專利名稱：一種穩定高效的人工濕地污水處理系統及方法
技術領域：
本發明涉及污水處理領域，具體涉及一種穩定高效的人工濕地污水處理系統及方法。
背景技術：
人工濕地是一種為處理污水而利用生態工程措施模擬自然濕地建造的生態系統， 主要由基質(填料)、植物和微生物構成,通過濕地植物根系吸收、根系附著微生物降解等作用，實現對污染物的去除。目前利用人工濕地技術進行生活和工業污水凈化已屢見不鮮， 起到非常好的生態與經濟效益。但目前國內外濕地大量應用的植物主要是草本植物，有蘆葦、美人蕉、香根草等。 但是這些植物均具有生物量小，對污染物的吸附能力有限，且具有地上生物質難以收獲轉移、容易散落在水體中腐敗并且對水體造成二次污染等缺點。喬木、灌木作為植物修復材料在國外研究較多，而國內應用較少。國內的木本植物應用品種主要是池杉、白骨壤等，規?；瘧迷谀戏教厥獾貐^或沿海。灌木型柳樹無性系具有生長速度快，根系發達，對氮磷和有害重金屬吸附能力強，耐污能力強，對水環境適應性好，耐平茬收獲等特點，特別適宜于在人工濕地環境中生長發育，是優良的濕地植物材料?；|(填料)是人工濕地系統的重要組成部分，它不僅為植物、微生物生長提供適宜的條件，還通過吸附、沉淀、過濾等作用直接去除污染物。目前選用較多的填料是石礫、陶粒、沸石、煤灰、細砂、頁巖、鋼渣、爐渣等介質中的一種或幾種。這些填料的主要缺點是比表面積小、微生物附著面積有限，去除污染物效果不佳。生物炭是由農作物秸桿、植物殘渣、動物糞便等有機廢棄物通過熱裂解工藝加工而成的一種多孔碳，具有密度高、比表面積大、吸附能力強等特點，而且其微孔結構特別適宜于微生物的生長和發育，是一種理想的生物填料。人工濕地具有投資費用省、運行費用低、維護管理簡便和美觀等優點。但如果工程設計不合理，特別是不合理地選用和配置濕地基質與植物，就會導致人工濕地凈化效率低、 使用壽命短等問題。目前的人工濕地系統中利用灌木型柳樹無性系作為濕地植物，同時利用生物炭材料作為濕地生物填料處理廢水方面還沒有相關研究報道。

發明內容
本發明的目的之一在于克服現有技術的不足，提供一種穩定高效的人工濕地污水處理系統，該系統不僅具有現有人工濕地污水處理系統投資低、操作簡便、維護運行費用省、耗能低，改善生態環境等特點，同時由于濕地植物與生物炭相互作用，強化了對污水中氮、磷和C0D&等污染物的去除效率、無二次污染，并且不受季節限制。本發明的另一目的是提供一種穩定高效的人工濕地污水處理系統來處理污水的方法。本發明的具體技術方案如下
一種穩定高效的人工濕地污水處理系統，包括常規污水預處理系統和人工濕地， 常規污水預處理系統包括格柵井、調節池和沉淀池，人工濕地包括布水裝置、集水裝置、池體、裝填在池體內的濕地基質和種植于基質上的植物，污水預處理系統和人工濕地由管道連通，其特征在于所述濕地類型為潛流型人工濕地，濕地基質中含有生物炭材料，種植于基質上的植物為木本植物，生物炭材料以柳樹生物質為原料制成。木本植物為灌木型柳樹無性系，種植密度為I 5株/m2。生物炭材料為生物炭顆粒,粒徑為5 40_。濕地基質包括按一定級配關系裝填的卵石、礫石、碎石、陶粒、粗砂和生物炭材料。濕地基質分為三層結構，自下而上依次為底層、中間層和表層，底層包括卵石，中間層主要由礫石、碎石或陶粒中的一種或一種以上與生物炭材料混合組成，表層包括粗砂和生物炭材料。卵石層厚度為20 40cm，中間層厚度為60 100cm，表層厚度為10 30cm。一種穩定高效的人工濕地污水處理方法，其步驟主要包括(I)污水首先進入格柵井，主要去除較大的懸浮物和雜物。接著，格柵井的出水進入調節池，對水質水量進行調節。隨后，調節池的出水經沉淀池沉淀懸浮顆粒物和砂粒等物質；(2)沉淀池的出水進入人工濕地系統，污水在濕地植物、包含生物炭材料的基質以及微生物的協同作用下通過物理、化學和生物作用得以凈化；(3)經過凈化后的水達標排放或回收利用。所述步驟(2)中的生物炭材料為柳樹生物質原料在250_800°C和缺氧條件下炭化 1-6小時制成，粉碎制得生物炭顆粒，粒徑為5 40mm。所述生物炭碳含量高達50-90%。所述步驟(2)中的濕地植物為灌木型柳樹無性系，是來自于國內經過良種審定后的無性系，以及從瑞典農業大學、美國紐約州立大學、美國Double A Willow公司、西北農林科技大學以及江蘇省林業科學研究院等單位選育的無性系，其具有生長速度快，根系發達， 對氮磷、重金屬等各種有機污染物吸附能力強，耐污能力強，對水環境適應性好，耐平茬收獲等特點。所述濕地植物可以進行直接移栽種植或進行扦插種植。所述直接移栽種植的灌木型柳樹無性系為一年生叢狀苗木，其側枝數不少于5 個，高度不小于lm，帶完整根系移栽。所述扦插種植的灌木型柳樹無性系材料為從采穗圃中獲取的一年生種條，剪取制作為長度5 50cm的插穗進行扦插種植。本發明根據灌木型柳樹無性系生長速度快，根系發達，對氮磷和有害重金屬吸附能力強，耐污能力強，對水環境適應性好，耐平茬收獲等特點，以及生物炭材料密度高、比表面積大、吸附能力強，而且其微孔結構特別適宜于微生物的生長和發育等特點，結合潛流型人工濕地的簡化結構,構建一個基于生物填料-灌木型柳樹無性系-微生物三位一體的復合生態系統，對污水進行凈化處理。本發明的有益效果如下I)、本發明通過利用灌木型柳樹無性系作為人工濕地植物，結合生物炭材料和潛流型人工濕地的結構，能夠對污水中NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5等污染物進行高效和深度去除，且去除率高達90%以上。
4
2)、在人工濕地污水處理設施進入運營后，對于種植的灌木型柳樹無性系每I 4 年輪伐一次，通過收獲地上部分生物質，就可達到徹底轉移污水中NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5等污染物的目的，解決了傳統濕地植物由于消亡更替而使植物殘體進入水體造成二次污染的問題。3)、灌木型柳樹無性系耐水濕，抗凍、抗病蟲害能力和抗逆性強，萌芽能力強，耐平茬收割，種植一次可連續平茬收割20-30年，相比蘆葦等傳統濕地植物材料，易于管理維護和收獲利用。此外，灌木型柳樹無性系不具有生物入侵性，對當地的其它生物種群的負面影響很小。4)、在凈化環境的同時，還具有一定的經濟效益，收獲后的柳樹生物質可用來作為生產生物炭的原材料或生物質能源的原料。5)、本發明中使用的生物炭材料比表面積大、吸附能力強、多微孔，適合作為微生物生長發育的載體，并且對環境友好，無二次污染，使用時間長。由于研究已證明生物炭是一種穩定性碳源，廢棄的生物炭填料可以直接埋入地下，成為一種有效的“碳匯”手段，有利于二氧化碳減排。經實驗證明，生物炭的大量微孔吸附了有機物和廢水中的氧氣，為微生物群的生長繁殖提供了高濃度的營養源，而微生物代謝過程中產生的酶和輔酶又被吸附和富集在生物炭的微孔中，加之生物炭上微生物和有機物接觸時間較長，使難以降解的有機物也有可能經生物氧化而分解。生物炭吸附的有機物也可以被灌木型柳樹無性系根系所吸收利用，生物炭表面培育的微生物膜能夠很好的降解污水中所含有機物，促進植物對污染物的吸收和固定，在冬季，生物炭可以彌補因柳樹生長量及蒸騰作用降低而減弱的污水凈化作用，使人工濕地系統能夠不受季節限制保持穩定的污水凈化效果。6)、灌木型柳樹無性系根系發達，對污水的耐受力很強。應用于潛流型人工濕地后，其根系可以在濕地內部結構中得到充分的生長和發育，不僅能夠吸收固定大量的氮、磷等污染物，而且可以將光合作用產生的或者葉片吸收的氧氣通過通氣組織向根部輸送，除了保證植物呼吸作用所需的氧氣之外，多余的氧氣就通過根系泌氧形式擴散到周圍的環境中，為生物炭表面培育的好氧微生物膜提供充足的氧氣，促進生物炭表面的好氧微生物對有機物的降解作用。7)、灌木型柳樹無性系為多年生植物，其景觀效果比草本濕地植物較好，不僅發芽萌動期早而且落葉期晚，在北方地區景觀持續期很長。8)、本發明中的人工濕地系統結構簡單，節省了投資費用。與傳統的二級污水廠相比，其建設投資費用和運行費節省了 50% 90%。本發明充分利用具有高吸附能力的灌木型柳樹無性系，以及適宜于微生物發育的生物炭材料，利用生物炭和灌木型柳樹無性系的相互促進作用，徹底強化了人工濕地處理污水的能力。與現有技術相比，提高了植物材料和濕地填料對污水處理的貢獻率，無論在運行成本、操作維護、處理效果上，還是在所帶來的經濟效益上，都具有明顯的優勢。


圖I是實施例I中的人工濕地的結構示意圖。其中1_進水口，2_布水區,3_池體,4_底層填料區,5_中間層填料區,6_集水區， 7-出水口，8-表層填料區，9-濕地植物。
具體實施方式
以下通過具體實例進一步說明本發明。
實施例I
人工濕地系統主要由池體、基質、濕地植物、布水區、集水區和管道組成。人工濕地內部的填料由下至上依次為厚度為20cm、粒徑約為30 40mm的卵石層，由粒徑為10 20mm的礫石和粒徑為5 IOmm的生物炭材料構成的厚度為IOOcm的中間層，以及由粒徑為 5 IOmm的粗砂和粒徑為5 IOmm的生物炭材料構成的厚度為IOcm的表層。
選用Salixsachalinensis CL. SX61,引自于美國 Double AWi I low 公司，將濕地植物培育系統中采集到的一年生幼苗直接移栽到濕地床上種植，種植密度為I株/m2。待植株穩定后，引入生活污水。污水依次流經常規污水預處理系統中的格柵井和調節池、沉淀池進行預處理，然后沉淀池的出水流入人工濕地系統，經濕地系統處理后(水力停留時間設為2 天)，NH4+-N，TN，TP，SS，C0D&，B0D5 的去除率分別達到了 92%、90%、92%、90%、93%和 94% 以上，在冬季 NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5 的去除率也分別達到了 90% ,89% ,90% ,88%, 92%和92%以上，效果穩定而良好。經處理后的廢水可達標排放或回用。各項檢測指標均參照國標法測定。
實施例2
人工濕地系統主要由池體、基質、濕地植物、布水區、集水區和管道組成。人工濕地內部的填料由下至上依次為厚度為30cm、直徑約為40 50mm的卵石層，由粒徑為10 25mm的碎石和粒徑為10 20mm的生物炭材料構成的厚度為80cm的中間層，以及由粒徑為 10 15mm的粗砂和粒徑為10 20mm的生物炭材料構成的厚度為20cm的表層。
選用Salix miyabeana CL. SX64,引自于美國Double A Willow公司，從濕地植物培育系統中采用長度約為IOcm的一年生種條作為插穗扦插到濕地床上，種植密度為2株/ m2。待植株穩定后，引入生活污水。污水依次流經常規污水預處理系統中的格柵井和調節池、沉淀池進行預處理，然后調節池的出水流入人工濕地系統，經濕地系統處理后(水力停留時間設為7天)，NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分別達到了 92%、90%、93%、 90%、92%和91%以上，在冬季NH:-N，TN, TP, SS, CODcr，BOD5的去除率也分別達到了 90%, 88%、90%、87%、90%和90%以上，效果穩定而良好。經處理后的廢水可達標排放或回用。 各項檢測指標均參照國標法測定。
實施例3
人工濕地系統主要由池體、基質、濕地植物、布水區、集水區和管道組成。人工濕地內部的填料由下至上依次為厚度為25cm、直徑約為30 50mm的卵石層，由粒徑為10 25mm的陶粒和粒徑為20 30mm的生物炭材料構成的厚度為70cm的中間層，以及由粒徑為 15 20mm的粗砂和粒徑為20 30mm的生物炭材料構成的厚度為30cm的表層。
選用Salix viminalisXSalix miyabeana CL. 99202-004(Fabius),弓丨自于美國 Double A Willow公司，從濕地植物培育系統中采用長度約為20cm的一年生種條作為插穗扦插到濕地床上，種植密度為4株/m2。待植株穩定后，引入生活污水。污水依次流經常規污水預處理系統中的格柵井和調節池、沉淀池進行預處理，然后調節池的出水流入人工濕地系統，經濕地系統處理后(水力停留時間設為5天)，NH4+-N, TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分別達到了 92 %、89 %、92 %、90 %、90 %和 95 % 以上，在冬季 NH:_N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率也分別達到了 91%、88%、89%、89%、90%和92%以上，效果穩定而良好。經處理后的廢水可達標排放或回用。各項檢測指標均參照國標法測定。
實施例4
人工濕地系統主要由池體、基質、濕地植物、布水區、集水區和管道組成。人工濕地內部的填料由下至上依次為厚度為40cm、直徑約為50 60mm的卵石層，由粒徑為20 30mm的陶粒和粒徑為20 30mm的生物炭材料構成的厚度為60cm的中間層，以及由粒徑為 10 15mm的粗砂和粒徑為20 30mm的生物炭材料構成的厚度為20cm的表層。
選用Salix dasyclados CL. SVl,引自于美國Double A Willow公司，從濕地植物培育系統中采用長度約為30cm的一年生種條作為插穗扦插到濕地床上，種植密度為3株/ m2。待植株穩定后，引入生活污水。污水依次流經常規污水預處理系統中的格柵井和調節池、沉淀池進行預處理，然后調節池的出水流入人工濕地系統，經濕地系統處理后(水力停留時間設為6天)，NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分別達到了 90%、93%、90%、 90%、92%和90%以上，在冬季NH:-N，TN, TP, SS, CODcr，BOD5的去除率也分別達到了 89%, 92%、88%、89%、90%和90%以上，效果穩定而良好。經處理后的廢水可達標排放或回用。 各項檢測指標均參照國標法測定。
實施例5
人工濕地系統主要由池體、基質、濕地植物、布水區、集水區和管道組成。人工濕地內部的填料由下至上依次為厚度為40cm、直徑約為70 80mm的卵石層，由粒徑為20 30mm的碌石、碎石與粒徑為15 25mm的生物炭材料構成的厚度為70cm的中間層，以及由粒徑為20 25mm的粗砂和粒徑為15 25mm的生物炭材料構成的厚度為IOcm的表層。
選用Salix sachalinensis X Salix miyabeana CL. 9870-23 (Marcy),引自于美國 Double A Willow公司，將濕地植物培育系統中采集到的一年生幼苗直接移栽到濕地床上種植，種植密度為4株/m2。待植株穩定后，引入生活污水。污水依次流經常規污水預處理系統中的格柵井和調節池、沉淀池進行預處理，然后調節池的出水流入人工濕地系統，經濕地系統處理后(水力停留時間設為7天)，NH4+-N, TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分別達到 7 92%、90%、91%、91%、93%和 90% 以上，在冬季 NH4+_N，TN，TP，SS，C0D&，BOD5 的去除率也分別達到了 91%、88%、90%、90%、91%和90%以上，效果穩定而良好。經處理后的廢水可達標排放或回用。各項檢測指標均參照國標法測定。
實施例6
人工濕地系統主要由池體、基質、濕地植物、布水區、集水區和管道組成。人工濕地內部的填料由下至上依次為厚度為30cm、直徑約為60 80mm的卵石層，由粒徑為20 30mm的碎石、陶粒和粒徑為30 40mm的生物炭材料構成的厚度為85cm的中間層，以及由粒徑為5 IOmm的粗砂和粒徑為30 40mm的生物炭材料構成的厚度為15cm的表層。
選用Salix sachalinensisX Salix miyabeana CL. 9871-31 (Sherburne)，引自于美國Double A Willow公司，將濕地植物培育系統中采集到的一年生幼苗直接移栽到濕地床上種植，種植密度為2株/m2。待植株穩定后，引入生活污水。污水依次流經常規污水預處理系統中的格柵井和調節池、沉淀池進行預處理，然后調節池的出水流入人工濕地系統， 經濕地系統處理后(水力停留時間設為6天)，NH4+-N, TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分別%、94%、92 %和 90 % 以上，在冬季 NH:_N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5 的去除率也分別達到了 88%、89%、90%、92%、90%和90%以上，效果穩定而良好。經處理后的廢水可達標排放或回用。各項檢測指標均參照國標法測定。
實施例7
人工濕地系統主要由池體、基質、濕地植物、布水區、集水區和管道組成。人工濕地內部的填料由下至上依次為厚度為35cm、直徑約為65 80mm的卵石層，由粒徑為20 30mm的碎石、陶粒和粒徑為30 40mm的生物炭材料構成的厚度為85cm的中間層，以及由粒徑為5 IOmm的粗砂和粒徑為30 40mm的生物炭材料構成的厚度為15cm的表層。
選用Salix viminalisX Salix miyabeana CL. 99202-004,引自于美國 Double A Willow公司，從濕地植物培育系統中采集長度約為20cm的一年生種條作為插穗扦插到濕地床上，種植密度為3株/m2。待植株穩定后，引入生活污水。污水依次流經常規污水預處理系統中的格柵井和調節池、沉淀池進行預處理，然后調節池的出水流入人工濕地系統，經濕地系統處理后(水力停留時間設為7天)，NH4+-N, TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分別達到了 93 %、90 %、91 %、94%、90 %和 89 % 以上，在冬季 NH:_N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5 的去除率也分別達到了 91%、88%、90%、91%、90%和88%以上，效果穩定而良好。經處理后的廢水可達標排放或回用。各項檢測指標均參照國標法測定。
實施例8
人工濕地系統主要由池體、基質、濕地植物、布水區、集水區和管道組成。人工濕地內部的填料由下至上依次為厚度為40cm、直徑約為60 70mm的卵石層，由粒徑為20 30mm的碎石、陶粒和粒徑為30 40mm的生物炭材料構成的厚度為85cm的中間層，以及由粒徑為5 IOmm的粗砂和粒徑為30 40mm的生物炭材料構成的厚度為15cm的表層。
選用Salix purpurea CL. 9882-41 (Wolcott),引自于美國 Double A Wi I low 公司, 將濕地植物培育系統中采集到的一年生幼苗直接移栽到濕地床上種植，種植密度為5株/ m2。待植株穩定后，引入生活污水。污水依次流經常規污水預處理系統中的格柵井和調節池、沉淀池進行預處理，然后調節池的出水流入人工濕地系統，經濕地系統處理后(水力停留時間設為5天)，NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分別達到了 92%、95%、90%、 90%、90%和91%以上，在冬季NH:-N，TN, TP, SS, CODcr，BOD5的去除率也分別達到了 90%, 93%、90%、88%、88%和90%以上，效果穩定而良好。經處理后的廢水可達標排放或回用。 各項檢測指標均參照國標法測定。
實施例9
將上述八個實施例中濕地基質中的生物炭材料移去，在進出水、其它填料、濕地類型、植物、水力停留時間等條件完全不變的條件下，濕地系統對NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5的去除率分別僅為65% 77%，60% 75%，62% 78%，65% 75%，66% 80%， 65 % 78 %，在冬季的NH4+-N，TN，TP，SS，C0D&，BOD5的去除率分別僅為63 % 75 %，57 % 71%, 59% 71%,60% 70%,60% 77%,60% 72%。
通過將實施例1-8和實施例9對比可見，本發明將生物炭材料作為填料應用到濕地系統中后，由于生物炭與濕地植物的相互作用，對生活污水中NH4+-N，TN, TP, SS, CODcr, BOD5等污染物的去除率均遠遠高于對照例，達到了很好的凈化生活污水的目的。
最后，還需注意的是，以上列舉的僅是本發明的若干個具體實施例。顯然，本發明8不局限于以上實施例，本發明的實施例不構成對本發明進一步應用的限制。
權利要求
1.一種穩定高效的人工濕地污水處理系統，包括常規污水預處理系統和人工濕地，濕地類型為潛流型人工濕地，常規污水預處理系統包括格柵井、調節池和沉淀池，人工濕地包括布水裝置、集水裝置、池體、裝填在池體內的濕地基質和種植于基質上的植物，污水預處理系統和人工濕地由管道連通，其特征在于濕地基質中含有生物炭材料，種植于基質上的植物為木本植物,生物炭材料以柳樹生物質為原料制成。
2.如權利要求I所述的穩定高效的人工濕地污水處理系統，其特征在于木本植物為灌木型柳樹無性系。
3.如權利要求2所述的穩定高效的人工濕地污水處理系統，其特征在于灌木型柳樹無性系的種植密度為I 5株/m2。
4.如權利要求I所述的穩定高效的人工濕地污水處理系統，其特征在于生物炭材料為生物炭顆粒。
5.如權利要求4所述的穩定高效的人工濕地污水處理系統，其特征在于生物炭顆粒的粒徑為5 40mm。
6.如權利要求I所述的穩定高效的人工濕地污水處理系統，其特征在于濕地基質包括按級配關系裝填的卵石、礫石、碎石、陶粒、粗砂和生物炭材料。
7.如權利要求I或6所述的穩定高效的人工濕地污水處理系統，其特征在于濕地基質分為三層結構，自下而上依次為底層、中間層和表層，底層包括卵石，中間層主要由礫石、 碎石或陶粒中的一種或一種以上與生物炭材料混合組成，表層包括粗砂和生物炭材料。
8.如權利要求7所述的穩定高效的人工濕地污水處理系統，其特征在于卵石層厚度為20 40cm,中間層厚度為60 100cm,表層厚度為10 30cm。
9.一種穩定高效的人工濕地污水處理方法，其步驟主要包括(1)污水首先進入格柵井，去除較大的懸浮物和雜物，格柵井的出水進入調節池，對水質、水量進行調節，調節池的出水經沉淀池沉淀懸浮顆粒物和砂粒；(2)沉淀池的出水進入人工濕地系統，污水在濕地植物、包含生物炭材料的基質以及微生物的協同作用下通過物理、化學和生物作用得以凈化；(3)經過凈化后的水達標排放或回收利用。
10.如權利要求9所述的穩定高效的人工濕地污水處理方法，其特征在于步驟(2)中的生物炭材料為柳樹生物質原料在250-800°C和缺氧條件下炭化1-6小時后粉碎成顆粒，粒徑為5 40mm n
全文摘要
本發明涉及污水處理領域，具體涉及一種穩定高效的人工濕地污水處理系統及方法。本發明提供一種穩定高效的人工濕地污水處理系統，該系統不僅具有現有人工濕地污水處理系統投資低、操作簡便、維護運行費用省、耗能低，改善生態環境等特點，同時由于濕地植物與生物炭相互作用，強化了對污水中有機污染物物和重金屬等污染物的去除效率、無二次污染，并且不受季節限制。還同時提供一種穩定高效的人工濕地污水處理系統來處理污水的方法。
文檔編號C02F3/32GK102531179SQ201110366460
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者戶利霞, 石翠玉, 趙杉, 閆增雙, 馬可 申請人:北京東溪柳環保工程有限公司