去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)。本發(fā)明是用2塊隔板將人工濕地床體分隔為3個單元，在分隔出的3個單元中平鋪填充有復合填料，在第一個單元中自進水端開始由上至下填充的復合填料是沸石、無煙煤、鋼渣和生物陶粒；在第二個單元中自進水端開始，由下至上填充的復合填料是生物陶粒、鎂橄欖石和無煙煤；在第三個單元中自進水端開始，由上至下填充的復合填料是沸石和生物陶粒。進水沿隔板以“下行-上行-下行”的方式與復合填料充分接觸，不僅能有效削減污水廠二級生化出水的入河氮磷負荷，而且可高效去除污水廠二級生化出水的病原微生物，降低受納水體的病原微生物污染風險。
【專利說明】去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于水污染控制領域，特別涉及一種可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著我國城市化進程的快速發(fā)展，城市需水量和污水排放量也日益增加。對于水資源短缺地區(qū)，非常規(guī)水源已逐漸成為城市河流的主要補給來源。以北京溫榆河流域為例，主要以城市退水、上游來水和流域分散性污水等非常規(guī)水源補給為主，其中清河污水廠排水量與溫榆河干流來水量之比達1.5 (楊勇等，北京溫榆河流域微生物污染調查研究[J].環(huán)境科學學報，2012，32(1):9-18)。目前我國河流的水質評價主要考慮常規(guī)理化指標，但以微生物為評價指標的研究表明，按照《地面水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)，IV和V類水體的糞大腸菌群(FC)濃度限值分別為2 X IO4個/L和4 X IO4個/L，全國各大水系均存在嚴重的微生物污染，其中黃河、海河、松花江、遼河及珠江水系FC (糞大腸菌群)濃度均超過IO6個/L，長江和淮河FC也嚴重超標。污水廠排水是河流微生物污染的重要來源，尤其對于非常規(guī)水源補給為主的河流(如溫榆河)，其主要補充水源-清河污水廠排水中糞大腸菌群濃度達IO7個/L，導致其下游糞大腸菌群均值達6.3 X IO6個/L以上，比V類水質標準(40000個/L)仍高出2個數(shù)量級，屬于重度污染(楊勇等，北京溫榆河流域微生物污染調查研究[J].環(huán)境科學學報，2012，32 (I):9-18)。
[0003]水體中含有多種病原微生物，是傳播疾病的重要媒介。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全世界每年有數(shù)百萬人死于因不安全水而導致的疾病，其中大部分是兒童，主要原因是致病微生物感染。作為廣為應用的生態(tài)方法-人工濕地技術，具有凈化污染物效果好、投資少、運行費用低、耐沖擊負荷能力強、維護管理簡便和生態(tài)景觀性能好等優(yōu)點(Song Z etal.Seasonal and annualperformance of a full-scale constructed wetland systemfor sewage treatment `inChina[J]，Ecological Engineering,2006，26 (3):272-282)，是實現(xiàn)二級生化出水深度處理的有效手段。然而，目前人工濕地的研究與應用主要集中在去除水體的有機污染物和營養(yǎng)鹽，卻對病原微生物的污染控制重視不夠。國外相關研究表明，人工濕地系統(tǒng)(單級濕地)對病原微生物的去除率約為65%~92.6% (Vymazalet al.， Removal of enteric bacteria in constructed treatment wetlandswithemergent macrophytes:a review[J], J Environ Sci Health A Tox Hazard SubstEnvironEng, 2005，40 (6-7): 1355-1367)，但不同于常規(guī)污染物，當進水病原微生物濃度較高時，即使去除率高達92.6%，其出水中的病原微生物數(shù)目仍較多，這對人類健康仍構成了較大的潛在威脅。因此，在重視人工濕地去除高效有機污染物、氮磷營養(yǎng)鹽的同時，人們迫切需要研發(fā)和應用能高效控制水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)，降低病原微生物給人類和環(huán)境帶來的潛在安全風險。

【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)(如圖1)是用2塊隔板(如PVC隔板)將人工濕地床體分隔為3個單元，且第一塊隔板與人工濕地床體的底部之間留有水流通過的水道，第二塊隔板的頂部低于第一塊隔板的頂部，且第二塊隔板的底部與人工濕地床體的底部相連接；在由第一塊隔板分隔出的第一個單元的上部設置有進水管，在由第二塊隔板分隔出的第三個單元的底部設置有出水管；所述的第一個單元與所述的第三個單元之間為第二個單元。
[0006]所述的人工濕地系統(tǒng)，基于共同去除有機污染物、氮磷和病原微生物的目的，選用鋼渣、無煙煤、沸石、鎂橄欖石和生物陶粒五種填料填充于由2塊隔板分隔出的3個單元的內部。其中鋼渣和無煙煤對病原微生物有較好的吸附去除效果，且鋼渣為工業(yè)廢料；沸石能有效吸附去除水中的氨氮，鋼渣和鎂橄欖石能有效去除磷，生物陶粒比表面積大有利于生物膜的附著生長。針對鋼渣出水偏堿性的特點，無煙煤出水偏酸性的特點，選用無煙煤(出水微酸)進行中和；對五種填料進行合理配比，以實現(xiàn)病原微生物、有機污染物和氮磷營養(yǎng)鹽的共同去除。
[0007]所述的第一個單元中平鋪填充有復合填料，自進水端開始由上至下平鋪填充的復合填料是沸石、無煙煤、鋼渣和生物陶粒；所述的第二個單元中平鋪填充有復合填料，自進水端開始由下至上平鋪填充的復合填料是生物陶粒、鎂橄欖石和無煙煤；所述的第三個單元中平鋪填充有復合填料，自進水端開始由上至下平鋪填充的復合填料是沸石和生物陶粒。
[0008]所述的第一個單元中平鋪填充的沸石、無煙煤、鋼渣和生物陶粒，其填充的沸石:無煙煤:鋼渣:生物陶粒的體積比優(yōu)選為1:廣2:1:1 ;所述的第二個單元中平鋪填充的生物陶粒、鎂橄欖石和無煙煤，其填充的生物陶粒:鎂橄欖石:無煙煤的體積比優(yōu)選為廣2:1:1 ;所述的第三個單元中平鋪填充的沸石和生物陶粒，其填充的沸石:生物陶粒的體積比優(yōu)選為3~4:1。
[0009]所述的第一個單元中平鋪填充有復合填料，其中平鋪填充了復合填料的人工濕地系統(tǒng)的孔隙率為47~49%。
[0010]所述的第二個單元中平鋪填充有復合填料，其中平鋪填充了復合填料的人工濕地系統(tǒng)的孔隙率為52~54%。
[0011]所述的第三個單元中平鋪填充有復合填料，其中平鋪填充了復合填料的人工濕地系統(tǒng)的孔隙率為47~49%。
[0012]所述的第一個單元、所述的第二個單元和所述的第三個單元中分別種植有蘆葦。
[0013]所述的復合填料中的沸石的粒徑為2~3mm ;所述的無煙煤的粒徑為3~4mm ;所述的鋼渣的粒徑為3飛mm ;所述的生物陶粒的粒徑為3~5cm ;所述的鎂橄欖石的粒徑為2~3mm。
[0014]所述的鎂橄欖石為市場上常見，易于獲得，屬橄欖石族礦物中的一種，斜方晶系，粒徑為2~3mm，屬正硅酸鹽(Mg.Fe)2Si04分子結構材料，富含MgO，Mg元素的質量百分比含量為26.02~27.31%，并經(jīng)1300°C煅燒而成。
[0015]本發(fā)明的可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)采用連續(xù)進水的運行方式，水流在第一個單元上部通過進水管進入人工濕地床體中，沿隔板以“下行-上行-下行”的方式通過人工濕地床體。水流在人工濕地床體中經(jīng)歷2次富氧，由于進水管在人工濕地床體的上部，進水在進入第一個單元并流出進入第二個單元的過程實現(xiàn)了第一次富氧；水流在進入第二個單元并自第二塊隔板溢流進入第三個單元的“上行-下行”階段，實現(xiàn)了第二
次富氧。
[0016]本發(fā)明的原理在于按照病原微生物、有機污染物和氮磷營養(yǎng)鹽共同去除的需求，合理配置不同功能的填料，同時結合人工濕地的結構優(yōu)化，構成潛流式復合垂直流人工濕地系統(tǒng)。該人工濕地系統(tǒng)通過隔板增加水流與各種填料的接觸時間，并利用“填料-微生物”兩者間的復雜物理化學-生物作用去除水體中的病原微生物。同時利用水流“下行-上行-下行”的方式，增加人工濕地床體的富氧量，而好氧環(huán)境增加了人工濕地床體內微生物的活性，促進原生動物的捕食及微生物種間、種內的對營養(yǎng)物質的競爭，進一步增強了對病原微生物的去除效果。
[0017]本發(fā)明的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)充分利用了各種填料的特性及其功能，不僅能有效削減污水廠二級生化出水的入河氮磷負荷，而且可高效去除污水廠二級生化出水的病原微生物，降低受納水體的病原微生物污染風險。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下顯著特點:
[0019](I)本發(fā)明充分增加了水流與各種填料的接觸，可高效去除水中病原微生物、有機污染物及氮磷營養(yǎng)鹽，對污染水體或污水廠二級出水起到了很好的凈化作用。
[0020](2)本發(fā)明充分考慮了不同填料的理化性質及其污染物的去除效能，選用了對病原微生物具有特殊去除效果的鋼渣和無煙煤、高效除磷基質鎂橄欖石和氨氮吸附性能優(yōu)良的沸石等，并通過合理配比各種填料，使該人工濕地系統(tǒng)具有優(yōu)異的病原微生物、有機污染物和氮磷營養(yǎng)鹽的共同去除效果。
[0021](3)本發(fā)明的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)，可通過改變隔板的結構與數(shù)量，構成不同的單元結構，形`成不同的水力學特性，提升對病原微生物、有機污染物和氮磷營養(yǎng)鹽的去除效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1.本發(fā)明的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)的剖面示意圖；圖中箭頭表示水流方向。
[0023]圖2.本發(fā)明的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)的平面示意圖。
[0024]圖3.本發(fā)明的實施例1的病原微生物(f2噬菌體)的去除效果。
[0025]圖4.本發(fā)明的實施例1的C0D&、NH4+-N和TP的去除效果。
[0026]附圖標記
[0027]A.沸石 B.無煙煤 C.鋼渣 D.生物陶粒 E.鎂橄欖石
[0028]1.進水管2.隔板 3.出水管4.開孔
【具體實施方式】
[0029]實施例1
[0030]請參見圖1和圖2。試驗所用的可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)是一個由PVC板制成的容器，其尺寸規(guī)格為0.6mx0.5mx0.3m (長X寬X高)，該容器中用2塊PVC隔板將人工濕地床體分隔為3個單元，每單元的長為0.2m。第一塊隔板2與人工濕地床體的底部之間留有水流通過的水道，第二塊隔板2的頂部低于第一塊隔板的頂部，且第二塊隔板的底部與人工濕地床體的底部相連接；沿進水方向在由第一塊隔板分隔出的第一個單元的人工濕地床體的上方布設有進水管1，在該進水管上均勻開有開孔4用于布水(如圖2所示)，在由第二塊隔板分隔出的第三個單元的底部設置有出水管3，通過該出水管上均勻開設的小孔進行集水后出水(如圖2所示)；所述的第一個單元與所述的第三個單元之間為第二個單元。進水以“下行-上行-下行”的方式通過人工濕地床體。由于模擬的人工濕地床體的長度較短，因此未設置人工濕地床體的底部坡度，所述的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)放置在不銹鋼架子上以保證水平。在模擬的人工濕地中種植花葉蘆葦(Arundodonax var.versicolor),每單兀種植 2 株。
[0031]自可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)的進水端至出水端依次進行平鋪填充填料。所述的第一個單元中平鋪填充有復合填料，自進水端開始由上至下平鋪填充的復合填料是沸石、無煙煤、鋼渣和作為生物陶粒的火山巖，填充的沸石:無煙煤:鋼渣:火山巖的體積比為平鋪填充了上述復合填料的人工濕地系統(tǒng)的孔隙率為47~49%;所述的第二個單元中平鋪填充有復合填料，自進水端開始由下至上平鋪填充的復合填料是作為生物陶粒的火山巖、鎂橄欖石和無煙煤，填充的火山巖:鎂橄欖石:無煙煤的體積比為2:1:1，平鋪填充了上述復合填料的人工濕地系統(tǒng)的孔隙率為52~54%;所述的第三個單元中平鋪填充有復合填料，自進水端開始由上至下平鋪填充的復合填料是沸石和作為生物陶粒的火山巖，填充的沸石:火山巖的體積比為3:1，平鋪填充了上述復合填料的人工濕地系統(tǒng)的孔隙率為47~49%。填料填充的總高度為36cm。水流自第一個單元的進水端開始首先為下行流，水流自第一個單元的出水端進入到第二個單元后改為上行流，水流自第二個單元的出水端進入到第三個單元后改為下行流，試驗所用的可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)設置有溢流口以保證水位穩(wěn)定。
[0032]所述的沸石的粒徑為2~3mm ;所述的無煙煤的粒徑為3~4mm ;所述的鋼渣的粒徑為3-5mm ;所述的作為生物陶粒的火山巖的粒徑為3~5cm ;所述的鎂橄欖石的粒徑為2~3mm，富含MgO，Mg元素的質量百分比含量為26.02~27.31%。
[0033]利用上述的可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)對污水廠二級生化出水進行了病原微生物去除的連續(xù)運行試驗，進水病毒(f2噬菌體)濃度在103~106pfu/ml范圍之間?？疾炝嗽撓到y(tǒng)在三種不同水力負荷條件下的去除效果(見圖3):在系統(tǒng)處理水量為18L.0-1，水力負荷為0.1m.0-1，理論水力停留時間為2天的條件下，試驗運行期間，該系統(tǒng)對f2噬菌體的平均百分去除率為99.77 ±0.22%，平均對數(shù)去除率為2.82 ±0.421ogpfu/ml ;在系統(tǒng)處理水量為36L.cf1，水力負荷為0.2m.cf1，理論水力停留時間為I天的條件下，試驗運行期間，該系統(tǒng)對f2噬菌體的平均百分去除率為97.09±8.1%，平均對數(shù)去除率為1.79±0.541og pfu/ml ;在系統(tǒng)處理水量為72L.cT1，水力負荷為0.4m.cf1，理論水力停留時間為0.5天的條件下，試驗運行期間，該系統(tǒng)對f2噬菌體的平均百分去除率為94.72±4.09%，平均對數(shù)去除率為 1.39±0.341ogpfu/ml。
[0034]利用上述的可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)對污水廠二級生化出水同時進行了有機污染物及氮磷營養(yǎng)鹽去除的連續(xù)運行試驗(見圖4)。當進水C0D&58± 18.76mg/L, TP 2.099±0.504mg/L, NH4+_N 16.5±6.5mg/L 時，在系統(tǒng)處理水量為36L.Cf1，水力負荷為0.2m.cf1，理論水力停留時間為I天的條件下，系統(tǒng)出水C0D&23±9.51mg/L, TP 0.287 ±0.142mg/L, NH:-N 0.8±0.2mg/L，其中 NH:-N 出水濃度低于《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)的III類標準。
[0035]在實際應用中，可將該人工濕地系統(tǒng)用于深度處理污水廠二級生化出水或凈化污染河流。對于污水廠二級生化出水的深度處理，因地制宜，根據(jù)實際水量、有機污染物濃度、氮磷營養(yǎng)鹽濃度及病原微生物污染程度，設計建造適宜的人工濕地系統(tǒng)，如確定填料的填充比例及隔板數(shù)量，必要情況下構造成多個串聯(lián)系統(tǒng)，可大幅削減二級生化出水的入河污染負荷。對于污染河流的凈化，可基于旁路離線河流凈化器的理念，構建塘-濕地組合系統(tǒng)，實現(xiàn)污染河流的水質改善。
[0036]實施例2
[0037]試驗所用的可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)基本上同實施例1，只是所述的第一個單元中平鋪填充的沸石:無煙煤:鋼渣:火山巖的體積比為1:2:1:1 ;所述的第二個單元中平鋪填充的火山巖:鎂橄欖石:無煙煤的體積比為1:1:1 ;所述的第三個單元中平鋪填充的沸石:火山巖的體積比為4:1。 [0038]利用上述的可高效去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)對實施例1的污水廠二級生化出水同樣進行了病原微生物去除的連續(xù)運行試驗，結果同實施例1。
[0039]對污水廠二級生化出水同時進行實施例1的有機污染物及氮磷營養(yǎng)鹽去除的連續(xù)運行試驗，結果同實施例1。
【權利要求】
1.一種去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)，其特征是:所述的人工濕地系統(tǒng)是用2塊隔板將人工濕地床體分隔為3個單元，且第一塊隔板與人工濕地床體的底部之間留有水流通過的水道，第二塊隔板的頂部低于第一塊隔板的頂部，且第二塊隔板的底部與人工濕地床體的底部相連接；在由第一塊隔板分隔出的第一個單元的上部設置有進水管，在由第二塊隔板分隔出的第三個單元的底部設置有出水管；所述的第一個單元與所述的第三個單元之間為第二個單元； 所述的第一個單元中平鋪填充有復合填料，自進水端開始由上至下平鋪填充的復合填料是沸石、無煙煤、鋼渣和生物陶粒；所述的第二個單元中平鋪填充有復合填料，自進水端開始由下至上平鋪填充的復合填料是生物陶粒、鎂橄欖石和無煙煤；所述的第三個單元中平鋪填充有復合填料，自進水端開始由上至下平鋪填充的復合填料是沸石和生物陶粒。
2.根據(jù)權利要求1所述的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)，其特征是:所述的第一個單元中平鋪填充的沸石、無煙煤、鋼渣和生物陶粒，其填充的沸石:無煙煤:鋼渣:生物陶粒的體積比為1:廣2:1:1 ;所述的第二個單元中平鋪填充的生物陶粒、鎂橄欖石和無煙煤，其填充的生物陶粒:鎂橄欖石:無煙煤的體積比為廣2:1:1 ;所述的第三個單元中平鋪填充的沸石和生物陶粒，其填充的沸石:生物陶粒的體積比為3~4:1。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)，其特征是:所述的第一個單元中平鋪填充有復合填料，其中平鋪填充了復合填料的人工濕地系統(tǒng)的孔隙率為47~49% ； 所述的第二個單元中平鋪填充有復合填料，其中平鋪填充了復合填料的人工濕地系統(tǒng)的孔隙率為52~54% ； 所述的第三個單元中平鋪填充有復合填料，其中平鋪填充了復合填料的人工濕地系統(tǒng)的孔隙率為47~49%。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)，其特征是:所述的第一個單元、所述的第二個單元和所述的第三個單元中分別種植有蘆葦。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)，其特征是:所述的復合填料中的沸石的粒徑為2~3mm ;所述的無煙煤的粒徑為3~4mm ;所述的鋼渣的粒徑為3^5mm ;所述的生物陶粒的粒徑為3~5cm ;所述的鎂橄欖石的粒徑為2~3mm。
6.根據(jù)權利要求3所述的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)，其特征是:所述的復合填料中的沸石的粒徑為2~3mm ;所述的無煙煤的粒徑為3~4_ ;所述的鋼渣的粒徑為3^5mm ;所述的生物陶粒的粒徑為3~5cm ;所述的鎂橄欖石的粒徑為2~3mm。
7.根據(jù)權利要求1、2或6所述的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)，其特征是:所述的鎂橄欖石的粒徑為2~3mm，富含MgO，Mg元素的質量百分比含量為26.02^27.31%。
8.根據(jù)權利要求5所述的去除水中病原微生物的人工濕地系統(tǒng)，其特征是:所述的鎂橄欖石的粒徑為2~3mm，富含MgO，Mg元素的質量百分比含量為26.02^27.31%。
【文檔編號】C02F3/32GK103771586SQ201210404110
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月22日 優(yōu)先權日:2012年10月22日
【發(fā)明者】魏源送, 陳迪, 管策, 鄭祥, 郁達偉, 王亞煒 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心