一种植物碳源基新型复合人工湿地系统及其应用

1.本发明涉及污水深度处理领域，具体涉及使用植物碳源基新型复合人工湿地系统深度处理低污染水中氮磷的方法及应用。


背景技术：

2.近年来，随着我国湖泊治理力度的加强和湖泊治理新理念的提出，低污染水带来的污染问题越来越受到关注，低污染水治理已经成为湖泊流域点源和面源污染控制之后又一新的挑战。低污染水水量大、排放不稳定、碳氮比较低、tn去除十分困难，包括经污水处理设施处理后但仍为污染源的尾水、地表径流以及污染物浓度较低的农田排水、雨季村落地表径流等。
3.人工湿地作为一种典型的利用植物-基质-微生物耦合作用去除污染物的自然处理技术，相比于传统的活性污泥法，具有基建运行费用低、管理方便、处理量大、绿色生态等优点，被广泛应用于三级污水的深度净化处理。人工湿地中微生物反硝化作用通常被认为是湿地脱氮最重要的途径，参与反硝化作用的微生物大多是异养微生物，反硝化速率常常受有机碳源可用性的限制，需要充足的碳源作为反硝化的能量，而低污染水通常cod含量较低，不利于微生物脱氮，从而降低了人工湿地的脱氮效率，往往通过添加外源性有机碳源(如添加甲醇，乙醇，乙酸和葡萄糖等)来克服。因此，寻求高效的碳源用于促进反硝化微生物作用，是人工湿地脱氮亟待解决的问题。
4.植物是人工湿地系统区别于其他污水处理技术的优势所在，作为微生物活动的重要支持者之一，是人工湿地不可缺少的重要组成部分。植物不仅能够直接吸收利用污水中的n、p等物质，而且还能为根系环境提供营养物质、促进根际微生物生长。植物根际作为整个湿地中连接植物和微生物的关键部位，被认为是人工湿地氮去除最重要的部位。植物能够通过分泌物的产生为根际微生物提供能量源和营养源，尤其是在低c/n比污水中，植物根系能够通过分泌以及自身代谢腐烂为异养反硝化菌提供碳源，同时还能提供一些非营养物质，例如脂肪酸甲酯和脂肪酸酰胺，促进反硝化作用。


技术实现要素：

5.为解决人工湿地碳源补充困难及成本高的问题，本发明公开了一种经济高效去除低污染水中氮磷的植物碳源基新型复合人工湿地系统及处理方法。
6.本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
7.一种植物碳源基新型复合人工湿地系统，包括人工湿地填料层和植物层两部分，所述填料层包含填料床和排水管道，所述植物层包含布水管道、植物培养系统和植物系统，其中，填料层位于人工湿地系统下部，仅占整个人工湿地系统的一半以下。
8.作为本发明的一种优选技术方案，所述填料层的基质填料选自砾石、沸石、陶粒、火山岩等。
9.作为本发明的一种优选技术方案，所述填料层分为两部分，自下而上分别铺设粗
砾石层和沸石层分别作为承托层、主体反应层。
10.作为本发明的一种优选技术方案，粗砾石的直径为1～2cm，沸石直径为4～8mm，；包括5cm的粗砾石层和填充高度为25cm的沸石层。
11.作为本发明的一种优选技术方案，所述布水管道设置于植物根系上部，布水孔均匀分布，用以均匀地给人工湿地注入污水。
12.作为本发明的一种优选技术方案，所述植物培养系统以直径为8cm、中空高度为5cm、底部封死的pvc管作为植物生长及固定的容器，利用防腐蚀的钢丝将pvc管穿插固定，使其悬浮于人工湿地床体上部，距离填料床20cm。
13.作为本发明的一种优选技术方案，将pvc管固定于系统内部，距离顶部5cm。pvc管管体的底部布满直径为6～8mm的小孔，便于水体流动和污染物混合均匀。该设计保存了植物根茎的完整性，根系通过小孔穿插生长，避免了反复种植的麻烦。
14.作为本发明的一种优选技术方案，其特征在于所述植物为多年生草本、根状茎短、粗大、须根坚硬的风车草；种植模式为高密植模式，种植密度为300～400株/m2，以pvc管作为植物生长固定器，根系插入pvc管底部的小孔内。利用风车草发达的根系，通过分泌有机酸类物质作为碳源，形成丰富的根系微生物群落结构。
15.作为本发明的一种优选技术方案，排水管道铺设于人工湿地系统的底部，用于收集人工湿地出水。
16.作为本发明的一种优选技术方案，为保证人工湿地出水的连续性，出水口处接u型管道，最高点与人工湿地装置最高点齐平，利用虹吸原理，实现虹吸管自动排水，实现水位的自动升降。
17.上述植物碳源基垂直流人工湿地的主要运行过程，采用前述系统，包括：
18.(1)系统启动期，接种污水处理厂厌氧污泥于填料层，大大缩短了人工湿地启动周期。
19.(2)植物培养系统中通入霍格兰溶液培养一定周期以维持植物的正常生长。
20.(3)用蠕动泵通过进水区的布水管道向基质区内充入污水，采用连续流运行模式，设置人工湿地的水力停留时间为36小时，氨氮经过植物根系区一部分被植物根系吸收作为其生长的养分，另一部分通过硝化作用转化为硝态氮，在基质层异养微生物利用根系分泌的有机酸类物质作为碳源，将硝态氮转化为亚硝态氮、一氧化氮、一氧化二氮、氮气等。
21.(4)出水口位于填料层的一侧，填料层的底部出水口连接倒u型的虹吸管，虹吸管位于出水区内，虹吸管与系统整体的高度齐平。
22.本发明相对于现有技术的有益效果包括：
23.在本发明的下行垂直流人工湿地，结构简单、管理方便，仅使用一半的填料填充整体的填料床，减少了湿地建设的费用，植物层直接将植物以pvc管为支撑放置于水体中，不需要添加任何填料基质，充分利用上层水体空间，在实现人工湿地净化效果的基础上，缓解了基质堵塞的问题。同时植物根系直接留存于植物生长系统中，有效降低了后期植物收割带来的运行维护费用。利用风车草水培体系中发达的根系，产生不同植物根系分泌物，释放碳源，并形成丰富的根系微生物群落结构，能够同时有效去除cod、氨氮和总磷，避免了有机碳源添加而促进反硝化的过程以及运行成本增加的问题，也避免了人工湿地堵塞问题，在保证脱氮效率提高的同时维持系统的稳定运行。
24.具体地，填料层位于人工湿地系统下部，仅占整个人工湿地装置的一半，节约了一半的填料成本；植物培养系统置于人工湿地装置上部，为水培体系，缓解了基质堵塞的问题。采用下行流连续运行模式，水力停留时间为36h，在植物培养系统通过植物根系泌氧为硝化过程提供溶解氧，不需要额外曝气，根系分泌释放的碳源为填料层的反硝化提供一定的碳源，避免了有机碳源投加造成的成本增加问题。总氮平均去除率为96.03
±
2.10％，高于大部分人工湿地对总氮的去除，对进一步实现低污染水的高效净化具有重要的指导意义。
附图说明
25.图1为本发明实施例1的结构示意图。
26.图2为本发明实施例2的结构示意图。
27.图3为本发明湿地系统与传统湿地系统的tn去除率对比示意图。
28.图4为本发明湿地系统与传统湿地系统的出水no
3-浓度对比示意图。
29.图5为本发明湿地系统与传统湿地系统的出水no
2-浓度对比示意图。
30.图6为本发明湿地系统与传统湿地系统的po
43-去除率对比示意图。
31.其中，1为进水口，2为植物培养系统，3为分离筛网，4为沸石层，5为排水管道，6为植物，7为布水管道，8为出水口，9为防腐蚀钢丝，10为小孔，11为pvc管，12为u形管，13为粗砾石层。
具体实施方式
32.以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
33.实施例1
34.参照图1所示，一种植物碳源基新型复合人工湿地系统，包括人工湿地填料层和植物层两部分，所述填料层包含填料床和排水管道，所述植物层包含布水管道、植物培养系统和植物系统，其中，填料层位于人工湿地系统下部，仅占整个人工湿地系统的一半，其中：
35.所述填料层分为两部分，自下而上分别铺设粗砾石层和沸石层分别作为承托层、主体反应层。填料层自下而上分别为填充高度为5cm的粗砾石层和填充高度为25cm的沸石层；粗砾石的直径为1～2cm，沸石直径为4～8mm。
36.所述布水管道设置于植物根系上部，布水孔均匀分布，用以均匀地给人工湿地注入污水。
37.所述植物培养系统以直径为8cm、中空高度为5cm、底部封死的pvc管作为植物生长及固定的容器，利用防腐蚀的钢丝将pvc管穿插固定，使其悬浮于人工湿地床体上部，距离填料床20cm。将pvc管固定于系统内部，距离顶部5cm。种植密度约为300～400株/m2的风车草，以pvc管作为植物生长固定器，根系插入pvc管底部的小孔内。
38.实施例2
39.如图2所示，一种植物碳源基新型复合人工湿地系统，包括人工湿地填料层和植物层两部分，所述填料层包含填料床和排水管道，所述植物层包含布水管道、植物培养系统和植物系统。
40.所述植物系统中种植密度约为300～400株/m2的黄菖蒲，以pvc管作为植物生长固定器，根系插入pvc管底部的小孔内。其余同实施例1。
41.本发明运行方法基本同实施例1，不同之处在于植物系统中植物为根茎短粗、植株高大、叶子茂密的黄菖蒲，属于挺水宿根草本植物，污水由上部输入植物碳源基新型复合垂直流人工湿地系统，出水由排水管道经u形管达到水位高度后经u形管排出。实施例2可达到实施例1中所述的低污染水脱氮除磷强化功能，为植物碳源基复合人工湿地提供在不同场景下的应用形式。
42.实施例3
43.一种植物碳源基新型复合人工湿地系统的运行方法，包括：
44.采用实施例1的一种植物碳源基新型复合人工湿地系统；
45.(1)系统启动期，接种污水处理厂厌氧污泥于填料层，大大缩短了人工湿地启动周期。
46.(2)植物培养系统中通入霍格兰溶液培养一定周期以维持植物的正常生长。
47.(3)用蠕动泵通过进水区的布水管道向基质区内充入污水，采用连续流运行模式，设置人工湿地的水力停留时间为36小时，氨氮经过植物根系区一部分被植物根系吸收作为其生长的养分，另一部分通过硝化作用转化为硝态氮，在基质层异养微生物利用根系分泌的有机酸类物质作为碳源，将硝态氮转化为亚硝态氮、一氧化氮、一氧化二氮、氮气等。与传统人工湿地系统的对比分别如图3-图6所示。
48.(4)出水口位于填料层的一侧，填料层的底部出水口连接倒u型的虹吸管，虹吸管位于出水区内，虹吸管与系统整体的高度齐平。
49.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种植物碳源基新型复合人工湿地系统，其特征在于，包括人工湿地填料层和植物层两部分，所述填料层包含填料床和排水管道，所述植物层包含布水管道、植物培养系统和植物系统，其中，填料层位于人工湿地系统下部，仅占整个人工湿地系统的一半以下。2.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统，其特征在于，所述填料层的基质填料选自砾石、沸石、陶粒、火山岩等。3.根据权利要求1或2所述的复合人工湿地系统，其特征在于，所述填料层分为两部分，自下而上分别铺设粗砾石层和沸石层分别作为承托层、主体反应层。4.根据权利要求3所述的复合人工湿地系统，其特征在于，粗砾石的直径为1～2cm，沸石直径为4～8mm；包括5cm的粗砾石层和填充高度为25cm的沸石层。5.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统，其特征在于，所述布水管道设置于植物根系上部，布水孔均匀分布，用以均匀地给人工湿地注入污水。6.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统，其特征在于，所述植物培养系统以直径为8cm、中空高度为5cm、底部封死的pvc管作为植物生长及固定的容器，利用防腐蚀的钢丝将pvc管穿插固定，使其悬浮于人工湿地床体上部，距离填料床20cm。7.根据权利要求6所述的复合人工湿地系统，其特征在于，pvc管距离顶部5cm，pvc管管体的底部布满直径为6～8mm的小孔，便于水体流动和污染物混合均匀。8.根据权利要求1或7所述的复合人工湿地系统，其特征在于所述植物为多年生草本、根状茎短、粗大、须根坚硬的风车草；种植模式为高密植模式，种植密度为300～400株/m2，以pvc管作为植物生长固定器，根系插入pvc管底部的小孔内。9.根据权利要求1所述的复合人工湿地系统，其特征在于，排水管道铺设于人工湿地系统的底部，用于收集人工湿地出水。10.根据权利要求9所述的复合人工湿地系统，其特征在于，为保证人工湿地出水的连续性，出水口处接u型管道，最高点与人工湿地装置最高点齐平，利用虹吸原理，实现虹吸管自动排水，实现水位的自动升降。

技术总结
本发明公开了一种植物碳源基新型复合人工湿地系统及其应用，在填料床上层构筑植物培养系统，充分利用上层水体空间，以植物根系分泌及自身代谢为异养反硝化菌提供碳源，以达到提高反硝化速率、维持人工湿地脱氮性能的持久性。本系统由传统人工湿地填料床和植物培养系统两部分组成，采用下行流运行模式，氨氮经过植物根系区一部分被植物根系吸收作为其生长的养分，另一部分通过硝化作用转化为硝态氮，植物通过根系分泌为反硝化提供碳源，有效减少运行成本。同时，仅使用一半的填料填充整体的填料床，结构简单、管理方便，减少了湿地建设的费用，具有较高的应用前景。具有较高的应用前景。具有较高的应用前景。


技术研发人员：王鸿程 刘莹 王爱杰 方颖珂 梁斌
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8