硝基苯废水的组合人工湿地处理方法和系统

摘要

本发明属于污水处理领域，涉及一种硝基苯废水的组合人工湿地生态处理方法和系统。其中，该系统包括水平潜流人工湿地厌氧床（6）、潮汐流人工湿地好氧床（11）和连接厌氧床（6）和好氧床（11）的偏转漏斗式间歇定量进水器（9），其中厌氧床（6）由设有水泵（3）的进水管与沉淀池（2）相连通且其上种植湿地植物（5），好氧床（11）由上部潮汐流人工湿地细沙层（10）和下部吸附性能较好的基质层构成，且出水处设有虹吸排水管（14），虹吸排水管（14）出口由自动平均分流调节器（12）和自行回流管（13）与沉淀池相连接。本发明根据优势互补的理念，提出一种互补型的“水平潜流-潮汐流”组合人工湿地生态硝基苯处理系统。

权利要求

1.硝基苯废水的组合人工湿地生态处理系统，其特征在于：该系统包括水平潜流人工湿地厌氧床（6）、潮汐流人工湿地好氧床（11）以及连接水平潜流人工湿地厌氧床（6）和潮汐流人工湿地好氧床（11）的偏转漏斗式间歇定量进水器（9），其中水平潜流人工湿地厌氧床（6）由设有水泵（3）的进水管与沉淀池（2）相连通且其上种植有湿地植物（5），潮汐流人工湿地好氧床（11）由上部潮汐流人工湿地细沙层（10）和下部吸附性能较好的基质层构成，且出水处设有虹吸排水管（14），虹吸排水管（14）出口由自动平均分流调节器（12）和自动回流管（13）与沉淀池相连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述水平潜流人工湿地厌氧床体（6）中选用生物量大、耐污能力强、根系繁茂且生长速率高的灯芯草、芦苇、香蒲、菖蒲或水莎草作为湿地植物（5）。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述潮汐流人工湿地好氧床（11）采用了非动力自动运行的偏转漏斗式间歇定量进水器（9）和虹吸排水管（14）。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述潮汐流人工湿地好氧床（11）底部选用吸附能力较强的沸石、炉灰渣、蛭石或陶粒作为基质。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述潮汐流人工湿地好氧床（11）顶部设置空隙率与偏转漏斗式间歇定量进水器（9）单次进水容积相同的潮汐流人工湿地细沙层（10）。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述虹吸排水管（14）设有自动平均分流调节器（12）。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述自动平均分流调节器（12）利用地势设置自动回流管（13）与沉淀池（2）相连通。

说明书

硝基苯废水的组合人工湿地处理方法和系统

技术领域

[0001] 本发明属于污水处理领域，具体涉及硝基苯废水的组合人工湿地生态处理方法和系统。

背景技术

[0002] 硝基苯是有机化学工业中一种重要的精细化工中间体和化工原料，其可用以合成燃料、医药、农药、橡胶、合成洗涤剂、炸药及石油化工等产品。但是硝基苯是一种剧毒化学品，具有很强的致癌和致突变性，人类长时间摄入会引起皮肤炎症、贫血、肝脏损坏和神经衰弱等疾病，因此硝基苯被我国列为优先控制的环境污染物。硝基苯经常伴随着炸药厂、有机化工厂或塑料制造厂未经处理的污水排放到环境水体中。我国每年硝基苯产量超过80万t，一个年产硝基苯4000t的工厂，每天大约排放硝基苯废水15t，全球每年约有超过1万t的硝基苯通过不同途径进入到环境介质中。我国工业排放废水标准（GB8978-1996）和地表水环境标准（GB3838-2002）中对硝基苯环境质量标准有严格的规定，分别为2mg/L和
0.017mg/L。但是典型化工厂硝基苯废水与被硝基苯污染的水体浓度均严重超标，因而使得硝基苯废水的处理日益受到人们的关注。

[0003] 国内外硝基苯废水处理技术发展日新月异，主要有物理法、化学法、生物法和复合处理方法。目前物理处理方法主要有汽提法、萃取法、吸附法和膜分离技术等，物理法处理硝基苯废水最大的优点是处理工艺相对较简单，可以实现污染物的回收再利用，但该方法存在处理周期长、使用吸附剂稳定性差，且存在回收率不稳定的问题。与物理法相比，化学法处理硝基苯废水具有反应速率快，效果明显的特点，因此受到众多化工厂的亲睐，目前化学处理方法主要有Fenton试剂氧化法、单质金属还原法、催化氧化法、电化学法、超声波处理法等，但化学处理过程中，其处理成本很高且因化学试剂使用不当还会造成二次污染等严重问题。生物法是指硝基苯废水中的硝基苯在微生物的作用下，得到彻底分解，不会对环境造成二次污染，且微生物具有较强的可变异性及适应性，维护简单，运行成本低的优势。但是多数微生物对硝基苯的降解能力小于500mg/L，超过这个范围，将造成微生物受毒害死亡。因此特别是针对较低浓度（≤500mg/L）的硝基苯废水，传统物理化学处理方式都存在处理速率低、成本高且存在二次污染的问题，寻求一种高效低耗的生态处理方式十分关键。

[0004] 人工湿地污水处理技术是20世纪70年代发展起来的一种通过模拟自然湿地而人为设计和建造的具有可控性和工程化特点的生态污水净化技术，此技术以其投资少、建设运营成本低、净化效果好等特点近年来受到了广泛关注。其应用已逐渐由常规生活污水的处理，扩展到农田暴雨径流、食品加工废水、矿山酸性废水、畜禽养殖废水、垃圾渗滤液以及工业废水等多种废水的处理。污水在湿地系统中的净化主要以基质、植物和微生物通过物理、化学及生物作用协同完成。

[0005] 传统水平潜流人工湿地在应用过程中，湿地床体长期处于淹没状态，湿地床体表现出较差的氧环境水平，然而硝基苯在厌氧的条件下，容易被还原为毒性比本身低50倍的苯胺，且苯胺较容易好氧完全降解；同时，工厂排放硝基苯废水中有机物多数以难降解的大分子有机物存在，而湿地植物生长过程中根系可以分泌有机物，可以为硝基苯在较厌氧的水平潜流人工湿地中的还原提供充足的碳源。潮汐流人工湿地是一种新型的人工湿地模式，其原理是利用潮汐运行方式，并通过调节进水方式、淹没排空比以及基质配比，利用床体浸润面的变化产生的空隙吸力将大气氧吸入，使床体表现出较好的氧环境，吸附在基质上的硝基苯和苯胺在排空好氧阶段得到充分的氧化去除。同时，硝基苯和苯胺的耗氧生物降解的过程存在氨氮的释放过程，在潮汐流人工湿地中强烈的硝化反应会生成大量的硝酸盐，从而影响系统出水水质，将出水回流至水平潜流人工湿地，硝态氮会充分利用湿地植物分泌的有机物在厌氧的环境中发生反硝化作用得到充分去除。

发明内容

[0006] 系统前处理单元的水平潜流人工湿地采用连续的进水方式，使湿地基质长期处于淹没的状态，床体呈现较为厌氧的状态。同时，筛选出生物量大、耐污能力强、根系繁茂且生长速率高的灯芯草、芦苇、香蒲、菖蒲和水莎草作为湿地植物，利用其生长过程中根系释放的有机物，为硝基苯还原为毒性较差且更宜好氧降解的苯胺以及系统回流出水中的硝酸盐的反硝化去除提供适宜的厌氧条件和充足的碳源。

[0007] 系统后处理单元的潮汐流人工湿地采用“间歇定量进水-瞬间排水”的潮汐运行方式，每个运行周期包括淹水吸附和排空复氧两个自动运行阶段。淹水吸附阶段：水平潜流湿地出水连续的流入偏转漏斗式间歇定量进水器，实现连续分次的定量进水，同时潮汐流人工湿地顶部采用均匀的细砂作为基质，其空隙体积与间歇定量进水器单次进水容积相同，可使每次进水在湿地表面均匀分布后自上而下非饱和渗流，使污水与床体填料表面附着的微生物膜和植物根系充分接触，提高床体基质的有效利用空间。同时，在潮汐流人工湿地底端选用吸附性能较好的沸石、炉灰渣、蛭石或陶粒作为湿地基质，使淹水运行阶段硝基苯废水中的残留硝基苯和大量被还原的苯胺能够最大程度的吸附在湿地基质上。排空复氧阶段：在淹水吸附阶段当浸润面上升到湿地床体顶面时，非动力虹吸排水管将在极短的时间内将床体内的水排空，使浸润面重新回到床体底部。在浸润面下降时水被排出的过程中，由于基质空隙水吸力作用，将大气中的氧迅速吸入床体中，增大床体的氧传输量和利用率，进而大大提高湿地基质中吸附的硝基苯和苯胺的氧化去除效果。

[0008] 系统出水处设置自动平均分流调节和回流装置，出水通过自动平均分流调节器将出水自行分成等量的两部分，其中一部分通过自动回流管，利用地势自行完成1/2的出水回流至沉淀池，从而再次进入水平潜流人工湿地进行处理，提高硝基苯废水处理后硝酸盐的反硝化去除。

[0009] 实现上述方法的组合人工湿地生态处理系统包括进水管1，沉淀池2，水泵3，水平潜流人工湿地进水区4，湿地植物5，水平潜流人工湿地厌氧床6，水平潜流人工湿地排水区7，水平潜流人工湿地出水口8，偏转漏斗式间歇定量进水器9，潮汐流人工湿地细沙层10，潮汐流人工湿地好氧床11，自动平均分流调节器12，自动回流管13，虹吸排水管14等。较低浓度（≤500mg/L）硝基苯废水和系统回流出水在沉淀池2中混合后，由水泵3连续泵入水平潜流人工湿地进水区4，使水平潜流人工湿地厌氧床6长期呈现较为厌氧的状态。同时，硝基苯和回流出水中的硝酸盐利用湿地植物5释放的碳源在厌氧环境中进行高效的去除。偏转漏斗式间歇定量进水器9由非对称漏斗形容器构成，通过铰链与潮汐流人工湿地装置相连，两端设置止位点，使其正常状态处于水平状态，当容满水后会因重力不平衡以铰链为轴向潮汐流人工湿地倾倒，水完全流出后再次自行回到平衡位置，往复循环，实现连续分次的定量进水,潮汐流人工湿地细沙层10的空隙体积与间歇定量进水器单次进水容积相同，可使每次进水在湿地表面均匀分布后自上而下非饱和渗流，与潮汐流人工湿地好氧床11中吸附性能较好的沸石、炉灰渣、蛭石或陶粒湿地基质充分接触。当潮汐流人工湿地液面逐渐升高至顶端后，污水则由虹吸排水管14迅速排出潮汐流湿地床，并在排水口经过自动平均分流调节器12，通过一个旋转的光滑的转子使出水自行分成等量的两部分，其中一部分通过自动回流管13，利用地势自行完成1/2的出水回流至沉淀池2。

[0010] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0011] （1）本发明中，根据水平潜流人工湿地较强的硝基苯和硝酸盐去除能力和潮汐流人工湿地具有较高的污染物氧化作用的特点，根据一种优势互补的生态处理理念，设计了“水平潜流-潮汐流”组合人工湿地系统，为硝基苯的先还原后氧化并回流去除硝酸盐创造了条件，可以实现较低浓度（≤500mg/L）硝基苯废水的高效低耗的生态处理。

[0012] （2）本发明中，在水平潜流人工湿地中选用生物量大、耐污能力强、根系繁茂且生长速率高的灯芯草、芦苇、香蒲、菖蒲和水莎草作为湿地植物5。首先，湿地植物较强的耐污能力可以缓冲硝基苯对湿地床体微生物及植物的毒害作用；另外，硝基苯和回流出水中的硝酸盐可以充分利用湿地植物在生长过程根部释放的有机物，作为还原反应和反硝化作用的碳源。

[0013] （3）本发明中，潮汐流人工湿地床的运行采用了非动力自动进水和排水装置，其采用偏转漏斗式间歇定量进水器9和虹吸排水管14实现“间歇定量进水-瞬间排水”的潮汐运行方式。显著提高了污水与湿地基质的接触机会，并提高了人工湿地床体的氧环境，从而有利于硝基苯及还原产物苯胺的好氧去除。

[0014] （4）本发明中，潮汐流人工湿地中筛选出吸附能力较强的沸石、炉灰渣、蛭石或陶粒作为潮汐流人工湿地好氧床11的底部基质，强化处理过程中对硝基苯及苯胺等污染物的吸附能力，可以显著增加排空复氧阶段的污染物去除。

[0015] （5）本发明中，在系统出水处设置自动平均分流调节器12和自动回流管13，可将出水自动平均分成等量的两部分，其中一部分会流入自行回流口，利用地势自行完成1/2的出水回流至沉淀池。附图说明：

[0016] 图1为本发明硝基苯废水的组合人工湿地处理系统的示意图。

[0017] 附图标记：

[0018] 1 进水管, 2 沉淀池,

[0019] 3 水泵, 4 水平潜流人工湿地进水区,[0020] 5 湿地植物, 6 水平潜流人工湿地厌氧床,[0021] 7 水平潜流人工湿地排水区, 8 水平潜流人工湿地出水口,[0022] 9 偏转漏斗式间歇定量进水器， 10 潮汐流人工湿地细沙层,

[0023] 11 潮汐流人工湿地好氧床, 12 自动平均分流调节器,

[0024] 13 自动回流管, 14 虹吸排水管。具体实施方式：

[0025] 下面结合附图以及标记，进一步详细说明本发明。

[0026] 较低浓度（≤500mg/L）硝基苯废水通过进水管1和系统回流出水在沉淀池2中混合后，由水泵3连续泵入水平潜流人工湿地进水区4,使水平潜流人工湿地床长期处于淹没状态，因此呈现较为厌氧的环境。废水流经水平潜流人工湿地厌氧床体6，硝基苯和回流出水中的硝酸盐利用湿地植物5根部分泌的有机物作为碳源和较为厌氧的环境，实现硝基苯还原为毒性较低且更易氧化去除的苯胺和硝酸盐的反硝化去除。水平潜流人工湿地出水连续的流入偏转漏斗式间歇定量进水器9，实现连续分次的定量进水过程,并且潮汐流人工湿地细沙层10的空隙体积与间歇定量进水器单次进水容积相同，可使每次进水在潮汐流湿地表面均匀分布后自上而下非饱和渗流，与潮汐流人工湿地好氧床11中吸附性能较好的沸石、炉灰渣、蛭石或陶粒湿地基质充分接触和吸附。

[0027] 当潮汐流人工湿地液面逐渐升高至顶端后，污水则由虹吸排水管14迅速排出潮汐流湿地床，大气氧会因为负压通过潮汐流人工湿地床表面迅速吸入潮汐人工湿地好氧床11，使吸附的污染物发生充分的氧化去除。潮汐流人工湿地出水过程中会经过自动平均分流调节器12，通过一个可旋转的光滑转子使出水自行分成等量的两部分，其中一部分通过自动回流管13，利用地势自行完成1/2的出水回流至沉淀池，从而可再次进入水平潜流人工湿地进行处理，提高硝基苯废水处理后硝酸盐的反硝化去除。