CN101302047B - 一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，该系统自上而下由覆盖层、散水-通风碎石层、上防堵层、通风碎石层、下防堵层、人工土层和集水排水层组成。在复合系统的壁旁和每两条散水-通风管之间的中线位置，由渗流砾石将散水-通风碎石层与通风碎石层连通起来。该系统散水-通风管网和通风管网在水平面上的投影基本重合，间歇性配水，落干时通风，并且将散水-通风管网和通风管网其中之一用作系统的排风通道，另一层管网用作进风通道。本发明系统的污染物负荷能力强，适用范围广，建设和运行成本低，不需要专用土地，适用于小区生活污水和工业有机污水的现场处理和回用。

Description

一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统

技术领域

本发明属环境工程污水处理技术领域，特别涉及一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，该复合系统可用于生活污水和能够采用活性污泥法处理的工业有机污水的处理。

背景技术

我国是13个贫水国之一。随着人口增长、城市化进程加速、现代工业和城市建设的发展，我国的水污染问题也非常严重，这不仅使生态环境受到很大破坏，而且导致水质性缺水，从而进一步加剧了水资源的短缺，严重威胁着我国的饮用水安全和社会、经济的可持续发展。

我国城市污水的排放总量预计到2010年将达到1050亿m³。尽管耗资巨大的大型污水处理厂可以在中心城市发挥重要作用，但污水收集处理不仅成本高，而且许多城区存在污水管网不全、污水和雨水混排等问题，给污水的收集处理带来很大困难。在广阔的农村、乡镇和度假村等较分散的人群聚居地，污水收集管网的建设和维护耗资之巨大，在美国和欧洲等发达国家也难以承受，而这些排污点往往分布在城市的水源地。因此，大力研究开发成本低、环境效益好的污水现场处理技术对于我国的水环境污染控制具有十分重要的意义。此外，污水的现场处理有利于中水回用，符合循环经济和建设节约型社会的要求。在众多的污水现场处理方法中，污水土地处理在降低处理成本上具有独特的优势。

污水土地处理方法主要包括污水快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、湿地系统和地下渗滤等五种类型。在这些方法中，地下渗滤系统不会影响地表的环境和景观，可建于城区和生活小区，在美国、加拿大和欧洲国家得到广泛应用。然而，传统的地下渗滤系统的负荷能力很小、占地面积大，难以在我国推广使用。公开号为CN1460649和CN1927733A的发明专利技术采用以下技术手段：(1)通过强化一级处理降低污水中颗粒有机物的含量；(2)通过增加颗粒有机质在渗滤系统中的分散度和增加对渗滤系统的氧气供应加速有机质的分解，使地下渗滤污水处理系统污染物负荷能力大大提高。但上述两发明专利存在以下缺陷：(1)对预处理系统的依赖性较强；(2)对污染物负荷在地下渗滤系统中的分配不能自行调节，从而在很大程度上限制了系统的污染物负荷能力和系统的稳定性；(3)在每一通风层中均需要铺设进风管网和排风管网，这会增加建设和运行成本。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，该系统可用于生活污水和能够采用活性污泥法处理的工业有机污水的处理。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，自上而下由覆盖层(31)、散水-通风碎石层(32)、上防堵层(35)、通风碎石层(33)、下防堵层(36)、人工土层(37)和集水排水层

(34)组成。所述散水-通风碎石层(32)中埋设散水-通风管网(41)；在通风碎石层(33)中埋设通风管网(42)；所述集水排水层(34)中埋设集水排水管网(43)，散水-通风管网(41)由散水-通风管构成，通风管网(42)由通风管构成，集水排水管网(43)由集水排水管构成；在散水-通风碎石层(32)底部与通风碎石层(33)顶部之间设置有渗流砾石(38)，所述渗流砾石(38)位于散水-通风碎石层(32)的底部，并且在复合系统的壁旁和每两条相互平行的散水-通风管之间的中线位置穿过上防堵层(35)，将散水-通风碎石层(32)与通风碎石层(33)连通起来。

所述覆盖层(31)可以是绿地、旱地、浮土或硬化地面等。

所述散水-通风碎石层(32)和通风碎石层(33)均由粒径为1～3cm的碎石构成。

所述上防堵层(35)和下防堵层(36)都设有2～3个亚层，各亚层由石英砂或石英砂和表层土混合而成的砂土组成，自上而下各亚层的渗透性依次降低；所述上防堵层(35)和下防堵层(36)的饱和透水系数均约为1×10^-1～1×10^-2cm/秒。

所述人工土层(37)的渗透系数低于上防堵层的渗透系数，所述人工土层(37)的渗透系数低于下防堵层的渗透系数，由砂、粉煤灰和表层土混合而成，所述人工土层(37)的饱和透水系数约为1×10^-2～1×10^-3cm/秒。

所述渗流砾石(38)主要由粒径为0.5～1cm的砾石堆积而成，在散水-通风碎石层(32)底部呈一薄层，厚3～6cm；在散水-通风管附近不连续；在每两条相互平行的散水-通风管之间的中线位置和复合系统的壁旁，所述渗流砾石(38)呈厚度约20～30cm的砾石墙，穿过上防堵层(35)，将散水-通风碎石层(32)与通风碎石层(33)连通起来，从而使渗流砾石(38)在剖面上构成“T”字形。

所述散水-通风管网(41)的散水-通风管为直径75～110mm的PVC管，管的两侧和底部开有分布均匀的散水孔。所述散水-通风管网(41)中两条平行的散水-通风管间距约2～3米。

所述通风管网(42)的通风管为直径≤110mm的PVC管，管壁开有通气孔。所述通风管网(42)中两条平行的通风管间距约2～3米。

所述集水排水层(34)由粒径1～3cm的碎石构成，每间隔3～4米设一集水沟，集水沟中埋设集水排水管网(43)。

所述集水排水管网(43)的集水排水管为壁上开设有集水孔的PVC管，每条管的末端均敞开。

本发明散水-通风管网(41)和通风管网(42)在水平面上的投影基本重合，间歇性配水，落干时通风，并且将散水-通风管网(41)和通风管网(42)中的任一种管网用作系统的排风通道，则另一种管网用作进风通道。

本发明的运行模式和工作原理如下：

来自排污管道的城市污水或生活污水首先经过隔油沉淀等手段预处理，然后间歇性地进入地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统。

1、污水运移与污染物去除

污水通过散水-通风管网进入地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，一部分在重力作用下渗滤穿透上防堵层往下运移；来不及渗滤的污水则在散水-通风碎石层中侧向流动，在散水-通风管之间的中线附近通过渗流砾石进入下防堵层。穿透上防堵层的污水，其中的颗粒有机物主要被上防堵层拦截，并且依粒径不同而分散于各土层内及其界面上，通过生物接触氧化分解；在散水-通风碎石层和渗流砾石中侧向流动的污水，其中的悬浮颗粒有机物被不同粒径的砾石拦截，并且不断被砾石表面的微生物膜分解和转化，使本系统具有地下湿地的污水净化功能。无论是穿透上防堵层还是经过地下湿地处理的污水，其污染物含量(尤其是颗粒物含量)均大大降低，从而大大减轻了下防堵层的污染物负荷。进入人工土层后，残留的颗粒有机物被拦截和微生物分解；溶解有机物被吸附和被土壤微生物分解；NH₄ ⁺主要被带负电荷的矿物吸附，并通过硝化作用去除；磷则通过吸附和沉淀作用去除。

在系统运行的早期阶段，几乎所有的污水均穿透上防堵层，下防堵层所承受的污染负荷很低。在污染物负荷较大的情况下，随着本系统的运行，上防堵层的渗透性将逐渐降低，通过渗流砾石进入下防堵层的污水从无到有，逐渐增加。本系统运行一段时间后，上防堵层将达到污泥平衡，此时该层内每天新增固体有机物的量与微生物分解的量相等，每天穿透上防堵层的污水量基本稳定，因而经过地下湿地处理后进入下防堵层的污水量也趋于稳定。场地试验结果显示，经过地下湿地处理后，有超过50％的TSS和约30％的COD将被去除，从而大大减轻了复合系统的污染负荷，使复合系统的污染物负荷能力大大提高。此外，与以往的技术相比，本系统增加了下防堵层，而穿过上防堵层渗流砾石相当于一个二次散水通道，这不仅使系统的散水面积增加了85％以上，而且使污染物负荷在上防堵层与下防堵层之间的分配比例由系统自行调节，可以最大限度地增强系统的防堵能力。

2、空气流动与通风效果

在本系统中，充足的氧气供应是保障系统稳定运行的必要条件，通常需要采用动力通风，辅以自然拔风，而系统的通风效果与通风管网的分布、系统结构和运行方式密切相关。本发明采用散水-通风管网和通风管网组合通风，使空气在散水-通风碎石层和通风碎石层中均匀流通。具体方法是将散水-通风管网和通风管网分别用作排风通道和进风通道(或相反)。以散水-通风管网为排风通道、通风管网为进风通道为例，本发明系统中的空气运移路径如下：从进风通道进入本复合系统的新鲜空气主要沿着通风碎石层侧向流动，然后通过渗流砾石进入散水-通风碎石层，再沿着散水-通风砾石层侧向流动，最后进入排风通道，从而使砾石层中的空气得到有效更新。在通风过程中，少量新鲜空气通过对流-扩散作用进入防堵层，人工土层中的空气则通过扩散作用更新。在系统运行过程中，防堵层基本上处于好氧环境，人工土层则处于好氧-厌氧交替环境。

3、系统运行模式

本发明地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统采用间歇性配水，每天进水6～9次，每次进水6～8cm。在每次进水结束后约1小时，对地下复合系统进行动力通风，通风量以进水体积的3～5倍为宜。这种短时间间歇性布水模式可以使污水分配更均匀，增加人工土层的落干时间。在落干时期，人工土层处于好氧环境，使土壤中的残留有机物在好氧细菌的作用下分解，恢复土壤的团粒结构和渗透性，并且使被吸附的NH₄ ⁺在硝化细菌的作用下被氧化成硝酸根，土壤中的NH₄ ⁺吸附位被重新释放；布水时人工土层处于缺氧环境，有利于反硝化作用的进行。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点及有益效果：(1)本发明在地下渗滤系统的基础上增加了地下湿地的功能，从而大大增加了系统的污染物负荷能力。假设上防堵层中达到污泥平衡时，有50％的污水穿透上防堵层，其余的污水通过渗流砾石进入下防堵层，则有超过25％的TSS和约15％的COD将被地下湿地去除。(2)本发明技术通过增加下防堵层，并且使渗流砾石起到二次散水通道的作用，这相当于增加了85％以上的散水面积，仅此就可以增加50％以上的污染物负荷能力；(3)现有技术的通风系统是在同一层内铺设一套进风管网和一套排风管网，而本发明技术将进风管网和排风管网分别铺设在上防堵层的上方和下方，不仅降低了系统的建设成本，而且通风效果好；(3)与现有技术(如公开号为CN1927733A和CN1460649的中国专利)相比，本发明增加了下防堵层，省去了部分通风管，复合系统单位面积的建设成本相近似，但本发明系统的污染物负荷能力却提高了70％以上。

以一个日处理100m³的系统为例，采用公开号为CN1927733A的中国专利，总系统所需土地面积约300m²。采用本发明，如果污水同样经过一级强化处理，总系统所需土地面积约200m²，这将使系统的建设成本大大降低；如果污水仅仅经过简易一级处理(隔油沉淀和格栅)，总系统所需土地面积约260m²，不仅可以省去一级强化处理单元的建设和运行成本，而且将减少沉淀池污泥的排放。

本发明在上述技术的基础上附加了地下湿地功能和自行调节双层散水功能，不仅大大提高了系统对污染物(尤其是颗粒有机物)的负荷能力，降低建设和运行成本，而且使系统更稳定。本发明污水处理系统之上的土地可用作旱地、绿化用地、道路、球场、中小型汽车停车场等，不会影响环境和景观，也不改变土地的用途，适用于城区、生活小区等人群聚居地。此外，本发明还具有建设和运行成本低，维护简单，无需专业人员管理，受气候条件影响小等优点。

附图说明

图1为本发明地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统示意图。其中，AB为图2所示的剖面位置。

图2为地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统横截面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，污水经过隔油沉淀等手段预处理单元10后，通过污水分配池20间歇性地进入地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统30。

如图2所示，本发明的地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统30自上而下依次为覆盖层31、散水-通风碎石层32、上防堵层35、通风碎石层33、下防堵层36、人工土层37和集水排水层34。覆盖层31可以是绿地、旱地、浮土或硬化地面等。在散水-通风碎石层32中埋设散水-通风管网41，散水-通风管网41由散水-通风管构成，在通风碎石层33中埋设通风管网42，通风管网42由通风管构成，散水-通风碎石层32和通风碎石层33均由粒径为1～3cm的碎石构成；在集水排水层34中埋设集水排水管网43，集水排水管网43由集水排水管构成；在散水-通风碎石层32底部与通风碎石层33顶部之间设置有渗流砾石38，所述渗流砾石38位于散水-通风碎石层32的底部，渗流砾石38在复合系统30的壁旁和每两条相互平行的散水-通风管41之间的中线位置穿过上防堵层35，所述渗流砾石38由粒径为0.5～1cm的砾石堆积而成，在散水-通风碎石层32底部呈一薄层，渗流砾石38厚3～6cm，在散水-通风管附近不连续；在两条相互平行的散水-通风管41之间的中线位置和复合系统的壁旁，渗流砾石38为厚度20～30cm的砾石墙，穿过上防堵层35，将散水-通风碎石层32与通风碎石层33连通起来。散水-通风管网41的散水-通风管为直径75～110mm的PVC管，管的两侧和底部开有分布均匀的散水孔，两条平行的散水-通风管间距约2～3米；置于散水-通风碎石层32中；通风管网42的通风管为直径≤110mm的PVC管，管壁开有通气孔，两条平行的通风管间距约2～3米，置于通风碎石层33中；集水排水层34由粒径1～3cm的碎石构成，每间隔3～4米设一集水沟，集水沟中埋设集水排水管网43；集水排水管网43的集水排水管为壁上开设有集水孔的PVC管，每条管的末端均敞开。上防堵层35和下防堵层36都分为2个亚层，上部的亚层为石英砂，下部的亚层是80％石英砂与20％表层土按体积百分比混合而成的砂土，自上而下2亚层的渗透性依次降低；上防堵层35和下防堵层36的饱和透水系数约为1×10^-1～1×10^-2cm/秒。人工土层37由石英砂、粉煤灰和表层土混合而成，其饱和透水系数约为1×10^-2～1×10^-3cm/秒，其饱和渗透系数明显低于防堵层(上防堵层、下防堵层)的渗透系数。散水-通风管网41和通风管网42分别用作系统的排风通道和进风通道，通过排风扇或鼓风机对系统通风，供给氧气。

本发明的地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统最显著特征是：(1)在相互平行的散水通风管之间的中线位置的下方，通过渗流砾石38将散水-通风碎石层32与通风碎石层33连通起来；(2)在通风碎石层33之下增设具有多层结构的下防堵层36；(3)将散水-通风管网41和通风管网42其中之一管网用作系统的排风通道，另一管网用作进风通道。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，其特征在于：所述复合系统自上而下由覆盖层(31)、散水-通风碎石层(32)、上防堵层(35)、通风碎石层(33)、下防堵层(36)、人工土层(37)和集水排水层(34)组成；所述散水-通风碎石层(32)中埋设散水-通风管网(41)；在通风碎石层(33)中埋设通风管网(42)；所述集水排水层(34)中埋设集水排水管网(43)；在散水-通风碎石层(32)底部与通风碎石层(33)顶部之间设置有渗流砾石(38)；

所述渗流砾石(38)位于散水-通风碎石层(32)的底部，并且在复合系统的壁旁和每两条相互平行的散水-通风管之间的中线位置穿过上防堵层(35)，将散水-通风碎石层(32)与通风碎石层(33)连通起来；

所述上防堵层(35)和下防堵层(36)都设有2～3个亚层，各亚层由石英砂或石英砂和表层土混合而成的砂土组成，自上而下各亚层的渗透性依次降低；所述上防堵层(35)和下防堵层(36)的饱和透水系数均为1×10^-1～1×10^-2cm/秒。

2.根据权利要求1所述的一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，其特征在于：所述覆盖层(31)是绿地、旱地、浮土或硬化地面。

3.根据权利要求1所述的一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，其特征在于：所述散水-通风碎石层(32)和通风碎石层(33)均由粒径为1～3cm的碎石构成。

4.根据权利要求1所述的一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，其特征在于：所述人工土层(37)的渗透系数低于上防堵层的渗透系数，所述人工土层(37)的渗透系数低于下防堵层的渗透系数，所述人工土层(37)由砂、粉煤灰和表层土混合而成，所述人工土层(37)的饱和透水系数为1×10^-2～1×10^-3cm/秒。

5.根据权利要求1所述的一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，其特征在于：所述渗流砾石(38)由粒径为0.5～1cm的砾石堆积而成，在散水-通风碎石层(32)底部呈一薄层，渗流砾石(38)厚3～6cm；在复合系统的壁旁和每两条相互平行的散水-通风管之间的中线位置，渗流砾石(38)为厚度20～30cm的砾石墙。

6.根据权利要求1所述的一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，其特征在于：所述散水-通风管网(41)的散水-通风管为直径75～110mm的PVC管，管的两侧和底部开有分布均匀的散水孔；所述散水-通风管网(41)中两条平行的散水-通风管间距为2～3米。

7.根据权利要求1所述的一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，其特征在于：所述通风管网(42)的通风管为直径≤110mm的PVC管，管壁开有通气孔；所述通风管网(42)中两条平行的通风管间距为2～3米。

8.根据权利要求1所述的一种地下湿地与高负荷地下渗滤污水处理复合系统，其特征在于：所述集水排水层(34)由粒径1～3cm的碎石构成，每间隔3～4米设一集水沟，集水沟中埋设集水排水管网(43)。

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