CN105217893B - 一种斜底式潜流人工湿地组合系统 - Google Patents

Abstract

本发明的名称是一种斜底式潜流人工湿地组合系统，涉及一种适用于斜坡地形的斜底式潜流人工湿地组合系统。它主要是解决已有的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净化空间闲置、处理效果不佳、建设成本高、费效比低等问题。本发明的人工湿地组合系统是依斜坡坡度由上而下呈阶梯状分布的至少三级池体单元串联连接组成，该池体单元的池底是一个以斜坡坡面，从上至下依次为曝气池单元、水平流人工湿地单元、上行流人工湿地单元。本发明突破了斜坡地形对人工湿地应用的限制，处理效果好、结构简单、施工简便、成本低廉，本发明扩展了人工湿地的应用范围，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

一种斜底式潜流人工湿地组合系统

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

山地和丘陵地区由于人口和污染源较为分散，缺乏足够大的平地空间，通常难以建设大型污水处理设施来对该地区的生活污水、工业废水、农牧业面源污染等各类污水进行集中处理。人工湿地技术是一项根据自然湿地水质净化原理建立的污水净化技术，通过人为地将土壤、沙、石等材料按一定比例组成基质，并栽种经过选择的耐污植物，培育多种微生物，利用植物、基质及微生物的共同作用对污染物进行吸附、吸收和降解。人工湿地按水位在基质表面以上或以下，可以分为表面流人工湿地和潜流人工湿地两种类型。潜流人工湿地根据水流方向又可分为水平流、上行流、下行流和复合垂直流几种类型。人工湿地技术由于污水处理效果好，同时兼具投资少、能耗低、运行费用省、维护管理简单、景观生态相容性好等优点，被广泛应用于生活污水、市政污水、地表径流、农业面源污染、矿山废水、农场废水等各类污水处理。由于兼具以上优点，人工湿地技术极为适合于分散污染源治理，在山地和丘陵地区的污水处理中拥有很大的应用前景。然而，现有的人工湿地技术对土地平整性的要求极为严格。为避免出现死水区和基质层上部空间闲置，各类人工湿地设计规范均要求湿地底部坡降不宜超过1%。对土地进行平整不仅大大增加了人工湿地建设成本，而且有可能受限于地形条件而导致人工湿地无法建设。这直接限制了人工湿地技术在山地和丘陵地区的应用。

针对上述难题，已有研究者做了初步探索。如申请号为200410065916.1的专利，利用桩板设置植物种植区，构建多级斜底式人工湿地护坡。面源污染从上至下依次流过各级植物种植区，得到净化。由于该申请实质是一种护坡系统，无法达到人工湿地滞留并原位净化污水的良好处理效果。申请号为200910199374.X的专利开发的斜面潜流人工湿地，存在湿地池体上半部分空间无法储水的问题，申请号为201310475839.6的专利开发的斜面潜流人工湿地，存在池体下半部分斜面空间不能利用及池体无法储水的问题，导致人工湿地净化空间严重压缩，净化能力受限。申请号为201210030589.0和201410229651.8的专利分别开发了各具特色的可用于斜坡的人工湿地系统，该两种人工湿地均存在湿地底部需要平整的问题，导致湿地建设难度较大，建设成本较高。此外，由于采用垂直流形式，导致斜坡纵向空间没有得到有效利用，并存在布水管网较为复杂，增加建设成本等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种能适用于斜坡地形、净化效果好、结构简单、施工简便、成本低廉的斜底式潜流人工湿地组合系统。

本发明的技术解决方案是：人工湿地组合系统是依斜坡坡度由上而下呈阶梯状分布的至少三级池体单元串联连接组成，该池体单元的池底是一个斜坡坡面，从上至下依次为曝气池单元、水平流人工湿地单元、上行流人工湿地单元。

本发明的技术解决方案中所述的至少三级池体单元的池体是由池底、内墙、外墙、进水侧挡墙和出水侧挡墙围设而成，池底是一个斜坡坡面，内墙和外墙分别设在斜坡上下位置，各级池体单元之间通过隔墙相隔，该隔墙既是本级池体单元的外墙，又是下一级湿地单元的内墙，各级池体单元的进水侧挡墙和出水侧挡墙的上沿与本级池体单元的外墙上沿平齐，分别连接在内墙和外墙的两端。

本发明的技术解决方案中所述的曝气池单元设在人工湿地组合系统的上端，曝气池单元内等距安装有曝气装置。

本发明的技术解决方案中所述的曝气池单元上设有分别安装在进水侧挡墙和出水侧挡墙上部的进水管和出水管，进水管水平高度高于出水管水平高度，水流在曝气池单元中沿池体长轴方向水平流动。

本发明的技术解决方案中所述的水平流人工湿地单元至少一级，水平流人工湿地单元设在曝气池单元的下方，池体内装填有基质，基质上种植有湿地植物。

本发明的技术解决方案中所述的水平流人工湿地单元上设有与曝气池单元安装方式一致的进水管和出水管，水流在水平流人工湿地单元中沿池体长轴方向水平流动，池体内设有与基质深度一致的通气管，通气管等距垂直安装在基质中。

本发明的技术解决方案中所述的上行流人工湿地单元至少一级，上行流人工湿地单元设在水平流人工湿地单元的下方，池体内装填有基质，基质上种植有湿地植物。

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进水管和出水管，进水管和出水管的长度是与池体的一致的、末端封闭的穿孔管，进水管从进水侧挡墙贯穿基质底部，出水管从出水侧挡墙贯穿基质上部，水流在上行流人工湿地单元中垂直向上流动。

本发明的技术解决方案中所述的各级池体单元通过连接管以串联方式连接，连接管上下端分别与同一侧上下相邻两级池体单元的进水管、出水管相连通。

本发明的斜底式潜流人工湿地组合系统可应用于坡度为0-45°的斜坡地形，与现有人工湿地技术相比，本发明突破斜坡地形对人工湿地应用的限制，提供了一种充分利用坡地空间、结构简单、施工简便、成本低廉的可应用于各类地形的人工湿地系统及其应用方式；本发明可广泛应用于山地、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；与现有技术相比，本发明还具有以下特点：

1）将多个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人工湿地的问题，开发出了一种不受斜坡地形限制的人工湿地系统，极大扩展了人工湿地的应用范围；

2）开发了水流方向与地形等高线一致的水平流人工湿地单元，以及水流沿垂直方向上行流动的上行流人工湿地单元，使得湿地底部斜面净化空间得到充分利用，有效解决了现有斜底式人工湿地存在湿地单元池体无法储水、池体内部净化空间闲置、湿地费效比低等问题；

3）本发明将曝气池单元、水平流人工湿地单元和上行流人工湿地单元进行科学合理组合，实现了对不同湿地单元内氧化和还原状态的有效调控，曝气池内曝气可充分提高污水的溶解氧并降解部分有机物，其后的水平流人工湿地单元的好氧环境有利于硝化细菌生长繁殖，促进水体中氨氮向亚硝态氮和硝态氮转化，最后的上行流人工湿地单元的厌氧环境则有利于反硝化细菌的脱氮过程，有效提高了人工湿地系统对氮和有机物的去除效果；

4）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；

5）本发明具有很强的地形适应性和灵活性，即人工湿地单元级数、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潜流人工湿地组合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中曝气池单元结构剖面图。

图4是图1中水平流人工湿地单元结构剖面图。

图5是图1中上行流人工湿地单元结构剖面图。

图6是本发明的另一种结构示意图。

图7是图6的侧视剖面图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5所示，本发明的人工湿地组合系统是由依斜坡坡度由上而下呈阶梯状分布的至少三级池体单元串联连接组成；每一级池体单元可以为长条形，长条形池体单元的长宽比≤10；至少三级池体单元从上至下依次为曝气池单元1、水平流人工湿地单元2、上行流人工湿地单元3；至少三级池体单元的池体是由池底4、内墙5、外墙6、进水侧挡墙7和出水侧挡墙8围设而成；池底4是斜坡坡面，对该斜坡坡面可以进行防渗处理，内墙5和外墙6是分别设在斜坡上下不同等高线处、通过在沿线开挖的地基上砌墙建筑而成，外墙6的高度根据地形、坡度等具体情况，参考取值为0.5-4 m，曝气池单元的内墙5高度参考取值为0-1 m；各级池体单元的池体之间分别通过隔墙相隔，，隔墙既是本级池体单元的外墙6，又是下一级湿地单元的内墙5；各级池体单元的进水侧挡墙7和出水侧挡墙8的上沿与本级池体单元的外墙6上沿平齐，分别连接在内墙5和外墙6的两端；第一级池体单元，即设在斜坡高位的池体单元是曝气池单元1，曝气池单元1内设有进水管11和出水管12，进水管11和出水管12分别安装在进水侧挡墙7和出水侧挡墙8上部，且进水管11水平高度高于出水管12；水流在曝气池单元1中沿池体长轴方向水平流动；曝气池单元1内等距离安装与数台曝气装置15，曝气装置15选用市售产品，安装数量、间距和运行时间根据产品参数、进水溶解氧含量和曝气池容积确定，确保曝气池水体溶解氧含量高于2 mg/l；水平流人工湿地单元2设在曝气池单元1的下方，水平流人工湿地单元2至少是一级，即根据需要可以由一级或多级池体单元组成，水平流人工湿地单元2池体内装填有基质9，基质9上种植有湿地植物10，湿地植物10可以选用芦苇、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；基质9选用粒径为2-30 mm基质；水平流人工湿地单元2内的进水管11和出水管12安装方式与曝气池单元1一致；水流在水平流人工湿地单元2中沿池体长轴方向水平流动；池体内设有通气管13，通气管13为穿孔管，进水管11、出水管12和通气管13均选用PVC塑料管，管径大小根据进水流量确定，通气管13为PVC塑料穿孔管，管身孔眼大小和密度根据管径和进水流量确定；多根穿孔管等距垂直安装在基质9中，各穿孔管长度与其安装处基质9层深度一致；上行流人工湿地单元3设在水平流人工湿地单元2的下方，上行流人工湿地单元3至少是一级，即根据需要由可以由一级或多级池体单元组成；池体内装填有基质9，基质9上种植有湿地植物10；基质9分为两层，下层为配水层，占基质层的1/3厚度，选用粒径为30-100 mm的基质，上层为净化层，选用粒径为2-30 mm的基质；上行流人工湿地单元3内的进水管11和出水管12均选用长度与池体长度一致的、末端封闭的穿孔长管，进水管11从进水侧挡墙7贯穿基质9的底层部位，出水管12从出水侧挡墙8贯穿基质9上层部位，水流在上行流人工湿地单元3中垂直向上流动；进水管11和出水管12均为PVC塑料穿孔管，管身孔眼大小和密度根据管径和进水流量确定；各级长条形池体单元通过连接管14以串联方式连接，连接管14上下端分别与同一侧上下相邻两级池体单元的进水管11、出水管12相连通；在实际建造过程中，池体单元形状和面积、上下级池体单元之间的高度差以及水平流人工湿地单元2和上行潜流人工湿地单元3的级数，均根据地形特征、进水污染负荷、出水水质要求等参数设计，以适应于不同地形和污水处理需求；根据实际应用需要，可以将多套斜底式潜流人工湿地组合系统依据地形以并联的形式自由组合。

实施例1

本实施例中的斜底式潜流人工湿地组合系统用于某山区养殖场的畜牧养殖废水处理。人工湿地处理系统选址于养殖场污水排口下的山坡处，坡角约为22°。人工湿地处理系统占地面积200 m²，由一座面积为20 m²的沉淀池16和一座面积为180 m²的斜底式潜流人工湿地组合系统组成，如图1、2所示，设计处理规模60吨/天；坡度由从上向下呈阶梯状分布的三级长方形池体单元组成。三级池体单元面积均为20 m×3 m。池体是由池底4、内墙5、外墙6、进水侧挡墙7和出水侧挡墙8围设而成。各级池体单元之间通过隔墙相隔，隔墙既是本级池体单元的外墙6，又是下一级湿地单元的内墙5。池底4是对斜坡坡面进行修整和水泥硬化建造而成。内墙5和外墙6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，第一、二、三级池体单元外墙高度依次为1.2 m、1.5 m、1.8 m。第一级池体单位内墙高度为0 cm。进水侧挡墙7和出水侧挡墙8的上沿与外墙7上沿平齐，分别与内墙5和外墙6的两端连接。曝气池单元1为第一级池体单元，进水管11安装在进水侧挡墙7距上沿10 cm处中间位置，出水管12安装在出水侧挡墙8距上沿15 cm处中间位置。水流在曝气池单元1中沿池体长轴方向水平流动。曝气池单元1内以10 m间距安装2台太阳能微泡式曝气机15。水平流人工湿地单元2为第二级池体单元，进水管11和出水管12安装方式与曝气池单元1一致。池体内装填的基质9为粒径5~20 mm的碎石，湿地植物10选用美人蕉，种植密度16株/m²。通气管13为长度与安装处基质9层深度一致的穿孔管，多根穿孔管以2 m间距垂直安装在基质层中。上行流人工湿地单元3为第三级池体单元，进水管11和出水管12均选用长度与池体一致的、末端封闭的穿孔长管，进水管11从进水侧挡墙7贯穿基质9底层部位，出水管12从出水侧挡墙8贯穿基质9上层部位。池体内基质9分为两层，底层为配水层，占1/3基质层厚度，选用粒径30~100 mm的砾石。上层为净化层，选用粒径5~20 mm的碎石。湿地植物10选用鸢尾，种植密度16株/m²。各级长条形池体单元通过连接管14以串联方式连接。畜牧养殖废水先经引水管引入沉淀池16进行预沉淀，然后通过提升泵泵入斜底式潜流人工湿地组合系统，经人工湿地净化后排出。本发明的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%。

实施例2

如图6、7所示，本实施例中的斜底式潜流人工湿地组合系统用于某农村居民区生活污水处理。人工湿地处理系统选址于污水排口下的山坡处，坡角约为27°。人工湿地处理系统占地面积450 m²，由一座面积为34 m²的沉淀池16和二座面积为208 m²的斜底式潜流人工湿地组合系统组成。设计处理规模130吨/天。湿地设计进水水质为一级A标准，出水水质标准为V类水。该斜底式潜流人工湿地组合系统是坡度从上向下呈阶梯状分布的四级长方形池体单元组成。四级池体单元面积均为20 m×2.6 m，第一、二、三、四级池体单元外墙高度依次为1.5 m、1.7 m、1.9、2.1 m，第一级池体单元内墙5高度为0.2 m。水平流人工湿地单元2包括第二、三级池体单元，分别种植美人蕉和再力花，上行流人工湿地单元3为第四级池体单元，各级池体单元之间通过连接管14以串联方式连接。其余与实施例1相同。生活污水先经引水管引入沉淀池16进行预沉淀，然后通过提升泵分别泵入两座斜底式潜流人工湿地组合系统，经人工湿地净化后排出。本发明的人工湿地处理系统对污水有良好净化效果，COD、TP、NH₄ ⁺-N等主要水质指标达到了地表水V类标准。

Claims (4)

1.一种斜底式潜流人工湿地组合系统，其特征是：人工湿地组合系统是依斜坡坡度由上而下呈阶梯状分布的曝气池单元（1）、水平流人工湿地单元（2）、上行流人工湿地单元（3）三种处理单元串联连接组成；所述斜底式潜流人工湿地组合系统的池体结构是由池底（4）、内墙（5）、外墙（6）、进水侧挡墙（7）和出水侧挡墙（8）围设而成，池底（4）是一个斜坡坡面，内墙（5）和外墙（6）分别设在斜坡上下位置，各级池体单元之间通过隔墙相隔，该隔墙既是本级池体单元的外墙（6），又是下一级湿地单元的内墙（5），各级池体单元的进水侧挡墙（7）和出水侧挡墙（8）的上沿与本级池体单元的外墙（6）上沿平齐，分别连接在内墙（5）和外墙（6）的两端；所述的曝气池单元（1）上设有分别安装在进水侧挡墙（7）和出水侧挡墙（8）上部的进水管（11）和出水管（12），进水管（11）水平高度高于出水管（12）水平高度，水流在曝气池单元（1）中沿池体长轴方向水平流动；所述的水平流人工湿地单元（2）上设有与曝气池单元（1）安装方式一致的进水管（11）和出水管（12），水流在水平流人工湿地单元（2）中沿池体长轴方向水平流动，池体内设有与基质（9）深度一致的通气管（13），通气管（13）等距垂直安装在基质（9）中；所述的上行流人工湿地单元（3）上设有进水管（11）和出水管（12），进水管（11 ）和出水管（ 12 ）均选用长度与池体一致的、末端封闭的穿孔管，进水管（11）从进水侧挡墙（7）贯穿基质（9）底部，出水管（12）从出水侧挡墙（8）贯穿基质（9）上部，水流在上行流人工湿地单元（3）中垂直向上流动；各级池体单元通过连接管（14）以串联方式连接，连接管（14）上下端分别与同一侧上下相邻两级池体单元的进水管（11）、出水管（12）相连通。

2.根据权利要求1所述的一种斜底式潜流人工湿地组合系统，其特征是：所述的曝气池单元（1）设在人工湿地组合系统的上端，曝气池单元（1）内等距安装有曝气装置（15）。

3.根据权利要求1所述的一种斜底式潜流人工湿地组合系统，其特征是：所述的水平流人工湿地单元（2）至少一级，水平流人工湿地单元（2）设在曝气池单元（1）的下方，池体内装填有基质（9），基质（9）上种植有湿地植物（10）。

4.根据权利要求1所述的一种斜底式潜流人工湿地组合系统，其特征是：所述的上行流人工湿地单元（3）至少一级，上行流人工湿地单元（3）设在水平流人工湿地单元（2）的下方，池体内装填有基质（9），基质（9）上种植有湿地植物（10）。