CN102211818B - 一种应对基质堵塞的水平潜流湿地改进设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应对基质堵塞的水平潜流湿地改进设计方法，水平潜流湿地基质床体靠近进水端基质床体1/10～1/4全长长度部位基质，由模块化防堵塞填料构建而成；由新型填料单元作为湿地进水端基质床体，将待处理污水引入湿地，通过一系列的物理、化学和生物作用达到净化污水的作用。由于模块化新型填料的高孔隙率和便于更换的特性，处理系统可以解决基质堵塞问题，不需长期停床，不需建造平行单元，工程投资省，管理简单，运行维护费用低、处理效果稳定；该方法可用于处理城市污水，也可用于受污染水体的修复。

Description

一种应对基质堵塞的水平潜流湿地改进设计方法

【技术领域】

本发明涉及环保技术领域，具体地说，是一种应对基质堵塞的水平潜流湿地改进设计方法。

【背景技术】

人工湿地是由人工基质(碎石、砂砾等)和生长在其上的水生植物组成，污水在湿地基质的表层或表面下流动，靠基质的吸附、植物吸收、微生物转化等一系列过程降解水中的营养物质，是一种有别于自然湿地的独特的基质-植物-微生物系统。但由于水平潜流人工湿地的设计思路导致潜流湿地极易出现堵塞的情况；据美国环保局对正在运行中的100多座人工湿地所做的调查表明，将近一半的设施在5年内均出现了基质堵塞问题，表现为水力传导系数降低，净化效果下降，运行寿命缩短。可以说除开人工湿地处理设施占地问题外，人工湿地基质的堵塞问题已经成为其应用的最大障碍因素。

为了应对潜流湿地的基质堵塞问题，国内外研究者也做了较多研究，归纳起来主要有预处理、曝气充氧、停床轮休、更换基质、投加蚯蚓、施加微生物抑制剂等方法。

(1)预处理

预处理可以降低湿地进水中的悬浮物和有机负荷(特别是当有机负荷中固态物质含量较大时)，有效预防人工湿地堵塞的发生。常见的预处理工艺有格栅、厌氧沉淀、混凝沉淀等。这些措施虽可有效推迟基质堵塞发生的时间，却不能杜绝溶解性有机物导致的基质堵塞的发生，并会增大系统的投资、运行成本以及维护管理难度。是否适合采用此类方法需要在由此引起的运行与人员费用增加和基质堵塞后更换基质所需费用之间进行权衡。

(2)曝气充氧

由于厌氧状态是导致基质中胞外聚合物积累的重要原因，因此对污水进行预曝气充氧可以起到一定的预防堵塞作用。由于污水在渗透过程中其DO值会迅速降低，而在散水管周围供给空气则可以有效提高污水的DO浓度，维持基质中的好氧状态，使微生物的分解作用得以维持，同时还可以防止基质中胞外聚合物的蓄积。但引起的系统构筑物增加，操作复杂和费用上升，让其实施也有难度。

(3)停床、轮休

人工湿地受堵塞后，国外通行的做法是让床体经过几个星期的停床休整来恢复部分渗透性，而轮休期的长短则取决于天气条件，一般从7天至一个月不等。通过停床休作与轮作，一方面可以使大气中的氧进入湿地内部，加快降解基质中沉积的有机物；另一方面微生物新陈代谢需要的各种营养物得不到持续的补充，基质中的微生物会逐渐进入内源呼吸期，消耗胞外聚合物或胞内成分，逐渐老化死亡。但这类措施需要建造多个平行湿地构筑物，会大幅度增加湿地处理系统的占地面积和投资费用。

(4)更换湿地部分基质

研究发现，堵塞最容易发生的区域一般为进水区附近的上层基质，以水平潜流湿地为例，一般发生在过水流向长度前1/10～1/4段。为此，通过更换湿地部分基质可以有效恢复人工湿地的功能，缺点是对大规模的湿地而言工程量较大、更换困难、更换时人工湿地需要停床且更换所花时间长。研究者发现，在连续运行5年的复合垂直潜流湿地中，发生渗透系数下降主要是在靠近进水端的下行池，且下降最多的不是在湿地表层，而是在表层以下15～30cm处，这恰恰证明基质由氧化环境转向厌氧环境处易发生有机物代谢产物引起的堵塞。但是此研究结果也提出了问题，水平潜流湿地一般设计有效深度在60～80cm，这意味着如需更换基质来解决堵塞问题，将更换微生物活性最强、植物根系最发达的植物生长基质层，这样更换湿地基质后湿地植物和基质微生物将需要较长时间(一般认为至少一年以上)来重新成熟以获得处理能力的恢复。

纵观国内外研究现状，引起人工湿地基质堵塞的因素较多，相应的预防措施和恢复对策也很多，但效果差别很大，且往往治标不治本。综合说来，有机污染物及其代谢产物是人工湿地堵塞的主要原因，进水中的无机悬浮物和有机固体这类固体颗粒可以通过低成本的预处理方式(诸如格栅、沉淀池、絮凝等)得以良好解决，但是溶解性有机物及基质中积累的微生物代谢产物(包括细菌胞外聚合物等)无疑是难于用较低成本工艺甚至是无法解决的，今后很长一段时间里，堵塞问题将成为人工湿地污水处理技术研究中的重点。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应对基质堵塞的水平潜流湿地改进设计方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种应对基质堵塞的水平潜流湿地改进设计方法，水平潜流湿地基质床体靠近进水端基质床体1/10～1/4全长长度部位基质，由模块化防堵塞填料构建而成；

所述的模块化防堵塞填料，由聚丙烯乱丝热熔后相互搭结而形成框架结构；具有有孔斜率高(可达80～85％，至少两倍于常规碎石填料)、抗压强度高(25t/m²压力下孔隙率仍可达60％以上)的特点；因此填料可以根据需要加工成各种形状，比如加工成长方体或圆柱体(长、宽或直径均为30～300mm)，还可以根据需要在结构上加工为中空结构，比如在长方体或圆柱体中间加工形成矩形或圆形孔洞(长、宽或直径均为10～200mm)；

根据水平潜流人工湿地工程需要可选择适当尺寸的长方体或圆柱体填料进行灵活组装以构建成符合需要的矩形或其他形状湿地防堵塞单元。比如选择长宽为200×200mm规格的长方体填料15m，截成25根0.6m长填料棒，然后复合成长×宽×高为1×1×0.6m的模块单元，填料棒之间可考虑穿进铁丝固定，或者外面可选择使用由一层钢丝网构成的外框，方便后续施工。在模块上部在需要栽种植物处可使用一定长度的中空柱状填料，中间的孔结构使得栽种植物也将变得十分方便。

复合模块后，根据新型复合水平潜流湿地施工要求，将靠近水平潜流湿地进水端的前1/10～1/4段填充防堵塞填料单元，然后用透水花墙与水平潜流后段隔开，后端与常规水平潜流湿地无异，填充各种常规填料，种植植物。

新型复合水平潜流湿地建造好后，尽管在靠近进水端附近采用了防堵塞填料，但长时间运行后，仍可能堵塞，因此在运行管理上有必要进行周期性更换再生。由于本发明采用的防堵塞填料模块体积密度极低(仅为90kg/m³，而传统碎石或其他实质填料一般密度为2000～3000kg/m³)，且采用模块化施工，因此更换起来极为方便，节约时间且不需附加大型设备，更大的好处是不需长时间停床。以一个日处理生活污水500吨的负荷为0.2m/d的新型水平潜流湿地为例，总面积2500m²，按500m²一个处理单元设计，每个单元进水端防堵塞填料模块面积大约有50m²，仅50个1×1×0.6m的模块，4名工人不需任何设备，在半天时间内即可完成更换，因此本发明非常适合改造传统水平潜流人工湿地。

本发明采用的运行管理措施根据设计上的细微差别分为两种，分别如下：

(1)湿地处理系统外单元更换再生法，纤维填料单元仅用于湿地进水端1/10～1/4段，另在水平潜流湿地系统附近设有填料单元再生操作池，池尺寸大致相当于每个处理单元内的填料单元体积；待系统填料模块运行至出现堵塞壅水现象后，将原有填料单元吊出置于再生池内落干7～15天左右，由于好氧条件下微生物的分解作用，会让填料单元恢复透水能力，而再生池内原先存放的预栽好植物的成熟纤维填料单元可放入正运行的水平潜流湿地；

(2)湿地处理系统内填料单元更换再生法，纤维填料单元不仅设计在水平潜流湿地进水端1/10～1/4段，在水平潜流湿地出水端基质床体上设计有另外一个同样规格大小的纤维填料单元；此种方法更偏重的是一种预防堵塞模式，待整个系统运行3～4个月后，将进水端填料单元与出水端填料单元行更换。由于水平潜流湿地的运行特点可知，绝大部分悬浮物和有机污染物在前段即被去除，而出水端填料单元在运行时的负荷要低的多，基质完全没有堵塞问题且微生物通常属于相对饥饿状态，因此调换后即可恢复进水端填料单元的透水与拦截能力，而原先的模块更换到出水端，由于低得多的污染负荷使得微生物不得不以内源代谢的形式分解填料模块拦截与积累的物质，从而逐渐恢复模块的透水与拦截代谢能力。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

总的来说由于整个新型纤维填料单元使用的不是常见质量很大的碎石，而使用体积密度相当低的纤维填料，而且采用模块化设计，因此非常容易整体更换。这样第一是可以避免了使用常规基质一方面孔隙率低易堵塞，堵塞后又不易恢复，停床落干费时，需要建造较多平行单元导致占地大；第二避免更换基质更加费时费力、成本高昂，同时基质和植物重新成熟又过于费时的突出缺点。

【附图说明】

图1为本发明的两种实施例的工艺示意图；

图2为新型纤维填料的特性照片；

图3为本发明的新型纤维填料单元设想的两种基础模块构建方式示意图；

图4为本发明采用的新型纤维填料单元落干或再生池工艺示意图。

附图中的标号分别为：1、碎石布水区，2、新型纤维填料单元I，3、透水花墙，4、常规基质填料，5、碎石集水区，6、防渗处理，7、新型纤维填料单元II，8、进水管，9、带旋转活接的出水管。

【具体实施方式】

以下提供本发明一种应对基质堵塞的水平潜流湿地改进设计方法的具体实施方式。

实施例1

由图1a、图3a或图3b、图4所示，工艺流程按图1a所示，此时在水平潜流湿地碎石布水区后设一个新型纤维填料单元，其长度a为水平潜流湿地全长l的1/10～1/4为宜，其后可设透水花墙3与后端常规传统基质填料4(如砾石、炉渣、陶粒、沸石等)隔开即可。污水在湿地中以水平方向向后流动，依次流经碎石布水区1、新型纤维填料单元、传统基质段，完成污水净化。在净化过程中污染物及代谢产物最容易发生积累在全长l的前1/10～1/4段，即新型纤维填料单元，待运行至出现堵塞壅水现象后即可把新型纤维填料单元更换出来置于图4所示的落干或再生池进行落干再生，停放7～15天后即可恢复透水性能，并可再重新用于水平潜流湿地中。假设整个湿地净化厂区共设有数个平行单元，则可轮流更换基质。例如：一个日处理1000吨生活污水的水平潜流湿地处理厂(设计负荷0.2m/d)，湿地单元约5000m2，一般工程化水平潜流湿地单个处理单元面积一般为500m²以内，设10个平行单元，每一个单元的纤维填料大约由50～200个模块构成，10名工人即可在一天之内完成更换，这样设计湿地处理厂设计11个单元(单个单元进行更换作业)便足以应付堵塞情况；而传统水平潜流湿地，按每个单元需进行停床7～15天，则需要设计17～25个单元方能满足停床所需，如果考虑间歇运行，所需单元更多。由上可见本发明的设计可节约水平潜流湿地传统常规设计1/3～3/5的用地。

纤维填料单元模块构建方式见图3a或图3b，可采用长方形或圆柱型填料构成填料单元的最上层，填料宽或直径c为30～300mm，高d建议为300～400mm以满足初识栽种植物时的根长，如图可间隔使用空心填料段以提供植物栽种空间；填料单元的下部建议采用扁平长方体形式的填料叠加而成，高e建议为300～400mm即可，使得整个纤维填料单元总高为600～800mm即可满足水平潜流湿地建造要求，长宽f、g建议为200～1000mm。如此单个纤维填料单元构建模块的长×宽×高尺寸可控制在1×1×0.8m以内，按照新型纤维填料90kg/m³的密度，即便算上外覆钢丝网及植物，单个模块的总量也可控制在100kg以内，这样单个模块将极为轻便，2～3个工人即可迅速完成更换作业，不需附加大型起重设备。

图4为图1a模式下需要建立的新型纤维填料单元落干或再生池工艺示意图，该池设计要点为尺寸略大于单个湿地单元中的纤维填料单元面积，即图中k要稍大于纤维填料单元尺寸a，保证纤维填料置于其中时距池墙壁至少各有100mm距离，即k≥a+200mm，并设计有进水管8(图中标号8)、控制水位和排空管9(标号9)，同上进行防渗处理6。需要再生纤维填料单元时，将堵塞的单元置于池中进行落干再生处理，平时不需进行再生工作时即在池中培养一个纤维单元以供正在使用的湿地单元更换备用。

实施例2

由图1b、图3a或图3b所示，工艺流程按图1b所示，此时在水平潜流湿地碎石布水区后设一个新型纤维填料单元，在集水区前也设有一个同样尺寸的纤维填料单元。由于系统被透水花墙3(图1b中标号3)分为3个串联池，建议当系统运行3～4个月以后，前段进水端池中的纤维填料单元I 2(图1b中标号2)可能会积累较多的有机物(位于系统进水端)而导致堵塞及去除效率降低，而后端出水段池中的纤维填料单元II 7(图1b中标号7)位于系统末端，纤维填料单元II 7附近还设有碎石集水区5，进水负荷较低且水中大部分污染物已被前面工艺段去除，所以基本不会出现积累堵塞的情况，这时就可以将前后两池中的纤维填料单元进行调换，恢复前段池的透水能力，同时原先前段池中的纤维填料单元(现在调换在后段池中)在较低的污染浓度下基质微生物将会逐渐分解积累的有机物从而逐渐恢复基质的渗滤效率，一年考虑进行3～4次前后纤维填料单元的互换，这样就可以克服常见的水平湿地系统进水端容易堵塞的缺点，从而实现整个系统始终维持较好的去除效果。由于不需另设图4所示的填料再生池，占地就更小，但系统需要的纤维填料使用量将比实施例1增加一倍，成本较高。

纤维填料单元模块构建方式见图3a或图3b，与上一实施例相同，不再陈述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种应对基质堵塞的水平潜流湿地改进设计方法，其特征在于，水平潜流湿地基质床体靠近进水端基质床体1/10～1/4全长长度部位基质，由模块化防堵塞填料构建而成；

所述的模块化防堵塞填料，由聚丙烯乱丝热熔后相互搭结而形成框架结构；

所述的模块化防堵塞填料的形状为长方体，圆柱体，在长方体或圆柱体中间加工形成矩形或圆形孔洞；

所述的模块化防堵塞填料由长方体或圆柱体填料进行组装成复合模块。

2.如权利要求1所述的一种应对基质堵塞的水平潜流湿地改进设计方法在处理城市污水和受污染水体的修复中的应用。

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