CN104193008A - 一种水力潮汐流可变位人工湿地及利用该人工湿地进行污水处理的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力潮汐流可变位人工湿地及利用该人工湿地进行污水处理的工艺，包括脉冲流分段湿地以及至少一套相互连接的预处理系统和潮汐流变位湿地，各潮汐流变位湿地与脉冲流分段湿地连接，潮汐流变位湿地包括：湿地主体、架设在湿地主体上空的可变位布水装置、用于连接湿地主体和脉冲流分段湿地的可变位排水装置以及安装于湿地主体内的自复氧装置；脉冲流分段湿地包括依次设置的进水混合区、一级缓冲区、二级缓冲区和排水区。本发明的人工湿地具有很强的自然复氧能力，不提高能耗的前提下，以好氧运行方式提高单位体积处理效率，减少占地面积；创造了一种可变的动态湿地内生境，来实现反硝化脱氮能力提高；同时也解决了堵塞问题。
Description
技术领域
本发明涉及资源与环境保护领域，具体涉及一种应用于污水处理、地表水修复处理的水力潮汐流可变位人工湿地及用该湿地处理污水的工艺。
背景技术
随着人们环保意识的增强，人们对水处理的要求越来越高，不仅重视水处理的程度，也关注设施的美观度、亲和度，而管理者更关心设施的投资与运行费用。人工湿地是一种不可替代的低能耗的环境友好生态治理技术，其应用于污水处理、地表水修复处理很多年，其具有少动力、生态美观、管理简单、处理效果好的优点，但是也有占地面积大、易堵塞、反硝化去除总氮能力差等缺点。
例如，公开号为CN102351317A的中国发明专利申请公开了一种污水处理人工湿地系统，潜流配水带和浅地表潜流人工湿地，所述潜流配水带中填充过滤物质，至少部分浅地表潜流人工湿地覆盖潜流配水带，所述浅地表潜流人工湿地为植物种植土层，所述浅地表潜流人工湿地沿水流方向向下倾斜，潜流配水带的延伸方向与浅地表潜流人工湿地水流方向垂直。
公开号为CN 102745819A的中国发明专利申请公开了一种垂直流人工湿地，包括反应池、填料、水生植物、布水管和汇水管，所述汇水管设置在所述反应池的最底部，所述汇水管的上层依次设置填料层、布水管和水生植物，所述填料层在反应池中的分布形式为自下而上依次包括D型填料层、C型填料层、B型填料层和A型填料层，所述D型填料层为16～32mm碎石填料层，所述C型填料层为8～16mm碎石填料层，所述B型填料层为4～8mm碎石填料层，所述A型填料层为2～4mm粗砂填料层，所述布水管和所述汇水管上设有开孔，所述汇水管上的开孔直径小于所述D型填料层的填料粒径。
公开号为CN 101891304A的中国发明专利申请公开了一种强复氧潮汐流人工湿地,包括基质、湿地植物、布集水管、湿地呼吸器和自动控制系统组成,所述基质为三层,基质采用从下往上为粗-中-细的粒径级配,基质总厚度为0.8-1.2m,基质上部还设有溢流槽,所述湿地植物为根系发达、适合当地气候的植物；本发明通过模拟潮汐流控制进水、反应、排水、闲置,实现污水净化。
但是现有的人工湿地包括潮汐流人工湿地、水平流人工湿地或是潮汐流与水平流人工组合人工湿地等，都无法同时解决较强强的自然复氧能力、较高的反硝化脱氮能力和堵塞问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种水力潮汐流可变位人工湿地及利用该人工湿地进行污水处理的工艺。本发明的人工湿地除了具备湿地基本优点外，还具备三项特点，一是具有很强的自然复氧能力，不提高能耗的前提下，以好氧运行方式提高单位体积处理效率，减少占地面积，二是创造了一种可变的动态湿地内生境，来实现反硝化脱氮能力提高，三是设计特殊构造与运行方式，解决了堵塞问题。
一种水力潮汐流可变位人工湿地，包括脉冲流分段湿地以及至少一套相互连接的预处理系统和潮汐流变位湿地，各潮汐流变位湿地并联汇集连接至一套脉冲流分段湿地，
所述潮汐流变位湿地包括：
湿地主体，该湿地主体内填充级配填料，且由若干竖直穿孔墙分隔为若干个反应区，级配填料中种植湿地植被；
可变位布水装置，架设在湿地主体的上空，由一根布水总管和若干并联的通用布水器组成，每个通用布水器设置一个对应的布水启闭阀，布水总管由预处理系统接入，每个通用布水器对应一个反应区；
可变位排水装置，包括对应埋置于各反应区内的排水管和设置于湿地主体外的排水装置，所述排水管各反应区至少埋置一套，所述排水装置包括存水容器、设置于存水容器内的重型逆装浮球阀、设置于存水容器上的高位排放管和低水位控制虹吸管，所有排水管汇总后与重型逆装浮球阀相连接；
自复氧装置，安装于所述湿地主体内的上部，每个反应区内各设置一套该自复氧装置；
所述脉冲流分段湿地包括依次设置的进水混合区、一级缓冲再混处理区、二级溢流清水缓冲区和排水区。
本发明还提供一种利用所述水力潮汐流可变位人工湿地进行污水处理的工艺，
当预处理系统与潮汐流变位湿地设置为一套时，包括如下步骤：
(1)预先设定水力潮汐流可变位人工湿地：包括开启不同位置的布水启闭阀、开启不同位置的自复氧装置、开启不同位置的排水阀；
(2)经过预处理系统预处理后的污水接入可变位布水装置的排水总管中；
(3)将预处理后的污水通过通用布水器布入对应的反应区，开始湿地主体内的充水行程，充水行程时，湿地主体内水位上升，同时在横向布水过滤，污染物被滤料吸附、微生物降解以及植被吸收，并在横向布水方向上形成BOD浓度、硝态氮浓度的不同梯度；
(4)当湿地主体内的污水满位时，湿地主体内的污水溢流进存水容器中，重型逆装浮球阀启动，开启排水行程，湿地主体内的污水从排水管两侧向排水管处汇集混合并通过排水管排放，汇集过程中污水发生潮汐流排放，实现二次过滤，同时高浓度BOD污水与高浓度硝态氮污水发生混合，实现反硝化脱氮反应；
(5)当湿地主体内的水位低于自复氧装置时，自复氧装置处于工作状态，通过拔风实现对应反应区内的氧气供应；
(6)经过湿地主体处理后的污水通过排水装置送入脉冲流分段湿地的进水混合区，充分混合后依次经过一级缓冲再混处理区和二级溢流清水缓冲区进行深度处理，水量过大时，较干净的污水直接从一级缓冲再混处理区表面溢流至二级溢流清水缓冲进行深度处理，最后通过排水区进行净水排放；湿地主体排放过程不同阶段的不同浓度污水在潮汐流变位湿地实现二次混合，强化脱氮效果；
当预处理系统与潮汐流变位湿地设置为相互并联的多套时，每套预处理系统与潮汐流变位湿地的处理工艺同所述步骤(1)～(5)，不同套之间交替运行，运行中的预处理系统与潮汐流变位湿地接入脉冲流分段湿地中进行所述步骤(6)的处理，控制交替运行的时段，实现步骤(6)中的二次混合。
本发明的可变位人工湿地包括依次连接的预处理系统、潮汐流变位湿地和脉冲流分段湿地。
(1)预处理系统
预处理系统由通用处理单元组成，包括格栅、沉淀池、厌氧池等，如果地形条件不足，则还可增加提升井。
预处理单元可以是一组，也可以是并联的若干组，组数应跟后续处理单元的组数相同。如果是两组或两组以上的预处理单元，在初期运行时，可控制水流交替运行一段时间，待后续单元实现了潮汐流交替排放后，然后保持连续运行，定期维护调整。
(2)潮汐流变位湿地
潮汐流变位湿地包括湿地主体、可变位布水装置、可变位排水装置和自复氧装置，湿地主体上方安装可变位布水装置，湿地内上部安装自复氧装置，从底部至各个区的竖向中心安装可变位排水装置。
作为优选，所述自复氧装置包括：
穿孔布氧管，埋置于对应反应区的上部，其中一端端头延伸至湿地主体外；
扩口吸氧管，设置于湿地主体外，不带扩口的一端与穿孔布氧管连通；
调氧阀门，设置于穿孔布氧管位于湿地主体外的部分上。
进一步优选，所述扩口吸氧管带扩口的一端向上倾斜。
由于污水温度高于气温，当湿地主体内上部空间污水排空时，内部空间温度高于外部气温，湿地内部气体向上流动形成拔风，外部氧气伴随空气从吸氧管流入池内穿孔布氧管，穿孔布氧管上均匀分布着小孔，空气从孔道中流入湿地，扩张型的吸氧管采用喇叭口设计，并呈一定角度斜向布置，可以让更多的空气更顺利的吸入湿地。调氧阀门开启时该区呈好氧状态，处理效率增强，关闭时呈厌氧状态，处理效率减弱。
作为优选，所述排水管包括相互连接的水平排水管和竖向多孔管；水平排水管埋置于湿地主体的底部，一端与竖向多孔管的底端相连，一端延伸至湿地主体外用于外接排水装置，水平排水管位于湿地主体外的部分上设置排水阀；竖向多孔管竖向延伸至对应反应区的中心处。
根据水质情况，开启其中若干排水阀。当排水时，排水管的前后两侧处理过的污水向排水管位置汇集，再通过排水装置排出湿地。
进一步优选，所述可变位排水装置还包括设置于所述湿地主体上部的溢流式激发管，该溢流式激发管连接至存水容器。
排水装置中的重型逆装浮球阀是是将普通的浮球阀进行上下颠倒逆向安装，在存水容器内低水位时关闭，高水位时开启，低水位时关闭需要一定的重量将阀门压住，因此需要加重浮球重量，但是重量应小于浮球高水位时的浮力。
该重型逆装浮球阀优选由溢流式激发管接入的溢流水启动，当湿地主体内充水到满水时，溢流水通过溢流式激发管进入存水容器中，存水容器中的水位上升，重型逆装浮球阀被顶开，排水行程开启，因此，进一步优选地，溢流式激发管的安装高度应略高于竖向多孔管的顶部高度。
污水经过预处理系统预处理后，通过可变位布水装置进入湿地主体，在湿地主体中的周期行程与污水流向如下：
周期行程：在运行过程中，湿地下部区域一直存有处理水，不排空；上部区域呈周期运行，单个运行周期包括两个行程，一是充水行程，二是排水行程，充水行程启动时，水位上升，当充满时进入排水行程，排水至低位时，进入下一运行周期。
污水流向：充水行程时，垂直方向上，污水自上而下的进入湿地主体，水位自下而上上升；横向方向上，污水是根据不同的进水点位，由前向后或由中间向两边，梯度布水，即污水存在一个横向运移的过程。排水行程时，污水向排水点方向横向汇集，并由可变位排水构造排出湿地，至下一处理单元。
具体过程如下：
充水行程时，湿地水位上升，并在横向布水过滤，污水中的污染物被滤料吸附、被微生物降解以及被植被吸收，同时自复氧装置通过拔风实现湿地主体内的氧气供应，当污水满时，可变位排水装置的重型逆装浮球阀启动，开始排水行程，潮汐流变位湿地中的污水向可变位排水构造缓流汇集再混排水，汇集过程，污水发生潮汐流排放，污水出现二次过滤，污水通过排水管流入排水装置，然后流入脉冲流分段湿地，进行脉冲缓冲处理，最后排放。当潮汐流变位湿地水位下降一定程度时，可变位排水装置关闭，潮汐流变位湿地进入下个周期。
潮汐流变位湿地在竖向发生通常意义上的水位变化，即每个周期的充水行程，水位上升，每个周期的排水行程水位下降；在横向发生了来回往复流变化，即每个周期的充水行程，发生横向布水的进水，每个周期的排水行程，发生与充水方向相反的逆向布水排放，污水在每个周期的两个行程共发生二次横向过滤。
在充水行程中的横向布水形成了横向BOD浓度梯度递减分布、硝氮浓度梯度递增分布，即兼氧区的BOD浓度较高，好氧区的硝氮浓度较高，在排水行程，污水向兼氧区与好氧区中间的排水点缓慢汇集，过程中BOD与硝氮再混合，发生反硝化脱氮反应，实现生物脱氮。
本发明的可变位布水装置和可变位排水装置相互之间协同作用，共同提高湿地主体内污水处理能力，并解决填料堵塞问题，湿地主体内的处理原理如下：
充水阶段：污水经过预处理后，通过可变位布水装置的某个通用布水器流入湿地主体，进水区域的自复氧装置调氧阀门关闭，污水从上自下流入湿地，然后自前向后或者向两边流动布水，在污水横向运移过程中，污水中的污染物(COD、BOD、N、P等)，被湿地中的填料过滤、附着在填料上的微生物降解以及种植在湿地中的植被吸收，其中有机物BOD发生降解，氨氮被硝化菌转化为硝态氮，并且各类污染物在横向水流方向上形成浓度梯度，BOD自前向后逐步降低，硝态氮自前向后逐步增加，而溶解氧在整个充水处理过程中逐步消耗，当充水到满水时，湿地呈饱和流，溶解氧降至最低，系统呈现兼氧状态。如图11。
排水阶段：当充水到满水时，后续可变位排水装置被激发开启，湿地中的污水向排水管缓慢汇集，由于排水点一侧的BOD高，另一侧的硝态氮高，在汇集过程中，两侧污水再混合，并且湿地内溶解降到最低，接近兼氧状态，BOD与硝态氮在反硝化菌的作用下，发生了反硝化脱氮反应，降解BOD的同时将硝态氮转化为氮气排至空气中。同时，污水在汇集过程中，发生了二次过滤，提高了处理效率。而湿地主体中的填料，被一次过滤过的污水的反向冲刷，解决了湿地填料单项过滤造成的堵塞问题。如图12。
湿地主体内的变位控制：本发明的人工湿地，可以通过控制不同的布水启闭阀和排水阀实现湿地主体内的布水位点与排水位点的变位，布水位点和排水位点可以采用多种组合，实现湿地主体内的污水多次混合和过滤，根据湿地主体内反应对氧气的需求，控制不同调氧阀门进行氧气控制。
步骤(1)中预先设定水力潮汐流可变位人工湿地，包括开启不同位置布水器的启闭阀、开启不同位置的自复氧装置、开启不同位置的排水阀。优选地，当污水处理规模、水质发生长期的固定变化，可以通过计算后，选择不同的复氧区、不同进水布水点位、不同排水点位，保障系统最佳运行状态。
反硝化过程需要消耗BOD，理论上反硝化1g硝态氮需要消耗3gBOD，因此，根据污水原水中的BOD、氨氮、总氮的浓度以及目标出水中各污染物的浓度，计算最佳配比，确定可变位布水装置的最佳进水点、可变排水装置的最佳排水点。
计算公式如下：
BOD达标校核计算：a·[CBOD-(CTN-CNH3-N)]–b·CTN·3<CBOD-s
总氮达标校核计算：[a·(CNH3-N-CBOD/3)+b·CTN]/(a+b)<CTN-s
氨氮达标校核计算：a·CNH3-N/(a+b)<CNH3-N-s
通过上述公式校核，计算出a/b，a+b＝分区数，a，b均为自然数。
符号说明：
CBOD—进水BOD浓度，mg/L；
CBOD-s—出水BOD浓度，或排放标准要求的BOD浓度，mg/L；
CTN—进水TN浓度，mg/L；
CTN-s—出水TN浓度，或排放标准要求的TN浓度，mg/L；
CBOD/3—被反硝化的TN或硝氮浓度，mg/L；
CNH3-N—进水NH3-N浓度，mg/L；
CNH3-N-s—出水NH3-N浓度，或排放标准要求的NH3-N浓度，mg/L；
CTN-CNH3-N—进水硝氮浓度，mg/L；
a/b—缺氧区数量/好氧区数量。
通过上述公式计算得到缺氧区数量a、好氧区数量b后，可确定最佳进水点、最佳排水点，具体确定方式有多种：
第一种方式是基本的方法，当a/(a+b)值较小时，选择最前面的a个反应区作为缺氧区，关闭调氧阀门，后面的b个反应区作为好氧区，开启调氧阀门。缺氧区的通用布水器全部开启，排水管全部开启。
第二种方式是多点分布，当a/(a+b)值较大时，将反应区自前向后分成a个反应组，选择每组最前面的1个反应区作为缺氧区，关闭调氧阀门，其余反应区作为好氧区，开启调氧阀门。缺氧区的通用布水器全部开启，排水管全部开启。
第三种方式是排水时间过长时，应考虑排水行程时的进水量情况，减少a值，再以第一种方式或第二种方式进行确定。
第四种方式是考虑排水行程前期水质可能较差，在第一种方式、第二种方式上，将排水点位置后移一个区到二个区，即离开进水点一个区或二个区。
其它方式，在上述方式上进一步精细化的其它方式。无论何种方式，具体应由实际运行效果确定。
可变位排水装置的运行原理：
开启对应的排水阀，当湿地主体内充水到满水时，溢流水通过溢流式激发管进入存水容器中，容器中的水位上升，重型逆装浮球阀被顶开，湿地主体中存满的污水开始涌出，水位继续上升，浮球阀开度逐渐增大，污水涌出量也随之增加，并通过高位排放管排出存水容器，当潮汐流变位湿地完成排水后，存水容器的水位仍处于高位状态，逆装浮球阀则处于开启状态，但是出水流量很小，这时低水位控制虹吸管发挥排水作用，其排水量远大于逆装浮球阀的出水量，当将存水容器中的存水排至低位时，重型逆装浮球阀关闭，湿地主体停止出水，进入第二个周期。
此处的高水位排水管是指排水管的设置位置位于存水容器的上部，当水位上升至高于该排水管位置时通过该高位排水管排水；此处的低水位控制虹吸管的入水口位于存水容器的底部，当存水容器内的水位低于高位排水管时通过该虹吸管进行排放直至浮球阀关闭。
(3)脉冲流分段湿地
脉冲流分段湿地由四个部分组成：进水混合区、一级缓冲再混处理区、二级溢流清水缓冲区和排水区。
作为优选，所述一级缓冲再混处理区和二级溢流清水缓冲区内填充湿地填料并种植湿地植被，一级缓冲再混处理区和二级溢流清水缓冲区之间设有溢流孔。
进一步优选，所述高位排放管和低水位控制虹吸管接入进水混合区，所述进水混合区与一级缓冲再混处理区的底部相连通，所述二级溢流清水缓冲区与排水区的底部相连通。
从潮汐流变位湿地排出的污水，初期的污水靠近进水点，污染物浓度高，后期远离进水点，污染物浓度低。当污水进入脉冲流分段湿地初期时，水量比较小，但是污染物浓度高，且两种浓度的污水混合不均匀，所以在进水混合区充分混合，并在一级缓冲再混处理区、二级溢流清水缓冲区实现深度处理；当污水量逐渐增大，过滤阻力增大，水位上升，污水直接从进水混合区、一级缓冲再混处理区的表面超越，溢流至二级溢流清水缓冲区再混合处理，最后排放。
初期进水BOD浓度高，经过一级缓冲再混处理区处理后，流入二级溢流清水缓冲区再处理或缓冲滞留，但仍然有一定浓度。当水量增大时，中后期进水BOD浓度低，但硝氮高，由于过滤阻力增加，直接溢流至二级溢流清水缓冲区，与前面缓冲滞留的相对BOD浓度较高的污水再混合，实现深度脱氮及再次处理，保障出水达标。当进水结束时，二级溢流清水缓冲区中基本滞留的是BOD浓度较低的污水，但有一定硝氮浓度，当进入下一进水周期的初期时，有一定BOD浓度的污水流入，又发生再混合，实现深度脱氮。
脉冲流分段湿地中单流程运行原理：
经过潮汐流变位湿地处理过的污水进入进水混合区，由于潮汐流变位湿地排放过程是由不同污染物浓度梯度的污水混合而成，所以可能混合不均匀，而且在初期阶段有可能污水的BOD浓度会偏高，所以需要在脉冲流分段湿地内实现再混合、再反硝化处理，二次脱氮，通过二级过滤，强化有机物的处理。但是由于潮汐流湿地是瞬时排放，所以流量可能很大，后续湿地很难承受水力负荷的冲击。所以在一级缓冲再混处理区末端上部设置溢流口，将过流的水量排放至二级溢流清水缓冲区进行缓冲处理，由于溢流通常发生在进水中后期，初期的BOD浓度的污水仍然滞留在一级缓冲再混处理区内，而中后期的污水多是经过硝化的水，水质较好，经过二级溢流清水缓冲区把关处理后，再通过排水区排放，当水量变小时、一级缓冲再混处理区内的存水再缓慢被推送至二级溢流清水缓冲区，这时水质已经处理较好，通过缓冲保障了系统运行安全。
当前端的预处理系统和潮汐流变位湿地设置为多套时，采用交替并联系统运行，此处的并联并非指脉冲流分段湿地，而是指一套脉冲流分段湿地，前面有两套或以上的并联流程，并联流程具体指“预处理系统-潮汐流变位湿地-排水装置”，并且是交替运行。
交替并联运行有两种方案：一种方案将排水行程完全错开交替运行，可以分散瞬时冲出的排水，降低脉冲流分段湿地受纳的水力负荷冲击，提高处理效率。
另一种方案，将连续的两个排水行程有重合行程段，即前个流程排水行程的末段，与紧跟流程排水行程的前段重合，前个排水行程的末段主要为有机污染物负荷很低硝化液，而紧跟流程排水行程的前段，BOD较高，所以重合时混合而发生反硝化，实现脱氮。
本发明中采用交替并联系统时，可选择如下具体控制方式：设置两套并联，潮汐流变位湿地的湿地主体分4格，开启第一格进水布水点，第二格排水点，关闭第一格复氧做厌氧区，开启第二、三、四格复氧，做好氧区。
采用单流程运行时，可采用如下具体控制方式：潮汐流变位湿地的湿地主体分8格，开启第二、五格进水布水点，第三、六格排水点，关闭第一、二、五、六格复氧做兼氧区，开启第三、四、七、八格复氧，做好氧区。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
(1)所发明的人工湿地，适用于各种类型污水的生态化处理、地表水修复处理，例如，生活污水处理(小区、农村、市政)、餐饮废水处理(酒店、农家乐)、各类工业废水的尾水处理以及湖泊、河道的水体生态修复；适用于水中各类营养性污染物(BOD、氨氮、硝氮、总氮、磷等)的高效去除，特别适用于需要去除总氮的水处理。
(2)处理效率高。本发明人工湿地通过四种技术提高处理效率：一是湿地中采用扩张型复氧管设计，系统复氧能力强，好氧菌含量高，好氧菌处理能力强；二是通过潮汐性的横向往复流，在充水与排水过程中，污水出现二次过滤，提高了处理效率；三是系统中在时间与空间上，出现BOD、硝氮、溶解氧的浓度梯度，以及水与空气交替充满，在不同的时空创造多样性的生态环境，提高了对不同物质的处理能力，处理彻底；四是脉冲流分段湿地的再混处理，缓冲了污染物浓度梯度造成的阶段性瞬时污染物浓度偏高，保证了处理效率。
(3)脱氮能力强。人工湿地脱氮能力分成两步一保障：第一步，通过潮汐流湿地的扩张型复氧管设计，将湿地后段空间创造成氧气充足的好氧湿地系统，保障了硝化的好氧条件，将有机氮与氨氮转化为硝态氮；第二步，将有BOD浓度梯度的污水与有硝氮浓度梯度的污水，通过可变位排水装置实现缓慢混合，精细化的实现反硝化处理；一保障是指，脉冲流分段湿地将反硝化混合液充分二次混合，保障脱氮。
(4)粗放简单的管理，实现精细化的控制。湿地的有机物去除效率、硝化效率、反硝化效率，可以通过数学模型计算，确定进水点位置、排水点位置、好氧分区，通过启闭可变位排水装置、可变位布水装置、自复氧装置的阀门来实现，组合多样，灵活度高，调试方便，可以适应水质、水量的长期性固定改变。
(5)解决湿地堵塞问题。解决湿地堵塞的方式有四种：一是湿地中水位上下变化，在纵向空间实现冲刷；二是湿地中的水流呈横向往复流动，每个周期在横向发生二次冲刷；三是时间与空间上多样性生态环境的创造，通过微生物消除物化性淤堵，通过空气流动、水多向流动解决局部生物性结垢淤堵；四是通过不定期的改变布水点、排水点、复氧点，较大改变湿地运行方式与湿地内部环境，实现防堵。
(6)运行费用节省。创造很强复氧能力的好氧系统，通常需要机电设备，强制供氧。本人工湿地采用利用温差拔风复氧，配合利用水位高低变化负压复氧，并采用扩张型复氧管强化复氧能力，均属于无动力复氧运行。运行过程，只消耗微动力的水泵提升电费，如果地形高程差明显，还可以省去水泵。
(7)体积小，占地面积小。由于本湿地具有很强的复氧能力、反硝化能力，因此有效体积是同等效果湿地的二分之一，而本湿地的纵向设计高度比一般湿地多二分之一，因此，占地面积是同类湿地的三分之一。
(8)投资节省。除提升泵外，本湿地无其它机电设备，各类非标构造均采用标准管道、管件及阀门，结构采用混凝土及建材碎石、卵石，且体积小、占地小，因此投资省。
(9)保养维护简单。除配套水泵外，核心湿地部分，没有机电设备，均采用简单的标准管道、管件、阀门，保养维护简单，更换方便且廉价。
附图说明
图1是基本工艺流程图。
图2是潮汐流变位湿地结构示意图。
图3是潮汐流变位湿地-湿地主体构造平面图。
图4是潮汐流变位湿地-湿地主体构造A-A剖面图。
图5是潮汐流变位湿地-可变位布水装置平面图。
图6是潮汐流变位湿地-可变位布水装置B-B剖面图。
图7是潮汐流变位湿地-自复氧装置平面图。
图8是潮汐流变位湿地-自复氧装置C-C剖面图。
图9是可变位排水装置平面图。
图10是可变位排水装置D-D剖面图。
图11是潮汐流变位湿地充水行程水流方向、BOD与硝氮浓度分布示意图。
图12是潮汐流变位湿地排水行程混合过程示意图。
图13是脉冲流分段湿地平面图。
图14是脉冲流分段湿地E-E剖面图。
图15是交替并联运行模式的流程示意图。
图中所示附图标记如下：
1 湿地主体 2 可变位布水装置 3 自复氧装置
4 可变位排水装置 5 溢流式激发管 6 存水容器
7 重型逆装浮球阀 8 溢流水出口 9 高位排放管
10 低水位控制虹吸管 11 级配填料 12 竖向穿孔墙
13 湿地植被 14 布水总管 15 通用布水器
16 布水启闭阀 17 穿孔布氧管 18 扩口吸氧管
19 调氧阀门 20 竖向多孔管 21 水平排水管
22 排水阀 23 进水混合区 24 一级缓冲再混处理区
25 二级溢流清水缓冲区 26 排水区
具体实施方式
一种水力潮汐流可变位人工湿地，如图1所示，包括预处理系统、潮汐流变位湿地和脉冲流分段湿地，潮汐流变位湿地与脉冲流分段湿地之间通过可变位排水装置连接，预处理系统可根据实际工况选择提升井、隔栅、沉淀池和厌氧池中的一种或几种组合。
潮汐流人工湿地的结构示意图如图2所示，包括湿地主体1、设置于湿地主体1上方的可变位布水装置2、设置于湿地主体1内部的自复氧装置3和设置于湿地主体内并外延至湿地主体外的可变位排水装置4。
湿地主体1的结构如图3和图4所示，湿地主体采用常规的人工湿地主体，湿地主体内上下分层分布通用的级配填料11，由不同粒径大小的卵石、碎石组成，级配填料11的顶部种植湿地植被13，湿地主体内由竖向穿孔墙12分隔为若干个反应区。
可变位布水装置的结构及安装示意图如图5和图6所示，可变位布水装置安装于湿地主体1的上方空间，包括一根布水总管14和若干并联在布水总管14上的通用布水器15，布水总管14接入预处理系统，每个通用布水器15带有独立的布水启闭阀16，每个通用布水器15对应一个湿地主体的反应区，即每个湿地反应区的上方空间分布一个通用布水器15，且位于对应反应区中心处的上方空间。
自复氧装置3的结构及安装示意图如图7和图8所示，自复氧装置3安装于湿地主体1内的上部，每个反应区内各设置一套独立的自复氧装置，每套自复氧装置包括一根穿孔布氧管17、一段扩口吸氧管18和一个调氧阀门19，穿孔布氧管17水平埋置于对应的反应区中，穿孔布氧管17的一端延伸出湿地主体1外，扩口吸氧管18带扩口一端向上倾斜，不带扩口一端与穿孔布氧管17的端头连接，调养阀门19安装在穿孔布氧管17位于湿地主体外的部分上。
可变位排水装置4的结构及安装示意图如图9和图10所示，可变位排水装置包括存水容器6、排水管(竖向多孔管20和水平排水管21)、排水阀22、重型逆装浮球阀7、高位排水管9、低水位控制虹吸管10和激发式溢流管17。
存水容器6设置于湿地主体1附近，存水容器6内安装一个重型逆装浮球阀7，所有排水管汇总后接入该重型逆装浮球阀7，存水容器6侧壁的上部安装一根高位排水管9，低水位控制虹吸管10插入存水容器6的底部。
重型逆装浮球阀7是将普通的浮球阀进行上下颠倒逆向安装，在存水容器6内低水位时关闭，高水位时开启，低水位时关闭需要一定的重量将阀门压住，因此需要加重浮球重量，但是重量应小于浮球高水位时的浮力。
每个反应区内各设置至少一根排水管，所有排水管在湿地主体1外汇总后与重型逆装浮球阀7相连接，每根排水管上均设置排水阀22，排水管之间独立控制，每根排水管包括相互连接的竖向多孔管20和水平排水管21，水平排水管21埋置于湿地主体的底部，一端与竖向多孔管20相连、一端延伸至湿地主体外，排水阀22设置于水平排水管延伸出湿地主体外的部分上，竖向多孔管22向上延伸至对应反应区的中心处。
激发式溢流管17安装于湿地主体1的侧壁上部，其溢流水出口8接入存水容器6中。激发式溢流管17的安装高度略高于竖向多孔管的顶端处。
脉冲流分段湿地的结构示意图如图13和图14所示，脉冲流分段湿地内沿水流方向依次为进水混合区23、一级缓冲再混处理区24、二级溢流清水缓冲区25和排水区26，进水混合区23与一级缓冲再混处理区24之间底部连通，一级缓冲再混处理区24和二级溢流清水缓冲区25之间通过顶部的溢流孔溢流连通，二级溢流清水缓冲区25和排水区26之间底部连通。
进水混合区23和排水区26均为常规的储水区，一级缓冲再混处理区24和二级溢流清水缓冲区25内填充湿地填料，填充的填料为通用填料，湿地填料的顶层种植湿地植被，二级溢流清水缓冲区25的高度低于一级缓冲再混处理区24，经过一级缓冲再混处理区24处理后的水溢流进二级溢流清水缓冲区25中。
高位排水管9和低水位控制虹吸管10接入进水混合区23。
本发明中脉冲流分段湿地前端的预处理系统和潮汐流变位湿地可以设置为一套或者多套并联，设置为一套时，污水依次经过预处理系统、潮汐流变位湿地和脉冲流分段湿地处理后排放。
多套并联式的示意图如图15所示，所有的潮汐流变位湿地均通过其可变位排水装置接入脉冲流分段湿地中。
多套并联时的控制方式可采取如下两种方案中的一种：
一种方案将排水形成完全错开交替运行，可以分散瞬时冲出的排水，降低脉冲流分段湿地受纳的水力负荷冲击，提高处理效率。
另一种方案，将连续的两个排水行程有重合行程段，即前个流程排水行程的末段，与紧跟流程排水行程的前段重合，前个排水行程的末段主要为有机污染物负荷很低硝化液，而紧跟流程排水行程的前段，BOD较高，所以重合时混合而发生反硝化，实现脱氮。
实施例1
采用本实施方式的人工湿地系统，在某农村建成集中生活污水处理站，采用交替并联系统，设置两套并联，潮汐流变位湿地的湿地主体分4格，开启第一格进水布水点，第二格排水点，关闭第一格复氧做厌氧区，开启第二、三、四格复氧，做好氧区。
处理农户100户，约400～500人，日均污水量为40～50m3/d，进水水质COD为300～400mg/L，BOD为200～250mg/L，NH3-N为35mg/L，TN为40mg/L。经处理后，总排放口出水COD为25～40mg/L，BOD为5～8mg/L，NH3-N为1～8mg/L，TN为10～12mg/L，达到城镇污水排放标准一级A限值以下，处理效果明显，解决该村的生活污水问题，改善了当地水环境。
另外，单系统的潮汐流变位湿地出水COD为15～80mg/L，BOD为5～28mg/L，NH3-N为1～25mg/L，TN为10～30mg/L，达到城镇污水排放标准二级限值，出水水质情况不稳定，但是说明了脉冲流分段湿地的效果明显。
实施例2
采用本实施方式的人工湿地系统，在某小河流的上游将一部分河水引致下游，省去提升泵，采用水力潮汐流可变位人工湿地生态修复处理，采用单流程运行，潮汐流变位湿地的湿地主体分8格，开启第二、五格进水布水点，第三、六格排水点，关闭第一、二、五、六格复氧做兼氧区，开启第三、四、七、八格复氧，做好氧区。
小时处理水量约10～50m3/h，进水水质BOD为8～12mg/L，NH3-N为3～4mg/L，TN为4～6mg/L，属于劣Ⅴ类水体。经处理后，出水BOD为1～4mg/L，NH3-N为0.2～2mg/L，TN为1.5～3mg/L，大部分指标达到Ⅲ类水体，TN偶然也出现劣Ⅴ类水体，但整体处理效果明显，对河水水质改善。
Claims (8)
1.一种水力潮汐流可变位人工湿地，包括脉冲流分段湿地以及至少一套相互连接的预处理系统和潮汐流变位湿地，各潮汐流变位湿地并联汇集连接至一套脉冲流分段湿地，其特征在于，
所述潮汐流变位湿地包括：
湿地主体，该湿地主体内填充级配填料，且由若干竖直穿孔墙分隔为若干个反应区，级配填料中种植湿地植被；
可变位布水装置，架设在湿地主体的上空，由一根布水总管和若干并联的通用布水器组成，每个通用布水器设置一个对应的布水启闭阀，布水总管由预处理系统接入，每个通用布水器对应一个反应区；
可变位排水装置，包括对应埋置于各反应区内的排水管和设置于湿地主体外的排水装置，所述排水管各反应区至少埋置一套，所述排水装置包括存水容器、设置于存水容器内的重型逆装浮球阀、设置于存水容器上的高位排放管和低水位控制虹吸管，所有排水管汇总后与重型逆装浮球阀相连接；
自复氧装置，安装于所述湿地主体内的上部，每个反应区内各设置一套该自复氧装置；
所述脉冲流分段湿地包括依次设置的进水混合区、一级缓冲再混处理区、二级溢流清水缓冲区和排水区。
2.根据权利要求1所述水力潮汐流可变位人工湿地，其特征在于，所述自复氧装置包括：
穿孔布氧管，埋置于对应反应区的上部，其中一端端头延伸至湿地主体外；
扩口吸氧管，设置于湿地主体外，不带扩口的一端与穿孔布氧管连通；
调氧阀门，设置于穿孔布氧管位于湿地主体外的部分上。
3.根据权利要求2所述水力潮汐流可变位人工湿地，其特征在于，所述扩口吸氧管带扩口的一端向上倾斜。
4.根据权利要求1所述水力潮汐流可变位人工湿地，其特征在于，所述排水管包括相互连接的水平排水管和竖向多孔管；水平排水管埋置于湿地主体的底部，一端与竖向多孔管的底端相连，一端延伸至湿地主体外用于外接排水装置，水平排水管位于湿地主体外的部分上设置排水阀；竖向多孔管竖向延伸至对应反应区的中心处。
5.根据权利要求1所述水力潮汐流可变位人工湿地，其特征在于，所述可变位排水装置还包括设置于所述湿地主体上部的溢流式激发管，该溢流式激发管连接至存水容器。
6.根据权利要求1所述水力潮汐流可变位人工湿地，其特征在于，所述一级缓冲再混处理区和二级溢流清水缓冲区内填充湿地填料并种植湿地植被，一级缓冲再混处理区和二级溢流清水缓冲区之间设有溢流孔。
7.根据权利要求6所述水力潮汐流可变位人工湿地，其特征在于，所述高位排放管和低水位控制虹吸管接入进水混合区，所述进水混合区与一级缓冲再混处理区的底部相连通，所述二级溢流清水缓冲区与排水区的底部相连通。
8.一种利用权利要求1～7任一权利要求所述水力潮汐流可变位人工湿地进行污水处理的工艺，其特征在于，
当预处理系统与潮汐流变位湿地设置为一套时，包括如下步骤：
(1)预先设定水力潮汐流可变位人工湿地：包括开启不同位置的布水启闭阀、开启不同位置的自复氧装置、开启不同位置的排水阀；
(2)经过预处理系统预处理后的污水接入可变位布水装置的排水总管中；
(3)将预处理后的污水通过通用布水器布入对应的反应区，开始湿地主体内的充水行程，充水行程时，湿地主体内水位上升，同时在横向布水过滤，污染物被滤料吸附、微生物降解以及植被吸收，并在横向布水方向上形成BOD浓度、硝态氮浓度的不同梯度；
(4)当湿地主体内的污水满位时，湿地主体内的污水溢流进存水容器中，重型逆装浮球阀启动，开启排水行程，湿地主体内的污水从排水管两侧向排水管处汇集混合并通过排水管排放，汇集过程中污水发生潮汐流排放，实现二次过滤，同时高浓度BOD污水与高浓度硝态氮污水发生混合，实现反硝化脱氮反应；
(5)当湿地主体内的水位低于自复氧装置时，自复氧装置处于工作状态，通过拔风实现对应反应区内的氧气供应；
(6)经过湿地主体处理后的污水通过排水装置送入脉冲流分段湿地的进水混合区，充分混合后依次经过一级缓冲再混处理区和二级溢流清水缓冲区进行深度处理，水量过大时，较干净的污水直接从一级缓冲再混处理区表面溢流至二级溢流清水缓冲进行深度处理，最后通过排水区进行净水排放；湿地主体排放过程不同阶段的不同浓度污水在潮汐流变位湿地实现二次混合，强化脱氮效果；
当预处理系统与潮汐流变位湿地设置为相互并联的多套时，每套预处理系统与潮汐流变位湿地的处理工艺同所述步骤(1)～(5)，不同套之间交替运行，运行中的预处理系统与潮汐流变位湿地接入脉冲流分段湿地中进行所述步骤(6)的处理，控制交替运行的时段，实现步骤(6)中的二次混合。
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