CN100475720C - 介质复合型人工湿地的污水处理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种介质复合型人工湿地的污水处理系统及其方法，涉及污水处理技术领域；该系统包括用于除去污水中固体悬浮物、设有污水提升泵的沉淀池；自上而下包括湿地植物、多层介质层、衬垫、衬底，以及集水装置和连接沉淀池的布水装置的介质复合型人工湿地；用于控制人工湿地水位的控制井；用于控制人工湿地布水的自控系统；由于多层介质层为细石、沙子、粗石组成，自控系统的控制人工湿地布水，控制井的控制人工湿地水位，极大地提高了人工湿地的污水有氧处理效率；所以本发明具有污水处理效率高、土地利用率高、投资成本低、去污效果好的特点。

Description

介质复合型人工湿地的污水处理系统及其方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术，特别是涉及一种用介质复合型人工湿地进行污水处理的技术。

背景技术

在目前的人工湿地污水处理技术中，占地面积大，去污效果好的并不多见，在专利申请号为02208448.7的中国实用新型专利，名称为人工湿地植物床中，由于使用泥炭作为植物生长介质，且仅仅通过植物的吸收来去处水中的污染物，大大降低了去处污水中污染物的能力，还有工业废水有其特殊物质含量(偏酸性，或偏碱性，或金属含量较高)，其工艺处理没有针对性，不具有普遍应用性。土地使用面积较多，实际应用性不高，不具经济效益。在专利申请号为03238079.8的中国实用新型专利，名称为人工湿地污水生态处理装置的布水系统和散水系统若是在湿地系统的上面，会使得气味迅速向四周扩散，对周边会造成空气方面的污染(二次污染)；湿地系统所用的亚粘土层、砂土层及砾石填料层会对水体中污染物的去处起到负面作用，污染物的去处效率不高，造成土地面积的需求加大。

目前在大城市的污水处理厂都采用以活性污泥法为处理工艺。活性污泥法是用生物处理污水的一种常规工艺，其中曝气池是所有活性污泥法的心脏，其作用是搅拌混合液使泥、水充分接触和向微生物供氧。这一方法技术方面的缺点在于：1)曝气池在运行中如果控制不好，很容易产生臭气，影响附近的环境卫生，这主要是由于曝气池运行于厌氧工况下，导致产生硫化氢、大粪素等恶臭气体；2)当对除磷脱氮要求较高时，活性污泥法不能有效的脱氮；3)污泥产率高，活性污泥法中的心脏部分曝气池会产生较多的污泥量，并且污泥中的有机物含量高，这给污泥的最终稳定化处置带来了较多的问题；4)运行维护技术难度大，尤其是中小型污水处理厂，由于其水量水质变动大，容易产生冲击负荷，造成污泥膨胀，而使运行失效。

另外这一方法还有经济方面的缺点，即基建和运行费用昂贵：使用活性污泥法的污水处理厂只有建成一定的规模才能降低每吨水的处理成本，就造成了要建大型污水处理厂，即一次性投入的基建费用很高；运营成本也很高，一座活性污泥法的年运行费约为其基建投资的10％左右(例如一座10万吨/日的污水处理厂，其基建投资为1.5亿元，则其年运行费用约为1200-1500万元)所以我国一些城市建起了污水处理厂，却运行不起来，或者不能完全运行，其原因是缺乏运行资金。

总的来说，常规的集中式污水处理工艺的缺点在于：一次性基建投资额高、日常运营成本高、配套设施需求较多、不能实现点污染点处理、容易产生臭气造成空气污染、除磷除氮的效果不是很好(常规的只有20-40％)、日常维护技术难度大；

华南地区建成的某人工湿地污水处理站，由于其基本技术理念不成熟以及其基质所选材质的不当，使其污水处理能力大大降低，不仅要在人工湿地前进行物理、化学等一系列复杂的预处理，其隐患还在于随着使用时间的增加，基质中沉积越来越多的化学药剂使得破坏人工湿地工作的原理，造成人工湿地的除污能力持续下降、水质和土壤的化学二次污染，不具长期有效使用性，另外其投资及运营成本也大幅提高。

现有其他人工湿地的问题在于：单位面积除污效率低、占地面积较大、土地的有效利用率较低、不具长期使用性、一些二次污染的问题没有妥善解决(如臭气、水质及土壤的化学二次污染)、投资成本较高。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种污水处理效率高，土地利用率高，投资成本低，去污效果好的用于污水处理的介质复合型人工湿地系统及其方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种用于污水处理的介质复合型人工湿地系统，包括：

一沉淀池，用于除去污水中固体悬浮物，设有污水输入口，沉淀池设至少一个室，沉淀池的污水输出口安置有污水提升泵，在自控系统控制下能自动向人工湿地布水；

一介质复合型人工湿地：自上而下包括湿地植物、多层介质层、衬垫、衬底，以及集水装置和连接沉淀池的布水装置；

其特征在于，所述多层介质层由细石、沙子、粗石组成；

还包括一控制井，连接所述集水装置，设有控制出水高度的控制装置，用于控制所述人工湿地的水位；

一自控系统，用于通过污水提升泵的开启和关闭控制所述人工湿地的布水；

在介质复合型人工湿地系统中，污水经沉淀池、污水提升泵、布水装置流入所述人工湿地，由沉淀池的污水提升泵控制污水的进给，经人工湿地的湿地植物和所述多层介质层共同营造的微生态环境处理后水经集水装置、控制管、控制井流出，由控制管控制人工湿地的水位。

进一步地，所述布水装置为水平铺设于介质层上的布水管，布水管之间间距相等，均匀分布，所有布水管输入端经布水总管连接安置有污水提升泵的沉淀池污水输出口；所述集水装置为水平铺设于衬底上的集水管，集水管之间间距相等，均匀分布，所有集水管的输出端经集水总管连接控制井；所述集水装置设监测管垂直铺设于介质层中，监测管底端连通集水管，监测管顶端开口略高出人工湿地表面，并设有盖子。

进一步地，所述多层介质层由上而下依次为上混石层(布水层)、至少一层沙石混合层、下混石层(集水层)；其中，沙石混合层为微生物提供厌氧、兼氧及好氧反应所需的环境；同时，湿地水生植物在光合作用下不仅为好氧、兼氧微生物提供所需的部分氧气，而且还可疏通介质层，防止堵塞。整个人工湿地多层介质层综合了物理、化学、生物三种协调作用，以长期高效的去除污水中的有机物、氮、磷及病原体等污染物。

进一步地，所述布水管埋在人工湿地多层介质层的表层里，污水从布水管流出，在人工湿地上均匀分布以覆盖住污水的气味。

进一步地，所述污水提升泵室设有水位传感器，设定上水位和下水位；当室内的污水水面到达上水位时，污水提升泵自动启动，抽取污水通过布水管向人工湿地布水，随着污水水位下降至下水位时，污水提升泵自动停止，直到污水又不断流入，水位又上升至上水位，泵再自动启动。

进一步地，所述控制井的控制装置为控制管，控制管一端密封可转动连接集水装置的集水总管，另一端为出水口，以集水总管输出端为轴心能向上转动控制管，改变控制管出水口的高度，以控制出水的高度，因为控制管和人工湿地的集水管是连通的，进而控制控制人工湿地内的水位。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种介质复合型人工湿地系统的污水处理方法(过程)，步骤如下：

5)进污水，污水流经沉淀池、污水提升泵，沉淀池用于除去污水中固体悬浮物，由沉淀池的污水提升泵控制污水的进给，以保持人工湿地内介质的干燥；

6)污水处理，污水经布水装置均匀地流入人工湿地，由湿地植物(根系)和多层介质层进行去污处理，所述介质层由细石层、沙子层、粗石层配比组成；

7)集水，人工湿地底层的清水经集水装置流入控制井；

8)输出清水，由出水控制管控制人工湿地的水位，以控制污水的有氧处理深度。

进一步地，所述步骤1)中污水提升泵开启进水的次数是每天1至10次，污水提升泵每次开启进水的时间为5分钟至30分钟。

进一步地，所述步骤1)中沉淀池设有水位传感器，污水至上水位时污水提升泵开启进水，污水至下水位时污水提升泵关闭。

本发明提供的用于污水处理的介质复合型人工湿地系统及其方法的有益效果：1)植物不是种植在泥土里。泥土层会让人工湿地的水处理效果大打折扣，一方面因为在泥土中水的渗透速度慢，导致人工湿地所需的面积成倍增加，另一方面泥土会阻止氧气进入人工湿地。

2)所用的介质以粗石、细石、沙子为主，价格便宜、在任何项目所在地都能就地取材，介质都是天然材质没有二次污染。

3)人工湿地表面是干燥的，人可以在上面行走，没有积水，不会滋生蚊虫，布水管埋在人工湿地表层的上混石层里，避免人工湿地周边有难闻的污水臭味。

4)可以作为绿化用地，在项目所在区域可以提高绿化率。

5)人工湿地形状没有限制，可以是长方形、三角形、圆形等任何形状，可以按照周边景观、地理来配合。

6)不需要人工曝气供氧，没有鼓风机房，除了污水提升泵外没有其他电气设备，所以易于维护管理，基本不需要专人管理，而且日常运维费用极低。

7)不仅能去除常规污染物，而且对营养物质磷和氮等具有明显的处理效果。

8)点污染点处理，污水就近处理，处理后就近排放或回用，节约昂贵的污水管道的建设费用。

9)目前其他形式的人工湿地，氧气100％依靠植物吸收进入人工湿地。在本发明的介质复合型高效人工湿地中，五层介质层，每一层有不同的厚度，每一层用不同的介质配比，致使氧气进入湿地的途径有三种。详情见表1，氧气进入湿地情况：

途径	每天进入每平方米人工湿地的氧气量	占比例
			植物吸收	5g	12.5％
扩散	17g	42.5％
			对流	18g	45％
合计	40g	100％

由此可知本发明的氧气进入人工湿地的量是目前其他形式人工湿地的氧气进入量的八倍左右，从而极大地提高了人工湿地污水的有氧处理效率。

表2，本发明人工湿地系统与其他污水处理工艺经济及技术类指数比较：

	大规模集中式污水处理厂	国内现有其他人工湿地污水处理系统	本发明所用的介质复合型人工湿地污水系统及其方法
				基建成本	1500-2500元/吨	2500-4000元/吨	1000-1600元/吨
污水处理运行成本	0.5-0.8元/吨运营成本很高	0.10-0.25元/吨运营成本较低	＜0.02元/吨运营成本更低
				收集污水管网	庞大污水收集管网，管网投资约是污水厂投资的几倍	不需要庞大污水收集管网，投资少	不需要庞大污水收集管网，实现点污染点处理
有无二次污染	有臭气和污泥产生	有臭气产生，由于化学药剂的添加造成水质及土壤的二次污染	无二次污染
				运行维护技术	运行维护技术难度大，不易控制，需要对专业人员进行专业培训	运行维护较简单，但也需要专业人员的维护	很简单，非专业人员在简单的培训之后就可维护
BOD<sub>5</sub>(mg/L)	10-17	15-22	＜8
				COD<sub>cr</sub>(mg/L)	＜50	50-80	＜50
氨氮(mg/L)	5-8	3-9	＜1.8
				总磷(mg/L)	0.7-1.5	1.5-5	＜1.0

附图说明

图1是本发明实施例一介质复合型人工湿地系统的工艺流程框图；

图2是本发明实施例一介质复合型人工湿地系统的平面结构示意图；

图3是本发明实施例一介质复合型人工湿地系统的截面结构示意图；

图4是本发明实施例一介质复合型人工湿地系统的介质层和衬垫分层示意图；

图5是本发明实施例一介质复合型人工湿地系统的控制井的结构示意图；

图6是本发明图5实施例的B-B向的剖面视图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构、方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

实施例一，参见图1-图4所示，用于污水处理的介质复合型人工湿地系统包括沉淀池、介质复合型人工湿地、控制井、自控系统；

沉淀池1(四级)：

沉淀池1设有污水输入口11，沉淀池共分成四室(四级)，室与室之间用管道连通；

目的：这样可以减少前一室的悬浮物流入下一室；

沉淀池的第四室被称为污水提升泵室，沉淀池的污水输出口安置有一台污水提升泵12，在自控系统控制下根据预设的供水时间或水位来自动向人工湿地布水。

介质复合型人工湿地2：

人工湿地2自上而下包括湿地植物23、五层介质层、衬垫206、衬底207；布水管22水平铺设于介质层上的人工湿地表面，布水管22之间间距相等，均匀分布，所有布水管输入端经布水总管4连接安置有污水提升泵的沉淀池污水输出口；集水管24水平铺设于衬底上的人工湿地底部，集水管24之间间距相等，均匀分布；监测管21垂直铺设于介质层中，监测管21底端连通集水管，监测管顶端开口略高出人工湿地表面，并设有盖子。

介质复合型人工湿地2的各部分结构：

1)布水管22，

布水管均匀排开，并在布水管上均匀开孔。

目的：使污水在人工湿地的分布均匀，易于渗入多层介质层。

2)集水管24，

集水管均匀分布，并在集水管上人工开槽。

目的：污水经过介质层的多重处理后，进入集水管，然后流出人工湿地进入控制井。

3)监测管21，

和集水管连通，伸出人工湿地最上层15厘米以上，平时用盖盖住。

目的：可以监控人工湿地内部水位的高度，也可以监控整个人工湿地底部是否平整。

4)湿地植物23

介质复合型人工湿地种植的植物主要有：黄菖蒲、绿叶美人蕉、花叶美人蕉、旱伞草(也称为伞叶花)、芦苇、灯芯草等。

多种植物可以混合种植，也可以分片种植

5)介质层：

表3，实施例一中每层介质层的介质配比组成方式：

介质层	介质材料
		第一层介质层201	40％粗石+60％细石
第二层介质层202	10％粗石+50％细石+40％沙子
		第三层介质层203	10％粗石+20％细石+70％沙子
第四层介质层204	10％粗石+30％细石+60％沙子
		第五层介质层205	50％粗石+50Y<sub>5</sub>％细石

介质层由上而下依次为上混石层(布水层)、沙石混合层一、沙石混合层二、沙石混合层三、下混石层(集水层)；其中，沙石混合层一、二、三为微生物提供厌氧、兼氧及好氧反应所需的环境；同时，湿地水生植物在光合作用下不仅为好氧、兼氧微生物提供所需的部分氧气，而且还可疏通介质层，防止堵塞。在介质层中植物、介质、微生物协调作用，对污水的处理综合了物理、化学、生物三种反应，其中生物反应有好氧、兼氧、厌氧三重反应。在本发明的实施例中，也可根据兼氧及好氧反应的需要，采用不同介质材料配比的上下混石层和沙石混合层。图4中25为地面。

6)衬垫206：为无纺布；

7)衬底207：防渗膜，关键要拼接完整不留有渗漏。

目的：整个人工湿地系统依靠衬底与外界隔绝，阻止污水外渗污染地下水，也防止外来水源影响人工湿地污水处理效果。

如果人工湿地下面的自然土是粘性土，经过夯实平整后的自然粘性土层26的渗透系数K_f＜10^-8m/s，也就是说自然土很密实基本上不会渗漏水，则可以不用衬底。

控制井3：

控制井3的输入端为连接所有集水管24的集水总管5，参见图5、图6所示，集水总管5在控制井内的输出端密封可转动连接控制管31，控制管31的另一端为出水口，以集水总管5输出端为轴心能向上转动控制管，改变控制管出水口的高度，以控制出水的高度，进而控制控制人工湿地内的水位；控制井的输出端设输出清水管6。

人工湿地内的水位不能太高，也不能太低；水位太高会影响微生物的繁殖，也影响氧气进入人工湿地的量；水位太低，植物的根系会缺水而影响生长。

自控系统：

自控系统是控制污水提升泵的自动开启和自动关闭，有以下二种控制方式。

方式一：时间控制，

把一天需要处理的污水分成多次来处理，时间可以平均分配，也可以不平均分配；污水提升泵开启进水的次数是每天1至10次，污水提升泵每次开启进水的时间约为5分钟至30分钟；

目的：保持人工湿地内介质的干燥，人工湿地越干燥，微生物的繁殖和更新就佳，氧气进入湿地也越多，污水处理的效果也就越好。

方式二：水位控制，

四级沉淀池的第四室是污水提升泵室，装有水位传感器，设定上水位和下水位；当第四室的污水水面到达上水位时，污水提升泵自动启动，抽取污水通过布水管向人工湿地布水，随着污水水位下降至下水位时，污水提升泵自动停止，直到污水又不断流入，水位又上升至上水位，泵再自动启动。

原则：

·如果每天的污水量比较稳定，以时间控制。

·如果每天的污水量不是很稳定，以水位控制。

·时间控制和水位控制可以设计成一套程序，可以切换。

本发明实施例一介质复合型人工湿地系统的污水处理方法(过程)：

1)进污水，污水经污水窨井13流入，再流经沉淀池1、污水提升泵12，沉淀池用于除去污水中固体悬浮物，由沉淀池的污水提升泵12控制污水的进给，以保持人工湿地内介质的干燥；

2)水处理，污水经布水总管4、布水管22均匀地流入人工湿地2，由湿地植物23和多层介质层进行去污处理，所述介质层由细石层、细石和沙子混合层、沙子层、粗石层组成；

3)集水，人工湿地2底层的清水经集水管24、集水总管5流入控制井3；

4)输出清水，由出水控制管31控制人工湿地的水位，以控制污水的有氧处理；清水由控制井3的输出端流出。

实施例二：

污水主要为卫厕污水和食堂废水。污水经本发明戒指复合型人工湿地系统处理后，出水可中水回用，作为厕所便器冲洗用水。

沉淀池为三室(三级)；

人工湿地内的介质层分布由上至下为：粗石-细石-沙子-细石-细石与沙子的混合层-细石与粗石的混合-粗石；

所用植物为：美人蕉、芦苇、菖蒲，均匀间隔种植；

其他介质复合型人工湿地系统同实施例一；

表5，水质分析测试报告一：

测试项目	污水处理后
		CODcr	47mg/L
氨氮	0.041mg/L

表6，水质分析测试报告二：

检测项目	污水处理前	污水处理后	去除率(％)
				臭	强	微弱
浊度	133	0.41	99.7
				BOD<sub>5</sub>(mg/L)	130.0	7.0	94.6
COD<sub>cr</sub>(mg/L)	327.3	44.6	86.4
				氨氮(mg/L)	20.95	1.23	94.1

总磷(mg/L)

4.65

0.5

89.3

实施例三：

污水性质为食堂废水和洗浴、卫厕污水，处理后的出水可人工湖景观补给水。

沉淀池为二室(二级)；

此实施例中介质层的分布与实施例一和实施例二均不同，在实施例三中，人工湿地内的介质层分布由上至下为：粗细石混合层-沙子-粗石

所用植物为：旱伞草、美人蕉、芦苇、菖蒲，均匀间隔种植

其他介质复合型人工湿地系统同实施例一；

表7，水质分析测试报告三：

检测项目	污水处理前	污水处理后	去除率(％)
				BOD<sub>5</sub>(mg/L)	210	1.0	99.5
COD<sub>cr</sub>(mg/L)	456.8	35.16	92.3
				氨氮(mg/L)	24.86	0.24	99.0
总磷(mg/L)	5.6	0.75	86.6

实施例四：

沉淀池为三室(三级)；

污水性质为封闭的河道水、菜市场的废水及周边居民的生活污水，处理后的出水排入河道成为补给水。

此实施例中介质层的分布与实施例二和实施例三都有不同，在实施例四中，人工湿地内的介质层分布由上至下为：沙子-粗细石混合层-沙子-粗石；

所用植物为：旱伞草、芦苇，均匀间隔种植；

其他介质复合型人工湿地系统同实施例一；

表8，水质分析测试报告四：

检测项目	污水处理前	污水处理后	去除率(％)
				BOD<sub>5</sub>(mg/L)	192	1.0	99.5
COD<sub>cr</sub>(mg/L)	471.6	46.57	90.1
				氨氮(mg/L)	25.78	1.68	93.5
总磷(mg/L)	6.1	0.75	87.7

综上所述，根据污水处理的不同要求，本发明的介质复合型人工湿地系统的沉淀池为至少一个室(一级)以上；本发明的系统人工湿地介质层可以由细石层、沙子层、粗石层，也可以由细石层、沙子层、粗石层、沙子细石混合层，或者可以由细石层、沙子层、粗石层、沙子细石混合层、细石粗石混合层组合而成；可根据污水处理的不同要求、场地、投资等而定；本发明的人工湿地的湿地植物为黄菖蒲、绿叶美人蕉、花叶美人蕉、旱伞草(也称为伞叶花)、芦苇、灯芯草等中的一种或多种的组合。

Claims (9)

1、一种介质复合型人工湿地的污水处理系统，包括：

一沉淀池，用于除去污水中固体悬浮物，设有污水输入口，沉淀池设至少一个室，沉淀池的污水输出口安置有污水提升泵，在自控系统控制下能自动向人工湿地布水；

一介质复合型人工湿地：自上而下包括湿地植物、多层介质层、衬垫、衬底，以及集水装置和连接沉淀池的布水装置；

其特征在于，所述多层介质层由粗石、细石、沙子组成；

还包括一控制井，连接所述集水装置，设有控制出水高度的控制装置，即控制管，用于控制所述人工湿地的水位；

一自控系统，用于通过污水提升泵的开启和关闭控制所述人工湿地的布水；

在介质复合型人工湿地系统中，污水经沉淀池、污水提升泵、布水装置流入所述人工湿地，由沉淀池的污水提升泵控制污水的进给，经人工湿地的湿地植物和所述多层介质层共同营造的微生态环境处理后水经集水装置、控制管、控制井流出，由控制管控制人工湿地的水位。

2、根据权利要求1所述的介质复合型人工湿地的污水处理系统，其特征在于，所述布水装置为水平铺设于介质层上的布水管，布水管之间间距相等，均匀分布，所有布水管输入端经布水总管连接安置有污水提升泵的沉淀池污水输出口；所述集水装置为水平铺设于衬底上的集水管，集水管之间间距相等，均匀分布，所有集水管的输出端经集水总管连接控制井；所述集水装置设监测管垂直铺设于介质层中，监测管底端连通集水管，监测管顶端开口略高出人工湿地表面，并设有盖子。

3、根据权利要求1所述的介质复合型人工湿地的污水处理系统，其特征在于，所述多层介质层由上而下依次为上混石层、至少一层沙石混合层、下混石层。

4、根据权利要求1所述的介质复合型人工湿地的污水处理系统，其特征在于，所述布水管埋在人工湿地多层介质层的表层里。

5、根据权利要求1所述的介质复合型人工湿地的污水处理系统，其特征在于，所述污水提升泵室设有水位传感器，设定上水位和下水位，用以控制污水的流入和停止。

6、根据权利要求1所述的介质复合型人工湿地的污水处理系统，其特征在于，所述控制井的控制装置为控制管，控制管一端密封可转动连接集水装置的集水总管，另一端为出水口，以集水总管输出端为轴心能向上转动控制管，改变控制管出水口的高度，以控制出水的高度，进而控制控制人工湿地内的水位。

7、一种根据权利要求1所述的介质复合型人工湿地系统的污水处理方法，其特征在于，步骤如下：

1)进污水，污水流经沉淀池、污水提升泵，沉淀池用于除去污水中固体悬浮物，由沉淀池的污水提升泵控制污水的进给，以保持人工湿地内介质的干燥；

2)污水处理，污水经布水装置均匀地流入人工湿地，由湿地植物根系和多层介质层进行去污处理；

3)集水，人工湿地底层的清水经集水装置流入控制井；

4)输出清水，由出水控制管控制人工湿地的水位。

8、根据权利要求7所述的介质复合型人工湿地系统的污水处理方法，其特征在于，所述步骤1)中污水提升泵开启进水的次数为每天1次至10次，污水提升泵每次开启进水的时间为5分钟至30分钟。

9、根据权利要求7所述的介质复合型人工湿地系统的污水处理方法，其特征在于，所述步骤1)中沉淀池设有水位传感器，污水至上水位时污水提升泵开启进水，污水至下水位时污水提升泵关闭。

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