CN103936160B - 一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，保温湿地床中分布有至少两组循环式地热供暖组件，保温湿地床两侧分别连接地埋式保温多孔布水组件和多孔出流组件；保温湿地床底部和四壁铺设隔热石板，保温湿地床底部的隔热石板上布置填料，填料中种植有耐寒湿地植物。利用丰富的地热资源，在消耗少量高品位能的情况下，将低品位热能抽取供给人工湿地床在冬季维持较高温度，并具有优良的保温效果，以提高基质微生物和植物的生理活性，达到提高冬季寒冷状态下人工湿地的污水净化效果。结构简单，不需复杂管理和人员看护，建造和维护成本低，可广泛应用于冬季寒冷地区生活污水，养殖废水，面源污染水体的净化处理，具有广阔的发展前景。

Description

一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统
技术领域
本发明涉及污水生态处理技术领域，具体涉及一种适合寒冷地区冬季污水高效处理的水平潜流人工湿地处理的技术方法，同时还涉及一种寒冷地区地热自暖的水平潜流人工湿地污水高效处理系统，适用于寒冷地区冬季污水的净化处理。
背景技术
人工湿地是一种新兴的污水生态处理技术，能同时利用填料基质的吸附沉淀，微生物、湿地植物的一系列物、化、生反应来实现对污水的净化，同时具有效率高、成本低、易于管理等特点，且具有一定的生态景观价值，特别适用于农村生活污水、畜禽养殖废水、部分工业废水的集中式净化处理，在国内的应用前景十分广泛。
然而，我国大部分地区属于大陆性季风气候，冬季寒冷，气温较低。利用人工湿地技术进行污水处理，往往因为温度过低，湿地植物和基质微生物的生理活性受到抑制，代谢缓慢，影响处理效果。相关研究表明，人工湿地中硝化-反硝化过程在20℃以上才能发挥较好的脱氮净化效果，在低温状态下，人工湿地的处理效果平均降低30％左右，夏季和冬季的处理效果差别甚大。可见，人工湿地冬季处理效果大幅降低，十分不理想。
目前，已有部分手段提升冬季人工湿地温度的措施，主要包括：铺设地膜，收割植物厌氧发酵供热，冰层-空气层阻隔等方法。这些方法在人工湿地保温效果上并不理想，成本耗费高，管理复杂，在可操作性，稳定性，实用性等方面存在一定缺陷。目前，寒冷地区冬季人工湿地保温措施的研究，仍是一大难点。
人工湿地保温的直接有效方法是对湿地床体进行加热，稳定可靠，易于控制。但是此种方法会消耗大量能源，大大提高处理成本。根据我国的气候特点和地质特点，利用浅层地热能源(如地下水、土壤等的能量)，通过输入少量电能，实现由低品位热能向高品位热能转移。通常消耗1kWh的能量，可以得到4kWh以上的热量。我国地热资源丰富，地热的温度全年稳定，维持在10～25℃之间，基本满足硝化-反硝化过程的条件。在冬季，把地能中的热量提取出来，供给人工湿地床是一个十分有效的方法。该方法具有设备投资、维护成本低，无需锅炉等大型设备；控制运行简单，稳定性较好，无需人员看守等特点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种冬季提高人工湿地基质床温度的水平潜流人工湿地，解决人工湿地冬季运行处理效果差的问题，提高人工湿地的净水效果。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，其特征在于：包括保温湿地床，保温湿地床中分布有至少两组循环式地热供暖组件，保温湿地床两侧分别连接地埋式保温多孔布水组件和多孔出流组件；保温湿地床底部和四壁铺设隔热石板，保温湿地床底部的隔热石板上布置填料，填料中种植有耐寒湿地植物。
优选地，所述隔热石板均匀铺设于保温湿地床底部与垂向的四个壁面，保温湿地床底部的隔热石板上从下至上依次填充粗制多孔蛭石、细砾石、细质多孔蛭石、湿地植物残体；所述隔热石板采用岩棉板制作，隔热石板平均厚度10cm～15cm，隔热石板孔隙率30％～35％；所述粗制多孔蛭石的层高占保温湿地床高度的28％～32％，粗制多孔蛭石孔隙率65％～75％，粗制多孔蛭石粒径4cm～5cm；所述细砾石的层高占保温湿地床高度的28％～32％，细砾石粒径2cm～4cm；所述细质多孔蛭石的层高占保温湿地床高度的20％～25％，细质多孔蛭石孔隙率65％～75％，细质多孔蛭石粒径2cm～3cm。
优选地，所述湿地植物残体使用夏秋季收割的耐寒湿地植物的残体铺设，所述湿地植物残体层高为5cm～8cm；所述耐寒湿地植物为湿地木槿、芦苇或夹竹桃，所述耐寒湿地植物种植密度为3株／m2～5株／m2。
优选地，所述循环式地热供暖组件包括恒流水泵，恒流水泵与防锈金属导热管和流量控制器相连，防锈金属导热管内填充冷却液，防锈金属导热管外包裹导热管隔温层；所述循环式地热供暖组件个数为2套～3套。
优选地，所述防锈金属导热管材料为防锈金属管或PVC管，防锈金属导热管的内径为25cm～30cm；防锈金属导热管取热段地下埋深50m～70m，防锈金属导热管供热段横向插入保温湿地床底部以上2m～2.5m处并以环状形式铺设。
优选地，所述冷却液为质量浓度为15％～18％氯化钠或氯化钙的水溶液。
优选地，所述导热管隔温层为岩棉，所述导热管隔温层厚度3～5cm。
优选地，所述地埋式保温多孔布水组件包括隔温原水箱，隔温原水箱与流量计和流量控制阀相连，流量控制阀与输水管相连，输水管与穿孔布水管相连。
优选地，所述隔温原水箱使用水箱隔温层包裹，输水管使用输水管隔温层包裹，水箱隔温层与输水管隔温层为厚度为4cm～6cm的岩棉；所述穿孔布水管使用网纱包裹，网纱孔眼大小为1mm～2mm；所述穿孔布水管穿孔直径5mm～10mm。
优选地，所述多孔出流组件包括穿孔布水管，穿孔布水管与输水管相连，输水管与流量计和流量控制阀相连；所述多孔出流组件与地埋式保温多孔布水组件埋深相同。
本发明的工作原理是：将储存于隔温原水箱中的污水，经过2.5小时～3.0小时沉淀后，通过重力流输送至穿孔布水管，并由流量计和流量控制阀控制流量。恒流水泵的循环水流量为8m3/h～10m3／h。本发明通过恒流水泵将地热输送至保温湿地床中，提高湿地床基质温度，提高微生物和植物根系活力，强化硝化-反硝化过程，实现在低温条件下污水高效处理。经过2天～2.5天的停留时间，出水处理效果理想。
本发明的地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统的启动方法是：春季，取污水处理厂浓缩活性污泥，稀释后，通入地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统的保温湿地床中。种植湿地木槿和夹竹桃于保温湿地床内，等待3月～4月，植物长势平稳。运行前，开启恒流水泵，调节循环冷却水流量，等待2小时～4小时，地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统启动完毕。
本发明的地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统的运行方法是：将隔温原水箱中的污水静置，停留时间为2.5小时～3.0小时。污水通过重力流进入穿孔布水管后流入保温湿地床，由流量调控阀控制流量，保温湿地床控制水位为65％～85％保温湿地床高度。开启恒流水泵，调节循环水流量8m3／小时～10m3／小时，等待2～4小时。污水在保温湿地床中停留时间达到2天～2.5天后，出水即可达到较好处理效果。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明能使人工湿地冬季床体温度大幅提高，且能维持稳定。本发明中采用了循环式地热供暖组件，利用循环冷却液与地热源进行有效热交换，防锈金属导热管将热源传输到人工湿地床中，提升床体温度，维持微生物和植物的生理活性，促进植物养分吸收和硝化-反硝化过程，提高冬季污水净化效果。
2、本发明使用地埋式保温多孔布水组件，湿地床铺设隔热石板，使用多孔蛭石，上覆植物残体，保温效果好。在实际生活中，一般排放污水温度要高于环境温度，将污水存储于隔温原水箱中，能有效防止原水热量损失，减少地热消耗，维持湿地床温度。本发明中的保温湿地床能有效防止热量向环境散发，有效维持床体温度。
3、本发明使用多年生湿地木槿等耐寒湿地植物，能在低温状态下越冬，能维持一定长势，在低温条件下，亦能吸收污染物。
4、本发明构造简单，建造和维护成本低，不需复杂的管理和人员看护。
5、本发明与常规人工湿地技术方法相比，具有有效维持冬季人工湿地床体温度，且具有较高污水净化效果的特点。本发明可广泛应用于冬季寒冷地区生活污水，养殖废水，面源污染水体的净化处理，具有广阔的发展前景。
附图说明
图1为本发明提供的地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统结构正视图；
图2为本发明提供的地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统结构俯视图；
图3为本发明提供的地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统结构左视图；
图4为循环式地热供暖组件细部结构示意图；
图5为地埋式保温多孔布水组件细部结构示意图；
图6为多孔出流组件细部结构示意图；
图中：箭头表示水流方向；1-保温湿地床；2-隔热石板；3-粗制多孔蛭石；4-细砾石；5-细制多孔蛭石；6-湿地植物残体；7-耐寒湿地植物；8-循环式地热供暖组件；9-恒流水泵；10-防锈金属导热管；11-冷却液；12-导热管隔温层；13-流量控制器；14-地埋式保温多孔布水组件；15-隔温原水箱；16-水箱隔温层；17-输水管隔温层；18-多孔出流组件；19-穿孔布水管；20-输水管；21-流量控制阀；22-流量计。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1～图3为本发明提供的地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统结构三视图，所述的地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统结构包括长10m、宽5m、高2m的保温湿地床1，保温湿地床1滤料填充高度4.5m，控制水位3.75m。保温湿地床1中包含2组循环式地热供暖组件8，均匀地布置于保温湿地床1中。保温湿地床1两侧分别连接地埋式保温多孔布水组件14与多孔出流组件18。保温湿地床1中种植耐寒湿地植物7，铺设隔热石板2，布置多层填料。
隔热石板2采用岩棉板，厚度15cm，孔隙率32％，均匀铺设于保温湿地床1底部和四壁。保温湿地床1从下至上依次填充：粗制多孔蛭石3，层高占保温湿地床1高度的30％，孔隙率70％，粒径5cm；细砾石4，层高占保温湿地床1高度的30％，粒径3cm；细制多孔蛭石5，层高占保温湿地床1高度的25％；夏季收割的耐寒植物残体6，铺设层高8cm。
耐寒湿地植物7为长势好、耐寒、喜湿的湿地挺水植物，本实施例中选用湿地木槿。耐寒湿地植物7种植密度5株／m2。
图4所示为循环式地热供暖组件细部结构示意图，所述循环式地热供暖组件8包括：恒流水泵9，防锈金属导热管10，冷却液11，导热管隔温层12，流量控制器13。恒流水泵9与防锈金属导热管10和流量控制器13相连，防锈金属导热管10内填充冷却液11，防锈金属导热管10外包裹导热管隔温层12。
防锈金属导热管10材料选用防锈铁管，内径30cm，防锈金属导热管10取热段地下埋深50m，防锈金属导热管10供热段横下插入保温湿地床1内部，插入位置为保温湿地床1底部以上2m处，以环状形式铺设。
冷却液11选用含15％氯化钠水溶液。导热管隔温层12材料选用岩棉，厚度5cm。
图5所示为地埋式保温多孔布水组件细部结构示意图，地埋式保温多孔布水组件14包括隔温原水箱15，流量计22，流量控制阀21，水箱隔温层16，输水管20，输水管隔温层17，穿孔布水管19。隔温原水箱15与流量计22和流量控制阀21相连，流量控制阀21与输水管20相连，输水管20与穿孔布水管19相连。隔温原水箱15使用水箱隔温层16包裹，水箱隔温层材料选用岩棉，水箱隔温层厚度4cm。地埋式保温多孔布水组件14中的输水管20使用输水管隔温层17包裹，材料选用岩棉，包裹厚度5cm。地埋式保温多孔布水组件14埋深1.2m。
图6所示为多孔出流组件细部结构示意图，多孔出流组件18包括穿孔布水管19，输水管20，流量计22，流量控制阀21。穿孔布水管19与输水管20相连，输水管20与流量计22和流量控制阀21相连。多孔出流组件18埋深1.2m。
本发明的地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统的启动方法是：春季，将取自污水处理厂厌氧消化池中的浓缩活性污泥稀释，通入地热自暖水平潜流人工湿地系统的保温湿地床1中。种植耐寒湿地植物-湿地木槿于保温湿地床1内。等待3月，待植物长势平稳，出水水质稳定，地热自暖水平潜流人工湿地系统启动完毕。
本发明的地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统的运行方法是：将原水通入隔温原水箱15中，静置时间为2.5小时，利用重力流，经过输水管20，将原水通过穿孔布水管19放入保温湿地床1中，由流量调控阀21控制流量，保温湿地床1控制水位3.8m。开启恒流水泵9，调节冷却液流量为8m3／h。污水在保温湿地床中的停留时间达到后2天后，出水即可达到排水要求。
在隔温原水箱15的进水中的COD为200mg／L～320mg／L、总氮为45mg/L～55mg/L，水温5℃～8℃，停留时间为2天时，出水COD为35mg/L～48mg/L，总氮为10mg/L～12mg／L，COD去除率为84％，总氮去除率约78％。净化效果明显。
冬季运行4.5个月后，实测保温湿地床1中部平均水温12℃，局部18℃，基本能达到硝化-反硝化所需要的温度环境。湿地木槿长势较好，未有出现霜冻现象。
本发明的地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统在冬季的运行效果良好。

Claims (9)

1.一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，其特征在于：包括保温湿地床(1)，保温湿地床(1)中分布有至少两组循环式地热供暖组件(8)，保温湿地床(1)两侧分别连接地埋式保温多孔布水组件(14)和多孔出流组件(18)；保温湿地床(1)底部和四壁铺设隔热石板(2)，保温湿地床(1)底部的隔热石板(2)上布置填料，填料中种植有耐寒湿地植物(7)；
所述隔热石板(2)均匀铺设于保温湿地床(1)底部与垂向的四个壁面，保温湿地床(1)底部的隔热石板(2)上从下至上依次填充粗制多孔蛭石(3)、细砾石(4)、细质多孔蛭石(5)、湿地植物残体(6)；所述隔热石板(2)采用岩棉板制作，隔热石板(2)平均厚度10cm～15cm，隔热石板(2)孔隙率30％～35％；所述粗制多孔蛭石(3)的层高占保温湿地床(1)高度的28％～32％，粗制多孔蛭石(3)孔隙率65％～75％，粗制多孔蛭石(3)粒径4cm～5cm；所述细砾石(4)的层高占保温湿地床(1)高度的28％～32％，细砾石(4)粒径2cm～4cm；所述细质多孔蛭石(5)的层高占保温湿地床(1)高度的20％～25％，细质多孔蛭石(5)孔隙率65％～75％，细质多孔蛭石(5)粒径2cm～3cm。
2.如权利要求1所述的一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，其特征在于：所述湿地植物残体(6)使用夏秋季收割的耐寒湿地植物(7)的残体铺设，所述湿地植物残体(6)的层高为5cm～8cm；所述耐寒湿地植物(7)为湿地木槿、芦苇或夹竹桃，所述耐寒湿地植物(7)的种植密度为3株/m2～5株/m2。
3.如权利要求1所述的一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，其特征在于：所述循环式地热供暖组件(8)包括恒流水泵(9)，恒流水泵(9)与防锈金属导热管(10)和流量控制器(13)相连，防锈金属导热管(10)内填充冷却液(11)，防锈金属导热管(10)外包裹导热管隔温层(12)；所述循环式地热供暖组件(8)的个数为2套～3套。
4.如权利要求3所述的一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，其特征在于：所述防锈金属导热管(10)材料为防锈金属管或PVC管，防锈金属导热管(10)的内径为25cm～30cm；防锈金属导热管(10)取热段地下埋深50m～70m，防锈金属导热管(10)供热段横向插入保温湿地床(1)底部以上2m～2.5m处并以环状形式铺设。
5.如权利要求3所述的一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，其特征在于：所述冷却液(11)为质量浓度为15％～18％氯化钠或氯化钙的水溶液。
6.如权利要求3所述的一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，其特征在于：所述导热管隔温层(12)为岩棉，所述导热管隔温层(12)的厚度3～5cm。
7.如权利要求1所述的一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，其特征在于：所述地埋式保温多孔布水组件(14)包括隔温原水箱(15)，隔温原水箱(15)与第一流量计和第一流量控制阀相连，第一流量控制阀与第一输水管相连，第一输水管与第一穿孔布水管相连。
8.如权利要求7所述的一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，其特征在于：所述隔温原水箱(15)使用水箱隔温层(16)包裹，第一输水管使用输水管隔温层(17)包裹，水箱隔温层(16)与输水管隔温层(17)为厚度为4cm～6cm的岩棉；所述第一穿孔布水管使用网纱包裹，网纱孔眼大小为1mm～2mm；所述第一穿孔布水管穿孔的直径5mm～10mm。
9.如权利要求1所述的一种地热自暖水平潜流人工湿地污水处理系统，其特征在于：所述多孔出流组件(18)包括第二穿孔布水管，第二穿孔布水管与第二输水管相连，第二输水管与第二流量计和第二流量控制阀相连；所述多孔出流组件(18)与地埋式保温多孔布水组件(14)埋深相同。
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