專利名稱：一種以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工濕地處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工 濕地處理系統(tǒng)。
技術(shù)背景人工濕地(Constructed Wetlands, CWs)因具有處理效果好、建設(shè)和運行費用低、 易于維護管理等優(yōu)點，因而受到世界各國的普遍重視，成為近年來發(fā)展較快的一種污水 處理新技術(shù)。作為一種新型的污染水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)，目前在富營養(yǎng)化水體治理中得到廣 泛應(yīng)用。在處理工藝方面也閂趨成熟，目前這方面已有大量的專利申請和授權(quán)。基質(zhì)(填 料)是人工濕地的重要組成部分，為濕地植物、微生物提供了生長環(huán)境，自身也參與人工 濕地凈化污水的物理化學(xué)過程，特別是對磷的吸附發(fā)揮著重要作用，而磷又是自然水體富 營養(yǎng)化的限制性因子。所以，選擇何種材料作為人工濕地基質(zhì)，直接決定處理系統(tǒng)的除磷 脫氮效率，從而影響其對養(yǎng)殖水體的修復(fù)效果，因此具有十分重要的意義。目前人工濕地基質(zhì)多以傳統(tǒng)的土壤、砂、礫石等為主，但由于這些材料吸附性能較差， 人工濕地在運行若干年后，基質(zhì)對磷的吸附逐漸達到飽和，其去除效率開始下降，有時甚 至出現(xiàn)基質(zhì)向水體中釋放磷的現(xiàn)象，從而影響到整個人工濕地系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定的處理效 果。雖然，目前在實驗室和小試研究中，利用高效人工吸附基質(zhì)，如陶粒、改性沸石、活 性炭等，來替代傳統(tǒng)的人工濕地基質(zhì)，進行凈化試驗，并取得了較好的處理效果。但是， 由于這些基質(zhì)材料成本較高，也很難在實際工程中進行大面積的推廣和應(yīng)用，特別是在我 國經(jīng)濟比較落后的農(nóng)村地區(qū)，更加難以推廣和應(yīng)用。鋼渣和干渣為鋼鐵廠煉鋼爐廢渣，主要作為建筑材料和道路路基，但是，鋼鐵廠每天 產(chǎn)生的爐渣，特別是鋼渣量大、有效利用率不高，而且傳統(tǒng)利用方式附加值也較低，所以 急需開辟新的利用途徑。我們目前對6種常用的人工濕地基質(zhì)進行了吸附性能比較試驗， 研究發(fā)現(xiàn)6種基質(zhì)吸磷能力依次為鋼渣>干渣>沸石>頁巖陶粒>礫石白云石>鋼渣，鋼渣對 磷的理論飽和吸附量為3.55Xl(^mg/kg，是普通礫石的310倍。這主要是由于鋼渣和干渣具 有高氧化鈣、氧化鋁和氧化鐵的化學(xué)組成特性。有關(guān)近年來，國內(nèi)外已開始將鋼渣作為人 工濕地基質(zhì)進行污水處理研究，并取得了較好的研究成果。但是，目前的相關(guān)研究還是停 留在實驗室的模擬試驗，而將鋼渣和干渣應(yīng)用到實際污染水體修復(fù)工程的案例目前尚未見 報道。另外，根據(jù)我們目前在崇明島前衛(wèi)實驗基地的研究表明，由于鋼渣材料堿性較強(pH=9 12)，完全用鋼渣作用人工濕地基質(zhì)，會導(dǎo)致出水pH升高，而且還會抑制濕地系統(tǒng) 內(nèi)植物和微生物的生長。為了克服這一缺陷，在人工濕地構(gòu)建過程中，我們創(chuàng)新性將煉鋼
過程種兩種主要爐渣一鋼渣和干渣進行混合填充(干渣pH二8 10)。同時，在人工濕地 水流方式和濕地植物選配上進行優(yōu)化調(diào)整，這樣不但能夠可以提高系統(tǒng)的單位處理負荷、 維持一個穩(wěn)定的濕地生態(tài)系統(tǒng)和持續(xù)的凈化效果，同時還可以大大降低人工濕地構(gòu)建成 本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工濕地處理系統(tǒng)。
本發(fā)明提出的以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工濕地處理系統(tǒng)，采用水平潛流 人工濕地模式，由人工濕地池體1、基質(zhì)層2、濕地植物系統(tǒng)4和布水系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu) 如圖1所示。布水系統(tǒng)由配水管5、碎石配水區(qū)6、碎石出水區(qū)7和出水渠8組成，基質(zhì) 層2位于人工濕地池體1內(nèi)，基質(zhì)層2的兩側(cè)分別為碎石配水區(qū)6和碎石出水區(qū)7，基質(zhì) 層2上部鋪設(shè)覆蓋層3，覆蓋層3的表面是濕地植物系統(tǒng)4;碎石配水區(qū)6—側(cè)設(shè)有配水 管5，碎石出水區(qū)7連接出水渠8;基質(zhì)層2的基質(zhì)材料采用鋼渣和干渣混合物，鋼渣和 干渣的體積比為4: 1 6: 1。
本發(fā)明中，基質(zhì)層2的厚度一般為800 1500mm，具體厚度要取決于濕地池體的大 小以及處理污染負荷。為了有利于濕地植物的成活和根系的生長發(fā)育，覆蓋層3的厚度為 100 150mm，其材料可以是一般土壤或者粒徑為5 15 mm的碎石。
本發(fā)明中，所述人工濕地池體1可采用高強度PVC板或混凝土結(jié)構(gòu)，人工濕地池體1 的長寬比為4: 1 8: 1，其面積大小取決于處理污染負荷以及可利用的土地面積。
本發(fā)明中，基質(zhì)層2的基質(zhì)材料采用煉鋼爐渣鋼渣和干渣混合物，鋼渣在使用前要進 行適當沖洗處理，以降低其pH。鋼渣和干渣粒徑一般以5 15mm為宜。
考慮到本發(fā)明中所采用的鋼渣材料，其堿性較傳統(tǒng)基質(zhì)材料要強，所以在選擇濕地植 物時，除了滿足作為人工濕地植物基本要求之外，還應(yīng)該對堿性環(huán)境具有一定適應(yīng)性。在 前期盆栽實驗的基礎(chǔ)上，本發(fā)明中，遴選出適合我國南方生長，同時對較強堿性環(huán)境具有 一定抗性的5種濕地植物。本發(fā)明中選擇的濕地植物分別是蘆葦、燈心草、菖蒲、美人蕉 和旱傘草。另外，為了提高整個濕地處理系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性，本發(fā)明中，將兩種及兩 種以上濕地植物進行混栽，以構(gòu)建豐富度和生物多樣性高的人工濕地植物系統(tǒng)4。
本發(fā)明中，人工濕地布水系統(tǒng)分為配水管5、碎石配水區(qū)6、碎石出水區(qū)7、出水花墻 以及出水渠8。考慮到人工濕地出水pH值可能會偏高，所以本發(fā)明中，碎石出水區(qū)7可 適當增加過水路徑，進而對pH值偏高的人工濕地系統(tǒng)出水起到一個緩沖作用。進一步，具體處理系統(tǒng)表述為
將村鎮(zhèn)受污染的水體(如養(yǎng)殖魚塘，富營養(yǎng)化河道等)，通過布水系統(tǒng)以水平潛流的 方式進入以上構(gòu)建的由鋼渣和干渣基質(zhì)構(gòu)成的人工濕地系統(tǒng)，污水在人工濕地系統(tǒng)水平流 動，并利用所構(gòu)建的人工濕地系統(tǒng)中鋼渣和干渣基質(zhì)的吸附作用以及微生物降解和植物吸 收等一系列生物化學(xué)過程，實現(xiàn)對污染水體中N、 P和有機物的去除。經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)處 理后，出水回排到受污染的水體或者回用，從而達到對污染水體的修復(fù)目的。整個人工濕 地系統(tǒng)設(shè)置閥門和流量計，以控制流量，保持系統(tǒng)進、出水穩(wěn)定。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1、基于鋼渣和干渣的化學(xué)組成特征和多孔結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中，采用煉鋼廢渣(鋼渣和 干渣)作為人工濕地填料，可以明顯增強基質(zhì)對污水中磷、NH4+-N以及懸浮物的吸附固定 作用，加上多孔的結(jié)構(gòu)也有利于微生物的附著和生長，有利于有機物的降解作用。所以， 以煉鋼廢渣代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料作為人工濕地基質(zhì)，可以大大增強人工濕地系統(tǒng)對污染水體的凈 化和修復(fù)效率。
2、 由于采用吸附能力較強的鋼渣和干渣作為人工濕地基質(zhì)材料，加上本方案中采用水 平潛流人工濕地的設(shè)計模式，可以大大單位面積處理負荷，從而降低了構(gòu)建人工濕地所占 用的土地面積，這對于我國土地資源緊缺的南方地區(qū)村鎮(zhèn)更具有推廣和應(yīng)用價值。同時， 由于采用了煉鋼廢渣材料，也大大節(jié)省了人工濕地的構(gòu)建成本，并實現(xiàn)了鋼鐵企業(yè)固體廢 棄物的高效資源化利用。
3、 本發(fā)明中，遴選出根系分泌能力強、抗逆性好的植物作為人工濕地植物，這樣可以
利用植物根系分泌的有機酸大大減緩因鋼渣引起的系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境pH升高問題。同時，采用多
種濕地植物混栽模式，這樣不但可以增強人工濕地系統(tǒng)的抗沖擊能力，提高處理系統(tǒng)的高 效性和穩(wěn)定性，同時還可以提升人工濕地的景觀效果。
4、 由于采用以上方法，所構(gòu)建的人工濕地處理系統(tǒng)將會運行穩(wěn)定，運行管理簡便。由 于人工濕地本省運行成本較低，加上鋼渣基質(zhì)吸附飽量大、周期長，所以，較普通基質(zhì)濕 地，穩(wěn)定運行時間長，無需頻繁更換基質(zhì)，所以也大大降低了人工濕地處理系統(tǒng)的運行和 管理成本。


圖1為鋼渣和干渣基質(zhì)人工濕地處理系統(tǒng)構(gòu)建示意圖。
圖中標號1為人工濕地池體；2為基質(zhì)層；3為覆蓋層；4為濕地植物系統(tǒng)；5為配 水管；6為碎石配水區(qū)；7為碎石出水區(qū)；8為出水渠。
具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明 實施例1:
試驗裝置由A、 B兩套水平潛流濕地系統(tǒng)組成，人工濕地池體1由PVC塑料板焊接而 成。人工濕地池體1容積為0.64 m3 (2.0 m x0.4 m><0.8 m)，兩端各有一個分別長15cm和 25cm的碎石配水區(qū)5和碎石出水區(qū)7，同時在裝置側(cè)面布設(shè)9個采樣口 ?；|(zhì)層2采用粒 徑5 15mm的鋼渣和干渣混合材料，鋼渣和干渣兩者體積比為4: 1，填充厚度為55cm。 上層覆蓋5 8 mm的碎石作為覆蓋層3。人工濕地系統(tǒng)A種植單一濕地植物香蒲(ryp/M a"gM勸/o/z'a)作為濕地植物系統(tǒng)4;人工濕地系統(tǒng)B采用香蒲(7>; toa"gw^/b//fl)與風車 草(Q^era^ a/^m^o//^)混合種植模式作為濕地植物系統(tǒng)4。兩套人工濕地系統(tǒng)植物種 植密度為20株/m2，間距為20cm。統(tǒng)一使用蠕動泵進水，水在其中水平流動，常水位60cm。 處理負荷為0.10m/d，理論停留時間為72h。
本實例供試的進水取自某水環(huán)境實驗基地附近的養(yǎng)殖魚塘，各指標平均值COD : 123.6 mg.L—1; 4.65mg.L"; NH4+-N: 0.54mg丄"；TP: 1.15mg'L.'; Chla: 156.8 mg-m.3， 其水質(zhì)基本上處于中(重)富營養(yǎng)化狀態(tài)。2套鋼渣人工濕地系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，出水水質(zhì) 穩(wěn)定達到地表III類水的標準，其平均去除率分別為COD 89.6% (A)和91.7 (B)， TN 81.9% (A)禾卩83.7% (B)， NH4+-N81.6% (A)禾卩86.8% ( B ); TP 95.4% (A)和 92.8% (B)。通過2套鋼渣人工濕地處理效果相比較，香蒲(r，to朋gw勸/Wfl)與風車草 (qyperaM a/^rm/o/Z^)混栽的人工濕地系統(tǒng)(B)處理效果略高于單種植物人工濕地系 統(tǒng)(A)。 2套人工濕地系統(tǒng)出水pH皆有所升高，但都屬于可接受的范圍。相比較，人工 濕地系統(tǒng)B出水pH明顯低于人工濕地系統(tǒng)A，說明不同人工濕地混栽對鋼渣引起的pH 升高具有較好的緩沖效應(yīng)。
實施例2:
實驗地點某縣前衛(wèi)村水環(huán)境修復(fù)實驗基地。
處理對象前衛(wèi)村景觀水體(中心湖)，由于當?shù)剞r(nóng)家樂旅游業(yè)發(fā)展迅速，而有無污 水處理設(shè)施，所以大量生活污水未經(jīng)處理直接排到水體中，導(dǎo)致中心湖水體呈現(xiàn)重營養(yǎng)狀 態(tài)。特別是水體中有機質(zhì)和總磷含量較高。
人工濕地處理系統(tǒng)的構(gòu)建人工濕地池體1是由廢棄的溫室水產(chǎn)養(yǎng)魚池(磚混結(jié)構(gòu))
改造而成。人工濕地池體1的長和寬分別為50mX8.5m。采用水平潛流人工濕地(HFs) 構(gòu)建模式。將粒徑為5 15mm鋼渣和干渣經(jīng)清水浸泡沖洗后，以6: 1的體積比進行均勻 混合，然后填入人工濕地池體1中，基質(zhì)層2填充厚度為800mm，表層再覆蓋3 5mm的 碎石層作為覆蓋層3。人工濕地前端設(shè)置1.2 m長、粒徑40 80為碎石配水區(qū)6，后端則設(shè)置2.0m長、粒徑為15 30的碎石出水區(qū)7。植物采用抗逆性強、景觀效果好的旱傘草、 菖蒲、燈心草作為濕地植物系統(tǒng)4，并進行混栽，以提高濕地系統(tǒng)的生物多樣性和穩(wěn)定性。 整個鋼渣水平流濕地系統(tǒng)負荷0.3m/d，處理水量約150m3/d，停留時間約25.5h;
自建成后，經(jīng)過近兩個月(2007.03.18-2007.4.30)的試運行后，出水水質(zhì)穩(wěn)定。以2007 年5月至2007年12月實驗數(shù)據(jù)為例，對整個處理工藝進行了去除效果評估。在該階段， 進水水質(zhì)CODcr 30.2 65.4 mg/L; TN 1.26 5.81 mg/L; NH4+-N 0.38 1.24 mg/L; TP 0.14 0.31 mg/L。從進水水質(zhì)可以看出，按照國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)》，供試的景觀湖水基本屬于V類，而在5-10月份，屬于劣V類水體，特別是COD 和氨氮超標嚴重，水體污染嚴重，2007年6月份和IO月份皆發(fā)生了較為嚴重的水華現(xiàn)象。 經(jīng)過處理后出水水質(zhì)pH7.9 8.6; CODcr9.5 21.4mg/L; TN 0.15 0.92 mg/L; NH4+-N 0.08 0.85 mg/L; TP0.02 0.08 mg/L。其平均去除率分別為CODcr 71-85%，平均為76.2%; TN 62-78%，平均為71.4%; NH/-N 69-83%，平均為80.4%; TP 91-97%，平均為91.7%。 出水pH較進水有所上升，但仍處在正常范圍?？傮w來說，所構(gòu)建的鋼渣人工濕地處理系
統(tǒng)出水水質(zhì)基本滿足國家地表水in類水標準(除7月份外)，有些月份出水水質(zhì)甚至符合 國家地表水n類水標準。
權(quán)利要求
1、一種以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工濕地處理系統(tǒng)，采用水平潛流人工濕地模式，由人工濕地池體(1)、基質(zhì)層(2)、濕地植物系統(tǒng)(4)和布水系統(tǒng)組成，其特征在于布水系統(tǒng)由配水管(5)、碎石配水區(qū)(6)、碎石出水區(qū)(7)和出水渠(8)組成，基質(zhì)層(2)位于人工濕地池體(1)內(nèi)，基質(zhì)層(2)的兩側(cè)分別為碎石配水區(qū)(6)和碎石出水區(qū)(7)，基質(zhì)層(2)上部鋪設(shè)覆蓋層(3)，覆蓋層(3)的表面是濕地植物系統(tǒng)(4)；碎石配水區(qū)(6)一側(cè)設(shè)有配水管(5)，碎石出水區(qū)(7)連接出水渠(8)；基質(zhì)層(2)的基質(zhì)材料采用鋼渣和干渣混合物，鋼渣和干渣的體積比為4∶1～6∶1。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工濕地處理系統(tǒng)， 其特征在于基質(zhì)層(2)的厚度為800 1500mm，覆蓋層(3)的厚度為100 150mm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工濕地處理系統(tǒng)， 其特征在于覆蓋層(3)采用土壤或者粒徑為5 15 mm的碎石。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工濕地處理系統(tǒng)， 其特征在于所述人工濕地池體(1)采用高強度PVC板或混凝土結(jié)構(gòu)，人工濕地池體(l)的長 寬比為4: 1 8: 1。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工濕地處理系統(tǒng)， 其特征在于基質(zhì)層(2)的基質(zhì)材料采用煉鋼爐渣鋼渣和干渣混合物，鋼渣在使用前要進行沖 洗處理，鋼渣和干渣粒徑為5 15mm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工濕地處理系統(tǒng)， 其特征在于濕地植物系統(tǒng)(4)采用蘆葦、燈心草、菖蒲、美人蕉或旱傘草中一至幾種。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境保護技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以煉鋼廢渣作為基質(zhì)的富營養(yǎng)化水體人工濕地處理系統(tǒng)。采用水平潛流人工濕地模式，由人工濕地池體、基質(zhì)層、濕地植物系統(tǒng)和布水系統(tǒng)組成，布水系統(tǒng)由配水管、碎石配水區(qū)、碎石出水區(qū)和出水渠組成，基質(zhì)層位于人工濕地池體內(nèi)，基質(zhì)層兩側(cè)分別為碎石配水區(qū)和碎石出水區(qū)，基質(zhì)層上部鋪設(shè)覆蓋層，覆蓋層的表面是濕地植物系統(tǒng)；碎石配水區(qū)一側(cè)設(shè)有配水管，碎石出水區(qū)連接出水渠；基質(zhì)層的基質(zhì)材料采用鋼渣和干渣混合物，鋼渣和干渣體積比為4∶1～6∶1。本發(fā)明特別適合村鎮(zhèn)高濁度、高N、P富營養(yǎng)化水體的凈化和修復(fù)。實驗表明，受污染養(yǎng)殖和景觀水體經(jīng)過本發(fā)明處理后，出水水質(zhì)基本滿足國家地表水III類水標準，有些月份出水水質(zhì)甚至符合國家地表水II類水標準，TP和SS的去除率均在90％以上，NH₄⁺-N去除率也達到80％以上。
文檔編號C02F3/32GK101514053SQ20091004779
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月19日
發(fā)明者劉建生, 李建華, 楊長明, 顧文飛, 銳 馬 申請人:同濟大學(xué);上海寶田新型建材有限公司