CN106242059A - 一种模块化人工湿地生活污水处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种模块化人工湿地生活污水处理装置。模块化人工湿地生活污水处理装置将传统人工湿地划分成不同功能区，如植物布水区、复氧区、缺氧区等。通过许多小的模块来实现这些功能区的分割，从而方便施工、方便表面基质更换、方便湿地系统充氧，进而提高湿地的处理能力，更加方便湿地的后续维护。

Description

一种模块化人工湿地生活污水处理装置
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种模块化人工湿地生活污水处理装置。
背景技术
人工湿地(Constructed Wetlands) 是20 世纪70 年代末发展起来的一种污水处理技术，兴起于美国、澳大利亚、荷兰、丹麦、英国等国家。其特点是：出水水质好，具有较强的有机物、氨氮处理能力，运行维护方便，管理简单，投资及运行费用低。据有关资料显示，人工湿地投资和运行费用仅占传统二级生化处理技术的50%～80%。因此，比较适合于资金少、能源短缺和技术人才缺乏的中小城镇和乡村。但是，在人工湿地实际应用中也逐渐暴露出了一些问题，例如常见的湿地堵塞、供氧不足、布水不均匀等问题。据美国USEPA对100多个运行中的人工湿地调查后发现有将近一半的湿地系统在投入使用后的5年内形成了堵塞。另外，在应用较广泛的水平潜流湿地和垂直潜流湿地中，湿地缺氧问题十分常见。特别地，垂直潜流湿地在理论上而言，其充氧效果应较好，但由于湿地的长期运行，湿地内部基质浸润面积增大，孔隙率降低，也无法创造良好的好氧环境。同时湿地堵塞问题的出现又将进一步阻碍湿地内外空气交换，造成内部缺氧，影响有机物及氨氮的去除。因而，此类常见问题使得人工湿地污染负荷难以提升、运行维护要求相对提高、应用受限。而目前河流、湖泊的富营养化问题突出，国家对污水处理的总氮指标提出了要求，如何在一级湿地中实现总氮处理率达50%以上，已成为垂直潜流人工湿地在应用中急需解决的问题。对此，有必要提出一种低维护要求，同时改善湿地堵塞、供氧不足及脱氮效率不高等根本问题的技术。本发明中提出的一种模块化人工湿地生活污水处理装置，大大降低农村生活污水的处理成本和维护成本。模块化人工湿地生活污水处理装置可通过将传统人工湿地划分成许多小的模块，根据湿地不同部位的作用，对模块中的基质进行不同的设置和组合，从而方便施工、表面基质更换、湿地系统充氧，进而提高湿地的处理能力，更加方便湿地的后续维护。
发明内容
本发明的目的在于提出一种模块化人工湿地生活污水处理装置，使其对分散式农村生活污水的处理效率比现有处理设施有很大提升，并方便运行管理。
本发明提出的用于处理分散式农村生活污水的一种模块化人工湿地生活污水处理装置，由进水管1、墙体2、植物布水模块组、基本模块组、饱和集水区5、出水管8和时控开关11构成，墙体２四周和底部用砖和水泥砌成，墙体2内壁铺设防渗膜9，所述墙体２内自下而上依次布置有饱和集水区5、若干层基本模块组和一层植物布水模块组；所述每层基本模块组为长方体结构，由若干个基本模块4按照横纵连接方式组成，所述植物布水模块组为长方体结构，由若干个植物布水模块3按照横纵连接方式组成；若干层基本模块组和一层植物布水模块组采用堆叠形式放置；所述墙体2一侧上部设有进水管1，进水管1连接时控开关11，由时控开关11控制进水管1的进水；另一侧下部设有出水管8，进水管1通过管道分别和穿孔橡胶软管6连接，所述穿孔橡胶软管6位于穿孔套管7内，每个穿孔套管7贯穿于植物布水模块组内；所述饱和集水区5由基质和集水管10组成，所述集水管10水平布置于墙体2内底部，集水管10末端设置成向上弯起一定高度，所述高度确保湿地淹没水深为100－500mm；所述植物布水模块3和基本模块4均为长方体结构，分别是由长方体筐篮内填充基质组成，或通过水泥粘结基质组成。本发明中，植物布水模块3和基本模块4可采用相同材料及尺寸的模块，也可采用不同材料及尺寸的模块。本发明中，植物布水模块3和基本模块4均为长方体结构，方便运输。植物布水模块3和基本模块4的尺寸分别为：长：200－600mm；宽：100－450mm；高：100－350mm。所述相邻的植物布水模块3之间或相邻的基本模块4之间留有缝隙，所述缝隙为1-50mm。
本发明中，当植物布水模块3或基本模块4采用筐篮内填充基质组成时，所述筐篮四周开有细孔，细孔面积占单个筐篮总面积的40%-80%，细孔的形状是圆形或四边形中任一种，圆形细孔的直径为5-50mm，四边形细孔的最小边长不小于5mm，四边形的最大边长不大于50mm，且不对污水的下渗造成影响，具有一定的抗压强度和承重能力，承重10-50kg。所述筐篮材质采用抗冲击高密度的聚乙烯（HDPE）、聚氯乙烯（PVC）或聚丙烯（PP）等中的一种。
本发明中，当植物布水模块3或基本模块4采用水泥粘结基质组成时，所述通过水泥粘结基质组成的模块，其连通孔隙率为20%-35%，水泥流动度控制在200mm-320mm，抗压强度大于3.6 MPa。
本发明中，当植物布水模块3采用筐篮内填充基质组成时，所述基质为沙土，沙土由耕作土和粗沙按比例混合而成，粗沙、耕作土质量比为0.2-3:1；粗沙的粒径为0.1-6mm。
本发明中，当植物布水模块3采用水泥粘结基质组成时，可以是在水泥粘结基质组成的模块中留有孔穴，孔穴可以是圆形或四边形中任一种，其高度为模块高度的1/5-4/5，其面积为模块面积的20%-70%，孔穴中放置沙土，沙土由耕作土和粗沙按比例混合而成，粗沙、耕作土质量比为0.2-3:1；粗沙的粒径为0.1-6mm。
本发明中，在植物布水模块3放置的沙土中种植的植物为旱生或水生植物，具体可以为百慕大草、金鸡菊、草皮、香蒲、芦苇、美人蕉、香根草、灯芯草、旱伞草或芦竹等中一至几种组合。
本发明中，在植物布水模块3的1/4-3/4高度的位置设置穿孔套管7，所述穿孔套管7开孔孔径为5-15mm，所述穿孔套管7的开孔沿与垂直向下成0-90º角度交叉布置，同侧间距50-500mm，异侧间距25-250mm。穿孔套管7的材质可以是钢管、塑料管或不锈钢管中的一种。
本发明中，穿孔套管7中设置穿孔橡胶软管6，开孔孔径5-15mm，沿与垂直向下成0-180º角度交叉布置，同侧间距50-500mm，异侧间距25-250mm。穿孔橡胶软管6的一端与进水管1连接，并用管箍将软管和硬管连接，另一端进行封堵。穿孔橡胶软管6材质可以采用天然橡胶或合成橡胶中的一种。
本发明中，所述饱和集水区5和基本模块4中的基质可以是瓜子片、河砂、沸石、粉煤灰、高炉渣或钢渣中的一种或几种组合，粒径在3-30mm。
本发明中，饱和集水区5高度为100-500mm。
本发明中，集水管10穿孔孔径5-20mm，沿与垂直向下成0-90º角度交叉布置，同侧间距50-500mm，异侧间距25-250mm。集水管10的材质可以是钢管、塑料管或不锈钢管中的一种。
本发明中，时控开关一天控制开闭次数在2-15次，每次开启时间在5-90分钟。
本发明的有益效果在于：
1、可以通过更换湿地堵塞层的模块，快速方便地解决湿地堵塞问题，从而降低湿地后续维护的难度和成本。
2、使用一种模块化人工湿地生活污水处理装置，无需消耗其他动力，既实现了农村污水处理达标排放，又降低了农村污水处理成本。
3、一种模块化人工湿地生活污水处理装置既降低了人工湿地的施工难度，也提高了湿地的复氧和脱氮能力，有利于污染物的去除。
4、一种模块化人工湿地生活污水处理装置的使用，有利于对湿地的不同功能区进行划分。便于对湿地不同高度，不同位置处进行不同粒径及种类基质的组合。
5、一种模块化人工湿地生活污水处理装置中饱和集水区的设置，可提高一级湿地的脱氮效率。
6、在一种模块化人工湿地生活污水处理装置的进水管上设置时控开关，可提高进水的瞬时流量，使垂直潜流人工湿地布水更均匀，避免短流，同时也为反硝化提供碳源。
附图说明
图1为本发明的结构图示。
图2为Ａ-Ａ剖面图。
图3为Ｂ-Ｂ剖面图。
图4为植物布水模块结构图示。
图中标号：1为进水管，2为墙体，3为植物布水模块，4为基本模块，5为饱和集水区，6为穿孔橡胶软管，7为穿孔套管，8为出水管，9为防渗膜，10为集水管，11为时控开关。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步描述本发明。
实施例1：
一种模块化人工湿地生活污水处理装置处理分散式农村生活污水，服务对象为三户居民，处理水量Q<2吨/天。一种模块化人工湿地生活污水处理装置的进水水质COD<250mg/L、TN<40mg/L、NH3-N<30mg/L。选择的植物布水模块3和基本模块4由筐篮内填充基质组成，植物布水模块3和基本模块4的大小相同，尺寸为：长410mm×宽310mm×高240mm，由抗冲击高密度聚乙烯HDPE制成，四周开有长方形的细孔，细孔的大小40mm×10mm，开孔面积占单个筐篮总面积的65%，每个模块和模块之间留有5mm缝隙。一种模块化人工湿地生活污水处理装置的布置如图1所示。湿地底层为饱和集水区5，饱和集水区5中的基质为瓜子片，高度为300mm；饱和集水区5上层铺设由基本模块4组成的基本模块层，设置3层，基本模块4中放置瓜子片，粒径在10mm。基本模块4上层铺设1层由植物布水模块3组成的植物布水模块层，植物布水模块层中设置三根穿孔橡胶软管6，采用天然橡胶材料，一端与进水管1连接，并用管箍将软管和硬管连接，另一端进行封堵。为了保证布水均匀性，在进水管1上设置时控开关，时控开关一天控制开闭次数为12次，每次开启时间在15分钟。在植物布水模块3中均填放质量比为1:1的粗沙和耕作土。并在1/2植物布水模块3高度的位置设置穿孔套管7，穿孔孔径9mm，沿与垂直向下成0º角度布置，间距200mm。穿孔套管7的材质采用塑料管。植物布水模块3中种植香蒲，充分发挥植物根区对污水的净化作用。污水通过设置在穿孔套管7中的穿孔橡胶软管6均匀分布到人工湿地表层，穿孔橡胶软管6在植物布水模块3长度位置的中间开孔，孔径5mm，沿与垂直向下成0º角度布置。经过植物布水模块3及基本模块4中土壤及基质的吸附、阻截、生化作用，污水中悬浮性固体和部分有机物被去除。其中的营养物质可供湿地植物生长。污水进一步下渗，进入设置在湿地底层的饱和集水区5，饱和集水区5高250mm，集水管10穿孔孔径10mm，沿与垂直向下成45º角度交叉布置，同侧间距200mm ，异侧间距100mm。集水管10的材质采用塑料管。集水管10末端设置成向上弯曲弯起成一定高度，可以确保湿地的淹没水深具有250mm。最终出水通过出水管8排放。这样就在模块化垂直潜流人工湿地中人为创造出上部好氧、下部缺氧的环境。进水氨氮和有机氮在上部被氧化成硝酸盐氮，而在湿地下部缺氧环境中在反硝化细菌的作用下还原成氮气排出湿地，达到脱氮的目的。通过对上述装置及进水水质进行实验，结果表明，当夏季和冬季（上海气候条件下）的水力负荷分别应控制在0.42m3/m2d和0.12m3/m2d以内时，其出水可以达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》中一级B污水处理排放标准，在相同的去除率条件下，其水力负荷提高了50%以上。当上层基质发生堵塞时，通过迅速更换模块来更换上层基质。污水经过模块化垂直潜流人工湿地的处理，能够达标排放。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围和行为。

Claims (7)

1.一种模块化人工湿地生活污水处理装置，其特征在于所述装置用于处理分散式农村生活污水，由进水管(1)、墙体(2)、植物布水模块组、基本模块组、饱和集水区(5)、出水管(8)和时控开关(11)构成，墙体(2)四周和底部用砖和水泥砌成，墙体(2)内壁铺设防渗膜(9)，所述墙体(2)内自下而上依次布置有饱和集水区(5)、若干层基本模块组和一层植物布水模块组；所述每层基本模块组为长方体结构，由若干个基本模块(4)按照横纵连接方式组成，所述植物布水模块组为长方体结构，由若干个植物布水模块(3)按照横纵连接方式组成；若干层基本模块组和一层植物布水模块组采用堆叠形式放置；所述墙体(2)一侧上部设有进水管(1)，进水管(1)连接时控开关(11)，由时控开关(11)控制进水管(1)的进水；另一侧下部设有出水管(8)，进水管(1)通过管道分别和穿孔橡胶软管(6)连接，所述穿孔橡胶软管(6)位于穿孔套管(7)内，每个穿孔套管(7)贯穿于植物布水模块组内；所述饱和集水区(5)由基质和集水管(10)组成，所述集水管(10)水平布置于墙体(2)内底部，集水管(10)末端设置成向上弯起一定高度，所述高度确保湿地淹没水深为100－500mm；所述植物布水模块(3)和基本模块(4)均为长方体结构，尺寸为：长：200－600mm；宽：100－450mm；高：100－350mm；所述相邻的植物布水模块(3)之间或相邻的基本模块(4)之间留有缝隙，所述缝隙为1-50mm，植物布水模块(3)和基本模块(4)分别是由长方体筐篮内填充基质组成，或通过水泥粘结基质组成, 所述饱和集水区(5)或基本模块(4)中的基质是瓜子片、河砂、沸石、粉煤灰、高炉渣或钢渣中的一种或几种组合，粒径在3-30mm，饱和集水区(5)高度为100-500mm，集水管(10)穿孔孔径5-20mm，沿与垂直向下成0-90º角度交叉布置，同侧间距50-500mm，异侧间距25-250mm；时控开关一天控制开闭次数在2-15次，每次开启时间在5-90分钟。
2.根据权利要求1所述的一种模块化人工湿地生活污水处理装置，其特征在于当植物布水模块(3)或基本模块(4)采用筐篮内填充基质组成时，所述筐篮四周开有细孔，细孔面积占单个筐篮总面积的40%-80%，细孔的形状是圆形或四边形中任一种，圆形细孔的直径为5-50mm，四边形的最小边长不小于5mm，四边形的最大边长不大于50mm，且不对污水的下渗造成影响，具有一定的抗压强度和承重能力，承重10-50kg；所述筐篮材质采用抗冲击高密度的聚乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种模块化人工湿地生活污水处理装置，其特征在于当植物布水模块(3)或基本模块(4)采用水泥粘结基质组成时，所述通过水泥粘结基质组成的模块，其连通孔隙率为20%-35%，水泥流动度控制在200mm-320mm，抗压强度大于3.6 MPa。
4.根据权利要求1所述的一种模块化人工湿地生活污水处理装置，其特征在于当植物布水模块(3)采用筐篮内填充基质组成时，所述在植物布水模块(3)筐篮中的基质是沙土，沙土由耕作土和粗沙按比例混合而成，粗沙、耕作土质量比为0.2-3:1；粗沙的粒径为0.1-6mm。
5.根据权利要求1所述的一种模块化人工湿地生活污水处理装置，其特征在于当植物布水模块(3)采用水泥粘结基质组成时，所述植物布水模块(3)是在水泥粘结基质组成的模块中留有孔穴，孔穴是圆形或四边形中任一种，其高度为模块高度的1/5-4/5，其面积为模块面积的20%-70%，孔穴中放置沙土，沙土由耕作土和粗沙按比例混合而成，粗沙、耕作土质量比为0.2-3:1；粗沙的粒径为0.1-6mm。
6.根据权利要求1所述的一种模块化人工湿地生活污水处理装置，其特征在于在植物布水模块(3)的1/4-3/4高度的位置设置穿孔套管(7)，所述穿孔套管(7)开孔孔径为5-15mm，所述穿孔套管(7)的开孔沿与垂直向下成0-90º角度交叉布置，同侧间距50-500mm，异侧间距25-250mm。
7.根据权利要求1所述的一种模块化人工湿地生活污水处理装置，其特征在于穿孔套管(7)中设置穿孔橡胶软管(6)，开孔孔径5-15mm，沿与垂直向下成0-180º角度交叉布置，同侧间距50-500mm，异侧间距25-250mm；穿孔橡胶软管(6)的一端与进水管(1)连接，并用管箍将软管和硬管连接，另一端进行封堵。
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