一种两段式强化脱氮除磷的人工湿地系统及其污水处理方法

本发明属于污水处理，具体涉及一种两段式强化脱氮除磷的人工湿地系统及其污水处理方法。

背景技术：

1、人工湿地是一种模拟和强化自然湿地生态净化功能的人工构建水处理系统。该系统通常由特定基质（如沙石、土壤等）、适生水生植物（如芦苇、香蒲等）以及在其表面和基质孔隙中形成的复杂微生物群落共同构成一个协同作用的生态系统，通过物理、化学和生物过程的耦合实现污水净化。根据水力流态的不同，人工湿地主要分为表面流和潜流两种类型。表面流人工湿地中，污水在基质表面流动，主要通过植物根系吸收、微生物降解和自然曝气等作用去除污染物；潜流人工湿地则使污水在基质层中水平或垂直渗透，通过更充分的基质吸附、过滤以及厌氧、好氧微生物的代谢活动实现净化。

2、人工湿地技术虽已得到广泛应用，但现有的系统绝大多数为单级结构设计。这种单级结构在处理含氮污染物时，难以实现高效的同步硝化与反硝化过程，导致总氮去除率普遍偏低。例如，水平潜流人工湿地中，水流状态以缺氧环境为主，虽有利于反硝化作用的进行，但系统内溶解氧供给不足，严重限制了氨氮氧化为硝酸盐的硝化反应效率，致使脱氮过程因缺乏底物而难以完成。而垂直潜流人工湿地中，水流的垂直渗透有利于大气富氧，硝化作用较为充分，但系统内可利用的有机碳源在流经好氧区时已被大量消耗，导致下游反硝化过程因碳源不足而受到抑制。此外，单级人工湿地系统内部的水力通道相对单一，悬浮固体（ss）及生物膜易在填料层中持续累积，导致系统堵塞风险显著增高。堵塞不仅缩短了运行维护周期、增加了长期运维成本，而且一旦发生，将直接影响整个处理流程的畅通性与稳定性，对污水处理效果造成全面且严重的冲击。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种两段式强化脱氮除磷的人工湿地系统及其污水处理方法，从而克服现有技术的不足，创造两段独立可控的人工湿地处理系统，通过多级协同提高了处理效率并强化了硝化反硝化作用，还降低了运维成本，便于后续维护维修，对人工湿地污水处理具有重要意义。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、一方面，本发明提供一种两段式强化脱氮除磷的人工湿地系统，包括沿水流方向串联设置的第一段人工湿地池与第二段人工湿地池，所述第一段人工湿地池与第二段人工湿地池之间通过虹吸管连接；所述虹吸管的出水口设有电磁自动阀以控制虹吸管周期性的排水。

4、本发明构建的两段式强化脱氮除磷的人工湿地系统可模拟潮汐流人工湿地（通过周期性淹水与排干模拟自然潮汐节律的水处理）。其核心特点是利用水位升降实现被动复氧：排水期床体排空，空气进入填料孔隙；进水期污水携带氧气进入，强化微生物对污染物的降解。该技术显著提升了传统人工湿地的氧传输效率，尤其适用于脱氮（nh3-n、tn）和有机物（cod）的去除。

5、在一些其他实施方式中，第一段人工湿地池与第二段人工湿地池的结构相同；

6、第一段人工湿地池的整体高度大于第二段人工湿地池，使得第一段人工湿地池的出水可依靠重力自流进入第二段人工湿地池的顶部。

7、在一些其他实施方式中，第一段人工湿地池与第二段人工湿地池的内部均竖直设置挡板，挡板的底部设有格栅，挡板将第一段人工湿地池或第二段人工湿地池的内部分割为第一腔室和第二腔室，第一腔室内填充填料，第二腔室作为集水池。

8、在一些其他实施方式中，格栅的孔径小于填料粒径；格栅占挡板总高度的1/5-1/3。格栅用于防止填料进入集水池并堵塞虹吸排水装置。

9、在一些其他实施方式中，集水池内均设有虹吸管，虹吸管为倒置的u型虹吸管。

10、在一些其他实施方式中，虹吸管的顶部连接管的高度大于填料的高度；

11、虹吸管的出水口在水平方向上要低于虹吸管进水口。

12、虹吸排水装置被配置为：当水位上升至触发水位时自动启动虹吸排水，当水位下降至中断水位时自动停止，从而在人工湿地单元内形成周期性变化的潮汐流工况。

13、在一些其他实施方式中，第一段人工湿地池的填料为硅铝酸盐改性填料；用于优先去除污水中的氨氮；

14、第二段人工湿地池的填料为硫基填料，用于去除污水中的硝态氮和总磷。

15、硅铝酸盐改性填料的制备方法如下:以砾石为骨料，将硅铝酸盐类无机粉体与水形成湿拌料，在造粒设备中对砾石表面进行均匀包覆，形成连续外覆层。随后对湿态颗粒进行固化与干燥处理，使外覆硅铝酸盐层硬化并稳定结合于砾石表面，得到硅铝酸盐改性填料。

16、硫基填料的制备方法如下:以硫基填料为核心颗粒，在造粒过程中通过湿法包覆方式在其表面引入复合外覆层，使功能性填料均匀包裹于硫核心外部。经固化与干燥处理后，形成结构稳定、外覆层完整的硫基复合填料。

17、具体地，硅铝酸盐改性填料的制备：以粒径约 5–25 mm 的砾石作为骨料，选用硅铝酸盐类无机粉体作为主要外覆材料，并复配约 10–30% 的无机胶凝材料，与水混合制备湿态拌合料，所述拌合料的用水量控制在能够形成可塑性湿料的范围内。将砾石加入造粒或包覆设备中，在转动作用下通过分步加入湿态拌合料，使其逐渐、均匀包覆于砾石表面，所述包覆过程通常持续 5–20 min，形成厚度约 0.5–2.0 mm 的连续硅铝酸盐外覆层。包覆完成后的颗粒在 15–35 ℃ 条件下进行养护固化，固化时间为 12–48 h，随后经 40–80 ℃条件下干燥处理 6–24 h，使外覆层硬化并稳定结合于砾石表面，得到结构稳定的硅铝酸盐改性填料。

18、硫基复合填料的制备：以粒径约 2–8 mm 的硫基颗粒作为核心材料，在造粒或包覆设备中采用湿法包覆方式对其进行表面改性。包覆过程中，将功能性无机粉体与粘结组分按质量比约 (80–95):(5–20) 混合，并加入适量水形成外覆物料，在 10–25 min 的滚涂过程中使其均匀包覆于硫基核心颗粒外表面，形成厚度约 0.3–1.5 mm 的复合外覆层；所述包覆过程的温度优选控制在 20–40 ℃ 范围内。成型后的颗粒经静置 2–8 h 后进行固化处理，固化时间为 12–48 h，随后在 30–70 ℃ 条件下干燥 6–24 h，获得外覆层完整、耐水稳定性良好的硫基复合填料。

19、更为具体地，硅铝酸盐改性填料的制备：以粒径约 15 mm 的砾石作为骨料，选用硅铝酸盐类无机粉体作为主要外覆材料，并复配约 20% 的无机胶凝材料，与水混合制备湿态拌合料，所述拌合料的用水量控制在能够形成可塑性湿料的范围内。将砾石加入造粒或包覆设备中，在转动作用下通过分步加入湿态拌合料，使其逐渐、均匀包覆于砾石表面，所述包覆过程通常持续 10 min，形成厚度约 1.0 mm 的连续硅铝酸盐外覆层。包覆完成后的颗粒在 25 ℃ 条件下进行养护固化，固化时间为 24 h，随后经 60 ℃ 条件下干燥处理12 h，使外覆层硬化并稳定结合于砾石表面，得到结构稳定的硅铝酸盐改性填料。

20、硫基复合填料的制备：以粒径约 5 mm 的硫基颗粒作为核心材料，在造粒或包覆设备中采用湿法包覆方式对其进行表面改性。包覆过程中，将功能性无机粉体与粘结组分按质量比约80:20混合，并加入适量水形成外覆物料，在 20 min 的滚涂过程中使其均匀包覆于硫基核心颗粒外表面，形成厚度约 0.3–1.5 mm 的复合外覆层；所述包覆过程的温度优选控制在 30 ℃ 范围内。成型后的颗粒经静置 5 h 后进行固化处理，固化时间为 24h，随后在 60 ℃ 条件下干燥12 h，获得外覆层完整、耐水稳定性良好的硫基复合填料。

21、在一些其他实施方式中，第一段人工湿地池中第一腔室的上端设有进水管；

22、第二段人工湿地池的虹吸管的排水口与排水渠连接。

23、另一方面，本发明提供一种两段式强化脱氮除磷的人工湿地系统处理污水的方法，包括以下步骤：

24、（1）污水进入第一段人工湿地池中自上而下经硅铝酸盐改性填料流至底部，经格栅过滤后进入集水池；虹吸管的出水口的电磁自动阀一直处于关闭状态；

25、（2）当集水池的水位上升至虹吸管的顶部连接管处时，电磁自动阀打开，污水通过虹吸管排出至第二段人工湿地池中；

26、（3）当集水池的水位下降至虹吸管的顶部连接管处时，电磁自动阀关闭，集水池开始集水，待水位再次上升至虹吸管的顶部连接管处时，电磁自动阀开启，以此循环往复。

27、在一些其他实施方式中，第二段人工湿地池中的污水处理过程与第一段人工湿地池一致，第二段人工湿地池中的虹吸管排出的污水为最终处理污水。

28、本发明的有益效果：

29、（1）通过将传统单一湿地分解为功能专化的多级单元，实现了硝化与反硝化过程的高效协同：其中，第一段人工湿地池在硅铝酸盐改性填料和潮汐流运行模式（由虹吸控制）的共同作用下，营造出好氧环境，优先强化氨氮的硝化作用；第二段人工湿地池则利用硫基填料及可控的厌氧条件，专项进行反硝化脱氮与除磷，从而系统性地提升了总氮和总磷的去除效率。

30、（2）通过周期性的充水－排水过程，有效促进了氧气传输与基质内部更新，避免了传统潜流湿地中易出现的死区和断流现象。同时，分段处理分散了污染物负荷，特别是固体悬浮物（ss）的沉积点，极大延缓了填料层的堵塞进程，延长了系统的免维护运行周期。

31、（3）模块化的单元设计配合简单的虹吸控制机构，使得系统维护更为便捷。当某一段湿地需要检修或更换填料时，不影响另一段的独立运行，降低了维护成本和对处理过程的冲击。此外，填料使用寿命的延长进一步减少了全生命周期的运营成本。

32、（4）基于物理虹吸原理无需复杂的机电设备或外部动力源，运行可靠，建设与运营成本低，特别适用于村镇、偏远地区等技术支撑相对薄弱的场景，具有良好的工程适用性和推广前景。

33、综上所述，本发明通过结构创新与运行模式的巧妙结合，在提升污水处理效能、增强系统稳定性、降低运维成本等方面均带来了实质性进步，对推动人工湿地技术的高效化、可靠化发展具有重要的现实意义。