CN101993150B - 复式潜流人工湿地系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复式潜流人工湿地系统，包括湿地池及湿地床体，湿地床体表层为小粒径填料层，表层至池底为大粒径填料层，设进水管，收水槽，收水槽的收水侧为连接细格栅的收水花墙并设出水管，湿地植物分布于湿地床体表面；特征是进水端与出水端设置在湿地床体的同一端，进水管为沿短边堤坝方向水平设置在大粒径填料层和小粒径填料层之间的穿孔管；收水槽与进水管平行设置在进水管远离短边堤坝一侧；沿长边堤坝向湿地床体斜下方设置一隔水层，其上端与收水花墙底部连接，下端与后端短边堤坝及池底保有距离，两侧长边与堤坝连接，湿地床体设放气管。本发明的优点是：总氮去除率提高，延缓湿地堵塞，占地面积减小，低温或冬季运行实现较高处理效率。

Description

复式潜流人工湿地系统

技术领域

本发明涉及一种污、废水处理设施，尤其涉及一种复式潜流人工湿地系统。

背景技术

人工湿地系统水质净化技术是20世纪70～80年代发展起来的一种新型污、废水处理工艺。人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，是在具有一定长宽比的洼地中由土壤和砂、砾石等基质填料混合构成填料床，并在床体上种植如芦苇、茳芏等处理性能好、成长周期长、美观及具有经济价值的水生植物形成的具有水处理和恢复自然界生态功能的污、废水处理系统。当污、废水通过系统时，水体在床体的填料、植物根际缝隙或床体表面流动，使其中的污染物质被系统吸收或分解，使水质得到净化。人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物具有较强的降解能力，污、废水中的不溶性有机物可通过湿地的沉淀、过滤作用被截留，进而被微生物所利用而降解，污、废水中可溶性有机物则通过植物根系及生物膜的吸收、吸附及生物降解过程而被分解、去除。目前，人工湿地主要采用挺水植物。按水体流经方式主要分为潜流人工湿地和表面流人工湿地。当前，潜流人工湿地成为人工湿地的应用主流。

潜流人工湿地以其投资运行费用低、出水水质好、维护简便等特点，在国内外得到了广泛的应用，但目前仍存在如下亟待解决的问题：(1)潜流人工湿地前端进水端因难以降解的大分子有机物和悬浮物长时间积累而堵塞，降低了湿地的使用寿命；(2)湿地的生物硝化与反硝化的效率比较低，总氮的去除效果不理想；(3)冬季低温运行处理效果差；(4)受植物根系传递氧气能力的限制，湿地一般都比较浅，占地面积较大。

发明内容

本发明的主要目的在于针对上述问题，提供一种复式潜流人工湿地系统，通过在湿地床体内部设置一倾斜的隔水层，将湿地床体分成上下两层，通过设置下层厌氧区来创造比较理想的生物反硝化环境，使湿地的总氮去除率得以提高；增加床体深度和厌氧区体积，可有效延缓湿地前端进水端的堵塞，延长湿地使用寿命；床体深度的增加和厌氧区的设置提供了湿地增温和保温的功能，低温环境可实现较高的处理效率；减小占地面积。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种复式潜流人工湿地系统，包括长方形湿地池和填充在池体中的湿地床体，所述湿地池由长边堤坝及短边堤坝围拢地面构成，所述湿地床体表层为小粒径填料层，表层至池底为大粒径填料层，湿地床体前端为进水端，设有污、废水进水管，出水端设置收水槽，收水槽的收水侧为连接细格栅的收水花墙且槽内设有出水管，细格栅通过砂滤层与小粒径填料层及大粒径填料层连接，根部深入到大粒径填料层内的湿地植物均匀分布于湿地床体表面，湿地床体内设置好氧厌氧混合区，在湿地床体下部设置放空管；其特征在于所述进水端与出水端设置在湿地床体的同一端，所述进水管为靠近前端短边堤坝沿短边堤坝方向水平设置于两长边堤坝之间并埋设于大粒径填料层和小粒径填料层之间的穿孔管；所述收水槽与进水管平行并与其保有间隔设置在进水管的远离短边堤坝一侧，收水槽两端分别密封连接两长边堤坝；沿长边堤坝方向向湿地床体斜下方倾斜设置一隔水层，隔水层上端与收水花墙底部连接，其下端与后端短边堤坝及池底保有距离设置，其两侧分别与两长边堤坝密封连接，隔水层上部为好氧厌氧混合区，隔水层下部及收水槽下部为厌氧区；在湿地床体上均匀设置若干根上端伸出湿地床体表层、下端穿至隔水层下部的竖直放气管，其管体与隔水层密封连接，。

所述湿地池池底的长宽比为5∶1～8∶1，湿地床体的深度≥1.2m。

所述隔水层是由土工膜和铺设于土工膜上、下面的防护层构成，所述防护层为粒径5-10mm的细碎填料层，隔水层下端与后端短边堤坝的距离为池底长度的1/10-1/8，最大距离值≤3m，与池底的距离为300-500mm。

所述收水槽是由收水花墙，槽底和边墙构成的条形方槽；所述出水管沿槽水平布设并伸出湿地池外，出水管顶部均匀设置多个与其连通的上开口竖直管，收水槽边墙距进水端短边堤坝的距离为池底长度的1/10-1/8，最大距离值≤3m，槽内水深为300～500mm。

所述小粒径填料层厚度为100～200mm，填料粒径为30～50mm；所述大粒径填料的粒径为60～80mm。

所述放气管间距为2m以上。

所述砂滤层与湿地床体表面平齐铺设在所述隔水层顶面与细格栅之间的空间中，其沿长边堤坝方向的长度为1～2m，砂粒径为5～10mm。

所述放空管沿短边堤坝方向水平设置于进水端湿地床体一侧并伸出湿地床体，放空管与池底的距离为200-300mm。

本发明的有益效果是：(1)增设下层厌氧区增强了系统的脱氮能力，通过在湿地床体中设置隔水层，将湿地分为上下两层，下层D0值极低接近厌氧条件，在由好氧前处理设施提供的进水中含有大量硝化液的情况下，将硝态氮转化成氮气经由放气管从系统中排出。同时厌氧区进水端截留的大分子有机物分解后可为反硝化反应补充碳源，达到低碳反硝化的目的，提高系统总氮去除率。下层厌氧区的设置可以增强系统的反硝化能力。(2)增大表面水力负荷，湿地床体分为上下两层后，深度增加到1.2m以上，远大于普通湿地深度0.6～0.8m，增加了系统有效容积，从而增加了表面水力负荷，并实现减小占地面积、节约工程经费的目的。(3)进水管和收水槽设置在湿地同一端，使污水在湿地中形成折返流，延长了水流路径，更有利于污染物去除；同时便于对进水端、收水端运行状况及设施进行监测维修。(4)复式潜流湿地的前端进水端与现有水平潜流湿地的进水端相比，有效容积显著增大，从而延缓了湿地堵塞时间。(5)湿地深度的增加具有更好的保温效果，湿地下层厌氧区对有机物生物分解过程所产生的热量有利于保持床体温度，使得低温或冬季运行可实现较高的处理效率。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图2的I放大图；

图4是图1的F放大图；

图5是图1的B-B剖视图。

图中：1湿地池，11-12长边堤坝，13-14短边堤坝，2放气管，3细格栅，4出水管，41竖直管，5进水管，51进水端管，6湿地床体，61小粒径填料层，62大粒径填料层，7隔水层，71土工膜，72防护层，8湿地植物，9收水槽，90过水孔，91收水花墙，92边墙，93槽底，10砂滤层，15池底，16放空管，17厌氧区，18好氧厌氧混合区。

以下结合附图和实施例对本发明详细说明。

具体实施方式

图1-图5示出一种复式潜流人工湿地系统，包括长方形湿地池1和填充在池体中的湿地床体6，上述湿地池由长边堤坝11、12及短边堤坝13、14围拢地面构成，湿地池为整个湿地系统的外部支撑体，其上表面铺设土工膜71做防水处理，土工膜71的表面设置防护层72，防护层为粒径5-10mm细碎填料层，细碎填料层厚度按照土建行业常规确定。上述湿地床体6表层为小粒径填料层61，表层至池底15为大粒径填料层62。小粒径、大粒径填料及细碎填料一般采用砾石、砖瓦片、灰渣、黏土砖碎块等，小粒径填料层厚度为100～200mm，填料粒径为30～50mm；大粒径填料的粒径为60～80mm。上述湿地池池底15的长宽比为5∶1～8∶1，湿地床体的深度≥1.2m。

与现有潜流人工湿地系统相同，湿地床体前端为进水端，设有污、废水进水管，出水端设置收水槽，收水槽的收水侧为连接细格栅的收水花墙且槽内设有出水管，细格栅通过砂滤层与小粒径填料层及大粒径填料层连接，细格栅为市售产品，应选择格栅孔小于砂滤层纱粒粒径的细格栅。根部深入到大粒径填料层内的湿地植物均匀分布于湿地床体表面，湿地床体内设置好氧厌氧混合区，在湿地床体下部设置放空管。如图1-图4所示，湿地植物8均匀分布于湿地床体6表面，其根部深入到大粒径填料层62内。上述湿地植物可选取芦苇、菖蒲、美人蕉、茳芏等。

本发明的特征在于上述进水端与出水端设置在湿地床体6的同一端，进水管5为靠近前端短边堤坝13沿短边堤坝方向水平设置于两长边堤坝11、12之间并埋设于大粒径填料层62和小粒径填料层61之间的穿孔管。本实施例中，进水管5是通过其中央连接由短边堤坝13引入的进水端管51形成的T形管，通过沿管设置的出水孔进水，实现均布进水。上述收水槽9与进水管5平行并与其保有间隔设置在进水管的远离短边堤坝13一侧，收水槽9两端通过与土工膜71做密闭处理分别密封连接两长边堤坝11、12。收水槽9是由收水花墙91，槽底93和边墙92构成的条形方槽，收水花墙91上均匀设置方形过水孔90。出水管4沿槽水平布设并伸出湿地池外，出水管4顶部均匀设置多个与其连通的上开口竖直管41，竖直管的间距为1～2m。收水槽边墙92距进水端短边堤坝13的距离为池底长度的1/10-1/8，最大距离值≤3m，槽内水深为300～500mm。

本发明中，沿长边堤坝方向向湿地床体6斜下方倾斜设置一隔水层7，隔水层上端与收水花墙9底部连接，其下端与后端短边堤坝14及池底15保有距离设置，上述隔水层7是由土工膜71和铺设于土工膜上、下面的防护层72构成，防护层为粒径5-10mm的细碎填料层，细碎填料层厚度按照土建行业常规确定。隔水层7下端与后端短边堤坝14的距离为池底长度的1/10-1/8，最大距离值≤3m，与池底15的距离为300-500mm。隔水层7两侧分别通过施工时与土工膜做密闭处理实现与两长边堤坝11、12密封连接。由此，通过隔水层7将湿地床体6分为上下两层，隔水层上部为好氧厌氧混合区18，隔水层7下部及收水槽9下部为厌氧区17，下层厌氧区17呈进水端有效容积大，出水端有效容积小的簸箕形，上层好氧厌氧混合区呈进水端有效容积大，出水端有效容积小的簸箕形，上层好氧厌氧混合区进水端与下层厌氧区出水端相连，上层好氧厌氧混合区18出水端与下层厌氧区进水端之间由收水槽9隔开。

在湿地床体6上均匀设置若干根上端伸出湿地床体表层61、下端穿至隔水层7下部的竖直放气管2，放气管2的间距为2m以上，竖直放气管的管体与隔水层7密封连接，通过在施工时与土工膜做密闭处理实现。砂滤层10与湿地床体表面平齐铺设在上述隔水层7顶面与细格栅3之间的空间中，砂滤层10沿长边堤坝方向的长度为1～2m，砂粒径为5～10mm。放空管16沿短边堤坝方向水平设置于进水端湿地床体6一侧并伸出湿地床体，放空管与池底15的距离为200-300mm，放空管位于下层厌氧区。

以下，以一具体实例说明本发明的实施效果。

湿地池1池底长36m，宽6m，深1.5m；小粒径填料层61铺设厚度为150mm，采用粒径为30～50mm的砾石；大粒径填料层62采用粒径60～80mm的砾石填充于小粒径填料层61以下至池底的整个湿地床体；隔水层7的土工膜71采用规格为400g/m²，厚度为0.35mm的市售产品，防护层72采用粒径5～10mm的砾石。隔水层7上端与过水花墙91相连，下端与后端短边堤坝14的距离为3m，与池底15的距离为400mm。下层厌氧区17呈进水端有效容积大，出水端有效容积小的簸箕形，设有进水管5和放空管16；放空管与池底15距离为250mm；上层好氧厌氧混合区18呈进水端有效容积大，出水端有效容积小的簸箕形，其进水端与下层厌氧区17的出水端相连，其出水端与下层厌氧区17进水端之间由收水槽9隔开；砂滤层10采用粒径为5～10mm的砾石，沿长边堤坝方向的铺设长度为1.5m；上述收水花墙91设置于收水槽9进水端，其上以间隔400mm均匀设置边长100mm的方形过水孔90；上述收水槽9槽宽为1.5m，边墙92与前端短边堤坝13的距离为3m，水深400mm；出水管4沿收水槽9水平布设，其顶部均匀设置4个与其连通的上开口竖直管41，竖直管的间距为1.5m；在湿地床体上以间隔2m均匀设置多根上端伸出湿地床体表层100mm、下端穿至隔水层下部的竖直放气管2，放气管上端伸出湿地用以防止湿地表面杂物进入管内影响排气；湿地植物8采用芦苇，均匀分布于湿地表面，其根部深入到大粒径填料层62内。

本发明的工作过程及工作原理

如图2所示，是一种复式潜流人工湿地系统，图中箭头为流体流动方向。隔水层7将湿地床体6分为下层厌氧区17和上层好氧厌氧混合区18，形成复式潜流湿地。工作时，污水经进水管5均匀布水，进入湿地床体下层厌氧区17前端，通过过滤、吸附、共沉降等作用截留并消化分解进水中的悬浮物质并产生热能；大分子有机物在系统中长时间停留后分解为小分子有机物而补充厌氧区可利用碳源，有利于反硝化菌利用好氧前处理设施所提供的硝化液进行反硝化反应；污水流至湿地床体末端后，折返进入上层好氧厌氧混合区18，进一步去除水体中有机物、氮、磷等污染物质；水体流经砂滤层10进一步去除残留的悬浮物后进入收水槽9，经出水管4收水后，将处理后的出水排出系统外。

本发明与传统的人工湿地区别在于设置了具有较大水力停留时间的下层厌氧区17，该区进水端过流断面大，出水过流断面小，并与上层好氧厌氧混合区相对封闭，不直接进行水体交换，因此就形成了一个独立的厌氧消化污染物质的区域。在该区域内，水体流动速度由低到高渐变，进水端由于过流断面最大流速最低，进水所挟带的大量悬浮物质和胶体物质被沉淀截留，随着水体的流动，进水所挟悬浮物质的量渐少。该区域填料表面生长大量的厌氧微生物菌群，被截留沉淀的有机物质在厌氧环境下发生厌氧生化消解过程，因此也是一个对进水富集有机物质的减量化过程和提供热量的过程。厌氧生化可以分解大分子有机物质而产生易被微生物利用的碳源，有利于反硝化过程的碳源补充。由好氧前处理设施提供的进水中含有大量的硝态氮，在该区域利用进水中有机碳和大分子有机物厌氧消解所补充的碳源的情况下，经反硝化菌作用还原为氮气，因此实现了低碳反硝化过程。为防止气体聚集产生不良影响，该区域产生的气体经放气管2排出系统外。

上层好氧厌氧混合区18的功能和传统湿地功能相同，湿地床体基质填料通过一些物理、化学途径，如吸附、吸收、过滤、沉淀、络合反应和离子交换等来去除污水中的N、P等营养物质；湿地床体表面种植的湿地植物可直接吸收利用污水中可利用的营养物质，并吸附和富集重金属和一些有毒有害物质，同时为根区好氧微生物输送氧气，增强和维持介质的水力传输能力；微生物附着在湿地床体基质填料表面形成生物膜，通过大气复氧和植物根系传氧为湿地床体充氧，在靠近植物根系的位置形成好氧区，远离根系的位置在一定程度上形成厌氧区，在芦苇的根茎上，好氧微生物占绝对优势，而在芦苇根系区则既存在好氧微生物的活动也有兼性微生物的活动，远离根系的区域厌氧微生物比较活跃，通过微生物作用，去除污水中有机物、氮、磷等污染物。砂滤层10进一步去除水中残留悬浮物，保证进入收水槽9中的处理出水中的悬浮物含量符合处理标准。

处理效果

在水力停留时间为40小时条件下，由好氧前处理设施提供进水，进水水质如下：COD为120～150mg/L，NH₃-N为10～15mg/L，TN为25～35mg/L，TP为2～4mg/L。

出水水质为：COD为30～40mg/L，NH₃-N为0～2mg/L，TN为5～10mg/L，TP＜0.5mg/L，达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，基本达到地表水V类标准。

以上所述，仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明的结构和形状作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种复式潜流人工湿地系统，包括长方形湿地池和填充在池体中的湿地床体，所述湿地池由长边堤坝及短边堤坝围拢地面构成，所述湿地床体表层为小粒径填料层，表层至池底为大粒径填料层，湿地床体前端为进水端，设有污、废水进水管，出水端设置收水槽，收水槽的收水侧为连接细格栅的收水花墙且槽内设有出水管，细格栅通过砂滤层与小粒径填料层及大粒径填料层连接，根部深入到大粒径填料层内的湿地植物均匀分布于湿地床体表面，湿地床体内设置好氧厌氧混合区，在湿地床体下部设置放空管；其特征在于所述进水端与出水端设置在湿地床体的同一端，所述进水管为靠近前端短边堤坝沿短边堤坝方向水平设置于两长边堤坝之间并埋设于大粒径填料层和小粒径填料层之间的穿孔管；所述收水槽与进水管平行并与其保有间隔设置在进水管的远离短边堤坝一侧，收水槽两端分别密封连接两长边堤坝；沿长边堤坝方向向湿地床体斜下方倾斜设置一隔水层，隔水层上端与收水花墙底部连接，其下端与后端短边堤坝及池底保有距离设置，其两侧分别与两长边堤坝密封连接，隔水层上部为好氧厌氧混合区，隔水层下部及收水槽下部为厌氧区；在湿地床体上均匀设置若干根上端伸出湿地床体表层、下端穿至隔水层下部的竖直放气管，其管体与隔水层密封连接。

2.根据权利要求1所述的复式潜流人工湿地系统，其特征在于所述湿地池池底的长宽比为5∶1～8∶1，湿地床体的深度≥1.2m。

3.根据权利要求1所述的复式潜流人工湿地系统，其特征在于所述隔水层是由土工膜和铺设于土工膜上、下面的防护层构成，所述防护层为粒径5-10mm的细碎填料层，隔水层下端与后端短边堤坝的距离为池底长度的1/10-1/8，最大距离值≤3m，与池底的距离为300-500mm。

4.根据权利要求1所述的复式潜流人工湿地系统，其特征在于所述收水槽是由收水花墙，槽底和边墙构成的条形方槽；所述出水管沿槽水平布设并伸出湿地池外，出水管顶部均匀设置多个与其连通的上开口竖直管，收水槽边墙距进水端短边堤坝的距离为池底长度的1/10-1/8，最大距离值≤3m，槽内水深为300～500mm。

5.根据权利要求1所述的复式潜流人工湿地系统，其特征在于所述小粒径填料层厚度为100～200mm，填料粒径为30～50mm；所述大粒径填料的粒径为60～80mm。

6.根据权利要求1所述的复式潜流人工湿地系统，其特征在于所述放气管间距为2m以上。

7.根据权利要求1所述的复式潜流人工湿地系统，其特征在于所述砂滤层与湿地床体表面平齐铺设在所述隔水层顶面与细格栅之间的空间中，其沿长边堤坝方向的长度为1～2m，砂粒径为5～10mm。

8.根据权利要求1所述的复式潜流人工湿地系统，其特征在于所述放空管沿短边堤坝方向水平设置于进水端湿地床体一侧并伸出湿地床体，放空管与池底的距离为200-300mm。

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