CN105198092A - 一种斜底式复合垂直流人工湿地系统 - Google Patents

Abstract

本发明的名称是斜底式复合垂直流人工湿地系统，涉及一种适用于斜坡地形的斜底式复合垂直流人工湿地系统。它主要是解决现有的复合垂直流人工湿地技术难以适用于斜坡地形，或者运用于斜坡地形时需要开挖平整土地、建设成本高、施工难度大的问题。本发明的人工湿地系统是由上级湿地单元和下级湿地单元呈阶梯状紧邻分布构成的一个框架结构池体的两级湿地单元，该框架结构池体的池底为斜坡坡面，上级湿地单元是下行流人工湿地单元，下级湿地单元是上行流人工湿地单元；所述的框架结构池体内设有基质，基质内栽种有植物。本发明处理效果好、结构简单、施工简便、成本低，可广泛应用于山地、丘陵、水体坡岸等斜坡地区的各类污水处理。

Description

一种斜底式复合垂直流人工湿地系统

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及一种适用于山地、丘陵、水体坡岸等斜坡地区的各类污水处理的斜底式复合垂直流人工湿地系统。

背景技术

人工湿地是一种人工模仿自然湿地净化功能而构建的水处理系统，自二十世纪七十年代出现以来，由于该工艺具有建设成本低廉、管理简便、净化效果稳定等优点受到广泛的重视，已在欧洲、拉美以及亚洲等世界各地得到广泛推广应用。根据水流方式特点，人工湿地处理系统可以分为表面流人工湿地和潜流人工湿地。潜流型人工湿地又分为水平流、下行流、上行流和复合垂直流几种类型。在以上人工湿地中，复合垂直流人工湿地具有以下独特优势：一、可以使水流更加充分地流过整个处理基质，解决了以往渗滤湿地“短路”的问题；二、其独特的下行流-上行流结构、间歇进水的运行方式使出水流量、水位曲线呈现脉冲式特点，配水时间快、基质淹水时间短，促进了系统基质复氧，有利于形成了好氧与厌氧条件并存的复合水处理结构，显著提高了对污染物的净化效率，能有效去除污水中的悬浮物、有机污染物、氮、磷及重金属等，尤其对氮、磷的去除效果较明显。

现有复合垂直流人工湿地技术是针对平地地形设计，对土地平整性的要求极为严格，要求湿地底部坡降不宜超过1.5%。对土地进行平整不仅大大增加了复合垂直流人工湿地建设成本，而且有可能受限于地形条件而导致复合垂直流人工湿地无法建设。这直接限制了复合垂直流人工湿地技术在山地、丘陵、水岸边坡等斜坡地区的应用。针对上述问题已有研究者进行了研究，相关专利如：公告号为CN103588362A的专利公开了一种复合垂直流人工湿地系统，该人工湿地系统由包括至少三级串联并逐级水平降低的垂直流人工湿地单元组成。该设计方案虽然采用多级人工湿地单元上表面逐级水平降低的设计，但要求各级人工湿地单元底部平整且在同一水平面上，因此实质上仍是针对平地地形设计，难以运用于斜坡地形。公告号为CN104016542A的专利公开了一种用于低污染水处理的阶梯式复合人工湿地装置，该装置由呈阶梯状从上往下分布的高位配水槽、二级下行流人工湿地单元和水平流人工湿地单元等组成。该方案中虽然各人工湿地单元可以依斜坡坡度呈阶梯状分布，但由于要求各人工湿地单元底部平整，再加上人工湿地单元采用下行流和水平流两种流态导致要求下级湿地单元上沿低于上级湿地单元底部，使得人工湿地施工不但需要对斜坡进行阶梯状开挖平整，而且只对陡坡地形有较好的适用性。另外，该方案的下行流人工湿地单元由于设计缺陷无法储水，不能滞留净化污水，只发挥了过滤效果，导致下行流人工湿地净化功能无法充分发挥。公告号为CN102531294A的专利公开了一种全地形潜流人工湿地组合系统，该人工湿地组合系统由垂直呈逐级落差状分布的垂直流人工湿地单元串联而成。该方案虽然较好的解决了垂直流人工湿地系统依斜坡坡度构建的问题，但由于要求各人工湿地单元底部平整，需要对斜坡进行阶梯状开挖平整，导致施工成本高、难度大。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有垂直流人工湿地技术存在的缺陷，而提供的一种能适用于斜坡地形、净化效果好、结构简单、施工简便、成本低廉的斜底式复合垂直流人工湿地系统。

本发明的技术解决方案是：人工湿地系统是由上级湿地单元和下级湿地单元呈阶梯状紧邻分布构成的一个框架结构池体的两级湿地单元，该框架结构池体的池底为斜坡坡面，上级湿地单元是下行流人工湿地单元，下级湿地单元是上行流人工湿地单元；所述的框架结构池体内设有基质，基质内栽种有植物。

本发明的技术解决方案中所述的框架结构池体是由设在斜坡坡面池底上的内墙、隔墙、外墙和两侧挡墙构成，下行流人工湿地单元由内墙和隔墙及两侧挡墙构成一个上表面在同一水平面上的框架池体，上行流人工湿地单元由隔墙和外墙及两侧挡墙构成一个上表面在同一水平面上的框架池体，上述两个框架池体上表面之间呈阶梯状。

本发明的技术解决方案中所述的下行流人工湿地单元上设有进水管、布水管、集水管和提升管；所述的布水管安装在基质表层，由主管和支管组成，支管为穿孔管，主管与支管呈“E”字排列，主管进水端与进水管相连接；所述的集水管为穿孔管，安装在池体底部，两端伸出两侧挡墙；所述的提升管紧贴两侧挡墙垂直安装，提升管下端与集水管连接，管身长度是布水管和集水管高度差的80-90%。

本发明的技术解决方案中所述的上行流人工湿地单元上设有连接管、布水管、集水管和排水管；所述的连接管上端与提升管相连接，下端与布水管相连接；所述的布水管是穿孔管，安装在池体底部，两端伸出两侧挡墙；所述的集水管安装在基质表层，由主管和支管组成，均为穿孔管，主管与支管呈“E”字排列，主管两端伸出两侧挡墙；所述的排水管紧邻两侧挡墙竖直安装，排水管上端与集水管主管相连接。

本发明的技术解决方案中所述的基质从下到上分为深度相等的三层，最下层为粒径30-100mm的基质，中层粒径为10-30mm的基质，上层粒径为2-20mm的基质。

本发明可以广泛应用于山地、丘陵、水体坡岸等斜坡地区的生活污水、市政污水、工业废水、畜牧业污水、农业面源污染、地表径流、污水处理厂尾水等各类污水处理。斜底式复合垂直流人工湿地系统可应用于坡度为0-45°的斜坡地形；本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1）将多个垂直流人工湿地单元依坡度呈阶梯状从上往下布置，解决了坡地无法建设垂直流人工湿地的问题，开发出了一种不受斜坡地形限制的垂直流人工湿地系统，极大扩展了人工湿地的应用范围；

2）本发明池体单元以斜坡坡面为池底，不需要对土地进行平整，结构简单，施工简便，进而降低了建设成本，有效解决了现有垂直流人工湿地技术需要对斜坡进行开挖平整，成本高，施工难度大等问题；

3）通过巧妙设计提升管，有效解决了下行流湿地单元在运用于斜坡地形时无法储水问题，使下行流人工湿地滞留和净化污水的功能得以发挥；

4）采用池体两端同时进水和排水的管网设计，解决了大面积人工湿地布水不均匀和死水区问题，保证了人工湿地净化功能的充分发挥；

5）本发明具有很强的地形适应性和灵活性，即人工湿地单元面积和池体形状等设计参数可根据地形条件和进水污染负荷、出水水质要求等灵活选择，还可以根据实际情况将多套斜底式复合垂直流人工湿地系统依据地形以并联形式自由组合，可适应不同地形，满足不同水量的污染处理需求，适用范围更广，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的侧视剖面图。

图3是图1中下行流人工湿地单元结构剖面图。

图4是图1中上行流人工湿地单元结构剖面图。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，本发明的人工湿地系统是由上级湿地单元和下级湿地单元呈阶梯状紧邻分布构成的上下两级湿地单元，上下两级湿地单元是一个框架结构池体，该框架结构池体的池底5为斜坡坡面，上级湿地单元是下行流人工湿地单元1，下级湿地单元是上行流人工湿地单元2；框架结构池体是由设在斜坡坡面池底5上的内墙6、隔墙7、外墙8和两侧挡墙9构成，对池底5可采用混凝土浇筑硬化或铺装防渗膜及土工布的方式进行防渗处理，内墙6和外墙8，以及两侧的挡墙9设在池底5的边沿上；内墙6、隔墙7和外墙8分别设在斜坡上下不同等高线处，通过在开挖的地基上砌墙建筑而成；下行流人工湿地单元1和上行流人工湿地单元2之间由隔墙7相隔；隔墙7即是下行流人工湿地单元1的外墙，又是上行流人工湿地单元2的内墙；隔墙7和内墙6的上沿以及两侧挡墙9的上沿在一个水平面上构成下行流人工湿地单元1，下行流人工湿地单元1由内墙6和隔墙7及两侧挡墙9构成一个上表面在同一水平面上的框架池体；外墙8的上平面低于隔墙7的上平面，外墙8和隔墙7及两侧挡墙9构成上行流人工湿地单元2，上行流人工湿地单元2由外墙8及两侧挡墙9构成一个上表面在同一水平面上的框架池体，上述两个框架池体上表面之间呈阶梯状，即下行流人工湿地单元1和上行流人工湿地单元2构成一个阶梯状，如图1、2所示；外墙8和内墙6的高度可以根据地形、坡度等具体情况设计，外墙8参考取值为0.5-3m，下行流人工湿地单元1内墙6高度参考取值可以为0-1m；在下行流人工湿地单元1和上行流人工湿地单元2内均设有基质3，基质3从下到上分为深度相等的三层，最下层为配水层，选用粒径30-100mm的基质，用于使湿地单元均匀布水或集水，避免出现死水区，中层和上层为净化层，分别选用粒径10-30mm和2-20mm的基质，基质的选自河沙、砾石、碎石、陶粒、页岩、钢渣或沸石中的一种或多种，填充高度低于池体单元墙体上沿5-20cm；基质3上栽种有植物4，湿地植物4选自芦苇、花叶芦荻、香蒲、菖蒲、再力花、美人蕉、风车草、梭鱼草、慈姑或泽泻中的一种或多种，种植密度为9-25株/m²；根据实际应用需要，可以将本发明的多套斜底式复合垂直流人工湿地系统依据地形以并联的形式自由组合。

下行流人工湿地单元1上设有管道，管道包括进水管10、布水管11、集水管12和提升管13，布水管11安装在基质3的表层，由主管和支管组成，支管为穿孔管，主管与支管呈“E”字排列，主管进水端与进水管10相连接；集水管12为穿孔管，安装在池底5的上方，集水管12的两端伸出两侧挡墙9外；提升管13紧贴两侧挡墙9垂直安装，提升管13的下端与集水管12连接，提升管13管的身长度是布水管11和集水管12高度差的80-90%。

上行流人工湿地单元2上设有管道，管道包括连接管14、布水管15、集水管16和排水管17；连接管14上端与提升管13相连，下端与上行流湿地单元布水管15相连接；布水管15是穿孔管，安装在池底5的上方，布水管15的两端伸出两侧挡墙9；集水管16安装在基质3的表层，由主管和支管组成，均为穿孔管，主管与支管呈“E”字排列，主管两端伸出两侧挡墙9；排水管17紧邻两侧挡墙9竖直安装，排水管17上端与集水管16的主管相连接。

实施例1

本实施例中斜底式复合垂直流人工湿地系统，用于某河流入河地表径流的处理；人工湿地处理系统选址于污水排口边的水岸边坡处，坡角约为20°，人工湿地处理系统占地面积100m²，由一座面积为20m²的沉淀池和一座面积为80m²的斜底式复合垂直流人工湿地系统组成，设计处理规模30吨/天。该斜底式复合垂直流人工湿地系统如图1、图2所示，由依坡度呈阶梯状分布的上下两级湿地单元组成，上级湿地单元为下行流人工湿地单元1，下级湿地单元为上行流人工湿地单元2，湿地单元由池体、管道、基质3、植物4构成；湿地单元池体为框架结构，由池底5、内墙6、隔墙7、外墙8和两侧挡墙9构成，单个池体面积为10m×4m，池底5是对斜坡坡面进行修整和水泥硬化防渗处理建造而成，内墙6和外墙8是分别在斜坡上下不同等高线处沿线开挖的地基上砌墙建筑而成；在下行流人工湿地单元1和上行流人工湿地单元2之间设有隔墙7；上行流人工湿地单元2隔墙7和外墙8长×高均为10m×2m；下行流人工湿地单元1的内墙6高度为0.45m；基质10装填高度为距池体上沿10cm处，基质10从下到上分为三层，各层深度相等，最下层为配水层，选用粒径30-100mm的砾石，中层选用粒径10-20mm的陶粒，上层选用粒径5-20mm的碎石；湿地植物11在下行流人工湿地单元1中选用美人蕉，在上行流人工湿地单元2中选用鸢尾，种植密度均为16株/m²；下行流人工湿地单元1的布水管11由1根主管和9根支管组成，支管为穿孔管，主管与支管呈“E”字排列，主管靠内墙安装，进水端与进水管10相连接，集水管12为穿孔管，安装在池体底部，两端伸出两侧挡墙9，提升管13紧贴两侧挡墙9垂直安装，下端与集水管12连接，管身长度为1m；上行流人工湿地单元2的布水管15为穿孔管，安装在池体底部，两端伸出两侧挡墙9，集水管16安装在基质3表层，由主管和支管组成，均为穿孔管，主管与支管呈“E”字排列，主管靠内墙安装，两端伸出两侧挡墙9，排水管17紧邻两侧挡墙9竖直安装，上端与集水管16主管相连；污水先经引水管引入沉淀池进行预沉淀，然后通过提升泵泵入斜底式复合垂直流人工湿地系统，经人工湿地净化后排出。本人工湿地处理系统对污水有良好净化效果，对COD、TP、TN、NH₄ ⁺-N的去除率达到50-60%。

Claims (5)

1.一种斜底式复合垂直流人工湿地系统，其特征是：人工湿地系统是由上级湿地单元和下级湿地单元呈阶梯状紧邻分布构成的一个框架结构池体的两级湿地单元，该框架结构池体的池底（5）为斜坡坡面，上级湿地单元是下行流人工湿地单元（1），下级湿地单元是上行流人工湿地单元（2）；所述的框架结构池体内设有基质（3），基质（3）内栽种有植物（4）。

2.根据权利要求1所述的一种斜底式复合垂直流人工湿地系统，其特征是：所述的框架结构池体是由设在斜坡坡面池底（5）上的内墙（6）、隔墙（7）、外墙（8）和两侧挡墙（9）组成，下行流人工湿地单元（1）由内墙（6）和隔墙（7）及两侧挡墙（9）构成一个上表面在同一水平面上的框架池体，上行流人工湿地单元（2）由隔墙（7）和外墙（8）及两侧挡墙（9）构成一个上表面在同一水平面上的框架池体，上述两个框架池体上表面之间呈阶梯状。

3.根据权利要求1所述的一种斜底式复合垂直流人工湿地系统，其特征是：所述的下行流人工湿地单元（1）上设有进水管（10）、布水管（11）、集水管（12）和提升管（13）；所述的布水管（11）安装在基质（3）表层，由主管和支管组成，支管为穿孔管，主管与支管呈“E”字排列，主管进水端与进水管（10）相连接；所述的集水管（12）为穿孔管，安装在池体底部，两端伸出两侧挡墙（9）；所述的提升管（13）紧贴两侧挡墙（9）垂直安装，提升管（13）下端与集水管（12）连接，管身长度是布水管（11）和集水管（12）高度差的80-90%。

4.根据权利要求1所述的一种斜底式复合垂直流人工湿地系统，其特征是：所述的上行流人工湿地单元（2）上设有连接管（14）、布水管（15）、集水管（16）和排水管（17）；所述的连接管（14）上端与提升管（13）相连接，下端与布水管（15）相连接；所述的布水管（15）是穿孔管，安装在池体底部，两端伸出两侧挡墙（9）；所述的集水管（16）安装在基质（3）表层，由主管和支管组成，均为穿孔管，主管与支管呈“E”字排列，主管两端伸出两侧挡墙（9）；所述的排水管（17）紧邻两侧挡墙（9）竖直安装，排水管（17）上端与集水管（16）主管相连接。

5.根据权利要求1所述的一种斜底式复合垂直流人工湿地系统，其特征是：所述的基质（3）从下到上分为深度相等的三层，最下层为粒径30-100mm的基质，中层粒径为10-30mm的基质，上层粒径为2-20mm的基质。