CN100497205C - 一种用于污水处理的人工湿地系统 - Google Patents

Abstract

依据本发明中实施方案的用于污水处理的人工湿地系统，包括：一个结构体，备有污水入口和已处理水出口，该结构体包括底板和从底板边缘向上延伸形成的侧壁，底板成型为包括从上游端到下游端逐渐降低的多个台阶；从多个台阶顶面向上延伸而形成的多个第一隔离壁；位于相邻第一隔离壁之间并从垂直距离台阶顶面一段长度的位置向上延伸形成的至少一个第二隔离壁；填充在底板的多个台阶的至少一部分之上的基材介质层；以及种植在基材介质层上的植物。

Description

一种用于污水处理的人工湿地系统

发明领域

总体而言，本发明涉及一种用于污水处理的人工湿地系统。

发明背景

人工湿地，也可称为人造湿地，是指利用例如土壤、植物以及微生物等自然资源的净化能力来处理污染物的人工构建的湿地。这种人工湿地是自然净化方法的一类。

相对于机械或化学净化方法，使用这种人工湿地净化污水的方法具有多种优点，例如，能量消耗少、易于维护、净化成本低等等。因此，在可利用的土地广阔的区域，例如农村地区，人工湿地特别适于用作净化污水的装置。

传统的人工湿地类型可以分为自流水表面湿地系统(free watersurface wetland system)和潜流湿地系统(subsurface flow wetlandsystem)。使用这类人工湿地的净化水方法作为一种有效、经济并且对环境无害的净化脏水或污水的方法已经作过研究并获得应用。

使用这类传统的人工湿地的方法具有以下各种问题。第一，存在的一个问题是，由于长期运行，可能出现沙子或者砾石阻塞的现象。第二，冬季由于植物的枯亡可能发生效率降低。第三，与机械处理方法相比，需要更大面积的土地，以获得稳定处理效率。第四，需要去除处理过程中生长的植物。第五，湿地可能提供蚊子繁殖的环境。

为了解决上述问题，采用了多种方法。例如，为了防止悬浮固体在湿地上聚积或者防止湿地内部腐烂现象，将用于排出悬浮固体的管子或向湿地提供空气的管子插入湿地。此外，为了防止蚊子繁殖，在湿地中引入以蚊子幼虫为食的鱼。

然而，传统的人工湿地均有以下缺点。也就是说，用于填充湿地的基材(substrate)是有限的，并且在湿地上种植的植物种类也是有限的。

具体而言，在传统的自流水表面处理湿地的情况下，填充湿地的大多数基材都是土壤并且污水在土壤上流动。因此，自流水表面处理湿地需要广阔的场地用以处理污水，并且具有散发臭味和产生蚊子的问题。

由于污水在土壤内流动的同时被居于土壤中或者植物根系中的微生物净化，因此潜流处理湿地处理效率高并且需要相对小的场地，故而潜流处理湿地优于自流水表面处理湿地。然而，传统的潜流处理湿地中，淤泥或者悬浮固体有可能在湿地的长期运行过程中聚积于土壤内部，并且这种现象可能降低处理效率并引起湿地腐烂。此外，传统的潜流处理湿地中，湿地内部污水流动从入口到出口呈对角线形成，所以植物可能集中在湿地的污水入口部分，而且随着污水接近湿地下游端，污水深度降低。因此，下游端的上部不能充分用以净化污水，从而发生处理场地的浪费。

本发明背景部分所公开的信息仅是为了增强对本发明背景的理解，不应视为承认这些信息构成在本国内为本领域普通技术人员所已知的现有技术，也不应视为以任何形式作这样的暗示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种人工湿地，该人工湿地通过实现污水向上或向下流动而具有非限制性的(non-limiting)、提高净化效率的优点。

依据本发明的一个实施方案，一种用于污水处理的示例人工湿地系统包括：一个结构体，所述结构体备有污水流入通过的污水入口和已处理水排出通过的已处理水出口，该结构体包括底板和从底板边缘向上延伸形成的侧壁，该底板成型为包括从污水入口所在的上游端到已处理水出口所在的下游端逐渐降低的多个台阶；从多个台阶顶面向上延伸而形成的多个第一隔离壁；位于相邻第一隔离壁之间并从垂直距离台阶顶面一段长度的位置向上延伸形成的至少一个第二隔离壁；填充在底板的多个台阶的至少一部分之上的基材介质层(substratemedia layer)；以及种植在基材介质层上的植物。

在另一个实施方案中，用于处理污水的人工湿地可以包括：一个结构体，所述结构体备有污水流入通过的污水入口和已处理水排放通过的已处理水出口，该结构体包括底板和从底板边缘向上延伸形成的侧壁，该底板成型为倾斜的，这样底板从污水入口所在的上游端到已处理水出口所在的下游端逐渐降低；从底板向上延伸形成的多个第一隔离壁；位于相邻第一隔离壁之间并从垂直距离底板一段长度的位置向上延伸形成的至少一个第二隔离壁；覆盖在底板的至少一部分之上的基材介质层；以及种植在基材介质层上的植物。

第二隔离壁的顶面可高于相邻第一隔离壁的顶面。

第二隔离壁的底面可低于相邻第一隔离壁的顶面。

砾石可覆盖底板处于多个第一隔离壁中的外端第一隔离壁外侧的一部分。

基材介质层可由培养土(culture soil)形成。

基材介质层可由多孔粒状培养土形成。

多孔粒状培养土可包括浮石、硅酸沉积岩(siliceoussedimentary rock)以及炭中的至少一种。

在另一个实施方案中，人工湿地还包括用以加热污水的污水加热装置。

附图简述

附图示出了本发明的示例实施方案，并且连同说明书一起用以解释本发明的原理，其中：

图1是本发明第一实施方案的人工湿地的俯视图；

图2是沿图1中A-A线的横截面图；

图3是本发明的第二实施方案的人工湿地的横截面图。

具体实施方式

以下将参照附图详细描述本发明的一个实施方案。

图1是依据本发明第一实施方案的用于污水处理的人工湿地系统100的俯视图，图2是沿图1中A-A线的横截面视图。

污水可以是任何污水，例如从净化设备排出的下水道污水、渗漏污水，以及其它任何污水。

参照图1和2，本发明的实施方案的人工湿地系统100包括箱形结构体101，其顶部敞开。

如图1和2所示，结构体101包括底板103和从底板103边缘分别向上延伸的侧板105a、105b、105c以及105d。也就是说，四个侧板105a、105b、105c以及105d围绕在底板103周围。因此，结构体101形成为顶部敞开的箱型，并且从其顶部看结构体101是矩形。然而，本领域普通技术人员可以很容易地理解，结构体101的形状可以做不同改变，并且这些改变仍落入本发明范围内。虽然污水处理的效率与结构体101的大小成比例增加，但是为了易于构建及安全性考虑，结构体101的深度大约在0.3m到2m之间。

如图1所示，用于流入污水的污水入口107和用于排出已处理水的已处理水出口109位于结构体101的各一端。

如图2所示，结构体101的底板103可以由从形成污水入口107的上游端到形成已处理水出口109的下游端逐渐降低的多个台阶103a、103b、103c、103d和103e形成。因为底板103由向下游端逐渐降低的多个台阶103a、103b、103c、103d、103e构成，所以在位于上游端的台阶103a和位于下游端的台阶103e之间存在高度差h2，这样污水就依靠自身势能向下游端运动。也就是说，通过形成具有多个台阶103a、103b、103c、103d、103e的楼梯一样的底板103，污水可以由于台阶之间的高度差，自动向下游端运动。高度差h2可以通过基于不同因素的计算而确定，所述因素例如结构体内填充的土壤的渗透系数。底板具有多个台阶，高度差均等分布。

参考图1和2，在结构体101内部空间形成多个第一隔离壁和至少一个第二隔离壁。具体而言，在本实施方案中，形成了111a、111b、111c、111d和111e五个第一隔离壁以及113a、113b、113c和113d四个第二隔离壁。对本领域内普通技术人员显然的是，第一隔离壁和第二隔离壁的数量不限于这些数字。

第一隔离壁111a、111b、111c、111d和111e由多个台阶103a、103b、103c、103d、103e顶面分别延伸形成，并且同时第一隔离壁111a、111b、111c、111d和111e横跨在结构体101的纵向侧壁105a和105c之间。因此，污水依次流经第一隔离壁111a、111b、111c、111d和111e的上端向下游端运动。

第二隔离壁113a、113b、113c和113d位于相邻第一隔离壁111a、111b、111c、111d和111e之间，也就是说，第一和第二隔离壁依次放置，并且它们横跨在结构体101的纵向侧壁105a和105c之间形成。第二隔离壁113a、113b、113c和113d是从垂直距离底板103的台阶103a、103b、103c、103d、103e的顶面一段长度的位置向上延伸而形成。从而，在第二隔离壁113a、113b、113c和113d的底面和底板103的台阶103a、103b、103c、103d、103e的顶面之间存在缝隙，并且污水经由这些缝隙运动流向下游端。如果第二隔离壁113a、113b、113c和113d的底面和底板103的顶面之间的缝隙太宽，则污水流速降低，因为污水的流速因其向上和向下流动而改变，并且污水的总流程也降低，这样，由于速度变化以及污水总流程的扩展，难以实现处理效率的提高。另一方面，如果第二隔离壁113a、113b、113c和113d的底面和底板103的顶面之间的缝隙太窄，则污水不能向人工湿地的下游端通畅地流动。在本实施方案中，第二隔离壁底面和底板顶面之间的缝隙可以设置为大约10到50厘米。

如图2所示，第二隔离壁113a、113b、113c和113d的顶面比相邻第一隔离壁111a、111b、111c、111d和111e的顶面高。例如，第二隔离壁113a的顶面比相邻的第一隔离壁111a和111b的顶面高。从而，防止污水从第二隔离壁113a、113b、113c和113d上流过。

此外，第二隔离壁113a、113b、113c和113d的底面比相邻第一隔离壁111a、111b、111c、111d和111e的顶面低。例如，第二隔离壁113a的底面比相邻的第一隔离壁111a和111b的顶面低。

因此，污水经由第一隔离壁111a、111b、111c、111d和111e顶端之后向下运动。然后，污水流过第二隔离壁113a、113b、113c和113d的底面和底板103之间的缝隙，接着向上运动通过下一个第一隔离壁。从而，污水向下游端流动时，沿着如图2箭头所示方向向上和向下运动。

也就是说，在依据本发明实施方案的人工湿地系统100中，污水在向上和向下流动时被净化。因此，污水总流程显著增加，这样净化效率显著提高并且人工湿地的内部空间最大化被用以净化，从而与传统潜流处理湿地相比实现了单位面积处理效率的增加。

基材介质层115填充在结构体101的底板103的多个台阶103a、103b、103c、103d、103e的至少一个顶面之上，并且在基材介质层115上种植至少一个植物117。这里，培养土是指用例如微生物和植物营养物等不同材料与土壤混合而成的土壤。

基材介质层115可以由培养土形成，特别地，由多孔粒状培养土形成。

植物117可以是能净化污水的任何植物。在依据本发明实施方案的人工湿地中，土壤同时包括与土壤深度有关的湿润条件和干燥条件，从而可以种植景观植物和净化用植物。

用于改善景观的人工烧制的土壤(artificially fired soil)119可以放置在基材介质层115上。人工烧制的土壤119可以是水力球(hydroball)、粒状的烧制的黄土(fired yellow soil)、约3到5mm范围的石块、通过烧制方法将污泥和黏土石的混合物制成的循环利用材料等。

人工烧制的土壤119可以放置的比第一隔离壁111a、111b、111c、111d和111e的顶面高。因此，流过第一隔离壁111a、111b、111c、111d和111e的污水不会暴露在外面，所以可以改善景观、减少污水的臭味，将蚊子的产生抑制在最小程度。优选地，人工烧制的土壤119可以放置3到10mm厚。

因此，结构体101的内部空间填充基材介质层115和人工烧制的土壤119，并且植物117种植于其中，从而形成具有多个植物培养池(vegetation tank)的人工湿地。

砾石堆积在结构体101底板103中多个第一隔离壁111a、111b、111c、111d和111e中的外端隔离壁111a和111e外侧的部分上。如图1和2所示，用以首先存储通过污水入口107的污水的入口水池121在上游端形成，而出口水池123在下游端形成，用以存储即将由出口109排放的处理过的水。由于入口池121和出口池123都填充了具有较高孔隙率的砾石，因此污水就能更容易地流动。

因为在入口水池121的顶面和排出已处理水的位置之间存在高度差h1，所以污水可以依靠自身势能自动流向下游端。

基材介质层115可以是多孔粒状培养土。例如，多孔粒状培养土可以通过混合包括多孔玻璃材料、钠长石、闪石和黑云母等的浮石、包括钙长石、白硅石和硅藻土(distomite)等的硅酸沉积岩以及通常为活性炭的炭而构成。此时，将浮石、硅酸沉积岩以及炭形成尺寸大约为2到10mm，然后相互混合。而且，优选地，浮石以重量百分比20％到30％混合，硅酸沉积岩以重量百分比50％到70％混合，炭以重量百分比10％到20％混合。这些形成多孔粒状培养土的成分具有微小的孔隙率，这样其比重大约为1.3到1.8，小于普通土壤、沙子以及砾石的比重(在2.5到2.9的范围内)。此外，由于孔隙率微小，多孔粒状培养土的孔隙率大约为45％到60％，这个孔隙率远远高于普通土壤、沙子以及砾石的孔隙率(在20％到40％的范围内)。因为形成多孔粒状培养土的成分的比重较小，所以施加给结构体101的载荷相对小，这样形成结构体101的材料需要的强度较小，并且由于多孔粒状培养土的重量较轻使得人工湿地更容易构建。而且，由于孔隙率增加，人工湿地最多能容纳的水量也可显著地增加，水的渗透率也可增加，总比表面积也增加了。从而，人工湿地可以为用以净化水的微生物的生长提供良好的环境，并且吸附离子的能力也增加了。因此，总的水净化效率显著提高。

如图1所示，依据本发明实施方案的人工湿地系统100还可包括污水加热装置10，用以加热通过污水入口107进入的污水。将污水加热到合适温度，即使在寒冷的冬季，也可以为人工湿地系统植物的生长创造有利的条件。例如，污水加热装置10可以是使用电能的加热装置。

在下文中，参考图3，将对依据本发明第二实施方案的人工湿地系统200进行解释说明。图3的人工湿地系统的俯视图和图1的是等同的，所以省略了图3的人工湿地系统的俯视图。

在本实施方案中，结构体201的底板203是倾斜的，这样底板203从污水入口207所在的上游端到已处理水出口209所在的下游端逐渐降低。

多个第一隔离壁211a、211b、211c、211d和211e在结构体201的内部空间由底板203向上延伸形成。而且，多个第二隔离壁213a、213b、213c和213d从垂直距离底板203的顶面的一个位置向上延伸而形成，并且参考图3，第二隔离壁213a、213b、213c和213d中每一个都放置在相邻的两个第一隔离壁211a、211b、211c、211d和211e之间。

基材介质层215放置在底板203的顶面至少一部分之上，并且在基材介质层215上种植至少一个植物217。

人工烧制的土壤219填充在基材介质层215之上。

砾石堆积在结构体201的底板203上多个第一隔离壁211a、211b、211c、211d和211e中外端第一隔离壁211a和211e的外侧的部分，并由此分别形成入口水池221和出口水池223。

基材介质层215、植物217、人工烧制的土壤219、入口水池221以及出口水池223可以与图1和图2中的相同，故省略了详细解释说明。

依据本发明实施方案的人工湿地系统200还可包括污水加热装置20，用以加热通过污水入口207进入的污水。将污水加热到合适温度，即使在寒冷的冬季也可以为人工湿地系统植物的生长创造有利的条件。例如，污水加热装置20可以是使用电能的加热装置。

由于结构体201的底板203形成为倾斜的，污水依靠自身势能沿图3中箭头方向运动。

在下文中，依据本发明实施方案的人工湿地系统的特性将通过与对比实施例进行比较加以解释说明。

(对比实验例1)依据本发明实施方案的多孔粒状培养土和沙的对比实验。

实验旨在对比本发明实施方案的多孔粒状培养土和沙。

将沙在六面体容器中(宽：1m，长：8m，高：1m)填充至60cm深度，将多孔粒状培养土在另外一个六面体容器中填充至同样深度。将砾石填充到每个容器的入口和出口部分。在两个容器中种植150株黄菖蒲(iris pseudocorus)或者沼泽鸢尾花(swamp iris)。试验结果如下。

[表1]

 

	BOD处理效率(％)	SS处理效率(％)	T-N处理效率(％)	T-P处理效率(％)
					填充多孔粒状培养土的湿地	92.6	91.9	52.4	62.5
填充有沙的潜流处理湿地	80.2	88.5	28.4	38.3

1)进水流量：1.5立方米/天

2)平均进水浓度：BOD-138.7mg/L、SS-92mg/L、T-N-68mg/L、T-P-32mg/L，这里BOD指生化需氧量、SS指悬浮固体、T-N指总氮量、T-P指总磷量。

如表1所示，任何一个湿地的植物生长环境均无严重问题，然而，包括多孔粒状培养土的湿地在各方面都具有更高的效率。特别是在处理作为营养物的总氮T-N和总磷T-P的效率方面，用多孔粒状培养基填充的湿地效率更高。与沙相比，多孔粒状培养土具有较高的孔隙率，因此可以容纳更多水，所以污水在用多孔粒状培养土填充的湿地里停留的时间比在用沙填充的潜流处理湿地里停留的时间长。因而，用多孔粒状培养土填充的湿地的处理效率高于用沙填充的湿地的处理效率。

(对比实验例2)与传统的潜流处理湿地相比，处理效率随流速变化而变化。

依据本发明第一实施方案的湿地系统和传统的潜流处理湿地以宽2m、长10m和高1m构建，并且已经测试了处理效率随流速的变化。依据本发明的实施方案，两个湿地都用多孔粒状培养土填充。试验结果如下表2所示。

[表2]

如表2所示，污水进水流量小时，处理效率差别不大。然而，随着污水进水流量的增加，依据本发明第一实施方案的湿地的处理效率相对迅速增加。具体而言，在BOD和T-N方面，处理效率有很大差别，这可能是由在一般湿地上部存在对水净化没有直接关系的多余空间所引起的。因此，依据本发明第一实施方案的湿地系统与传统的潜流处理湿地系统相比具有很高的处理效率。此外，在依据本发明实施方案的湿地系统中，因植物之故而在湿地系统上部形成好氧条件，并在底部形成厌氧条件。因而，依据本发明实施方案的湿地，氮在湿地上部很容易地变为硝酸盐氮，并且氮在湿地下部通过脱氮作用可很容易地被除去。因此，处理氮的效率显著提高。也就是说，依据本发明，由于污水向上和向下反复流动而反复形成好氧条件和厌氧条件，处理氮的效率显著提高。然而，在传统的潜流处理湿地系统中，污水从上游端到下游端呈对角线流动，所以好氧条件仅在污水入口附近形成，厌氧条件仅在已处理水出口附近形成。

(对比实验例3)已预处理水的处理效率测试

在本实验中，通过好氧生物过滤器装置预处理的水供应给依据本发明第一实施方案的人工湿地系统。实验结果如下表3所示。

用以预处理的好氧生物过滤器装置的过滤能力大约是5m³/天。该生物过滤器可以净化少量例如氮和磷这样的营养物，但是该过滤器不能有效地处理这些物质。然而，如果通过依据本发明第一实施方案的湿地系统再次处理已预处理水，已处理水无论流速大小其BOD和SS都减少至不足5mg/L。特别地，平均总体氮浓度小于2mg/L，并且总体磷浓度小于1mg/L。

[表3]

1)好氧生物过滤器装置的过滤能力：5m³/天

从表3的结果可知，如果依据本发明实施方案的湿地系统连同主要用以净化有机物和悬浮物的传统生物过滤器装置一起使用，可以提高处理效率。所以，可以重复使用普通生物过滤器。

虽然结合目前被认为最实用的示例实施方案描述了本发明，应该理解的是，本发明并不限于所公开的实施方案，相反地，其旨在涵盖所附加权利要求的主旨和范围之内的各种改进方案和等同方案。

由于结构体的底板形成为多级台阶或者是倾斜的，污水可以依靠自身势能向下游端自动流动。特别地，可以最优化使用湿地的内部空间并可将植物均匀种植。

另外，由于第一和第二隔离壁之故，污水经历向上和向下的流动，水净化效率显著提高。因而，与传统湿地相比，依据本发明实施方案的湿地大小显著减小。

此外，通过使用多孔粒状培养土，湿地系统的总体重量减少并且净化效率提高。

还有，因为人工烧制的土壤被放置在培养土之上，污水从人工烧制的土壤下流过，所以可以获得湿地系统的美观景色，最小化臭味以及最小化蚊子的产生。

虽然结合目前被认为最实用的示例实施方案描述了本发明，应该理解的是，本发明并不限于所公开的实施方案，相反地，其旨在涵盖所附权利要求的主旨和范围之内的各种改进方案和等同方案。

Claims (6)

1.一种用于污水处理的人工湿地系统，包括：

一个结构体，所述结构体备有污水流入通过的污水入口和已处理水排放通过的已处理水出口，该结构体包括底板和从底板边缘向上延伸形成的侧壁，该底板成型为倾斜的，这样底板从污水入口所在的上游端到已处理水出口所在的下游端逐渐降低；

由底板向上延伸形成的多个第一隔离壁；

位于相邻第一隔离壁之间并从垂直距离底板一段长度的位置向上延伸形成的至少一个第二隔离壁；

填充在底板台阶的至少一部分之上的基材介质层；以及

种植在基材介质层上的植物，

其中，所述基材介质层是由分别被加工成2-10mm尺寸粒子的浮石、硅酸沉积岩及炭混合制成的多孔粒状培养土。

2.根据权利要求1的人工湿地系统，其特征在于，第二隔离壁的顶面高于相邻第一隔离壁的顶面。

3.根据权利要求1的人工湿地系统，其特征在于，第二隔离壁的底面低于相邻第一隔离壁的顶面。

4.根据权利要求1的人工湿地系统，其特征在于，砾石填充在底板处于多个第一隔离壁中的外端第一隔离壁外侧的部分上。

5.根据权利要求1的人工湿地系统，其特征在于，还包括用以加热污水的污水加热装置。

6.根据权利要求1的人工湿地系统，其特征在于，所述多孔粒状培养土中所述浮石、硅酸沉积岩及炭的含量按重量百分比分别为20-30％、50-70％及10-20％。

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