一种低碳局部环绕流接触湿地系统及其净化水质的方法与流程

本发明涉及一种低碳局部环绕流接触湿地系统及其净化水质的方法，属于水处理。

背景技术：

1、污水处理厂一般在达到排放标准排放时尾水中仍然含有比地表水环境质量标准限值浓度还高的氮磷营养盐和其他污染物，直接排放尾水到自然水体，会对自然水体水环境质量产生较大的冲击。因此，一般通过建设生态安全缓冲区湿地系统来过渡处理后再进入自然受纳水体。生态安全缓冲区湿地系统的主要作用是通过强化的人工生态处理来改善污水厂尾水的生态毒性，并且进一步削减尾水中的有机污染物和氮磷营养盐，达到生态安全缓冲和保护自然受纳水体的目的。近年来多种生态安全缓冲区湿地工程相继建成，但由于系统构建不合理导致运行存在较多的问题。例如，采用了高能耗的曝气措施会导致系统运行能耗高，通过投加化学药剂去除营养盐导致化学污泥副产物问题，这类把生态安全缓冲区湿地处理工业化的技术方案，不具有低碳潜质。采用基质填料来进行污水营养盐去除的方法虽然更生态化，但是大多采用潜流湿地、滤床、滤坝等截断湿地自由水面的技术方案，导致在运行一段时间后最大的问题就是堵塞。另外，采用挺水植物的表面流湿地大多在运行一段时间后，植物会存在优势演替，会侵轧其他植物生长空间，最终导致局部的植物疯长，使得成片的表流湿地过水均匀性受到影响，进而导致大面积死水区，湿地失效。采用浮床或浮岛技术方案的湿地，植物生长时根系嵌入浮床网兜或者多孔定植盆底，植物根系残体的收割回收难度大，回收不彻底会腐烂导致污染物又释放到水体中。

2、现有技术中，已有污水处理厂尾水湿地，例如cn116444066a通过在河道滨岸处构建污水厂尾水湿地，但湿地未考虑解决砾石床堵塞问题、植物演替侵轧问题、尾水脱氮除磷问题的针对性技术方案。文件cn107720973b提供了一种污水处理厂尾水人工湿地处理系统，系统引入了漂浮植物，但未考虑漂浮植物的定植技术方案，采用了截断水面的潜流湿地不能避免堵塞问题，除磷采用了投加高分子聚合铁盐或者铝盐的技术方案，也采用了曝气装置进行硝化，这些措施增加了物耗和能耗，不经济也不生态，还有化学除磷的副产物问题。对比文件cn219507759u提供了一种用于污水厂尾水高效净化的湿地系统，系统包括了曝气渠这类有能耗的措施，还包括大体量的垂直潜流湿地和水平潜流湿地，属于截断水面的湿地系统，长期运行难以避免湿地堵塞的问题。对比文件cn110143721a提供了自由水面梯级生态湿地及其水质净化方法，其中第一个硝化反硝化脱氮功能区设有大面积生态浮岛，生态浮岛的植物定植方式存在植物根部难以收割回收问题，第二个水生植物污染削减功能区种植大量挺水植物存在植物演替侵轧引起不均匀过水问题，第三个多孔介质滤床截滤存在截断水流存在堵塞隐患。

3、上述对比文件提及的现有生态安全缓冲区湿地系统技术方案均存在一些有待优化的问题，迫切需要新的技术方案来实现低碳的、不堵塞的、防止植物演替侵轧的、营养盐富集植物根系便捷回收的、兼具强化脱氮除磷功能的生态安全缓冲区湿地系统。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种低碳局部环绕流接触湿地系统及其净化水质的方法。本发明的低碳局部环绕流接触湿地系统，包括依次串联的生态活性恢复单元、氮循环强化单元、环绕流接触磷循环强化单元和生态稳定单元，采用连续的自由水面，系统中不含动力能耗装置设备，全程无能耗，实现低碳化，生态活性恢复单元前置可率先恢复尾水生态性，氮循环强化单元位列第二能够承接种植有大量植物的前置单元产生的有机物并在本单元进行强化反硝化脱氮，环绕流接触磷循环强化单元位列第三，能在前端大量植物和微生物吸收或去除氮磷后，再作为强化的保障单元对水体中磷的去除，可最大程度减缓环绕流接触磷循环强化单元的除磷负荷，延长单元的使用周期，生态稳定单元位列最后的作用是通过长时间的停留尾水实现尾水的生态稳定性的提高，同时在氮磷均在前置单元强化去除后，长时间停留也不会有藻类滋生，而且该单元深度最大，生态系统最完善，可保证最终出水的水质。

2、为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种低碳局部环绕流接触湿地系统，包括依次串联的生态活性恢复单元、氮循环强化单元、环绕流接触磷循环强化单元和生态稳定单元；

4、所述生态活性恢复单元包括进水管、布水堰和植物种植区，所述进水管的进口与所述污水处理厂的尾水管出口连接，所述进水管的出口与所述布水堰的进口连接，尾水自所述布水堰溢流至植物种植区，所述植物种植区用于种植挺水植物，所述挺水植物种植于植物生长限位环的内部，所述植物生长限位环呈阵列式排满于所述植物种植区；

5、所述氮循环强化单元包括框架填料和大叶浮水植物；所述框架填料松散堆叠在所述氮循环强化单元中，堆叠最高处与水面之间的距离大于500mm，所述大叶浮水植物种植于所述氮循环强化单元的底部，所述大叶浮水植物的大叶片漂浮生长于水面并遮蔽水面；

6、所述环绕流接触磷循环强化单元包括填料柱和水培植物，所述填料柱呈阵列式分布，相邻填料柱之间存在自由水面，所述水培植物种植于所述填料柱中；

7、所述生态稳定单元包括沉水植物、出水集水槽和出水管，所述沉水植物种植于所述生态稳定单元的底面，所述出水集水槽位于所述生态稳定单元的下游，所述出水集水槽采用溢流进水，集水通过所述出水管外排。

8、进一步地，所述植物生长限位环的内径为300～500mm，高度为300～500mm，所述植物生长限位环轴向切入所述生态活性恢复单元底部的泥土中，且超高不小于100mm。

9、进一步地，所述框架填料包括框架和碳毡带，所述碳毡带的两端固定在所述框架上，水流方向与所述碳毡带的长度方向垂直。

10、进一步地，所述填料柱包括网笼、磷缓冲材料和倒喇叭支撑钢丝束，所述磷缓冲材料装填在所述网笼内；

11、所述网笼为具有中空的圆柱状钢丝笼，壁厚为200-500mm，所述网笼的内部直径小于500mm，所述网笼的孔径小于50mm；

12、所述磷缓冲材料为包括火山岩或麦饭石在内的对磷酸盐具有弱结合作用的材料，材料粒径为50～100mm；

13、所述倒喇叭支撑钢丝束中的各根钢丝均固定连接于所述网笼底部内圆周，且上端向上聚拢为一束，各根钢丝上端均低于所述填料柱的上沿口，钢丝上端与所述填料柱的上沿口之间的距离为200～400mm；

14、所述水培植物的根部夹持于所述倒喇叭支撑钢丝束的上端。

15、第二方面，本发明实施例提供了一种利用第一方面所述的低碳局部环绕流接触湿地系统进行净化水质的方法，包括以下步骤：

16、步骤s1、污水处理厂尾水进入生态活性恢复单元：污水处理厂尾水通过进水管进入布水堰，并越过所述布水堰被均匀地分配到植物种植区，尾水被种植在植物生长限位环中的挺水植物拦截过滤；

17、步骤s2、步骤s1的出水进入氮循环强化单元，污水经过前置的所述生态活性恢复单元补充了水体中的有机物碳源，在氮循环强化单元中形成具有碳源且缺氧的微生物生境，能够强化水体的中的氮素进行反硝化脱氮，水体中的硝酸盐氮得到一定程度的针对性去除；

18、步骤s3、步骤s2的出水进入环绕流接触磷循环强化单元，尾水与阵列式均匀分布的填料柱中的磷缓冲材料进行接触，有效吸附和固持尾水中的磷酸盐，实现湿地系统除磷的功能；

19、步骤s4、尾水进入生态稳定单元，经过所述生态稳定单元停留后的尾水溢流进入出水集水槽，最终由出水管外排。

20、进一步地，所述生态活性恢复单元的进水流量为q m3/h，水深h1为0.3-1.0m，表观水力停留时间t1＞6h，面积s1＞q*t1/h1，概化长宽比r1＞10，校核过水断面流速v1为0.02～0.1m/s。

21、进一步地，所述氮循环强化单元的进水流量为所述生态活性恢复单元的出水流量q m3/h，水深h2为1-3m，表观水力停留时间t2＞12h，面积s2＞q*t2/h2，概化长宽比r2＞10，校核过水断面流速v2为0.02～0.5m/s。

22、进一步地，所述环绕流接触磷循环强化单元的进水流量为所述氮循环强化单元的出水流量q m3/h，水深h3为0.8～1.0m，表观水力停留时间t3＞0.5h，面积s3＞q*t3/h3，概化长宽比r3＞10，校核过水断面流速v3为0.02～0.2m/s。

23、进一步地，所述生态稳定单元的进水流量为所述环绕流接触磷循环强化单元的出水流量q m3/h，水深h4＞3m，表观水力停留时间t4＞24h，面积s4＞q*t4/h4。

24、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

25、1、本发明通过设置生态活性恢复单元、氮循环强化单元、环绕流接触磷循环强化单元、生态稳定单元组成污水处理厂生态安全缓冲区湿地系统，通过植物生长限位环的使用、框架填料与大叶浮水植物联合构建脱氮生境、环绕流接触的阵列式填料柱分布、建立填料柱吸附和固持加植物吸收利用的磷循环路径、倒喇叭支撑钢丝束承托禾本科植物法等技术方案的组合使用，可同时实现无动力低碳、防止植物演替侵轧、环绕流接触抗堵塞、营养盐富集植物根系便捷回收、兼具强化脱氮除磷作用等多项有益效果。

26、2、本发明生态活性恢复单元为污水处理厂尾水进入的第一个单元，在生态活性恢复单元铺设植物生长限位环，植物生长限位环中再在种植挺水植物，挺水植物分蘖后生长范围被限制在环内，因此整个功能单元植物的分布按照阵列式植物生长限位环的分布而均匀分布，防止出现局部植物疯长后演替侵轧其他植物生长空间后导致整个功能单元过水不均匀，有效避免功能单元出现死水区和短流，可保证功能单元的长效稳定运行。

27、3、本发明氮循环强化单元设置于生态活性恢复单元之后，污水厂尾水在生态活性恢复单元与大量植物接触后生态活性得到一定恢复，植物根系分泌物可补充反硝化碳源，尾水随即进入氮循环强化单元，具有微生物亲和性的碳毡带制作的框架填料可附着参与氮素循环的反硝化微生物，水体表面的大叶浮水植物可有效阻隔大气复氧到氮循环强化单元的水体，形成具有碳源且缺氧的微生物生境，可强化水体的中的氮素进行反硝化脱氮。

28、4、本发明环绕流接触磷循环强化单元采用了阵列式均匀分布的填料柱形式的填料与尾水进行接触，从而吸附和固持水中的磷，相比于传统的潜流湿地、滤坝、滤墙等形式，阵列式均匀分布的填料柱不会截断水面，过水性能更好，也不会随着填料上生物膜的生长而堵塞过水通道，由填料柱构成的磷循环强化单元没有阻断整个系统的自由水面，可确保系统不会出现堵塞情况。

29、5、本发明填料柱中的磷缓冲材料选用火山岩、麦饭石等与磷酸盐弱结合的材料，可以有效吸附和固持流经的尾水中的磷酸盐，实现湿地系统除磷的功能，磷酸盐弱结合的材料吸附和固持的磷酸盐具有植物再利用的可逆性，填料柱中种植植物后能够吸收利用填料吸附和固持的磷酸盐，建立填料柱吸附和固持加水培植物吸收利用的磷循环路径，可通过不断收割填料柱中的植物，延长填料吸附饱和的时间，从而延长填料使用寿命。

30、6、本发明填料柱中采用倒喇叭支撑钢丝束承托植物生长，倒喇叭支撑钢丝束的结构设计能够有效支撑和固定植物生长，防止倒伏；水培植物仅采用须根的禾本科植物，联合倒喇叭支撑钢丝束的定植作用，在水培植物收割时能够轻易向方拔出植物根系，收割植物更彻底，解决了植物与定植装置难分离而导致植物根系收割难的传统湿地技术难题。

31、7、本发明环绕流接触磷循环强化单元形式的使用可保障整个系统的自由水面连续，不会截留上游的漂浮渣滓，加之末端采用溢流出水，整个系统自由水面浮渣可流动到出水位置，即使偶尔有植物收割残枝残叶洒落水面，也不会出现浮渣或浮沫的水面滞留，整个系统连续的自由水面会更加清洁，湿地系统运行管理更加容易。