专利名称：高新废水处理基质和水体处理装置与废水处理技术及应用技术
技术领域：
本发明涉及一种废水处理基质，一种水体处理装置，一种废水处理方法，以及所述废水处理基质、水体处理装置和废水处理方法在建造人工湿地中的应用。
背景技术：
人类生产和生活过程中会产生大量的废水，如何将废水进行净化处理，减少其中各种污染物和悬浮物，改善水质，维持自然水体的环境质量与生态平衡一直是环境科学工作者研究的热点。用于水体处理与水质净化的方法和设备有很多种，人工湿地是最接近自然、没有二次污染、规模可大可小的生态净化方法，即利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重作用，包括沉淀、吸附、过滤、分解、离子交换、硝化和反硝化、微生物的代谢活动与植物的生长等过程，实现对污水的净化。人工湿地的净化效果受基质种类、基质内部环境、水力负荷以及水力停留时间直接影响。尽管国内外环保工作者都很关注人工湿地在废水净化方面的研究，但国外学者的工作关于人工湿地去除污染物分析方面的研究，一般应用于分析结构复杂的系统，或者是在某一具体处理单元上所建立起来的，地域限制性很大(如气候、 水文条件等等)，限制条件较多而缺少实用性；我国的人工湿地基质主要运用土壤、砂和砾石，以及火山岩、陶粒和轻质膨胀性粘土产品等，可以处理普通的生活污水，但对于高COD 的养殖废水，运行一段时间后，处理效果明显降低，而且有些基质的造价比较高，频繁更换基质的运行成本比更高，所以很缺乏效果显著而运行稳定的成套基质系统。对于畜禽养殖废水来说，其显著特点是COD含量高，有毒物质极少，污染物质比较单一，所以非常适合应用人工湿地净化水体，选择合适的基质及其配比是实现净化水体的关键所在。对于一个湿地系统来说，基质为微生物的生长创造了一个稳定的生存环境和化学反应场所，所以合理的选用基质对人工湿地来说变得尤为重要。目前对基质的运用一般只是在实验室对基质吸附机理进行研究，目标水体一般都是配制的单一水体，而没有正的运用到实际养殖场。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效去除水体中化学需氧量、总氮、总磷，降低废水浊度的处理基质。本发明提供一种废水处理基质，其特征在于，所述基质含有活性炭和炉渣，以所述基质的总量为基准，所述活性炭的含量为10-40重量％，所述炉渣的含量为60-90重量％， 以炉渣的总量为基准，所述炉渣含有15-70重量％的Si02、3-30重量％的狗203、10-40重量％的々1203、0. 5-45 重量％&Ca0、0. 2-5 重量％的]\%0、0. 1-5 重量％的1(20和 8_35 重量％ 的C。本发明提供了一种水体处理装置，其特征在于，该水体处理装置包括两端开口的不透水性壳体以及填充在该不透水性壳体内的第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层，
3所述废水处理基质位于第一沙石层和第二沙石层之间，且所述第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层的厚度比为1 3-50 0. 5-5 ；所述第一沙石层和第二沙石层均包括大石子层、小石子层和细沙层，所述第一沙石层和第二沙石层中的大石子层、小石子层和细沙层按照与废水处理基质的距离由远到近的顺序依次分布；所述废水处理基质为本发明提供的上述废水处理基质。本发明还提供了一种废水处理方法，其特征在于，该方法包括使废水依次通过上述的水体处理装置的第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层。此外，本发明还提供了所述废水处理基质、水体处理装置和废水处理方法在建造人工湿地中的应用。根据本发明的水体处理装置对畜禽养殖废水进行处理，相比于现有技术常用的火山岩和陶粒作为基质的垂直流湿地，水体中的化学需氧量、浊度、总氮和总磷均有较为明显的下降，尤其是对于化学需氧量和以铵态氮形式存在的氮元素的去除效果极为显著，测试例1利用实施例1中建造的使用本发明的废水处理基质的垂直流人工湿地模型来处理畜禽养殖废水，其化学需氧量的最大去除率为93. 2%，而测试对比例1和2中分别利用对比例1 和2中建造的使用陶粒和火山岩的垂直流人工湿地模型来处理畜禽养殖废水，其化学需氧量的最大去除率分别仅为53. 5%和58. 6%;用Ml处理畜禽养殖废水，其铵态氮的最大去除率为61. 4 %，测试对比例2中，铵态氮的最大去除率为28. 7 %，而测试对比例1中铵态氮的最大去除率则更低，仅为8. 1%。此外，通过本发明的测试例4和测试对比例3-4可以看出，利用实施例1中建造的使用本发明的废水处理基质的垂直流人工湿地模型来处理畜禽养殖废水有较强的、可持续的处理废水，尤其是畜禽养殖废水的能力。
图1为本发明一种实施方式中建造的垂直流人工湿地模型的简化图；图2为本发明一种实施方式中对畜禽养殖废水中COD的去除结果以及两个对比例的结果；图3为本发明一种实施方式中对畜禽养殖废水中浊度的去除结果以及两个对比例的结果；图4为本发明一种实施方式中对畜禽养殖废水中总磷的去除结果以及两个对比例的结果；图5为本发明一种实施方式中对畜禽养殖废水中总氮的去除结果以及两个对比例的结果；图6为本发明一种实施方式中对畜禽养殖废水中硝态氮的去除结果以及两个对比例的结果；图7为本发明一种实施方式中对畜禽养殖废水中铵态氮的去除结果以及两个对比例的结果。
具体实施例方式本发明提供一种废水处理基质，其特征在于，所述基质含有活性炭和炉渣，以所述基质的总量为基准，所述活性炭的含量为10-40重量％，所述炉渣的含量为60-90重量％， 以炉渣的总量为基准，所述炉渣含有15-70重量％的Si02、3-30重量％的狗203、10-40重量％的々1203、0. 5-45 重量％&Ca0、0. 2-5 重量％的]\%0、0. 1-5 重量％的1(20和 8_35 重量％ 的C。优选地，以所述基质的总量为基准，所述活性炭的含量为20-30重量％，所述炉渣的含量为70-80重量％，在此范围内的活性炭与炉渣的混合基质具备极其良好的去除水体各种杂质的能力。根据本发明，虽然各原煤所得到的炉渣的组成成分各有不同，但是一般地，都含有处于上述范围内的各种组分，优选地，以炉渣的总量为基准，所述炉渣含有21-60重量％的 SiO2,4-25 重量％ 的 F%03、12-35 重量％ 的 A1203、0. 9-20 重量％ 的 Ca0、0. 4-4 重量％ 的 MgO、 0. 3-4重量％的1(20和10-30重量％的(。根据本发明，从原理上讲，所述炉渣的颗粒直径越小越好，但是为了兼顾操作简便和达到效果，优选地，所述炉渣的颗粒直径小于5毫米，进一步优选地，所述炉渣的颗粒直径为0. 1-4毫米。本发明对于所述活性炭的颗粒直径没有特别的限定，因为本领域公知的， 即使颗粒状活性炭的颗粒直径一般也都小于3毫米，而粉末状的则更低，因此，本领域常规的各种活性炭即可实现本发明。本发明提供了一种水体处理装置，其特征在于，该水体处理装置包括两端开口的不透水性壳体以及填充在该不透水性壳体内的第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层， 所述废水处理基质位于第一沙石层和第二沙石层之间，且所述第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层的厚度比为1 3-50 0.5-5，所述第一沙石层和第二沙石层均包括大石子层、小石子层和细沙层，所述第一沙石层和第二沙石层中的大石子层、小石子层和细沙层按照与废水处理基质的距离由远到近的顺序依次分布；所述废水处理基质为上述的废水处理基质。根据本发明，所述第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层的厚度比优选为 1 4-10 0.8-2。根据本发明，对所述大石子层、小石子层和细沙层的厚度比没有特别的限定，可以在较宽的范围内变化，优选地，所述大石子层、小石子层和细沙层的厚度比接近，例如可以为 1 0. 8-1. 2 0. 8-1. 2。其中，所述大石子的平均颗粒直径优选为0. 6-1厘米，所述小石子的平均颗粒直径优选为1-5毫米，所述细沙的平均颗粒直径优选为0. 5-0. 9毫米。本发明提供了一种废水处理方法，其特征在于，该方法包括使废水依次通过上述的水体处理装置的第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层。根据本发明，所述废水通过第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层的总时间为 1-30天，进一步优选为4-25天。根据本发明，所述水体处理装置可以用于处理各种生产和生活废水，如养殖废水、 印染废水、制药废水、染料废水、造纸废水等，特别是对于污染程度较高、成分较为复杂的畜禽养殖废水，有较好的、持续的处理能力。能够明显的降低水体中的化学需氧量、浊度、总氮和总磷均有较为明显的下降，尤其是对于以铵态氮形式存在的氮元素的去除效果极为显
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根据本发明的方法，所述畜禽养殖废水中铵态氮的含量可以为400-800毫克/升。 即对于较高铵态氮含量的畜禽养殖废水，本发明的方法仍有较好的处理效果。本发明还提供了上述废水处理基质、水体处理装置和废水处理方法在建造人工湿地中的应用。对于我国农村生活污水治理、自然水体治理具有很重要的意义。下面，通过实施例对本发明的内容做更详细的描述。其中，活性炭购自承德活性炭厂，颗粒直径为0. 5-1毫米，炉渣L1-L3来自北京水利科学研究所永乐店实验点食堂；用50目筛子过筛，使炉渣L1、L2和L3的颗粒直径不超过 3. 5毫米。所述畜禽养殖废水来源于天津杨柳青区典型养殖农户。各种水体指标的测定方法如表1所示。其中，浊度分析仪购自HACH公司，紫外可见分光光度计购自Varian公司， 炉渣成分分析仪为荷兰帕纳科公司的Axios-Minerals型X荧光光谱仪；重铬酸钾、硫酸和钒钼磷酸均为分析纯。表 权利要求
1.一种废水处理基质，其特征在于，所述基质含有活性炭和炉渣，以所述基质的总量为基准，所述活性炭的含量为10-40重量％，所述炉渣的含量为60-90重量％，以炉渣的总量为基准，所述炉渣含有15-70重量％的Si02、3-30重量％的狗203、10-40重量％的A1203、 0. 5-45重量％的Ca0、0. 2-5重量％的Mg0、0. 1-5重量％的K2O和8_35重量％的C。
2.根据权利要求1所述的废水处理基质，其中，以所述基质的总量为基准，所述活性炭的含量为20-30重量％，所述炉渣的含量为70-80重量％。
3.根据权利要求1所述的废水处理基质，其中，以炉渣的总量为基准，所述炉渣含有 21-60 重量 ％ 的 Si02、4-25 重量 ％ 的狗203、12-35 重量 ％ 的 A1203、0. 9-20 重量 ％ 的 CaO、 0. 4-4重量％的Mg0、0. 3-4重量％的K2O和10-30重量％的C。
4.根据权利要求1所述的废水处理基质，其中，所述炉渣的颗粒直径小于5毫米。
5.一种水体处理装置，其特征在于，该水体处理装置包括两端开口的不透水性壳体以及填充在该不透水性壳体内的第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层，所述废水处理基质位于第一沙石层和第二沙石层之间，且所述第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层的厚度比为1 3-50 0.5-5，所述第一沙石层和第二沙石层均包括大石子层、小石子层和细沙层，所述第一沙石层和第二沙石层中的大石子层、小石子层和细沙层按照与废水处理基质的距离由远到近的顺序依次分布；所述废水处理基质为权利要求1-4中任意一项所述的废水处理基质。
6.根据权利要求5所述的水体处理装置，其中，所述第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层的厚度比为1 4-10 0.8-2;所述大石子层、小石子层和细沙层的厚度比为 1 0. 8-1. 2 0. 8-1. 2。
7.根据权利要求5或6所述的水体处理装置，其中，所述大石子的平均颗粒直径为 0. 6-1厘米，所述小石子的平均颗粒直径为1-5毫米，所述细沙的平均颗粒直径为0. 5-0. 9 毫米。
8.一种废水处理方法，其特征在于，该方法包括使废水依次通过权利要求5-7中任意一项所述的水体处理装置的第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述废水通过第一沙石层、废水处理基质和第二沙石层的总时间为1-30天。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述废水为畜禽养殖废水。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述畜禽养殖废水中铵态氮的含量为400-800 毫克/升。
12.权利要求1-4中任意一项所述的废水处理基质、权利要求5-7中任意一项所述的水体处理装置或权利要求8-11中任意一项所述的方法在建造人工湿地中的应用。
全文摘要
一种废水处理基质、水体处理装置以及一种废水处理方法及废水处理基质、水体处理装置和废水处理方法的应用，其特征在于，所述基质含有活性炭和炉渣，以所述基质的总量为基准，所述活性炭的含量为10-40重量％，所述炉渣的含量为60-90重量％，以炉渣的总量为基准，所述炉渣含有15-70重量％的SiO2、3-30重量％的Fe2O3、10-40重量％的Al2O3、0.5-45重量％的CaO、0.2-5重量％的MgO、0.1-5重量％的K2O和8-35重量％的C，所述炉渣的颗粒直径小于5毫米。根据本发明的水体处理装置建造的垂直人工流湿地对畜禽养殖废水进行处理，水体中的化学需氧量、浊度、总氮和总磷均有明显的下降，尤其是对于以铵态氮形式存在的氮元素的去除效果极为显著。
文档编号C02F9/02GK102485662SQ20111002153
公开日2012年6月6日 申请日期2011年1月19日 优先权日2010年12月3日
发明者任天志, 李少鹏, 李峰, 王立刚, 王迎春, 田媛 申请人:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所
