專利名稱：生活污水垂直流－水平流復(fù)合人工濕地脫氮除磷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及污水處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
生活污水人工濕地處理方法主要有垂直流人工濕地、水平流人工濕地和水平流與垂直流復(fù)合人工濕地三種。
垂直流人工濕地床體高100cm以上，通常采用較細(xì)的基質(zhì)如砂等作為滲濾介質(zhì)，污水在自表層向下的垂直滲濾過(guò)程中得到處理，其所采用的植物大多數(shù)為蘆葦、風(fēng)車草、香根草、再力草、莎草和美人蕉等。
水平潛流人工濕地床體高約60～80cm，采用較粗基質(zhì)如礫石作為處理介質(zhì)，污水在人工濕地的地表下呈水平流動(dòng)，并在基質(zhì)層中種植有泌氧能力的大型挺水植物如蘆葦、香蒲、水蔥、鳶尾和菖蒲等，利用水生植物的泌氧能力為人工濕地基質(zhì)上的生物膜分解污水中的有機(jī)物質(zhì)提供氧氣。
水平流與垂直流復(fù)合人工濕地是按水平流人工濕地在前，垂直流人工濕地在后的順序串聯(lián)起來(lái)組成復(fù)合人工濕地。生活污水首先經(jīng)水平流人工濕地去除大部分SS、COD、BOD5和部分氨氮，再向垂直流人工濕地布水，完成對(duì)耗氧有機(jī)物的徹底去除和將剩余的氨氮完全硝化，并將垂直流人工濕地的硝化處理出水按50～100％回流比回流至水平流人工濕地首端進(jìn)行內(nèi)碳源前置反硝化脫氮處理；在水平流人工濕地和垂直流人工濕地中填充高磷吸附基質(zhì)，并在水平流人工濕地基質(zhì)上種植水生植物，在垂直流人工濕地基質(zhì)上種植水生植物或陸生花卉。
存在的不足之處有(1)水平流人工濕地存在好氧條件不足等缺點(diǎn)，它雖能很好地去除SS，并且也能去除一些BOD。但是，它通常對(duì)氨氮的去除效果不好。由于它不能完成大部分廢水的硝化過(guò)程，即使其具有較強(qiáng)的反硝化作用能力，因而也不能獨(dú)立完成廢水的硝化和反硝化兩個(gè)處理過(guò)程，以達(dá)到廢水脫氮處理的目的。同時(shí)除磷效果也較差，一般只有30-40％，而且現(xiàn)行廣泛采用的礫石基質(zhì)對(duì)磷的吸附飽和壽命較短，一般為2～3年；(2)垂直流人工濕地對(duì)廢水中耗氧有機(jī)物的處理能力和硝化能力較強(qiáng)，它比水平流人工濕地具有更好的好氧條件，且對(duì)廢水中BOD5和COD的去除效果都較好，但對(duì)SS的去除效果較水平流人工濕地差；雖然它對(duì)廢水的硝化處理能力很強(qiáng)，但是其反硝化作用能力也較水平流人工濕地差，因而也不能單獨(dú)完成廢水的硝化和反硝化兩個(gè)處理過(guò)程，以達(dá)到廢水脫氮處理的目的。同時(shí)對(duì)磷的去除率也只有40-50％，并且砂、礫石基質(zhì)的除磷壽命較也短，一般為3-4年。(3)水平流與垂直流復(fù)合人工濕地雖然能完成一部分氮的硝化與反硝化，但總氮去除率不高，僅為30-45％，而且需要將硝化處理出水回流，既增加了動(dòng)力消耗，又隨著回流比的增大減少了污水處理水量，增加了占地面積，同時(shí)還降低了磷的去除率；其次，水平流人工濕地采用石灰石、大理石或白云石基質(zhì)的除磷效果不高，僅為30-50％，從而影響了復(fù)合人工濕地的除磷壽命，并且在水平流人工濕地上不能種植蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物；第三，垂直流人工濕地的耗氧處理能力和硝化能力不能得到完全發(fā)揮，占地面積也較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明創(chuàng)造的目的是①將垂直流與水平流人工濕地按垂直流在前，水平流在后的順序組成復(fù)合人工濕地，充分利用垂直流人工濕地完成對(duì)耗氧有機(jī)物和懸浮物的大部分去除和對(duì)生活污水的完全硝化，并利用水平流人工濕地完成對(duì)SS、COD和BOD5的徹底去除，并通過(guò)反硝化作用完成對(duì)氮的大部分去除；②將一小部分未經(jīng)處理的污水直接進(jìn)入水平流人工濕地首端，在水平流人工濕地的缺氧條件下，利用生活污水中的有機(jī)物作為碳源完成反硝化脫氮過(guò)程；③在垂直流人工濕地填充高爐渣基質(zhì)，在水平流人工濕地填充爐渣和高爐渣基質(zhì)，以達(dá)到較高的總磷去除率和延長(zhǎng)基質(zhì)除磷的使用壽命等目的；④在垂直流人工濕地種植陸生花卉和鮮切花卉，在水平流人工濕地種植蔬菜，以增加復(fù)合人工濕地的經(jīng)濟(jì)效益和審美價(jià)值。
生活污水垂直流—水平流復(fù)合人工濕地脫氮除磷方法是將垂直流人工濕地和水平流人工濕地串聯(lián)起來(lái)，垂直流人工濕地在前，水平流人工濕地在后。生活污水首先經(jīng)垂直流人工濕地的床體處理后，去除部分SS、COD、BOD5并進(jìn)行硝化作用。接著通過(guò)集水池的靜水壓力向地勢(shì)稍低的水平流人工濕地自流布水，在水平流人工濕地中，利用蔬菜根系供氧能力較差所提供的缺氧條件和垂直流人工濕地硝化處理出水中的部分有機(jī)物作為碳源，完成反硝化脫氮過(guò)程，如果碳源不足或因硝化處理出水中DO含量較高而不能形成缺氧條件，要把部分未經(jīng)處理的污水直接進(jìn)入水平流人工濕地前端補(bǔ)充碳源，以提高水平流對(duì)氮的去除效果。在垂直流人工濕地和水平流人工濕地中填充高效除磷基質(zhì)，并在垂直流人工濕地上種植陸生花卉和鮮切花卉，在水平流人工濕地上種植蔬菜。
生活污水垂直流—水平流復(fù)合人工濕地除磷方法是利用上述脫氮方法的工藝流程，在脫氮的同時(shí)完成對(duì)廢水中磷的去除。具體方法是首先，在垂直流人工濕地中填充對(duì)磷具有很強(qiáng)固定能力的基質(zhì)高爐渣，并種植美人蕉、月季和玫瑰，利用高爐渣基質(zhì)和花卉植物去除廢水中的大部分磷；在水平流人工濕地的配水區(qū)和集水區(qū)中填充對(duì)磷有較強(qiáng)固定能力的基質(zhì)如大理石或石灰石、在床體中填充爐渣，在床體表層填充高爐渣，并種植蔬菜如西洋菜、蕹(通)菜、韭菜、生菜、黃瓜、西紅柿(櫻桃番茄)、慈姑和茭白等，利用基質(zhì)和蔬菜去除污水中的一部分磷。
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作說(shuō)明

圖1為生活污水垂直流—水平流復(fù)合人工濕地結(jié)構(gòu)圖。
圖2為生活污水垂直流—水平流復(fù)合人工濕地垂直流床結(jié)構(gòu)圖。
圖3為生活污水垂直流—水平流復(fù)合人工濕地水平流床結(jié)構(gòu)圖。
圖中1-格柵、2-沉淀池、3-污水管、4-布水主管、5-布水支管、6-高效除磷基質(zhì)層、7-礫石墊層、8-處理出水排水管、9-集水池、10-進(jìn)水主管、11-布水支管、12-礫石配水區(qū)、13-高效除磷基質(zhì)層、14-覆蓋層、15-礫石集水區(qū)、16- 排水管、17-清水池、18-污水管。
生活污水垂直流—水平流復(fù)合人工濕地由垂直流人工濕地、集水池和水平流人工濕地、清水池組成，按垂直流人工濕地在前，水平流人工濕地在后的順序串聯(lián)起來(lái)組成復(fù)合人工濕地。在垂直流人工濕地的床體內(nèi)放置高效除磷基質(zhì)如高爐渣，并種植陸生花卉和鮮切花卉。在水平流人工濕地的床體內(nèi)放置高效除磷基質(zhì)如爐渣和高爐渣，在覆蓋層表面種植蔬菜。生活污水經(jīng)垂直流人工濕地中高效除磷基質(zhì)的固定作用和植物根系的攝取作用以及伴隨著的物理、化學(xué)和微生物等作用后，完成對(duì)有機(jī)物的部分去除和完全硝化，污水進(jìn)入集水池后利用集水池的靜水壓力和落差向水平流人工濕地自流布水；利用水平流人工濕地高效除磷基質(zhì)的固定作用和植物根系的攝取作用以及伴隨著的物理、化學(xué)和微生物等作用，去除大部分SS、COD、BOD5，通過(guò)反硝化作用完成對(duì)氮的去除，并使部分未經(jīng)處理的污水直接進(jìn)入水平流人工濕地補(bǔ)充碳源，提高對(duì)氮的去除效果。
生活污水垂直流—水平流復(fù)合人工濕地中的垂直流人工濕地、集水池、水平流人工濕地和清水池等單元結(jié)構(gòu)是由管道連接而成的。
生活污水復(fù)合人工濕地垂直流床由床體和布水管組成，床體的床壁和底部用不滲漏材料做成，如果建造在地面上，床壁為水泥抹面的磚結(jié)構(gòu)，底部為混凝土結(jié)構(gòu)。床體從下而上分布為礫石墊層7和高效除磷基質(zhì)層6。床體高度90cm以上，礫石墊層7厚度10～15cm，由下而上分布粒徑約4cm的石灰石和粒徑約1cm的石灰石；高效除磷基質(zhì)層厚度為70～80cm，高效除磷基質(zhì)層放置高爐渣，高爐渣粒徑為0.25mm～5mm。布水管分布在高效除磷基質(zhì)表面，采用表面布水以防阻塞。在垂直流床體中種植耐低溶解氧的花卉如玫瑰、康乃馨、劍蘭、非洲菊、百合花、茳花、美人蕉等。
布水管分布在高效除磷基質(zhì)層的表面，布水管由布水主管4和多條布水支管5組成，布水主管4分布在床體的中間，其長(zhǎng)度與床體長(zhǎng)度相當(dāng)，其中一端密封，另一端與污水進(jìn)水管3相連接，布水支管5固定連接在布水主管的兩旁，另一端密封，其長(zhǎng)度為床體寬度的一半，布水支管向下部位開(kāi)有小孔。
垂直流人工濕地的床底具有一定的排水坡度便于排水，在排水口上安裝排水管8，在排水管8上設(shè)有閥門，以控制處理出水的排水速度。在垂直流人工濕地床體的出水口一端建造與床體連接成一體的集水池9，床體經(jīng)處理的污水通過(guò)排水管8排放到集水池9，排水管8的排水口與進(jìn)水管11的進(jìn)水口要有落差。集水池9底部設(shè)有排水管10，排水管8和排水管10上設(shè)有閥門，以控制排水速度。另從污水進(jìn)水管3接一支管18至集水池9，使一部分污水直接進(jìn)入水平流人工濕地補(bǔ)充碳源。
生活污水垂直流—水平流復(fù)合人工濕地中的水平流人工濕地床體的床壁和底部用不滲漏材料做成，如果建造在地面上其床壁為水泥抹面的磚結(jié)構(gòu)，底部為混凝土結(jié)構(gòu)。
水平流人工濕地床體從進(jìn)水口到出水口依次設(shè)置礫石配水區(qū)12，高效除磷基質(zhì)層13，礫石集水區(qū)15，床體上部設(shè)有進(jìn)水管11，底部設(shè) 字型排水管16。礫石配水區(qū)12和礫石集水區(qū)15各占床體總長(zhǎng)度的20％以下，高效除磷基質(zhì)層13占床體總長(zhǎng)度的60％以上。礫石配水區(qū)12和礫石集水區(qū)15填充破碎的大理石或石灰石，粒徑為3～5cm。高效除磷基質(zhì)層13填充爐渣。和高爐渣礫石配水區(qū)12、礫石集水區(qū)15和高效除磷基質(zhì)層13填料的填充厚度為70～80cm，在填料上面填充高爐渣作為覆蓋層14，高爐渣覆蓋層厚度為10～15cm，水平流人工濕地床體高度為90cm以上。在覆蓋層上種植西洋菜、蕹(通)菜、韭菜、生菜、黃瓜、西紅柿(櫻桃番茄)慈姑、茭白等蔬菜。在高爐渣覆蓋層以下，設(shè)置進(jìn)水管11，進(jìn)水管11與垂直流床的排水管8相連接。在水平流人工濕地床體的出水口一端建造清水池17，床體經(jīng)處理的污水通過(guò) 字形排水管16排放到清水池17， 字形排水管16上設(shè)有閥門，以控制排水速度。
清水池17是收集水平流人工濕地處理出水的砂井，其壁和底部為不滲漏材料做成，如果建造在地面上，其壁為水泥抹面的磚結(jié)構(gòu)，底為混凝土結(jié)構(gòu)。為了降低處理池的建造成本，三個(gè)垂直流人工濕地并聯(lián)與一個(gè)集水池串聯(lián)，三個(gè)水平流人工濕地并聯(lián)。每個(gè)垂直流人工濕地都裝有閥門的排水管與集水池接通，集水池底設(shè)有排水管與三個(gè)水平流人工濕地接通，每個(gè)水平流人工濕地都裝有閥門的排水管與清水池接通。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)生活污水首先經(jīng)過(guò)格柵1除去污水中的雜物，污水進(jìn)入沉淀池2，由清水泵將沉淀池2污水抽出，沿污水管3進(jìn)入布水主管4和布水支管5進(jìn)入垂直流人工濕地，污水在垂直流人工濕地中向下潛流，經(jīng)過(guò)高效除磷基質(zhì)層6、礫石墊層7，污水經(jīng)過(guò)垂直流人工濕地后由于基質(zhì)的吸附作用和植物根系的攝取作用完成對(duì)耗氧有機(jī)物的徹底去除和完全硝化，垂直流人工濕地的污水利用垂直流人工濕地床體與集水池具有落差，污水經(jīng)過(guò)排水管8流入集水池，排水管上設(shè)有閥門，控制污水的流量和垂直流人工濕地的儲(chǔ)水量，集水池9的污水利用垂直流人工濕地與水平流人工濕地的落差，流經(jīng)水平流人工濕地的礫石配水區(qū)12，高效除磷基質(zhì)層13和礫石集水區(qū)15。污水經(jīng)過(guò)水平流人工濕地后，利用水平流人工濕地中礫石孔隙的過(guò)濾作用，去除污水中的SS。污水經(jīng)過(guò)水平流人工濕地，利用水平流人工濕地的爐渣基質(zhì)的吸附作用及植物根系攝取作用去除污水中的COD、BOD5和大部分氨氮。水平流人工濕地的污水經(jīng)過(guò)排水管16進(jìn)入清水池17，排水管16為 字形，設(shè)在水平流床底部，并設(shè)有閥門，控制污水的排出速度和水平流床的儲(chǔ)水量。另外，使部分未經(jīng)處理的污水直接沿污水進(jìn)水管1 8進(jìn)入集水池9，然后利用垂直流人工濕地和水平流人工濕地的落差進(jìn)入水平流床，以補(bǔ)充碳源。
發(fā)明創(chuàng)造具有以下優(yōu)點(diǎn)①利用垂直流人工濕地去除部分SS、COD、BOD5和廢水的完全硝化，利用水平流人工濕地完成COD、BOD5和SS的大部分去除功能以及廢水的反硝化，從而完成對(duì)廢水的硝化與反硝化，并使垂直流和水平流人工濕地的去除功能得到了極大程度的發(fā)揮，縮短了水平流人工濕地的水力停留時(shí)間，減少了垂直流與水平流復(fù)合人工濕地的占地面積。
②污水經(jīng)垂直流人工濕地硝化后進(jìn)入水平流人工濕地，在水平流人工濕地中利用蔬菜供氧能力較低所形成的缺氧條件以及垂直流人工濕地硝化處理出水中的BOD5、COD和水平流人工濕地累積的有機(jī)質(zhì)作為碳源完成生活污水的反硝化脫氮過(guò)程，在硝化處理出水中碳源不足或其DO含量較高的情況下，將一部分未經(jīng)處理的污水直接進(jìn)入水平流人工濕地作為碳源或形成缺氧條件，既能完成生活污水的反硝化脫氮作用，又能增加水平流人工濕地對(duì)BOD5、COD的去除能力。
③垂直流與水平流復(fù)合人工濕地不需要回流硝化處理出水，從而解決了水平流-垂直流復(fù)合人工濕地的回流問(wèn)題，降低了動(dòng)力消耗和處理成本，并且提高了總氮的去除率，縮短了水力停留時(shí)間和減少了占地面積，同時(shí)還防止了因硝化處理出水回流所引起的磷去除率降低現(xiàn)象的發(fā)生。
④利用垂直流人工濕地填充的高爐渣基質(zhì)，完成對(duì)生活污水中大部分磷的去除功能；利用水平流人工濕地中填充的爐渣和高爐渣基質(zhì)對(duì)磷的固定作用，完成對(duì)廢水中磷的部分去除功能。同時(shí)利用垂直流和水平流人工濕地中栽種的陸生花卉、鮮切花卉和蔬菜根系的攝取作用去除部分磷，從而可使復(fù)合人工濕地對(duì)生活污水中總磷的去除率達(dá)到85～95％以上，處理出水中總磷的濃度小于1mg/L，達(dá)到城市污水處理廠一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，并且本發(fā)明創(chuàng)造技術(shù)對(duì)磷的使用壽命達(dá)到8～10年以上。
⑤利用垂直流人工濕地去除了生活污水中大部分耗氧有機(jī)物COD和BOD5，解決了水平流人工濕地種植蔬菜的缺氧爛根問(wèn)題；利用垂直流人工濕地完成生活污水中大部分氨氮和有機(jī)氮的硝化，為水平流人工濕地種植蔬菜提供了大量可直接利用的硝酸鹽營(yíng)養(yǎng)液；利用垂直流人工濕地去除了絕大部分病原微生物和細(xì)菌，為水平流人工濕地種植蔬菜達(dá)到安全食用要求提供了可靠的保障。
實(shí)施例日設(shè)計(jì)處理水量0.9～3.0m3/d。
設(shè)計(jì)參數(shù)格柵采用2cm×2cm鐵絲網(wǎng)，直立于化糞池出水口與地下引水管相接的檢查井中。
沉淀池設(shè)計(jì)尺寸為2.0m×1.8m×2.0m，有效水深1.0m，有效容積3.6m3，磚結(jié)構(gòu)水泥抹面。
垂直流人工濕地設(shè)計(jì)外徑尺寸長(zhǎng)×寬×高為3.35m×3.67m×0.9m，分三格，單池實(shí)用尺寸長(zhǎng)×寬2.9m×1.1m×0.9m。實(shí)際使用面積共12m2。垂直流床墊層直徑為8cm和4cm的石灰石組成，厚10～15cm；高效除磷基質(zhì)層厚75～80cm。集水池的實(shí)用尺寸長(zhǎng)×寬為0.4m×3.37m。集水池收集三塊垂直流床處理出水混合后，通過(guò)管道、閥門借助靜水壓力向三塊水平流床自流配水。
水平流人工濕地設(shè)計(jì)內(nèi)徑尺寸長(zhǎng)×寬×高為2.7m×3.37m×0.9m的矩形池一個(gè)。水平流床又分為三個(gè)池并聯(lián)運(yùn)行，單池實(shí)用的尺寸長(zhǎng)×寬×高為2.7m×1.1×0.9m。水平流床分礫石配水區(qū)、高效除磷基質(zhì)層和礫石集水區(qū)，各占床體長(zhǎng)度的1/5、3/5、1/5，分別填充的是石灰石或大理石、爐渣、石灰石或大理石。其上覆蓋一層厚10cm的高爐渣。
運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行方式從2004年3月開(kāi)始試運(yùn)行，采用的HRT為1、2和3天。在3塊垂直流床上，第1塊(VF1)為不種植物的對(duì)照，第2塊(VF2)種植玫瑰，第3塊(VF3)種植美人蕉。在3塊水平流床上，第1塊(HF1)為不種植物的對(duì)照，第2塊(HF2)種植通菜，第3塊(HF3)種植西洋菜和韭菜。
處理效果(mg/L，％)如表1、表2、表3和表4所示。
表1為生活污水經(jīng)垂直流—水平流復(fù)合人工濕地脫氮除磷處理后，污水中的COD濃度變化情況；表2為生活污水經(jīng)垂直流—水平流復(fù)合人工濕地脫氮除磷處理后，污水中的BOD5濃度變化情況；表3為城市污水經(jīng)復(fù)合人工濕地脫氮除磷處理后，污水中的TN濃度變化情況；表4為城市污水經(jīng)垂直流—水平流復(fù)合人工濕地脫氮除磷處理后，污水中的TP濃度變化情況。
COD濃度變化情況

表1
BOD5濃度變化情況

表2
TN濃度變化情況

表3
TP濃度變化情況

表權(quán)利要求
1.生活污水垂直流—水平流復(fù)合人工濕地脫氮除磷方法，其特征在于按垂直流人工濕地在前，水平流人工濕地在后的順序串聯(lián)起來(lái)組成復(fù)合人工濕地，生活污水首先經(jīng)垂直流人工濕地，再通過(guò)水平流人工濕地，并使部分未經(jīng)處理的污水直接進(jìn)入水平流人工濕地以補(bǔ)充碳源；在垂直流和水平流人工濕地中都填充高效除磷基質(zhì)，并在垂直流人工濕地基質(zhì)上種植陸生花卉和鮮切花卉，在水平流人工濕地基質(zhì)上種植蔬菜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)除磷的方法，其特征在于高效除磷基質(zhì)有兩種第一種是垂直流人工濕地的高效除磷基質(zhì)，它是采用高爐渣為原料直接填充而成；第二種是水平流人工濕地的高效除磷基質(zhì)，它采用爐渣作為床體基質(zhì)，高爐渣作為床體表層覆蓋材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的脫氮除磷方法，其特征在于在垂直流人工濕地上種植的花卉品種為陸生花卉美人蕉、月季和鮮切花卉玫瑰、康乃馨、劍蘭和非洲菊；在水平流人工濕地上種植的蔬菜品種為西洋菜、蕹(通)菜韭菜、生菜、黃瓜、西紅柿、慈姑和茭白。
全文摘要
生活污水垂直流－水平流復(fù)合人工濕地脫氮除磷方法涉及環(huán)保治理技術(shù)領(lǐng)域，利用垂直流人工濕地與水平流人工濕地串聯(lián)組成復(fù)合系統(tǒng)處理生活污水，垂直流人工濕地采用干濕交替方式運(yùn)行，水平流人工濕地采用連續(xù)運(yùn)行方式，部分未經(jīng)處理的污水直接進(jìn)入水平流人工濕地補(bǔ)充碳源，提高水平流人工濕地對(duì)氮的去除效果。垂直流人工濕地填充富含鐵、鈣、硅和鋁等氧化物的高爐渣，水平流人工濕地填充富含鈣的大理石或石灰石和煤渣。垂直流人工濕地栽種的花卉為陸生花卉為美人蕉、月季和鮮切花卉—玫瑰、非洲菊，水平流人工濕地所栽種的蔬菜為西洋菜、蕹(通)菜、韭菜、生菜、黃瓜、西紅柿(櫻桃番茄)、慈姑和茭白。
文檔編號(hào)C02F3/32GK1583604SQ20041002742
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月2日
發(fā)明者崔理華, 朱夕珍 申請(qǐng)人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)