CN101186382B

CN101186382B - 一种用于污水处理的立体型人工湿地系统

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Publication number: CN101186382B
Application number: CN2007101644561A
Authority: CN
Inventors: 刘鹏; 李星; 徐根娣; 张晓斌
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: CN101186382A

Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，特别是用于小规模孤立污染点源的工业废水处理的一种用于污水处理的立体型人工湿地系统。本发明的目的在于针对现有的在污水处理中所采用的人工湿地所存在的占地面积大、水力负荷和污染负荷较低和系统运行寿命较短的不足，提供一种占地面积小、水力负荷和污染负荷高、运行寿命较长的用于污水处理的立体型人工湿地系统。本发明的要点是：污水处理的人工湿地是采用垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地立体组合结构，并按不同方向填充基质构成一种污水处理的立体型人工湿地系统；该立体型人工湿地系统包括高位集水箱、多孔滤水垂直流人工湿地床、一级调节池、跌水槽、格栅池、二级调节池、水平潜流人工湿地床、集水池。

Description

一种用于污水处理的立体型人工湿地系统

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，特别是用于小规模孤立污染点源的工业废水处理的一种用于污水处理的立体型人工湿地系统。

背景技术

目前在污水处理中广泛采用人工湿地的方法来进行，人工湿地具有低投资、出水水质好、抗冲击力强、操作简单、建造和运行费用低、维护方便、可使污水处理与环境生态建设有机结合、在处理污水同时创造生态景观等特点。现有的人工湿地的方法来对污水进行处理还停留在处理小规模的生活污水上，而对于污染量大，成分复杂，废水中含有致命的重金属，严重危害到人类的生命安全的工业废水，尤其是一些孤立点源的工业废水没有切实可行的处理工艺。人工湿地根据系统布水方式以及水在湿地系统中流动方式的不同可以分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地以及垂直流人工湿地，使用中现有的人工湿地存在着占地面积大、易堵塞、水力负荷和污染负荷较低、基质成分单一和植物种类偏少、系统运行寿命较短和冬季运行效果差的不足之处。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的在污水处理中所采用的人工湿地所存在的占地面积大、易堵塞、水力负荷和污染负荷较低、基质成分单一和植物种类偏少、系统运行寿命较短和冬季运行效果差的不足之处，提供一种占地面积小、经济投入少、运行成本较低、不易堵塞、水力负荷和污染负荷高、运行稳定、运行寿命较长、冬季保温性能高、处理效果好的用于污水处理的立体型人工湿地系统。

本发明一种污水处理的立体型人工湿地系统所采用的技术方案是：污水处理的人工湿地是采用垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地立体组合结构，并按不同方向填充基质构成一种污水处理的立体型人工湿地系统；该立体型人工湿地系统包括高位集水箱、多孔滤水垂直流人工湿地床、一级调节池、跌水槽、格栅池、二级调节池、水平潜流人工湿地床、集水池，其中，由一级调节池和格栅池组成预处理单元，预处理单元建在地表，一级调节池与格栅池之间串联在一起，格栅池上的进水口与污水管相接，一级调节池上的出水口与水泵上的进水口相接；跌水槽架空于预处理单元上并朝二级调节池倾斜；由多孔滤水垂直流人工湿地床和水平潜流人工湿地床组成组合湿地单元，在组合湿地单元内种植水生或陆生植物，在多孔滤水垂直流人工湿地床的床底设有多孔滤水板，多孔滤水垂直流人工湿地床设在跌水槽上方；高位集水箱置于多孔滤水垂直流人工湿地床的上方，高位集水箱进水口与水泵之间通过总进水管相连接，高位集水箱出水口与布水主管连接，在布水主管上接有布水支管；二级调节池与跌水槽落水口连接，二级调节池与水平潜流人工湿地床通过进水管连接在一起，水平潜流人工湿地床与集水池通过出水管连接在一起，在集水池上设有总出水管。

所述跌水槽的坡度为4％-8％。

所述组合湿地单元床体可采用玻璃钢材料制作。

所述多孔滤水板上的出水孔为均匀分布，出水孔的孔径为3～5cm，在多孔滤水板上设有过滤网。

所述组合湿地单元中的多孔滤水垂直流人工湿地床体内自下而上设置砾石层、基质层、沙土覆盖层，在砾石层中每隔8～12cm厚设置一块细孔板，细孔板上的孔径为2～3cm，在细孔板上设有过滤网，水平潜流人工湿地床按进水至出水方向分别为砾石配水区、基质区、砾石集水区，两种湿地基质种类相同，填充方向分别为垂直方向和水平方向。

所述多孔滤水垂直流人工湿地床、水平潜流人工湿地床按照污水的污染种类和污染负荷可选择沸石、石灰石、石英砂、高炉渣、钢渣、煤渣、草炭、粉煤灰、页岩中的任两种或两种以上基质组合填充，基质粒径为0.2-10cm，多孔滤水垂直流人工湿地床基质粒径自下而上逐渐减少，水平潜流人工湿地床基质粒径自进水口至出水口逐渐增大。

所述组合湿地单元内所种植水生或陆生植物为花叶美人蕉、水葫芦、水芹菜、黄菖蒲、梭鱼草、千屈菜、石菖蒲、灯心草、睡莲、香蒲、藨草、芦苇、水稻、水葱、荇菜、莎草等两种或两种以上按季节及人工湿地类型不同组合。

所述细孔板可采用玻璃钢材料制成。

本发明中，多孔滤水垂直流人工湿地床采用垂直方向组合基质，水平潜流人工湿地床采用在水平方向组合基质的方法，两种湿地基质种类多样并且相同。因为污水的污染种类等相差较大，没有一种基质能够有效解决所有污水污染物，此种变方向填充基质的方法可利用各矿物成分对特定污染物的去除效果，由不同的材料沿垂直、水平方向滤过，发挥它们的综合作用，更广泛地去除污染物质。例如，沸石可用来去除悬浮物、藻类等，降低出水浊度，也可去除废水中有机污染物、处理放射性废水及重金属离子；煤渣可用来吸附截留废水中的较大分子量的有机污染物和降低废水的COD；石灰石因含有大量的钙离子，能与磷反应生成沉淀，故石灰石可用来去除污水中的磷。

本发明中，基质粒径为0.2～10cm。多孔滤水垂直流人工湿地床基质层粒径为0.5-10cm，下层砾石层由下而上分布粒径3-5cm的大砾石和粒径1-2cm的小砾石各5-10cm；水平潜流人工湿地床基质区粒径为0.2-8cm，由出水到进水逐渐增大，砾石配水区和砾石集水区的砾石粒径为6-10cm，分布于整个床宽，粒径逐渐增大可构成许多大空隙单元，显著提高水力传导性能，减少基质的封闭性，增强基质的疏松度从而使得湿地的水力传导性和通气状况得到加强和维持，确保立体型人工湿地系统的持续运行与处理效果。

本发明中，组合湿地单元中高效植物的选择根据目的污染物种类确定。多孔滤水垂直流人工湿地床作为人工湿地复合系统中的一级湿地床，选用当地或本地区天然湿地中存在的能适应恶劣环境、具较强的耐污染能力的水生植物或陆生植物，例如在江浙地区可选用睡莲、水稻、水芹菜、水葫芦、灯心草等，吸收积累水体中的大部分重金属元素，阻滞水中漂浮物，吸附水中悬浮颗粒；水平潜流人工湿地床是复合系统净化污水最主要的区域，选用黄菖蒲、花叶美人蕉、芦苇、千屈菜、梭鱼草等根系发达、生长量大、吸收氮和磷比较丰富的水生或陆生植物，沉降悬浮颗粒、溶解营养物质和吸收水体残余重金属。

本发明中，选择合适的水位来满足不同植物的生长，最适水位为高出沙土覆盖层30-60cm。水位梯度是湿地中一个重要的环境梯度，不同植物适应不同的水位范围，如黄菖蒲的最适水位生长范围为10-20cm，水葱为30-40cm，芦苇为30-50cm，睡莲为30-60cm，水葫芦为60-100cm，藨草为60-120cm。

本发明中，人工湿地的深度按水生植物根系自然扩展的深度来设计，为0.2-0.8米。如藨草深度为0.6-0.76m；芦苇深度为0.6-0.7m；灯心草深度为0.45-0.6m；香蒲、灯心草深度为0.2-0.6m。

本发明中，湿地栽种的植物采用密植方式以提高处理效果，如芦苇种植密度为6-8株/m²，每株6-10根；花叶美人蕉种植密度为3-5株/m²，每株3-7根；黄菖蒲种植密度为15-20株/m²；睡莲种植密度为2-3株/m²；千屈菜种植密度为6-10株/m²；水葱种植密度为30-50株/m²梭鱼草种植密度为16-20株/m²等。

本发明中，人工湿地系统采用立体型设计，以使污水从多孔布水管垂直而下，经自上而下的基质逐级处理，最后由床底多孔滤水板上出水孔直接流出，实现真正意义上的垂直流，可提高污水净化的效果。跌水槽收集垂直流人工湿地床底垂直流下的处理水，以跌水形式自流入调节池，形成独特的景观。

本发明一种用于污水处理的立体型人工湿地系统用于污水处理时的流程是：

1、将污水经过预处理单元中的格栅池截留并去除污水中大的颗粒污染物和悬浮物；

2、进入与格栅池串联的一级调节池调节水量、均衡水质并调节pH值至植物生长所需值；

3、通过水泵将污水抽入高位集水箱由布水主管、布水支管进入多孔滤水垂直流人工湿地床去除污水中的大部分重金属、BOD₅、COD、悬浮有机污染物、氮和磷并进行硝化作用；

4、进入底层由多层细孔过滤网过滤后通过床底多孔滤水板上出水孔垂直流入带倾斜下底的跌水槽与空气中的氧气充分接触，完成复氧过程，有效增加多孔滤水垂直流人工湿地床出水的含氧量和溶氧浓度，使水体自净能力加强；

5、通过二级调节池调节水质、水量后均匀进入具有较好的缓冲和调节能力可保证出水稳定的水平潜流人工湿地床去除残余重金属和有机物并进行反硝化作用去除氮，出水通过床末端出水管排入集水池，经检验达标后排放。

本发明工艺流程采用的是三级自然落差处理，最高处标高为2.1-3.1m，第一级人工湿地床与第二级人工湿地床落差为0.5-0.7m，第二级人工湿地床与集水池落差为0.4-0.6m，适当的落差便于系统布水和排水。

本发明具有如下突出特点：

(1)处理效率高。作为一种污水处理工艺，采用滤水板出水的多孔滤水垂直流人工湿地床与水平潜流人工湿地床串联组成复合人工湿地处理系统，主要污染物去除效率高，COD、SS、氨氮、总氮、总磷、重金属都能高效去除，去污效率明显高于传统的复合人工湿地处理系统。符合工业废水和生活污水处理的要求。

(2)节约用地。节约占地面积是污水处理工艺的一大发展趋势，本发明采用立体叠加的床体结构，预处理单元建在多孔滤水垂直流人工湿地床下方，合理地利用了空间，不需另辟他处建预处理单元，节约工厂土地资源。

(3)床体采用玻璃钢材料制作。玻璃钢产品强度高，韧性好，重量轻，是同型号混凝土池体重量的10％，解决了本发明立体叠加的池体结构的承重问题。同时，玻璃钢产品具有良好的耐腐蚀性和冬季保温性，使用寿命长，维修费用低，能抵抗处理池内各种有机酸、多种腐蚀气体、有机溶剂的侵蚀，解决了混凝土表面易腐蚀，水泥池易开裂或脱落，导致漏水和冬季人工湿地系统冻结的问题。

(4)基建投资低、管理维护要求低。本发明所采用的设施建设取材容易，玻璃钢处理床与混凝土处理床造价接近，都相对比较低廉。多孔滤水垂直流人工湿地床底不需埋放管道，通过多层过滤网过滤的污水直接从床底出水孔滤下，在很大程度上减少了堵塞的几率，同时也避免了日后维护需清理出基质再疏通管道的弊端。

(5)处理规模根据实际需要可大可小，工艺流程简单，施工方便。

(6)出水水质优于常规二级生化处理排放标准，污水水源可就地收集、就地处理和就地利用，可作为中水回用工业、城市绿化、农业灌溉和水产养殖等。

附图说明

图1为立体型人工湿地系统结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为立体型人工湿地系统三维结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例详细描述本发明。

实施例1

一种用于污水处理的立体型人工湿地系统用于氨基酸废水处理。

氨基酸废水处理前，废水中pH为9.43，COD为1100mg/l，氨氮为1220mg/l，悬浮物为600mg/l。

一种用于污水处理的立体型人工湿地系统的结构按如下设计：

预处理单元：设计尺寸长×宽×高为5m×3m×0.8m，分两部分，前一部分为格栅池(14)，后一部分为一级调节池(6)，格栅池(14)设粗细格栅两道，栅条间距10mm，玻璃钢材质，在格栅池(14)中对悬浮物进行初级处理，在一级调节池(6)中调节水质、水量。

跌水槽(13)：设计尺寸长×宽×高为5.03m×3m×0.6m，坡度6％。

多孔滤水垂直流人工湿地床(3)：建立在预处理单元之上，设计尺寸长×宽×高为5m×3m×1m，水位控制在0.3m-0.4m。其上种植预先筛选出的适应能力和去污能力较强的水生植物如灯心草、睡莲、石菖蒲。以沸石、石灰石为基质，基质层(7)上、下方分别为沙土覆盖层(5)、砾石层(9)，基质层(7)、沙土覆盖层(5)、砾石层(9)厚度分别为30cm、20cm、10cm，采用表面布水主管(11)、布水支管(12)布水，底部多孔滤水板(10)出水孔(25)出水方式。

水平潜流人工湿地床(10)：设计尺寸长×宽×高为6m×3m×1m，水位控制在0.3m-0.5m，坡度1％。基质区(20)总长为3.6m，分为沸石基质区、石灰石基质区。其上种植预先筛选出的适应能力和去污能力较强并且观赏价值高的多种水生植物如黄菖蒲、香蒲、荇菜、千屈菜、梭鱼草、莎草。

氨基酸废水处理后的排水中pH为6.2，COD去除率为80％以上，氨氮去除率为90％以上，悬浮物去除率为86％以上；日处理量在3吨以上，使氨基酸废水处理后的排水中的各项污染物指标达到国家地表水II类水标准。

实施例2：

一种用于污水处理的立体型人工湿地系统用于镀锌废水处理。

镀锌废水处理前，废水中pH为3.48，铬为22.77mg/l，锌为15.44mg/l，铁为40.69mg/l，锰为20.33mg/l，悬浮物为165mg/l。

预处理单元：设计尺寸长×宽×高为9m×2.5m×0.8m，分两部分，前一部分为格栅池(14)，后一部分为一级调节池(6)，格栅池(14)设粗细格栅两道，栅条间距10mm，玻璃钢材质，在格栅池(14)中对悬浮物进行初级处理，在一级调节池(6)中调节水质、水量。

跌水槽(13)：设计尺寸长×宽×高为9.02m×2.5m×0.6m，坡度4％。

多孔滤水垂直流人工湿地(2)：建立在预处理单元之上，占地面积共22.5m²，床体长9m，宽2.5m，深1.25m，床底坡降2％。以石英砂、沸石、煤渣、石灰石为基质，基质层(7)上、下方分别为沙土覆盖层(5)、砾石层(9)，基质层(7)、沙土覆盖层(5)、砾石层(9)厚度分别为30cm、20cm、10cm，采用表面布水主管(11)、布水支管(12)布水，底部多孔滤水板(10)出水孔(25)出水方式。视当地物种而定，选择根系发达，可净化污水且有一定价值的水生植物如水芹菜、水稻、水葫芦。

水平潜流人工湿地床(19)：占地面积25m²，长10m，宽2.5m，深1.20m，整个床底坡降1％，基质区(20)总长为6m，分为石英砂、沸石、煤渣、石灰石基质区。所种植物为藨草、黄菖蒲、千屈菜、芦苇、花叶美人蕉，根据这类植物的特性，如藨草可以调节pH，黄菖蒲、千屈菜、芦苇去污效果比较好，花叶美人蕉花大鲜艳可塑造景观效果。

在用本发明进行镀锌废水处理前，先用氢氧化物沉淀法进行预处理。

镀锌废水处理后的排水中pH为6.8，铬、锌、铁、锰重金属去除率达到80％以上，悬浮物去除率达到77％以上。日处理量在5吨以上，出水水质良好，能够达到国家地表水II类水标准。

Claims

1.一种用于污水处理的立体型人工湿地系统，其特征在于：污水处理的人工湿地是采用垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地立体组合结构，并按不同方向填充基质构成一种污水处理的立体型人工湿地系统，该立体型人工湿地系统包括高位集水箱(1)、多孔滤水垂直流人工湿地床(3)、一级调节池(6)、跌水槽(13)、格栅池(14)、二级调节池(16)、水平潜流人工湿地床(19)、集水池(23)，其中：由一级调节池(6)和格栅池(14)组成预处理单元，预处理单元建在地表，一级调节池(6)与格栅池(14)之间串联在一起，格栅池(14)上的进水口与污水管(15)相接，一级调节池(6)上的出水口与水泵(4)上的进水口相接；跌水槽(13)架空于预处理单元上并朝二级调节池(16)倾斜；由多孔滤水垂直流人工湿地床(3)和水平潜流人工湿地床(19)组成组合湿地单元，在组合湿地单元内种植水生或陆生植物，在多孔滤水垂直流人工湿地床(3)的床底设有多孔滤水板(10)，其中，多孔滤水板(10)上的出水孔(25)为均匀分布，出水孔(25)的孔径为3～5cm，在多孔滤水板(10)上设有过滤网，多孔滤水垂直流人工湿地床(3)设在跌水槽(13)上方；高位集水箱(1)置于多孔滤水垂直流人工湿地床(3)的上方，高位集水箱(1)进水口与水泵(4)之间通过总进水管(2)相连接，高位集水箱(1)出水口与布水主管(11)连接，在布水主管(11)上接有布水支管(12)；二级调节池(16)与跌水槽(13)落水口连接，二级调节池(16)与水平潜流人工湿地床(19)通过进水管(17)连接在一起，水平潜流人工湿地床(19)与集水池(23)通过出水管(22)连接在一起，在集水池(23)上设有总出水管(24)。

2.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的立体型人工湿地系统，其特征在于：跌水槽(13)的坡度为4％-8％。

3.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的立体型人工湿地系统，其特征在于：组合湿地单元床体采用玻璃钢材料制作。

4.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的立体型人工湿地系统，其特征在于：所述组合湿地单元中的多孔滤水垂直流人工湿地床(3)体内自下而上设置砾石层(9)、基质层(7)、沙土覆盖层(5)，在砾石层(9)中每隔8～12cm厚设置一块细孔板(8)，细孔板(8)上的孔径为2～3cm，在细孔板(8)上设有过滤网，水平潜流人工湿地床(19)按进水至出水方向分别为砾石配水区(18)、基质区(20)、砾石集水区(21)，两种湿地基质种类相同，填充方向分别为垂直方向和水平方向。

5.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的立体型人工湿地系统，其特征在于：所述多孔滤水垂直流人工湿地床(3)、水平潜流人工湿地床(19)按照污水的污染种类和污染负荷选择沸石、石灰石、石英砂、高炉渣、钢渣、煤渣、草炭、粉煤灰、页岩中的两种以上基质组合填充，基质粒径为0.2-10cm，多孔滤水垂直流人工湿地床(3)基质粒径自下而上逐渐减少，水平潜流人工湿地床(19)基质粒径自进水口至出水口逐渐增大。

6.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的立体型人工湿地系统，其特征在于：组合湿地单元内所种水生或陆生植物为花叶美人蕉、水葫芦、水芹菜、黄菖蒲、梭鱼草、千屈菜、石菖蒲、灯心草、睡莲、香蒲、藨草、芦苇、水稻、水葱、荇菜、莎草中的两种以上按季节及人工湿地类型不同组合。

7.根据权利要求4所述的一种用于污水处理的立体型人工湿地系统，其特征在于：细孔板(8)采用玻璃钢材料制成。