CN101955263B - 垂直流潜流式人工湿地污水处理系统及其处理污水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直流潜流式人工湿地污水处理系统及其处理污水的方法，该系统包括池体、基质、湿地植物、下行流系统和上行流系统。基质分层铺置在池体内，湿地植物种植在基质上，下行流系统和上行流系统均设置在池体内。该系统的处理污水的方法是采用下行流和上行流两种工作方式以1～60天为一个时间间隔交替运行，在第一个月采用单下行流或上行流系统工作，在第二个月采用单上行流或下行流系统工作，如此每隔一个时间间隔交替运行两个系统。该污水处理系统通过交替改变基质内污水水流流向，可以有效预防和延缓人工湿地淤堵，在长期的运行过程中可维持较好的水力传导性能与稳定的COD去除率，污水处理效率稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直流潜流式人工湿地污水处理设施，属于环境工程污水处理技术领域。
背景技术
人工湿地污水处理技术由于其工艺简单、造价低廉的特点越来越广泛地应用于污水处理中。人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制地投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。但随着人工湿地的长期运行，含细粒径基质层的人工湿地会发生堵塞现象，从而导致湿地系统渗透系数明显减小，基质表面严重雍水，引发恶臭，恶化运行环境；雍水还阻隔氧气向基质层内扩散，进而降低污染物(有机物和氨氮等)的去除效果。
传统的垂直流潜流式人工湿地按照污水水流方向分为下行流和上行流，下行流即污水由上向下流动，上行流即污水由下向上流动，在一个处理池内单一的上行流或者下行流人工湿地运行一定时间后会因为无机质物质沉淀或湿地内微生物代谢生成的有机质沉积而使人工湿地水流通道不畅，湿地基质板结，发生淤堵现象。目前，对于已发生淤堵的人工湿地的处理方法一是采取停休，利用人工湿地自然恢复，第二种方法是直接更换人工湿地的基质。第一种方法虽然短期内有效果，但不能从根本上解决淤堵的问题，运行一段时间后仍会发生淤堵现象；第二种方法不但费时费力，且成本也较高。因此，预防或者延缓人工湿地在运行过程中淤堵的发生对推广人工湿地污水处理技术的应用极为重要。
中国专利文献CN101423297A公开了一种复合垂直流人工湿地增氧系统，它由空气压缩机、复合垂直流人工湿地、下行流池和上行流池组成，在底部连通的下行流池和上行流池组成复合垂直流人工湿地。该湿地系统的下行流池或上行流池仍然只是传统的垂直流潜流式人工湿地池，在单个的池子内布设单下行流或单上行流，该湿地系统运行一定时间后下行流池和上行流池同样会因为无机质物质沉淀或湿地内微生物代谢生成的有机质沉积而使人工湿地水流通道不畅，湿地基质板结，发生淤堵现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以有效预防、延缓人工湿地淤堵的双向垂直流潜流式人工湿地污水处理系统及其处理污水的方法。
实现本发明目的的技术方案是提供一种垂直流潜流式人工湿地污水处理系统，包括池体、基质和湿地植物。基质分层铺置在池体内，湿地植物种植在基质上。该系统还包括设置在池体内的下行流系统和上行流系统。
上述基质包括从下到上依次分层分布的第一粗粒径基质层、中粒径基质层、细粒径基质层和第二粗粒径基质层。
上述下行流系统包括下行流进水主干管路、4至30根下行流布水支管、4至30根下行流集水支管、下行流出水主干管路、下行流进水阀门和下行流出水阀门。
上述下行流进水主干管路分别与各根下行流布水支管密闭固定连接。下行流进水主干管路和所有的下行流布水支管均布设在基质的第二粗粒径基质层的上表面。每根下行流布水支管的管体上，每间隔50～150毫米设有一组开口朝下的出水孔。下行流进水阀门密闭固定连接在下行流进水主干管路的进水口处，且位于池体的外部。
上述下行流出水主干管路分别与各根下行流集水支管密闭固定连接。下行流出水主干管路和所有的下行流集水支管均布设在池体内的底部表面、且被掩埋在基质的第一粗粒径基质层的下部。每根下行流集水支管的管体上，每间隔50～150毫米设有一组开口朝上的进水孔。下行流出水阀门密闭固定连接在下行流出水主干管路的出水口处，且位于池体的外部。
上述上行流系统包括上行流进水主干管路、4至30根上行流布水支管、4至30根上行流集水支管、上行流出水主干管路、上行流进水阀门和上行流出水阀门。
上述上行流进水主干管路分别与各根上行流布水支管密闭固定连接。上行流进水主干管路和所有的上行流布水支管均布设在池体内的底部表面、被掩埋在基质的第一粗粒径基质层的底部，且上行流布水支管与下行流集水支管在前后方向上交错设置。每根上行流布水支管的管体上，每间隔50～150毫米设有一组开口朝上的出水孔。上行流进水阀门密闭固定连接在上行流进水主干管路的进水口处，且位于池体的外部。
上述上行流出水主干管路分别与各根上行流集水支管密闭固定连接。上行流出水主干管路和所有的上行流集水支管均布设在基质的第二粗粒径基质层内，且上行流集水支管与下行流布水支管在前后方向上交错设置。每根上行流集水支管的管体上，每间隔50～150毫米设有一组开口朝下的进水孔。上行流出水阀门密闭固定连接在上行流出水主干管路的出水口处，且位于池体的外部。
基质的第一粗粒径基质层的深度为100～300毫米，主要由粒径为8至16毫米的砾石组成。中粒径基质层的深度为400～600毫米，主要由粒径为2至8毫米的粗砂组成。细粒径基质层即为土壤层，其深度为100～200毫米。第二粗粒径基质层的深度为100～200毫米，主要由粒径为8至16毫米的砾石组成。第二粗粒径基质层的上表面与池体的池顶之间的距离为100～300毫米。池体的材质为混凝土。
上述湿地植物为适用于潜流式湿地的水生或湿生植物，它们是香蒲、芦苇、菰、芦竹、水葱、纸莎草、藨草、菖蒲、海芋、灯心草、再力花和蜘蛛兰中的一种、二种、三种、四种或五种，湿地植物由其根部种植在基质的细粒径基质层内，平均每平方米种植数量为4至8株。
下行流进水主干管路包括进水管，还包括将进水管与各下行流布水支管相连通的相应的三通接头和连接管，下行流进水主干管路紧靠池体的右侧墙体内壁，且进水管穿过池体的右侧墙体，下行流进水阀门设置在进水管的位于池体外的右端口处。
每根下行流布水支管的长度为2～20米，左端封口。所有下行流布水支管均沿左右向平行设置，且相邻2根下行流布水支管之间的距离为240～320毫米。
下行流出水主干管路包括出水管，还包括将出水管与各下行流集水支管相连通的相应的三通接头和连接管，下行流出水主干管路紧靠池体的左侧墙体内壁，且出水管穿过池体的左侧墙体，下行流出水阀门设置在出水管的位于池体外的左端口处。
每根下行流集水支管的长度与下行流布水支管的长度相等，右端封口。所有下行流集水支管均沿左右向平行设置，且相邻2根下行流集水支管之间的距离为240～320毫米。
下行流进水主干管路的进水管和各连接管均为PVC水管，它们的管体直径均为30～50毫米。下行流布水支管是直径为20～40毫米的PVC水管，且下行流进水主干管路的进水管和各连接管的直径大于或等于下行流布水支管的直径。下行流布水支管的每组出水孔的数量为3至5个，每个出水孔的孔径为4至8毫米。
下行流出水主干管路的出水管和各连接管均为PVC水管，它们的管体直径均为50～90毫米。下行流集水支管是直径为40～60毫米的PVC水管，且下行流出水主干管路的出水管和各连接管的直径大于或等于下行流集水支管的直径。下行流集水支管的每组进水孔的数量为5至7个，每个进水孔的孔径为6至12毫米。
上行流进水主干管路包括进水管，还包括将进水管与各上行流布水支管相连通的相应的三通接头和连接管，上行流进水主干管路紧靠池体的右侧墙体内壁，且进水管穿过池体的右侧墙体，上行流进水阀门设置在进水管的位于池体外的右端口处。
每根上行流布水支管的长度与下行流布水支管的长度相等，左端封口。所有上行流布水支管均沿左右向平行设置，且相邻2根上行流布水支管之间的距离为240～320毫米。
上行流出水主干管路包括出水管，还包括将出水管与各上行流集水支管相连通的相应的三通接头和连接管，上行流出水主干管路紧靠池体的左侧墙体内壁，且出水管穿过池体的左侧墙体，上行流出水阀门设置在出水管的位于池体外的左端口处。
每根上行流集水支管的长度与下行流布水支管的长度相等，右端封口。 所有上行流集水支管均沿左右向平行设置，且相邻2根上行流集水支管之间的距离均为240～320毫米。
上行流进水主干管路的进水管和各连接管均为PVC水管，它们的管体直径均为30～50毫米。上行流布水支管是直径为20～40毫米的PVC水管，且上行流进水主干管路的进水管和各连接管的直径大于或等于上行流布水支管的直径。上行流布水支管的每组出水孔的数量为3至5个，每个出水孔的孔径为4至8毫米。
上行流出水主干管路的出水管和各连接管均为PVC水管，它们的管体直径均为50～90毫米。上行流集水支管是直径为40～60毫米的PVC水管，且上行流出水主干管路的出水管和各连接管的直径大于或等于上行流集水支管的直径。上行流集水支管的每组进水孔的数量为5至7个，每个进水孔的孔径为6至12毫米。
提供一种上述垂直流潜流式人工湿地污水处理系统处理污水的方法：采用下行流和上行流两种工作方式以1～60天为一个时间间隔交替运行，也即在单数的时间间隔内采用单下行流工作方式，在双数的时间间隔内采用单上行流工作方式，或者是在单数的时间间隔内采用单上行流工作方式，在双数的时间间隔内采用单下行流工作方式。
在采用单下行流工作方式时具有如下步骤：①使得下行流进水阀门的进水口处于连接有由污水水泵作为压力动力源的污水进水管。②使得下行流进水阀门和下行流出水阀门处于开启状态，使得上行流进水阀门和上行流出水阀门处于关闭状态。③开启污水水泵，使得污水经过下行流进水主干管路流入下行流布水支管，再由下行流布水支管上的出水孔流至基质的表面。④步骤③中流至基质表面的污水在重力作用下，向下渗流，分别经过第一粗粒径基质层、中粒径基质层、细粒径基质层和第二粗粒径基质层的过滤而成为过滤水，并流至池体的底部。⑤流至池体的底部的过滤水从各下行流集水支管上的进水孔流入下行流集水支管内，汇集至下行流出水主干管路中后被排出。
在采用单上行流工作方式时具有如下步骤：①使得上行流进水阀门的进水口处连接有由污水水泵作为压力动力源的污水进水管。②使得上行流进水阀门和上行流出水阀门处于开启状态，使得下行流进水阀门和下行流出水阀门处于关闭状态。③开启污水水泵，使得污水经过上行流进水主干管路流入上行流布水支管，再由上行流布水支管上的出水孔流入基质的底层。④步骤③中流至基质的底层的污水由于有污水水泵作为压力动力源，污水由基质底部因压力向上流动，分别经过第一粗粒径基质层、中粒径基质层和细粒径基质层的过滤而成为过滤水，向上流至超过上行流集水支管的进水孔的高度。⑤在水位压力作用下，各上行流集水支管附近的过滤水通过上行流集水支管的相应的进水孔流入上行流集水支管内，汇集至上行流出水主干管路而被排出。
交替采用单下行流和单上行流的工作方式处理污水时，能交替改变基质内污水水流流向，有效预防和延缓人工湿地淤堵，在长期的运行过程中能维持较好的水力传导性能与稳定的COD去除率，污水处理效率稳定。在细粒径基质层中栽培植物，植物吸收污水被过滤后留下的养分，有利于恢复土壤的通透能力以及植物的生长，双向污水的交替流过使得土壤内的养分长期保持在一个稳定的状态，对于植物的生长起到了很好的促进效果。
一个时间间隔为一周、半个月、一个月或一个半月。
本发明具有积极的效果：（1）本发明的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统是一种双向的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统，在使用该系统在处理污水时，通过交替改变基质内污水水流流向，可以有效预防和延缓人工湿地淤堵，在长期的运行过程中可维持较好的水力传导性能与稳定的COD去除率，污水处理效率稳定。本发明在土壤层中栽培植物，植物吸收污水被过滤后留下的养分，不仅有利于恢复土壤的通透能力，有利于植物的生长，尤其是双向污水的交替流过，使得土壤内的养分长期保持在一个稳定的状态，对于植物的生长起到了很好的促进效果。
（2）本发明的双向垂直流潜流式人工湿地污水处理系统建造方便、成本低廉，且操作管理简单、运行稳定。
（3）本发明的双向垂直流潜流式人工湿地污水处理系统解决了传统垂直流人工湿地易于堵塞的难题，保证了人工湿地长期运行的稳定性与可靠性，可大范围地应用于我国乡镇农村水环境治理工程中，具有良好的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为图1的A-A剖视示意图；
图3为从图1的B向观察时，本发明的下行流进水的布水系统和上行流出水的集水系统的平面图；
图4为从图1的B向观察时，本发明的上形流进水的布水系统和下行流出水的集水系统平面图；
图5为图1中的下行流系统的示意图；
图6为图1中的上行流系统的示意图；
图7为图5中的下行流布水支管的结构示意图；
图8为图7的C-C剖视示意图；
图9为图5中的下行流集水支管的结构示意图；
图10为图9的D-D剖视示意图；
图11为图6中的上行流布水支管的结构示意图；
图12为图11的E-E剖视示意图；
图13为图6中的上行流集水支管的结构示意图；
图14为图13的F-F剖视出水图。
上述附图中的标记为：
池体10，
基质1，第一粗粒径基质层1-1，中粒径基质层1-2，细粒径基质层1-3，第二粗粒径基质层1-4，
湿地植物2，
下行流进水主干管路31，进水管31-1，连接管31-2，第一连接管31-2-1，第二连接管31-2-2，第三连接管31-2-3，第四连接管31-2-4，进水三通接头31-3，分支用三通接头31-4，第一分支用三通接头31-4-1，第二分支用三通接头31-4-2，弯头31-5，第一弯头31-5-1，第二弯头31-5-2，
下行流布水支管32，第一下行流布水支管32-1，第二下行流布水支管32-2，第三下行流布水支管32-3，第四下行流布水支管32-4，出水孔32-5，
下行流集水支管33，第一下行流集水支管33-1，第二下行流集水支管33-2，第三下行流集水支管33-3，进水孔33-4，
下行流出水主干管路34，出水管34-1，连接管34-2，第一连接管34-2-1，第二连接管34-2-2，第三连接管34-2-3，第四连接管34-2-4，堵头34-3，第一堵头34-3-1，第二堵头34-3-2，三通接头34-4，第一三通接头34-4-1，第二三通接头34-4-2，四通接头34-5，
上行流进水主干管路41，进水管41-1，连接管41-2，第一连接管41-2-1，第二连接管41-2-2，第三连接管41-2-3，第四连接管41-2-4，进水三通接头41-3，分支用三通接头41-4，第一分支用三通接头41-4-1，第二分支用三通接头41-4-2，弯头41-5，第一弯头41-5-1，第二弯头42-5-2，
上行流布水支管42，第一上行流布水支管42-1，第二上行流布水支管42-2，第三上行流布水支管42-3，第四上行流布水支管42-4，出水孔42-5，
上行流集水支管43，第一上行流集水支管43-1，第二上行流集水支管43-1，第三上行流集水支管43-3，进水孔43-4，
上行流出水主干管路44，出水管44-1，连接管44-2，第一连接管44-2-1，第二连接管44-2-2，第三连接管44-2-3，第四连接管44-2-4，堵头44-3，第一堵头44-3-1，第二堵头44-3-2，三通接头44-4，第一三通接头44-4-1，第二三通接头44-4-2，四通接头44-5，
下行流进水阀门51，下行流出水阀门52，上行流进水阀门53，上行流出水阀门54。
具体实施方式
本发明具体实施方式中的方位按照图1所示方位进行描述。
（实施例1、双向垂直流潜流式人工湿地污水处理系统）
见图1和图2，本实施例的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统包括池体10、湿地植物2、下行流进水主干管路31、下行流布水支管32、下行流集水支管33、下行流出水主干管路34、上行流进水主干管路41、上行流布水支管42、上行流集水支管43、上行流出水主干管路44和4个阀门。
池体10为一个深度为1.2米的水泥池，其宽度为1米，长度为2米，水泥结构的池体10可以防止水渗透。
基质1分层铺置在池体10内，池体10内从底部表面向上分层铺设完基质1的各基质层后，离开池顶还剩余0.2m的高度。
基质1包括从下到上依次分层分布的第一粗粒径基质层1-1、中粒径基质层1-2、细粒径基质层1-3和第二粗粒径基质层1-4。第一粗粒径基质层1-1处于最底层其深度为0.2米，主要由粒径为8至16毫米的砾石组成；中粒径基质层1-2的深度为0.5米，主要由粒径为2至8毫米的粗砂组成；细粒径基质层1-3即为土壤层，其深度为0.15米；第二粗粒径基质层1-4的深度为0.15米，主要由粒径为8至16毫米的砾石组成。
基质1的细粒径基质层1-3是湿地植物2和微生物赖以生存的基础，基质1的细粒径基质层1-3一方面为微生物的生长提供稳定的依附表面，另一方面也为湿地植物2提供了载体和营养物质，并为湿地污水处理系统中的大部分物理、化学和生物反应提供反应容器。
湿地植物2为适用于潜流式湿地的水生或湿生植物，它们是如香蒲、芦苇、菰、芦竹、水葱、纸莎草、藨草、菖蒲、海芋、灯心草、再力花和蜘蛛兰中的一种、二种、三种、四种或五种。本实施例中湿地植物2采用的是芦苇，由其根部种植在基质1的细粒径基质层1-3内，种植一年后根系深度可达0.5米，平均每平方米种植数量为6株。
见图3及图5，下行流进水主干管路31为由5根PVC水管31-1、31-2，3个三通接头31-3、31-4和2个弯头31-5构成的管组件。各PVC水管的直径均为30毫米，5根PVC水管分为1根进水管31-1和4根连接管31-2，4根连接管31-2按照所处前后位置的不同，由后至前依次称为第一连接管31-2-1、第二连接管31-2-2、第三连接管31-2-3和第四连接管31-2-4。
本发明中，将三通接头的三个端口中的位于同一轴线上的2个端口分为称为第一端口和第二端口，该轴线也称为主轴线，而将另一个轴线与主轴线相垂直的端口称为第三端口，而第一端口和第二端口又根据所处的前后位置不同，由后至前称为第一端口和第二端口。3个三通接头分为1个进水三通接头31-3和2个分支用三通接头31-4，2个分支用三通接头31-4按照所处的前后位置的不同，由后至前依次称为第一分支用三通接头31-4-1和第二分支用三通接头31-4-2。进水三通接头31-3的三个端口是口径与直径为30毫米的PVC水管相配合的端口，分支用三通接头31-4的第一端口和第二端口是口径与直径为30毫米的PVC水管相配合的端口，第三端口是口径与直径为20毫米的PVC水管相配合的端口。
2个弯头31-5按照所处的前后位置的不同，由后至前依次称为第一弯头31-5-1和第二弯头31-5-2。2个弯头31-5的一个端口是口径与直径为30毫米的PVC水管相配合的端口，另一个端口是口径与直径为20毫米的PVC水管相配合的端口。
第一弯头31-5-1的前端口与第一连接管31-2-1的后端口密闭固定连接，第一连接管31-2-1的前端口与第一分支用三通接头31-4-1的第一端口密闭固定连接，第一分支用三通接头31-4-1的第二端口与第二连接管31-2-2的后端口密闭固定连接，第二连接管31-2-2的前端口与进水三通接头31-3的第一端口密闭固定连接，进水三通接头31-3的第二端口与第三连接管31-2-3的后端口密闭固定连接，第三连接管31-2-3的前端口与第二分支用三通接头31-4-2的第一端口密闭固定连接，第二分支用三通接头31-4-2的第二端口与第四连接管31-2-4的后端口密闭固定连接，第四连接管31-2-4的前端口与第二弯头31-5-2的后端口密闭固定连接。
第一弯头31-5-1的左端口与第一分支用三通接头31-4-1的第三端口之间、第一分支用三通接头31-4-1的第三端口与第二分支用三通接头31-4-2的第三端口之间、第二分支用三通接头31-4-2的第三端口与第二弯头31-5-2的左端口之间的距离均为280毫米。进水管31-1的左端口与进水三通接头31-3的第三端口密闭固定连接。
下行流进水主干管路31布设在基质1的第二粗粒径基质层1-4的上表面右端，紧靠池体10的右侧墙体内壁，进水管31-1穿过池体10的右侧墙体，且进水管31-1的位于池体10外的右端口（进水口）处设有一个下行流进水阀门51。
见图7和图8，下行流布水支管32是直径为20毫米的PVC水管，每根下行流布水支管32的管体上，每间隔100毫米均设有一组出水孔32-5，各组出水孔32-5的数量为3个，1个开口朝前，1个开口朝后，第3个开口朝下，出水孔32-5的孔径为4毫米。
见图3，下行流布水支管32共4根，长度略小于2米，左端均封口。4根下行流布水支管32按照所处的前后位置不同，由后至前依次称为第一下行流布水支管32-1、第二下行流布水支管32-2、第三下行流布水支管32-3和第四下行流布水支管32-4。第一下行流布水支管32-1的右端口与第一弯头31-5-1的左端口密闭固定连接，第二下行流布水支管32-2的右端口与第一分支用三通接头31-4-1的第三端口密闭固定连接，第三下行流布水支管32-3的右端口与第二分支用三通接头31-4-2的第三端口密闭固定连接，第四下行流布水支管32-4的右端口与第二弯头31-5-2的左端口密闭固定连接。
见图4及图5，下行流出水主干管路34为由5根PVC水管34-1、34-2，2个堵头34-3，2个三通接头34-4和1个四通接头34-5构成的管组件。各PVC水管的直径均为50毫米，5根PVC水管分为1根出水管34-1和4根连接管34-2，4根连接管34-2按照所处前后位置的不同，由后至前依次称为第一连接管34-2-1、第二连接管34-2-2、第三连接管34-2-3和第四连接管34-2-4。
2个堵头34-3按照所处的前后位置的不同，由后至前依次称为第一堵头34-3-1和第二堵头34-3-2，第一堵头34-3-1设有前端口，第二堵头34-3-2设有后端口。2个三通接头34-4按照所处的前后位置的不同，由后至前依次称为第一三通接头34-4-1和第二三通接头34-4-2。本发明中，将四通接头34-5的四个端口根据所处的前后位置不同，分别称为后端口、前端口、左端口和右端口。堵头34-3的端口是口径与直径为50毫米的PVC水管相配合的端口，三通接头34-4的三个端口是口径与直径为50毫米的PVC水管相配合的端口，四通接头34-5的四个端口是口径与直径为50毫米的PVC水管相配合的端口。
第一堵头34-3-1的前端口与第一连接管34-2-1的后端口密闭固定连接，第一连接管34-2-1的前端口与第一三通接头34-4-1的第一端口密闭固定连接，第一三通接头34-4-1的第二端口与第二连接管34-2-2的后端口密闭固定连接，第二连接管34-2-2的前端口与四通接头34-5的后端口密闭固定连接，四通接头34-5的前端口与第三连接管34-2-3的后端口密闭固定连接，第三连接管34-2-3的前端口与第二三通接头34-4-2的第一端口密闭固定连接，第二三通接头34-4-2的第二端口与第四连接管34-2-4的后端口密闭固定连接，第二堵头34-3-2的后端口与第四连接管34-2-4的前端口密闭固定连接。
第一连接管34-2-1的后端口与第一三通接头34-4-1的第三端口之间、第二三通接头34-4-2的第三端口与第四连接管34-2-4的前端口之间的距离均为140毫米；第一三通接头34-4-1的第三端口与四通接头34-5的右端口之间、四通接头34-5的右端口与第二三通接头34-4-2的第三端口之间的距离均为280毫米。出水管34-1的右端口与四通接头34-5的左端口密闭固定连接。
下行流出水主干管路34布设在池体10内的底部表面、且被掩埋在基质1的第一粗粒径基质层1-1的下部，紧靠池体10的左侧墙体内壁，出水管34-1穿过池体10的左侧墙体，且出水管34-1位于池体10外的左端口（出水口）处设有一个下行流出水阀门52。
见图9和图10，下行流集水支管33是直径为50毫米的PVC水管，每根下行流集水支管33的管体上，每间隔100毫米均设有一组进水孔33-4，各组进水孔33-4的数量为5个，1个开口朝前，1个开口朝后，1个开口朝上，1个开口朝前上方，一个开口朝后上方，进水孔33-4的孔径为6毫米。
见图4，下行流集水支管33共3根，长度略小于2米，右端均封口。3根下行流集水支管33按照所处的前后位置不同，由后至前依次称为第一下行流集水支管33-1、第二下行流集水支管33-2和第三下行流集水支管33-3。第一下行流集水支管33-1的左端口与第一三通接头34-4-1的第三端口密闭固定连接，第二下行流集水支管33-2的左端口与四通接头34-5的右端口密闭固定连接，第三下行流集水支管33-3的左端口与第二三通接头34-4-2的第三端口密闭固定连接。
见图4及图6，上行流进水主干管路41为由5跟PVC水管41-1、41-2，3个三通接头41-3、41-4和2个弯头41-5构成的管组件。各PVC水管的直径均为30毫米，5根PVC水管分为1根进水管41-1和4根连接管41-2，4根连接管41-2按照所处前后位置的不同，由后至前依次称为第一连接管41-2-1、第二连接管41-2-2、第三连接管41-2-3和第四连接管41-2-4。
3个三通接头分为1个进水三通接头41-3和2个分支用三通接头41-4，2个分支用三通接头41-4按照所处的前后位置的不同，由后至前依次称为第一分支用三通接头41-4-1和第二分支用三通接头41-4-2。进水三通接头41-3的三个端口是口径与直径为30毫米的PVC水管相配合的端口，分支用三通接头41-4的第一端口和第二端口是口径与直径为30毫米的PVC水管相配合的端口，第三端口是口径与直径为20毫米的PVC水管相配合的端口。
2个弯头41-5按照所处的前后位置的不同，由后至前依次称为第一弯头41-5-1和第二弯头42-5-2。2个弯头41-5的一个端口是口径与直径为30毫米的PVC水管相配合的端口，另一个端口是口径与直径为20毫米的PVC水管相配合的端口。
第一弯头41-5-1的前端口与第一连接管41-2-1的后端口密闭固定连接，第一连接管41-2-1的前端口与第一分支用三通接头41-4-1的第一端口密闭固定连接，第一分支用三通接头41-4-1的第二端口与第二连接管41-2-2的后端口密闭固定连接，第二连接管41-2-2的前端口与进水三通接头41-3的第一端口密闭固定连接，进水三通接头41-3的第二端口与第三连接管41-2-3的后端口密闭固定连接，第三连接管41-2-3的前端口与第二分支用三通接头41-4-2的第一端口密闭固定连接，第二分支用三通接头41-4-2的第二端口与第四连接管41-2-4的后端口密闭固定连接，第四连接管41-2-4的前端口与第二弯头41-5-2的后端口密闭固定连接。
第一弯头41-5-1的左端口与第一分支用三通接头41-4-1的第三端口之间、第一分支用三通接头41-4-1的第三端口与第二分支用三通接头41-4-2的第三端口之间、第二分支用三通接头41-4-2的第三端口与第二弯头41-5-2的左端口之间的距离均为280毫米。进水管41-1的左端口与进水三通接头41-3的第三端口密闭固定连接。
上行流进水主干管路41布设在池体10内的底部表面、被掩埋在基质1的第一粗粒径基质层1-1的底部，紧靠池体10的右侧墙体内壁，进水管41-1穿过池体10的右侧墙体，且进水管41-1位于池体10外的右端口（进水口）处设有一个上行流进水阀门53。
见图11和图12，上行流布水支管42是直径为20毫米的PVC水管，每根上行流布水支管42的管体上，每间隔100毫米均设有一组出水孔42-5，各组出水孔42-5的数量为3个，1个开口朝前，1个开口朝后，第3个开口朝上，出水孔42-5的孔径为4毫米。
见图4，上行流布水支管42共4根，长度略小于2米，左端均封口。4根上行流布水支管42按照所处的前后位置不同，由后至前依次称为第一上行流布水支管42-1、第二上行流布水支管42-2、第三上行流布水支管42-3和第四上行流布水支管42-4。第一上行流布水支管42-1的右端口与第一弯头41-5-1的左端口密闭固定连接，第二上行流布水支管42-2的右端口与第一分支用三通接头41-4-1的第三端口密闭固定连接，第三上行流布水支管42-3的右端口与第二分支用三通接头41-4-2的第三端口密闭固定连接，第四上行流布水支管42-4的右端口与第二弯头41-5-2的左端口密闭固定连接。因此上行流布水支管42与下行流集水支管33在前后方向上交错设置。
见图3及图6，上行流出水主干管路44为由5根PVC水管44-1、44-2，2个堵头44-3，2个三通接头44-4和1个四通接头44-5构成的管组件。各PVC水管的直径均为50毫米。5根PVC水管分为1根出水管44-1和4根连接管44-2，4根连接管44-2按照所处前后位置的不同，由后至前依次称为第一连接管44-2-1、第二连接管44-2-2、第三连接管44-2-3和第四连接管44-2-4。
2个堵头44-3按照所处的前后位置的不同，由后至前依次称为第一堵头44-3-1和第二堵头44-3-2，第一堵头44-3-1设有前端口，第二堵头44-3-2设有后端口。2个三通接头44-4按照所处的前后位置的不同，由后至前依次称为第一三通接头44-4-1和第二三通接头44-4-2。堵头44-3的端口是口径与直径为50毫米的PVC水管相配合的端口，三通接头44-4的三个端口是口径与直径为50毫米的PVC水管相配合的端口，四通接头44-5的四个端口是口径与直径为50毫米的PVC水管相配合的端口。
第一堵头44-3-1的前端口与第一连接管44-2-1的后端口密闭固定连接，第一连接管44-2-1的前端口与第一三通接头44-4-1的第一端口密闭固定连接，第一三通接头44-4-1的第二端口与第二连接管44-2-2的后端口密闭固定连接，第二连接管44-2-2的前端口与四通接头44-5的后端口密闭固定连接，四通接头44-5的前端口与第三连接管44-2-3的后端口密闭固定连接，第三连接管44-2-3的前端口与第二三通接头44-4-2的第一端口密闭固定连接，第二三通接头44-4-2的第二端口与第四连接管44-2-4的后端口密闭固定连接，第二堵头44-3-2的后端口与第四连接管44-2-4的前端口密闭固定连接。
第一连接管44-2-1的后端口与第一三通接头44-4-1的第三端口之间、第二三通接头44-4-2的第三端口与第四连接管44-2-4的前端口之间的距离均为140毫米；第一三通接头44-4-1的第三端口与四通接头44-5的右端口之间、四通接头44-5的右端口与第二三通接头44-4-2的第三端口之间的距离均为280毫米。出水管44-1的右端口与四通接头44-5的左端口密闭固定连接。
上行流出水主干管路44掩埋在基质1的第二粗粒径基质层1-4内，紧靠池体10的左侧墙体内壁，出水管44-1穿过池体10的左侧墙体，且出水管44-1位于池体10外的左端口（出水口）处设有一个上行流出水阀门54。
见图13和图14，上行流集水支管43是直径为50毫米的PVC水管，每根上行流集水支管43的管体上，管体上每间隔100毫米均设有一组进水孔43-4，各组进水孔43-4的数量为5个，1个开口朝前，1个开口朝后，1个开口朝下，1个开口朝前下方，一个开口朝后下方，进水孔42-4的孔径为6毫米。
见图3，上行流集水支管43共3根，长度略小于2米，右端封口。3根上行流集水支管43按照所处的前后位置不同，由后至前依次称为第一上行流集水支管43-1、第二上行流集水支管43-1和第三上行流集水支管43-3。第一上行流集水支管43-1的左端口与第一三通接头44-4-1的第三端口密闭固定连接，第二上行流集水支管43-2的左端口与四通接头44-5的右端口密闭固定连接，第三上行流集水支管43-3的左端口与第二三通接头44-4-2的第三端口密闭固定连接。因此上行流集水支管43与下行流布水支管32在前后方向上交错设置。
（实施例2、污水处理系统的工作方法）
见图1和图2，本实施例的污水处理系统的工作方法中的污水处理系统，采用由实施例1得到的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统，该污水处理系统的工作方法为：采用下行流和上行流两种工作方式以一个月为时间间隔交替运行。
具体工作方法为：在第一个月，采用单下行流工作方式：①使得下行流进水阀门51的进水口处于连接有由污水水泵作为压力动力源的污水进水管；②使得下行流进水阀门51和下行流出水阀门52处于开启状态，使得上行流进水阀门53和上行流出水阀门54处于关闭状态；③开启污水水泵，使得污水经过下行流进水主干管路31流入下行流布水支管32，再由下行流布水支管32上的出水孔32-5流至基质1的表面；④步骤③中流至基质1表面的污水在重力作用下，向下渗流，分别经过第一粗粒径基质层1-1、中粒径基质层1-2、细粒径基质层1-3和第二粗粒径基质层1-4的过滤而成为过滤水，并流至池体10的底部；⑤流至池体（10）的底部的过滤水从各下行流集水支管33上的进水孔33-4流入下行流集水支管33内，汇集至下行流出水主干管路34中后被排出。此过程中，会有部分被处理过的污水流入上行流布水支管42和上行流进水主干管路41内并暂时存积。这部分污水数量极少，不会对污水处理效果造成不良影响，另外，在下一个月的上行流工作方式的过程中，其中的污水会首先被待处理的浓度较高的污水挤出管道而再次被基质1处理。
在第二个月，采用单上行流工作方式：①使得上行流进水阀门53的进水口处连接有由污水水泵作为压力动力源的污水进水管；②使得上行流进水阀门53和上行流出水阀门54处于开启状态，使得下行流进水阀门51和下行流出水阀门52处于关闭状态；③开启污水水泵，使得污水经过上行流进水主干管路41流入上行流布水支管42，再由上行流布水支管42上的出水孔42-5流入基质1的底层；④步骤③中流至基质1的底层的污水由于有污水水泵作为压力动力源，污水由基质1底部因压力向上流动，分别经过第一粗粒径基质层1-1、中粒径基质层1-2和细粒径基质层1-3的过滤而成为过滤水，向上流至超过上行流集水支管43的进水孔43-4的高度；⑤在水位压力作用下，各上行流集水支管43附近的过滤水通过上行流集水支管43的相应的进水孔43-4流入上行流集水支管43内，汇集至上行流出水主干管路44而被排出。
第三个月采用单下行流工作方式，第四个月采用单上行流工作方式，如此每隔一个月交替运行下行流和上行流两种工作方式。
通过交替运行下行流和上行流两种工作方式来交替改变污水的水流流向，利用污水水流反向冲击湿地的基质1内发生淤塞的部位，疏通已堵塞的污水水流通道，改变基质1内部水流路径，从而达到减免人工湿地发生淤堵的目的。
（实施例3、污水处理系统的工作方法）
本实施例的污水处理系统的工作方法与实施例2的工作方法基本相同，区别仅在于第一个月采用单上行流工作方式，第二个月采用单下行流工作方式，每隔一个月交替运行下行流和上行流两种工作方式。
（实施例4、污水处理系统的工作方法）
本实施例的污水处理系统的工作方法与实施例2或实施例3的工作方法基本相同，区别仅在于所述的一个时间间隔也可为一周、半个月或一个半月。
（实施例5、与单下行流人工湿地的对比）
采用由实施例1得到的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统以及由实施例2得到的上述污水处理系统的工作方法作为试验组与作为参照组的传统单下行流垂直流潜流式人工湿地进行试验对比。为加快模拟湿地堵塞的情况，进水采用城市污水处理厂初沉池的出水作为两组人工湿地的污水进水源。
两组人工湿地均采用间歇式进水的方式，每天进水4 次，每次间隔约6h，每次进水量为120L。试验组采用初始运行下行流，以后每月交替使用上行流、下行流的运行方式。
运行1年后，将试验组的双向垂直流潜流式人工湿地污水处理系统与参照组的传统的单下行流垂直流潜流式人工湿地进行水力传导性能及污染物去除效果的对比，试验结果表明：传统的垂直潜流式人工湿地运行一年后，水力停留时间由原来的4.8小时延长至7.9小时，出现基质堵塞现象，COD去除率与同期相比下降了60%；而本发明的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统通过交替改变湿地内水流流向，使基质的水力传导性能维持良好，污水处理系统运行一年后，水力停留时间仅由原来的4.8小时变化为5.0小时，COD去除率保持稳定。并且在细粒径基质层1-3中栽培植物，植物吸收污水被过滤后留下的养分，有利于恢复土壤的通透能力以及植物的生长，双向污水的交替流过使得土壤内的养分长期保持在一个稳定的状态，对于植物的生长起到了很好的促进效果。
Claims (9)
1.一种垂直流潜流式人工湿地污水处理系统，包括池体（10）、基质（1）和湿地植物（2）；基质（1）分层铺置在池体（10）内，湿地植物（2）种植在基质（1）上；其特征在于：还包括设置在池体（10）内的下行流系统和上行流系统；
所述基质（1）包括从下到上依次分层分布的第一粗粒径基质层（1-1）、中粒径基质层（1-2）、细粒径基质层（1-3）和第二粗粒径基质层（1-4）；基质（1）的第一粗粒径基质层（1-1）的深度为100～300毫米，主要由粒径为8至16毫米的砾石组成；中粒径基质层（1-2）的深度为400～600毫米，主要由粒径为2至8毫米的粗砂组成；细粒径基质层（1-3）即为土壤层，其深度为100～200毫米；第二粗粒径基质层（1-4）的深度为100～200毫米，主要由粒径为8至16毫米的砾石组成；第二粗粒径基质层（1-4）的上表面与池体（10）的池顶之间的距离为100～300毫米；池体（10）的材质为混凝土；
所述下行流系统包括下行流进水主干管路（31）、4至30根下行流布水支管（32）、4至30根下行流集水支管（33）、下行流出水主干管路（34）、下行流进水阀门（51）和下行流出水阀门（52）；
所述下行流进水主干管路（31）分别与各根下行流布水支管（32）密闭固定连接；下行流进水主干管路（31）和所有的下行流布水支管（32）均布设在基质（1）的第二粗粒径基质层（1-4）的上表面；每根下行流布水支管（32）的管体上，每间隔50～150毫米设有一组开口朝下的出水孔（32-5）；下行流进水阀门（51）密闭固定连接在下行流进水主干管路（31）的进水口处，且位于池体（10）的外部；
所述下行流出水主干管路（34）分别与各根下行流集水支管（33）密闭固定连接；下行流出水主干管路（34）和所有的下行流集水支管（33）均布设在池体（10）内的底部表面、且被掩埋在基质（1）的第一粗粒径基质层（1-1）的下部；每根下行流集水支管（33）的管体上，每间隔50～150毫米设有一组开口朝上的进水孔（33-4）；下行流出水阀门（52）密闭固定连接在下行流出水主干管路（34）的出水口处，且位于池体（10）的外部；
所述上行流系统包括上行流进水主干管路（41）、4至30根上行流布水支管（42）、4至30根上行流集水支管（43）、上行流出水主干管路（44）、上行流进水阀门（53）和上行流出水阀门（54）；
所述上行流进水主干管路（41）分别与各根上行流布水支管（42）密闭固定连接；上行流进水主干管路（41）和所有的上行流布水支管（42）均布设在池体（10）内的底部表面、被掩埋在基质（1）的第一粗粒径基质层（1-1）的底部，且上行流布水支管（42）与下行流集水支管（33）在前后方向上交错设置；每根上行流布水支管（42）的管体上，每间隔50～150毫米设有一组开口朝上的出水孔（42-5）；上行流进水阀门（53）密闭固定连接在上行流进水主干管路（41）的进水口处，且位于池体（10）的外部；
所述上行流出水主干管路（44）分别与各根上行流集水支管（43）密闭固定连接；上行流出水主干管路（44）和所有的上行流集水支管（43）均布设在基质（1）的第二粗粒径基质层（1-4）内，且上行流集水支管（43）与下行流布水支管（32）在前后方向上交错设置；每根上行流集水支管（43）的管体上，每间隔50～150毫米设有一组开口朝下的进水孔（43-4）；上行流出水阀门（54）密闭固定连接在上行流出水主干管路（44）的出水口处，且位于池体（10）的外部。
2.根据权利要求1所述的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统，其特征在于：所述湿地植物（2）为适用于潜流式湿地的水生或湿生植物，它们是香蒲、芦苇、菰、芦竹、水葱、纸莎草、藨草、菖蒲、海芋、灯心草、再力花和蜘蛛兰中的一种、二种、三种、四种或五种，湿地植物（2）由其根部种植在基质（1）的细粒径基质层（1-3）内，平均每平方米种植数量为4至8株。
3.根据权利要求1或2所述的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统，其特征在于：
下行流进水主干管路（31）包括进水管（31-1），还包括将进水管（31-1）与各下行流布水支管（32）相连通的相应的三通接头和连接管，下行流进水主干管路（31）紧靠池体（10）的右侧墙体内壁，且进水管（31-1）穿过池体（10）的右侧墙体，下行流进水阀门（51）设置在进水管（31-1）的位于池体（10）外的右端口处；
每根下行流布水支管（32）的长度为2～20米，左端封口；所有下行流布水支管（32）均沿左右向平行设置，且相邻2根下行流布水支管（32）之间的距离为240～320毫米；
下行流出水主干管路（34）包括出水管（34-1），还包括将出水管（34-1）与各下行流集水支管（33）相连通的相应的三通接头和连接管，下行流出水主干管路（34）紧靠池体（10）的左侧墙体内壁，且出水管（34-1）穿过池体（10）的左侧墙体，下行流出水阀门（52）设置在出水管（34-1）的位于池体（10）外的左端口处；
每根下行流集水支管（33）的长度与下行流布水支管（32）的长度相等，右端封口；所有下行流集水支管（33）均沿左右向平行设置，且相邻2根下行流集水支管（33）之间的距离为240～320毫米。
4.根据权利要求3所述的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统，其特征在于：下行流进水主干管路（31）的进水管（31-1）和各连接管均为PVC水管，它们的管体直径均为30～50毫米；下行流布水支管（32）是直径为20～40毫米的PVC水管，且下行流进水主干管路（31）的进水管（31-1）和各连接管的直径大于或等于下行流布水支管（32）的直径；下行流布水支管（32）的每组出水孔（32-5）的数量为3至5个，每个出水孔（32-5）的孔径为4至8毫米；
下行流出水主干管路（34）的出水管（34-1）和各连接管均为PVC水管，它们的管体直径均为50～90毫米；下行流集水支管（33）是直径为40～60毫米的PVC水管，且下行流出水主干管路（34）的出水管（34-1）和各连接管的直径大于或等于下行流集水支管（33）的直径；下行流集水支管（33）的每组进水孔（33-4）的数量为5至7个，每个进水孔（33-4）的孔径为6至12毫米。
5.根据权利要求3所述的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统，其特征在于：
上行流进水主干管路（41）包括进水管（41-1），还包括将进水管（41-1）与各上行流布水支管（42）相连通的相应的三通接头和连接管，上行流进水主干管路（41）紧靠池体（10）的右侧墙体内壁，且进水管（41-1）穿过池体（10）的右侧墙体，上行流进水阀门（53）设置在进水管（41-1）的位于池体（10）外的右端口处；
每根上行流布水支管（42）的长度与下行流布水支管（32）的长度相等，左端封口；所有上行流布水支管（42）均沿左右向平行设置，且相邻2根上行流布水支管（42）之间的距离为240～320毫米；
上行流出水主干管路（44）包括出水管（44-1），还包括将出水管（44-1）与各上行流集水支管（43）相连通的相应的三通接头和连接管，上行流出水主干管路（44）紧靠池体（10）的左侧墙体内壁，且出水管（44-1）穿过池体（10）的左侧墙体，上行流出水阀门（54）设置在出水管（44-1）的位于池体（10）外的左端口处；
每根上行流集水支管（43）的长度与下行流布水支管（32）的长度相等，右端封口； 所有上行流集水支管（43）均沿左右向平行设置，且相邻2根上行流集水支管（43）之间的距离均为240～320毫米。
6.根据权利要求5所述的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统，其特征在于：上行流进水主干管路（41）的进水管（41-1）和各连接管均为PVC水管，它们的管体直径均为30～50毫米；上行流布水支管（42）是直径为20～40毫米的PVC水管，且上行流进水主干管路（41）的进水管（41-1）和各连接管的直径大于或等于上行流布水支管（42）的直径；上行流布水支管（42）的每组出水孔（42-5）的数量为3至5个，每个出水孔（42-5）的孔径为4至8毫米；
上行流出水主干管路（44）的出水管（44-1）和各连接管均为PVC水管，它们的管体直径均为50～90毫米；上行流集水支管（43）是直径为40～60毫米的PVC水管，且上行流出水主干管路（44）的出水管（44-1）和各连接管的直径大于或等于上行流集水支管（43）的直径；上行流集水支管（43）的每组进水孔（43-4）的数量为5至7个，每个进水孔（43-4）的孔径为6至12毫米。
7.一种由权利要求1所述的垂直流潜流式人工湿地污水处理系统处理污水的方法，其特征在于：采用下行流和上行流两种工作方式以1～60天为一个时间间隔交替运行，也即在单数的时间间隔内采用单下行流工作方式，在双数的时间间隔内采用单上行流工作方式，或者是在单数的时间间隔内采用单上行流工作方式，在双数的时间间隔内采用单下行流工作方式。
8.根据权利要求7所述的处理污水的方法，其特征在于：在采用单下行流工作方式时具有如下步骤：①使得下行流进水阀门（51）的进水口处于连接有由污水水泵作为压力动力源的污水进水管；②使得下行流进水阀门（51）和下行流出水阀门（52）处于开启状态，使得上行流进水阀门（53）和上行流出水阀门（54）处于关闭状态；③开启污水水泵，使得污水经过下行流进水主干管路（31）流入下行流布水支管（32），再由下行流布水支管（32）上的出水孔（32-5）流至基质（1）的表面；④步骤③中流至基质（1）表面的污水在重力作用下，向下渗流，分别经过第一粗粒径基质层（1-1）、中粒径基质层（1-2）、细粒径基质层（1-3）和第二粗粒径基质层（1-4）的过滤而成为过滤水，并流至池体（10）的底部；⑤流至池体（10）的底部的过滤水从各下行流集水支管（33）上的进水孔（33-4）流入下行流集水支管（33）内，汇集至下行流出水主干管路（34）中后被排出；
在采用单上行流工作方式时具有如下步骤：①使得上行流进水阀门（53）的进水口处连接有由污水水泵作为压力动力源的污水进水管；②使得上行流进水阀门（53）和上行流出水阀门（54）处于开启状态，使得下行流进水阀门（51）和下行流出水阀门（52）处于关闭状态；③开启污水水泵，使得污水经过上行流进水主干管路（41）流入上行流布水支管（42），再由上行流布水支管（42）上的出水孔（42-5）流入基质（1）的底层；④步骤③中流至基质（1）的底层的污水由于有污水水泵作为压力动力源，污水由基质（1）底部因压力向上流动，分别经过第一粗粒径基质层（1-1）、中粒径基质层（1-2）和细粒径基质层（1-3）的过滤而成为过滤水，向上流至超过上行流集水支管（43）的进水孔（43-4）的高度；⑤在水位压力作用下，各上行流集水支管（43）附近的过滤水通过上行流集水支管（43）的相应的进水孔（43-4）流入上行流集水支管（43）内，汇集至上行流出水主干管路（44）而被排出；
交替采用单下行流和单上行流的工作方式处理污水时，能交替改变基质（1）内污水水流流向，有效预防和延缓人工湿地淤堵，在长期的运行过程中能维持较好的水力传导性能与稳定的COD去除率，污水处理效率稳定；在细粒径基质层（1-3）中栽培植物，植物吸收污水被过滤后留下的养分，有利于恢复土壤的通透能力以及植物的生长，双向污水的交替流过使得土壤内的养分长期保持在一个稳定的状态，对于植物的生长起到了很好的促进效果。
9.根据权利要求7或8所述的处理污水的方法，其特征在于：一个时间间隔为一周、半个月、一个月或一个半月。
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