一种处理农村生活污水的潜流人工湿地生态系统及处理方法

摘要

本发明公开了一种处理农村生活污水的潜流人工湿地生态系统及处理方法，利用美人蕉水培体系中根系优势微生物的加入，快速增加产碱杆菌属、黄杆菌属、溶杆菌属和假单胞菌属等优势细菌的比例，提高人工湿地系统内双加氧酶、脱氢酶、磷酸盐脱氢酶、脲酶、硝酸还原酶和过氧化氢酶基因中脱氢酶基因的丰度；再交叉种植两种湿地植物，产生不同植物根系分泌物，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。然后采用连续进水‑间歇进水交替运行的方式，保证脱氮效率的提升，同时维持系统稳定运行。该方法充分利用人工湿地的优点，强化了人工湿地生态系统的快速构建，优化了湿地的运行方式，具有显著的环境、经济及社会价值。

权利要求

1.一种处理农村生活污水的潜流人工湿地生态系统，其特征在于，包括培养池、人工湿地池和出水集水池；所述培养池用于美人蕉根系微生物的培养，以生活污水为培养基质培养美人蕉种子，从而获得OD600nm=0.2 0.6的微生物水；人工湿地池内填充的湿地基质为掺有~微生物水的砾石和土壤，土壤附于砾石之上，且微生物水与湿地基质按照1L/m3进行掺杂；

且所述湿地基质上以6株/m2的种植密度交叉种植有两种湿地植物；人工湿地池用于对生活污水进行两次处理，以达到排放标准，出水集水池用于存储两次处理的中间产物；

交叉种植的两种湿地植物均为植物幼苗，选自再力花、芦苇、千屈菜、美人蕉、梭鱼草、滴水观音中的一种以及灯心草、黄花鸢尾、菖蒲、水葱、风车草、小香蒲中的一种。

2.一种权利要求1所述潜流人工湿地生态系统处理农村生活污水的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、取生活污水，按照1:4 3:4的体积比与清水混合，作为培养液培养未发芽的美人~蕉种子，直至培养液的OD600nm=0.2 0.6；

~

步骤 2、将OD600nm=0.2~0.6的培养液按照1L/m3分别均匀地掺入土壤和砾石中，构成湿地基质；

步骤3、将步骤2中的砾石和土壤按照4:1的体积比铺入人工湿地池中，土壤附于砾石之上，且土壤厚度小于1米；然后按照6株/m2的种植密度交叉种植两种湿地植物；

步骤4、用蠕动泵抽取生活污水至人工湿地池，生活污水在人工湿地池中的水力停留时间维持为48h，预处理后预存在出水集水池；

步骤5、用蠕动泵抽取出水集水池中的预处理污水至人工湿地池，预处理污水在人工湿地池中的水力停留时间维持为12h，二次处理后，达到排放标准。

说明书

一种处理农村生活污水的潜流人工湿地生态系统及处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及农村生活污水处理的环保技术领域，具体涉及一种可稳定运行、且同时高效去除COD、氨氮和总磷的一种处理农村生活污水的潜流人工湿地生态系统及处理方法。

背景技术

[0002] 农村生活污水具有面广量大、治理条件复杂、基础薄弱的特点。基于此，人工湿地能够利用基质－微生物－植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用实现对农村生活污水的高效净化；尤其是潜流人工湿地(SFCWs)，其水流位于填料表层以下，通过植物根系、表面生物膜及填料截留等多重作用，具有较好污染物去除效果，并且该技术在农村生活污水处理方面已有较多的实例。但在实际运行过程中发现，处理农村生活污水时的脱氮效率仅停留在40％～50％之间；除磷效果一般为40％～60％；COD的去除效果较好，但是最高也只能达到70％～80％，处理过的废水很难同时达到污水综合排放一级标准(GB8978-1996)。

[0003] 对于这类难题，大部分专利(如CN106115928A、CN106542635A、CN106554134A等)公开的内容重点在于人工湿地结构和填料的建设，包括反应单元的组合、湿地填充基质的选择及不同基质材料的人工湿地组合等，对于植物、微生物等人工湿地生态系统的重要要素的优化和构建很少。而人工湿地生态的构建，尤其是植物和微生物生态的建设，对于构建高效的基质－微生物－植物复合生态系统具有显著应用价值，可以有效保障人工湿地污水处理系统的适用性和稳定性。

[0004] 此外，不同运行方式对构建好的人工湿地系统冲击较大：如间歇运行改变水位控制人工湿地的溶解氧含量，能够提高人工湿地氮素去除效果，处理效果优于连续流进水人工湿地。然而间歇运行方式对农村生活污水的处理具有不稳定性因素，难以保证系统大批量连续运行。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种处理农村生活污水的潜流人工湿地生态系统及处理方法。

[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种处理农村生活污水的潜流人工湿地生态系统，包括培养池、人工湿地池和出水集水池；所述培养池用于美人蕉根系微生物的培养，以生活污水为培养基质培养美人蕉种子，从而获得OD600nm＝0.2～0.6的微生物水；人工湿地池内填充的湿地基质为掺有微生物水的砾石和土壤，土壤附于砾石之上，且微生物水与湿地基质按照1L/m3进行掺杂；且所述湿地基质上以6株/m2的种植密度交叉种植有两种湿地植物；人工湿地池用于对生活污水进行两次处理，以达到排放标准，出水集水池用于存储两次处理的中间产物。

[0007] 一种潜流人工湿地处理农村生活污水的方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤1、取生活污水，按照1:4～3:4的体积比与清水混合，作为培养液培养未发芽的美人蕉种子，直至培养液的OD600nm＝0.2～0.6；

[0009] 步骤2、将OD600nm＝0.2～0.6的培养液按照1L/m3分别均匀地掺入土壤和砾石中，构成湿地基质；

[0010] 步骤3、将步骤2中的砾石和土壤按照4:1的体积比铺入人工湿地池中，土壤附于砾石之上，且土壤厚度小于1米；然后按照6株/m2的种植密度交叉种植两种湿地植物；

[0011] 步骤4、用蠕动泵抽取生活污水至人工湿地池，生活污水在人工湿地池中的水力停留时间维持为48h，预处理后预存在出水集水池；

[0012] 步骤5、用蠕动泵抽取出水集水池中的预处理污水至人工湿地池，预处理污水在人工湿地池中的水力停留时间维持为12h，二次处理后，达到排放标准。

[0013] 进一步地，交叉种植的两种湿地植物均为植物幼苗，由再力花、芦苇、千屈菜、美人蕉、梭鱼草、滴水观音中的一种以及灯心草、黄花鸢尾、菖蒲、水葱、风车草、小香蒲中的一种。

[0014] 本发明首先通过人工湿地生态系统的构建：利用美人蕉水培体系中根系优势微生物的加入，能够快速增加产碱杆菌属、黄杆菌属、溶杆菌属和假单胞菌属等优势细菌的比例，提高人工湿地系统内双加氧酶、脱氢酶、磷酸盐脱氢酶、脲酶、硝酸还原酶和过氧化氢酶基因中脱氢酶基因的丰度；再交叉种植两种湿地植物，产生不同植物根系分泌物，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。然后调整人工湿地的进水方式，采用连续进水-间歇进水交替运行的方式，进一步保证脱氮效率的提升，同时维持系统稳定运行。该方法充分利用人工湿地的优点，强化了人工湿地生态系统的快速构建，优化了湿地的运行方式，具有显著的环境、经济及社会价值。与现有技术相比，本发明涉及的工艺具有如下优点和显著进步：

[0015] (1)通过人工湿地生态构建和运行方式的调整，克服了人工湿地COD、氨氮和总磷同时去除的难题，尤其是处理农村生活污水时的脱氮效率；

[0016] (2)与现有资源化技术相比，成本降低，稳定性强。

附图说明

[0017] 图1为潜流人工湿地生态系统构建与运行方法示意图；

[0018] 图中：1、污水集水池，2、水管，3、蠕动泵体，4、转子，5、湿地植物一，6、湿地植物二，7、人工湿地土壤，8、根系微生物，9、砾石，10、出水集水池；

[0019] 图2为人工湿地生态系统构建以后连续-间断进水运行效果图(7～8月)。

[0020] 图3为单种类湿地植物连续进水时人工湿地处理效果图(7～8月)；

具体实施方式

[0021] 下面列举实施例进一步阐述本发明，应理解实施例，并非用于限制本发明的保护范围。

[0022] 待处理的生活污水COD平均浓度为200mg/L，氨氮60mg/L，总磷为2.5mg/L，若将其处理至污水排放综合标准一级以上则相应的去除率应该分别为70％、75％和75％。

[0023] 实施例1

[0024] 取生活污水，按照1:4的体积比与清水混合，作为培养液培养未发芽的美人蕉种子，当根系长度达到10cm左右冲洗美人蕉根部使得根系微生物分散于培养液中，培养液的OD600nm＝0.2；用带有0.22μm滤膜过滤，取滤膜于DNA提取试剂盒(DNAIsolationKit)内，提取出来的DNA产物首先用于样品扩增。PCR引物采用Miseq测序平台的V3-V4通用引物:F引物5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’和R引物：5’-
GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’；将文库按照上机要求稀释到一定浓度，用Miseq测序。

[0025] 测试结果显示美人蕉根系中以产碱杆菌属(27％)、黄杆菌属(29％)、溶杆菌属(30％)和假单胞菌属(13％)为优势细菌，且双加氧酶、脱氢酶、磷酸盐脱氢酶、脲酶、硝酸还原酶和过氧化氢酶基因丰度较原污水中的提高。

[0026] 实施例2

[0027] 取生活污水，按照3:4的体积比与清水混合，作为培养液培养未发芽的美人蕉种子，当根系长度达到10cm左右冲洗美人蕉根部使得根系微生物分散于培养液中，培养液的OD600nm＝0.6；用带有0.22μm滤膜过滤，取滤膜于DNA提取试剂盒(DNAIsolationKit)内，提取出来的DNA产物首先用于样品扩增。PCR引物采用Miseq测序平台的V3-V4通用引物:F引物5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’和R引物：5’-
GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’；将文库按照上机要求稀释到一定浓度，用Miseq测序。

[0028] 测试结果显示美人蕉根系中以产碱杆菌属(30％)、黄杆菌属(25％)、溶杆菌属(28％)和假单胞菌属(16％)为优势细菌，且双加氧酶、脱氢酶、磷酸盐脱氢酶、脲酶、硝酸还原酶和过氧化氢酶基因丰度较原污水中的提高。

[0029] 实施例3

[0030] 步骤1、生活污水按照1:2的体积比与清水混合培养未发芽的美人蕉种子，当根系长度达到10cm左右冲洗美人蕉根部使得根系微生物分散于培养液中，培养液的OD600nm＝0.4；

[0031] 步骤2、将OD600nm＝0.4的培养液按照1L/m3分别均匀地掺入土壤和砾石中，构成湿地基质；

[0032] 步骤3、将步骤2中的砾石和土壤按照4:1的体积比铺入人工湿地池中，土壤附于砾石之上，且土壤厚度小于1米；然后按照6株/m2的种植密度交叉种植两种湿地植物；如图2所示，交叉种植的两种湿地植物分别为灯心草和再力花、芦苇和风车草、菖蒲和千屈菜、美人蕉和水葱、梭鱼草和黄花鸢尾、小香蒲和滴水观音。

[0033] 步骤4、用蠕动泵抽取生活污水至人工湿地池，生活污水在人工湿地池中的水力停留时间维持为48h，预处理后预存在出水集水池；

[0034] 步骤5、用蠕动泵抽取出水集水池中的预处理污水至人工湿地池，预处理污水在人工湿地池中的水力停留时间维持为12h，二次处理后，收集出水集水池出口水样检测COD、氨氮及总磷含量。

[0035] 连续运行一个月，每3d于出水集水池出口收集水样检测COD、氨氮及总磷含量。COD的处理难度相对较低，月平均处理效率均达标。氨氮和总磷的处理效率如附图3a/b的箱体图所示，两种湿地植物组合在连续-间歇运行的模式下对氨氮和总磷的月平均去除能力均超过达标线；其中，灯心草和再力花对的组合对氨氮和总磷的去除能力均最好。

[0036] 实施例4

[0037] 步骤1、生活污水按照1:2的体积比与清水混合培养未发芽的美人蕉种子，当根系长度达到10cm左右冲洗美人蕉根部使得根系微生物分散于培养液中，培养液的OD600nm＝0.4；

[0038] 步骤2、将OD600nm＝0.4的培养液按照1L/m3分别均匀地掺入土壤和砾石中，构成湿地基质；

[0039] 步骤3、将步骤2中的砾石和土壤按照4:1的体积比铺入人工湿地池中，土壤附于砾石之上，且土壤厚度小于1米；然后按照6株/m2的种植密度种植单种湿地植物，分别为灯心草、再力花、芦苇、风车草、菖蒲、千屈菜、美人蕉、水葱、梭鱼草、黄花鸢尾、小香蒲、滴水观音。

[0040] 步骤4、用蠕动泵抽取生活污水至人工湿地池，生活污水在人工湿地池中的水力停留时间维持为48h，预处理后预存在出水集水池；

[0041] 步骤5、用蠕动泵抽取出水集水池中的预处理污水至人工湿地池，预处理污水在人工湿地池中的水力停留时间维持为12h，二次处理后，收集出水集水池出口水样检测COD、氨氮及总磷含量。

[0042] 连续运行一个月，每3d于出水集水池出口收集水样检测COD、氨氮及总磷含量。如附图3a/b/c所示，虽然灯心草、黄花鸢尾、菖蒲、风车草、水葱、滴水观音在污水连续运行的条件下总磷和COD去除效果较好，月平均处理效率可以超过达标线，但是脱氮率最高不超过60％，一个月内处理效率波动较大，；而再力花、芦苇、小香蒲、千屈菜、美人蕉、梭鱼草对氨氮的最高去除率可以达到75％，然而波动较大，月平均去除率低，并且总磷的月平均去除率不达标；这些植物单独种植构成的人工湿地在连续运行条件下难以克服COD、氨氮和总磷同时去除的难题。

[0043] 以上实施例仅对发明做进一步说明，本发明的范围不受所举实施例局限。