CN103112988B - 多级复合耦联人工湿地系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种多级复合耦联人工湿地系统及其应用。该系统由单体湿地床子系统、水动力调配子系统和湿地耦联子系统组成。单体湿地床分为潜流型与表流型，内部设置三类基质层，基质中种植水生植物;水动力调配子系统包括布水与集水系统。表流型与潜流型湿地构成耦联子系统的主体，通过开启不同的调节阀，可形成串联、并联、串并联等不同的处理组合。该系统通过构筑不同类型的湿地床形成不同类别的污水处理单元，再将其优化组合成一个有机系统，多层次分级处理污水，以提高人工湿地的净污能力。
Description
一、技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种多级复合耦联人工湿地系统及其应用。
二、背景技术
经专利及文献检索，目前人工湿地处理污水大都局限于单一的湿地类型。中国科学院水生生物研究所发明的复合垂直流人工湿地增氧系统（专利号200810197811），其特征是利用在底部设置排空管，以最优化增氧条件间歇曝气来提高脱氮效果，并利用垂直流湿地净化污水。北京师范大学发明的分段式自由表面流人工湿地处理方法及系统（专利号CN200410062269.9），将已有河道改造成分段式自由表面流人工湿地，使地表径流通过具有不同污染物去除倾向的自由表面流人工湿地模块，在微生物-植物-填料-水生动物的联合作用下使污染得到净化。但单纯的表流或潜流湿地系统存在一些问题，表流湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等特点，但存在不能充分发挥基质和植物根系的作用，以及占地面积较大、水力负荷率较小、去污能力有限等缺点；潜流湿地具有对BOD、COD去除效果好、保温性能好、处理效果受气候影响小等优点，但是由于自身的构造，潜流湿地存在供氧不足的缺陷，限制了脱氮效果。就潜流湿地而言，水平潜流人工湿地控制相对复杂，脱氮除磷效果不如垂直流人工湿地；而垂直潜流人工湿地硝化能力虽高于水平潜流湿地，但对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地。如何实现人工湿地污水处理系统的优化配置，提高人工湿地对污水的处理效率，是工程中需要解决的问题之一。
组合型湿地是一种新的人工湿地工艺，与单一类型人工湿地相比，它对污染物具有较高的去除效果。目前检索到的专利大都是将垂直流和水平流或潜流和表流直接串联，并没有组合方式上的设计。如山东大学发明的潜流—表流复合型人工湿地（专利号CN101113050A），污水先进入潜流层，由潜流层集水池到达表流层，净化后由集水池排出。比利时路森博格基础大学为了运用构造人工湿地提高城镇污水的净化率，将一系列不同的人工湿地床串联形成多种污水处理系统。试验结果发现最完善和高效率的系统是由3个连续的湿地床组成：第一级为水生植物湿地床，紧接着第二级为表流植物湿地床，最后第三级为垂直流湿地床。但表流型与潜流型湿地多级复合耦联的工艺技术旨在针对不同的处理对象，采用不同组合方式、组合顺序及相应的水力负荷应用于污水处理的可行性。因此，面向我国环境保护的需要，深入开展该类技术研发，以获得更高的污水处理效率是非常必要的。
三、发明内容
本发明需要解决的问题是通过优化组合和多级处理，提高净污效率，构建复合耦联人工湿地系统及其在工业废水、生活污水处理中的应用。
本发明的技术方案是：
本发明所述多级复合耦联人工湿地系统由单体湿地床子系统、水动力调配子系统和湿地耦联子系统三个部分构成。
单体湿地床子系统：单体湿地床子系统由床体、基质和水生植物组成，床体壁厚15cm，均由普通砖与水泥构筑而成，采用加厚聚乙烯膜作壁面防渗处理；同时为保证出水顺畅，床底沿水流方向均设置0.5％的坡度；湿地床分为潜流型与表流型两类。
潜流型湿地床的长、宽、高分别为100cm、60cm、90cm；在短边侧设置两隔板，隔板距短边均为15cm，进水端隔板高85cm，底部以60cm宽×15cm高的矩形开口与基质相通，出水端隔板高75cm；布水管方向与床体宽度方向一致，采用5cm口径的PVC管，长度60cm，布水管两端封闭，布水管自起始端向末端每隔5cm开有直径为2cm的布水圆孔，共8个布水圆孔，两端布水圆孔距离布水管两端各4.5cm；布水管的进水孔直径5cm，上边距离湿地床外壁顶端5cm，位于湿地床宽壁的中上部，距离宽壁垂直边各27.5cm；水流经进水孔、布水圆孔进入床体的布水区，由底部矩形开口进入湿地，经基质和植物共同作用后由表层漫出，并经出水隔板流入床体的集水区，再经出水孔流出；出水口直径5cm，距离湿地床底部和靠近一侧的床壁边均为5cm；见图1。
表流型湿地床的长、宽、高分别为100cm、60cm、90cm；为与潜流型湿地床污水处理效果做比较，表流型湿地床内也设置两隔板，两隔板距最近侧面均为15cm；布水管沿床体长度方向延伸45cm，布水管的进水孔上边距离湿地床外壁顶端5cm，布水管采用5cm口径的PVC管，位于湿地床宽壁的中上部，距离宽壁垂直边各27.5cm；布水管一端与进水孔连接，末端封闭，从进水隔板开始向末端每隔4cm开有直径为2cm的布水圆孔共5个，保证系统的均匀布水；水流由表面进入湿地，一部分由表面漫出，一部分自上而下由距离湿地床底部35cm的出水小孔流出，出水小孔孔径为2cm，每两个出水小孔间隔5cm，共6个，两端出水小孔距离表流型湿地床内壁边11.5cm，水流经表面漫流和出水小孔进入集水区，再经出水孔流出；出水口直径5cm，距离湿地床底部和靠近一侧的床壁边均为5cm；见图2。
单体湿地床中的基质层厚度为60cm，共分3层；从下至上，第一层为砾石层，高度20cm，粒径5－10mm；第二层为陶粒层，高度20cm，粒径10－25mm；第三层为鹅卵石层，高度20cm，粒径20－40mm；见图3。
基质表层单独种植水葱或鸢尾，种植密度为6株/m2。
水动力调配子系统：该系统由配水池、蓄水池、水泵、流量调节器、布水主管、布水支管、集水管和排水管组成。配水池和蓄水池体积相同，其长、宽、高分别为200cm、150cm、100cm，污水首先进入配水池，配水池底部高于第一级湿地床5cm，第一级湿地床的出水经水泵提升送入蓄水池，水泵型号BQW9-22-2.2，额定扬程22m，额定功率2.2kw；蓄水池比第二级湿地系统高5cm，之间通过布水主管连接，为了控制和测定进水流量，每一级湿地系统前，安装含有流量控制阀和电磁流量计的流量调节器；流量控制阀通径0.6cm，控制流量27L/min。电磁流量计口径0.6cm；同理，每级湿地系统均比下一级湿地系统高5cm；第二级湿地系统的出水经过布水主管和布水支管分配到第三级湿地系统；布水主管采用5cm口径的PVC管，长度为100cm，布水支管采用2cm口径的PVC管，长度为50cm，第二级湿地系统中相邻两个湿地床的布水管长度为47cm，第三级湿地系统中相邻两个湿地床的布水管长度为96cm；最后一级湿地系统中排出的水进入5cm口径的集水管，集水管外接可调高度的排水管将处理后的污水收集后排出，排水管为内径10cm的PVC管；见图4。
湿地耦联子系统：该系统由三级6个单体湿地床、耦联控制阀和联通管道组成，第一级湿地单元为1个湿地床；第二级为3个湿地床；第三级2个湿地床；耦联控制阀门口径4P6,位于每个湿地床之前，共6个，分别为控制阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，通过控制阀的开与关，实现湿地床的组合方式变化；联通管道用于连接各级湿地床及水动力调配子系统，将其组成不同方式；包括主管与支管，主管口径5cm，长度100cm，支管口径2cm，长度50cm；第二级湿地系统中相邻两个湿地床的联通管长度为47cm，第三级湿地系统中相邻两个湿地床的联通管长度为96cm；当第一级为表流型湿地床，且控制阀Ⅰ开，第二级中的潜流湿地床前控制阀Ⅱ开，加上第三级表流型湿地床前控制阀Ⅴ开，其余湿地床前阀门Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ关时，就形成了表流—潜流—表流型的湿地耦联系统；此子系统以单体湿地床为对象，可变元素是湿地床类型；将这些元素通过单体湿地床前的耦联控制阀进行需要的开和关，可以产生串联、并联及串并联系统；见图4、图5。
本发明与现有技术相比其有益效果是：
与单一的表流人工湿地或潜流人工湿地系统相比，本发明将两者的优点结合起来形成互补，对污水中脱氮效果优于单一表流或潜流人工湿地，也改善了系统水流方式和处理单元工艺；而且利用潜流与表流湿地的组合，实现了夏季与冬季、一年生与多年生植物的搭配，从而扩大了不同季节植物种类的选择范围。
本发明设计简明，运行管理简单，可单独使用，也可根据具体污染负荷、配水条件，由多个湿地床组合成多级复合耦联人工湿地，能够使人工湿地优势互补，从而增强污水的净化效果，对生态环境的保护有重要的实践意义；同时，该系统本身可通过基质、水生植物和微生物之间的相互作用，通过一系列物理的、化学的以及生物的途径净化污水，提高环境承载力。从表1可以看出，3种组合方式对污水中COD都有较好的去除效果，去除率均达到85%以上，对TP的去除率达到90%以上，而串并联组合方式对TN的去除率达68.44%，具显著优势。
表1 不同组合方式进出水水质
注：表中水力负荷为6.5cm/d，停留时间为5d。
四、附图说明
图1潜流型单体湿地床结构示意图；A：湿地床壁；B：布水管；C：布水圆孔；D：进水孔；E：布水区；F：进水隔板；G：集水区；H：出水隔板；I：出水孔；J：矩形开口。单位：cm
图2表流型单体湿地床结构示意图；A：湿地床壁；B：布水管；C：布水圆孔；D：进水孔；E：布水区；F：进水隔板；G：集水区；H：出水隔板；I：出水孔；K出水小孔。单位：cm
图3人工湿地基质分布；A：湿地床壁；F：进水隔板；H：出水隔板；L：水生植物；M：鹅卵石；N：陶粒；O：砾石。单位：cm
图4水动力调配子系统示意图；P：配水池；Q：布水主管R：流量调节器；S：第一级单体湿地床，T：水泵；U：布水支管；V：蓄水池；W：第二级湿地床；X：第三级湿地床；Y：集水管；Z：排水管。单位：cm
图5湿地耦联子系统示意图；P：配水池；Q：布水主管；S：第一级单体湿地床，T：水泵；U：布水支管；V：蓄水池；W：第二级湿地床；X：第三级湿地床；Y：集水管；Z：排水管；I-VI：耦联控制阀。单位：cm
五、具体实施方式
多级复合耦联人工湿地系统的构建方法，包括施工、铺填基质、植物种植与运行维护，即湿地床构建，先用水泥、砂及砖等将湿地床外壁、内壁修建好，接着在人工湿地中设置布水、集水管、水泵和各级湿地床之间的联通管道；同时将含有流量控制阀与流量计的流量调节器安装在每个相应湿地床前，之后在人工湿地的内部分层铺设提前清洗过的由鹅卵石、陶粒、砾石组成的基质；在基质上栽种鸢尾或水葱；通过调节蓄水池及每一级湿地系统前的流量调节器来将两种类型的单体湿地床进行特定组合，形成串联、并联及串并联复合系统。
应用过程：从2009年6月开始在南京大学浦口校区实验大棚中建立人工湿地系统，7月开始试运行，将人工配制的污水通过配水池进入湿地系统，依次进入第一级湿地床、蓄水池、第二级湿地系统、第三级湿地系统和集水管、排水管。启动初期，首先采用间歇进水的方式运行，间隔24h换水，同时将水位控制在基质以上10mm，运行10d后，采用小流量进水的连续运行方式，同样运行10d；然后逐渐增大流量，直到设计负荷100—150m3/d，水力停留时间分别为1d、3d、5d。8月—12月进行持续的水质监测。后期维护的主要内容包括定期检查各个工程设施，包括泵、管、流量计、布水系统等的运行情况和植物的生长情况。
污水经多级复合耦联人工湿地系统处理后，污水中的COD、TN、TP得到显著去除。
表2 HRT对不同组合方式处理污水效果的影响
工程应用案例：基于该技术建设的多级复合耦联人工湿地系统在小试实验中取得的研究成果，在郑州贾鲁河水污染治理中得到应用。该工程长度18.48km，处理水量80000—160000m3/d，取得了显著效果。于2010年完成后，水体透明度显著增加，由施工期间的37cm（20cm-45cm），提高到施工结束后的平均50.8cm（35cm-75cm）；COD施工期间平均值为35mg/L，施工结束后降低到31mg/L（15mg/L-55mg/L）；NH3-N由施工期间的8.5mg/L（6mg/L-14mg/L），降到施工结束后的5.4mg/L（3mg/L-9mg/L）。
Claims (2)
1.一种多级复合耦联人工湿地系统，其特征是由以下三个部分构成：
（1）单体湿地床子系统：由床体、基质和水生植物组成；为保证出水顺畅，床底沿水流方向均设置0.5％的坡度，湿地床分为潜流型与表流型两类；潜流型湿地床的长、宽、高分别为100cm、60cm、90cm，在短边侧设置两隔板，两隔板距短边均为15cm，进水端隔板高85cm，底部以60cm宽×15cm高的矩形开口与基质相通，出水端隔板高75cm；表流型湿地床的长、宽、高分别为100cm、60cm、90cm，为与潜流型湿地床污水处理效果做比较，表流型湿地床内也设置两隔板，两隔板距最近侧面均为15cm；由三级6个单体湿地床通过位于每个湿地床前的控制阀的开与关实现湿地床的组合方式变化，分别形成串联形式、并联形式以及串并联形式的组合；湿地基质共分3层，从下至上，第一层为砾石层，第二层为陶粒层，第三层为鹅卵石层，采用生长态势良好的水葱或鸢尾幼苗单独栽种于基质上，种植密度为6株/m2；
（2）水动力调配子系统：包括布水和集水系统；布水系统由配水池、蓄水池、水泵、流量调节器、布水主管和多条布水支管组成；集水系统由集水管和排水管组成；
（3）湿地耦联子系统：将表流型、潜流型湿地系统进行耦联，此子系统包括三级6个单体湿地床、耦联控制阀和联通管道，湿地床有潜流型与表流型两类，第一级湿地单元为1个湿地床，第二级为3个湿地床，第三级为2个湿地床，耦联控制阀门口径4P6，位于每个湿地床之前，共6个，分别为控制阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ；联通管道包括主管与支管，用于连接各级湿地床及水动力调配子系统，主管口径5cm，长度100cm，支管口径2cm，长度50cm；第二级湿地系统中相邻两个湿地床的联通管长度为47cm，第三级湿地系统中相邻两个湿地床的联通管长度为96cm；以单体湿地床为对象，可变元素是湿地床类型；将这些元素通过单体湿地床前的耦联控制阀进行开和关的不同搭配组合来形成串联形式或并联形式或串并联形式。
2.根据权利要求1所述一种多级复合耦联人工湿地系统，其特征在于该系统的应用方法为：污水经配水池首先进入控制阀Ⅰ之后的第一级人工湿地床，出水经泵的作用提升至蓄水池中，蓄水池的出水分流，污水利用坡度落差由布水主管分别到达布水支管，流向地势稍低的第二级湿地系统，第二级湿地床的出水再流向下一级湿地系统，采用小流量进水的连续运行方式，污水停留1—5d后经集水管、排水管排出耦联湿地系统，完成对污水的净化。
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