成本低的强化污水脱氮除磷的双层人工湿地系统，采用双层垂直流人工湿地系统，为村镇分散型污水处理提供一条有效的途径。
本发明的另一目的在于提供一种强化污水脱氮除磷的双层人工湿地系统的操作方法。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：
一种强化污水脱氮除磷的双层人工湿地系统，包括置于池体内部的上层湿地、下层湿地、为上层湿地和下层湿地提供进水的进水布水系统和出水收集系统，所述的出水收集系统的出水收集管置于下层湿地底部，所述上层湿地中填充以去除悬浮物、有机物、氨氮和磷为主要目的的矿物填料，所述下层湿地中填充以去除总氮为主要目的的利于微生物附着生长的生物填料。
所述上层湿地的上方的池体上设有溢流管，上层湿地中栽种有植物。
所述进水布水系统包括置于上层湿地上方的带有穿孔的上层布水管和置于上层湿地与下层湿地交界面的下层布水系统；所述上层布水管和下层布水系统通过直管相连通，其相交处设有流量控制阀。
所述上层湿地的矿物填料与下层湿地的生物填料之间填充有粗鹅卵石和细鹅卵石，所述下层布水系统置于所述粗鹅卵石和细鹅卵石之间。
所述下层布水系统包括带有穿孔的下层布水管、锯齿溢流布水槽和置于溢流布水槽上方的布水槽盖，所述下层布水管置于所述溢流布水槽内。
所述生物填料下方填充有粗鹅卵石，所述出水收集系统的出水收集管置于粗鹅卵石中间。
所述出水收集系统包括带有进水孔的出水收集管、出水总管和控制上层湿地液位地U形管，所述出水总管底部设有放空阀。
所述的上层湿地中的矿物填料和下层湿地中的生物填料高度比为4∶1～1∶2。
所述生物填料为直径25～50mm的多面球，其材质为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、增强聚丙烯(RPP)、聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)和聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种或几种，所述生物填料呈多面球状。
所述矿物填料为粒径为4～8mm的沸石，或石灰石，或沸石与石灰石的混合物，所述沸石和石灰石的混合体积比为4∶1～1∶4。
一种强化污水脱氮除磷的双层人工湿地系统的操作方法，包括以下步骤：
步骤a.污水通过进水布水系统进入池体内的上层湿地和下层湿地；
步骤b.进入上层湿地中的污水经上层湿地中的矿物填料吸附、微生物降解以及植物吸收等作用后进入下层湿地，并同进入下层湿地中的污水混和形成混合注水；
步骤c.混合注水经置于下层湿地中的生物填料上附着生长的微生物的降解作用最终进入下层湿地底部的出水收集管，由出水收集系统排出池体外。
所述步骤a中污水进入上层湿地和下层湿地的进水流量比为20∶1～1∶1。。
本发明具有以下有益效果：
a.湿地上层矿物填料采用粒径为4～8mm的沸石，或石灰石，或沸石和石灰石混合物，粒径恰当，相对于传统的人工湿地方法增加了污染物负荷近50％，同时不易堵塞，由于采用上下两层垂直流人工湿地，其占地面积减少约50％；
b.沸石和石灰石等矿物填料吸附的氮磷营养元素可通过微生物降解和植物吸收得到生物再生，不会因置换填料造成二次污染；
c.下层湿地填充的生物载体填料易于微生物附着生长，强化了反硝化作用，提高了湿地的脱氮效果；
d.上层布水管利用地势落差进行跌水充氧，协同植物复氧，共同为上层湿地硝化作用提供充足的溶解氧，从而无能耗，节省了运行费用；
e.下层布水系统为下层湿地引入小股进水，为下层湿地内进行的反硝化脱氮补充碳源；
f.整个系统还具有不产生剩余污泥、工艺流程简单、操作维护容易、植物具有观赏价值与经济价值等优点。
【附图说明】
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
图1为本发明的强化污水脱氮除磷的双层人工湿地系统示意图。
图2为图1系统的侧剖面图。
图中：
I.上层湿地 II.下层湿地
1.池体 2.进水总管 3.流量控制阀
4.上层布水管 5.下层布水管 6.锯齿溢流布水槽
7.出水收集管 8.出水总管 9.放空阀
10.U形管 11.溢流管 12.细鹅卵石
12′粗鹅卵石 13.生物填料 14.矿物填料
15.植物 16.直管 17.布水槽盖。
【具体实施方式】
参照图1和图2
本发明提供了一种强化污水脱氮除磷的双层人工湿地系统，其结构如图1所示，包括置于池体1内部的上层湿地I、下层湿地II、为上层湿地I和下层湿地II提供进水的进水布水系统和出水收集系统，所述的出水收集系统的出水收集管7置于下层湿地II底部，上层湿地I中填充以去除悬浮物、有机物、氨氮和磷为主要目的矿物填料14，下层湿地II中填充以去除总氮为主要目的的利于微生物附着生长的生物填料13。其中上层湿地中的矿物填料14为石灰石和沸石的混合物，其粒径为4～8mm，混合体积比为4∶1～1∶4，装填高度为350～800mm；下层湿地II中的生物填料13呈多面球状，其直径为25～50mm，比表面积在460～236m2/m3之间，空隙率为90％左右，堆重为96～76kg/m3，抗压强度≥6.0N/mm，填装高度为250～500mm，上层矿物填料14和下层生物填料13的填装高度比为4∶1～1∶2。生物填料13材质可以采用聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，增强聚丙烯(RPP)，聚氯乙烯(PVC)，氯化聚氯乙烯(CPVC)及聚偏氟乙烯(PVDF)等，填充生物填料13的目的是增加湿地下层反硝化菌的数量和活性，强化反硝化脱氮。
上层湿地I和下层湿地II中的布水装置都采用穿孔布水管进行布水，其中上层湿地I也可采用其它跌水充氧装置布水，布水装置的顶部均有间隔一定距离的孔径为5～10mm的小孔，上层布水管4布置在上层湿地I的上方，距上层湿地I液面0.2～1.5m；上层湿地I和下层湿地II的交界面上填充有细鹅卵石12和粗鹅卵石12′，下层布水系统位于细鹅卵石12和粗鹅卵石12′中间，其中下层布水系统的上部覆盖有粒径为6～25mm的细鹅卵石12，细鹅卵石12的装填高度为80～200mm，其下部被粒径为10～35mm的粗鹅卵石12′承托，其装填高度为80～200mm。下层布水系统包括带有穿孔的下层布水管5、锯齿溢流布水槽6和布水槽盖17，其中下层布水管5置于锯齿溢流布水槽6内，可防止下层布水管5上的小孔被外围颗粒物堵塞。上层布水管4和下层布水管5之间通过直管16相连通，其相交处安装有流量控制阀3，通过流量控制阀3来控制上层湿地和下层湿地的进水流量比为20∶1～1∶1。
下层湿地II底部填充有承托生物填料的粗鹅卵石12′，粗鹅卵石12′粒径为10～35mm，装填高度为70～150mm。出水收集系统包括带有进水孔的出水收集管7、出水总管8和控制上层湿地液位的U形管10，出水收集管7为穿孔管，其两侧有交错的孔径为10～20mm的小孔，置于粗鹅卵石12′的中间，出水总管8的底部设有放空阀9，经湿地处理后的水最终由底部出水收集管7收集，汇入出水总管8，并通过出水U形管10排放。如遇特殊情况，系统内的污水可直接通过放空阀9全部排空。其中，湿地内部水位可在填料表面以上或以下，遵循“春浅、夏深、秋落干”的原则，具体水位可通过调节出水U形管10的高度来控制。
上层湿地I距池顶一定距离处的池体1池壁上设置溢流管11，如系统运行不正常而导致堵塞，污水可通过溢流管11溢出，以免污水从系统上边缘溢出污染周围环境。
上层湿地I以去除悬浮物、有机物、氨氮和磷为主要目的，在上层湿地I中还栽种有植物15。其中的矿物填料石灰石可吸附磷素、沸石吸附氨氮，充分利用了两者不同的吸附特性，吸附到填料上的氮、磷营养元素可通过微生物降解和植物吸收作用从湿地中去除，从而实现填料的生物再生，避免了更换填料的投资费用和可能带来的二次污染问题。栽种的植物15可以是芦苇、香蒲等挺水植物，或浮萍等浮游植物，或观赏花卉等，具体需可根据当地气候和环境选择合适的植物种类。
本发明提供一种强化污水脱氮除磷的双层人工湿地系统及其操作方法，主要包括以下步骤：
步骤a.污水通过进水布水系统进入池体1内的上层湿地I和下层湿地II，其中污水进入上层湿地I和下层湿地II的进水流量比为20∶1～1∶1，上层进水经上层布水管4进行跌水充氧后进入上层湿地I，协同植物复氧，共同为上层湿地I有机物的去除和硝化作用提供充足的溶解氧，下层进水主要为下层湿地II反硝化脱氮补充碳源；
步骤b.进入上层湿地I中的污水经上层湿地I中的矿物填料14吸附、微生物降解以及植物吸收等作用后进入下层湿地II，并同进入下层湿地II中的污水混和形成混合注水；
步骤c.混合注水经下层湿地II中的生物填料13上附着生长的微生物的降解作用处理后，最终进入下层湿地II底部的出水收集管7，由出水收集系统排出。
将本发明应用于某村庄生活污水的处理，设计进水流量为10m3/d，污水水质为：SS：20～40mg/L，COD：100～200mg/L，BOD5：50～100mg/L，NH3-N：15～40mg/L，TN：25～50mg/L，TP：2.0～5.0mg/L。
污水首先流入湿地系统进水总管2，再通过流量控制阀3，按3∶1的比例被分配到上层布水管4和下层布水管5。上层进水通过上层布水管4上顶部间隔均匀的小孔均匀跌落至上层湿地I上层，经过跌水充氧的污水垂直渗入上层石灰石与沸石填充区，停留时间为2d，通过填料吸附、微生物降解以及植物吸收等作用，有效去除悬浮物、有机物、氨氮、磷等污染物。下层进水经直管16由下层布水管5经下层锯齿溢流布水槽6溢出，在中层鹅卵石填充区与上层出水混合后，均匀流入下层生物填料13区，在下层湿地II停留时间为1d，主要去除硝态氮。最终处理后水经下层湿地II底部出水收集管7收集并汇入出水总管8，经出水U形管10后排出。
运行过程中湿地内部水位春季在填料表面以上0～100mm，夏季在填料表面以上100～200mm，冬季在填料表面以下50～100mm，其水位通过调整出水U形管10高度来调节；整个处理过程中装置运行正常，无堵塞现象，没有发生需要排空的情况。
处理结果表明：在稳定运行期间，出水水质如下：SS：5～10mg/L，COD：25～60mg/L，BOD5：5～20mg/L，NH3-N：5～15mg/L，TN：8～20mg/L，TP：0.5～1.0mg/L，pH：6～9，浊度稳定在5NUT以下，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。
以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。