CN107055794B - 适于利用蚯蚓缓解堵塞并强化脱氮的人工湿地系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用蚯蚓缓解堵塞并强化脱氮的人工湿地系统，其第一湿地单元由上至下依次设有第一布水管、第一细无机填料层、第一粗无机填料层、第一主填料层和第一集水层，其第二湿地单元由上至下依次设有第二布水管、第二有机透水层、第二主填料层和第二集水层，所述第一湿地单元和第二湿地单元之间连通第一湿地单元出水口和第二湿地单元进水口的集水槽，所述第二出水口连接出水高度可调的系统排水管，所述第一湿地单元和第二湿地单元内分别种植有芦苇和茭白，均接种有蚯蚓并通过控制浸泡水位高度控制蚯蚓的活动范围。本发明适于引入蚯蚓，在湿地运行期间即可有效地缓解湿地堵塞问题，并能够强化湿地脱氮效果，提高总体净化水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种适于利用蚯蚓缓解堵塞并强化脱氮的人工湿地系统，属环境保护和污染控制技术领域。
背景技术
人工湿地是指人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，其设计和建造是通过对湿地生态系统中的物理、化学和生物作用等优化组合来进行污（废）水处理。
据美国环保局对100多个运行中人工湿地的调查，有将近一半的湿地系统在投入使用后的5年内出现了堵塞问题，其水力传导系数降低，除污效果变差，运行寿命缩短。人工湿地的堵塞问题越来越成为其应用的障碍，使得探寻相应的解决措施和预防对策十分必要且迫切。人工湿地堵塞主要与污水中悬浮物、有机物和生物膜积累有关。悬浮物粒径或者浓度过高，将会引起湿地堵塞；有机物负荷过高超过基质中微生物分解能力时，未被分解有机物将会在基质中积累，进而引发人工湿地堵塞；生物膜积累也是引起人工湿地堵塞的原因之一。
水平潜流和垂直潜流人工湿地中有限的复氧能力和较差的氧环境使得氨氮的硝化过程成为湿地污水处理系统脱氮的主要限速步骤，提高湿地床复氧能力、改善湿地床体中的氧环境对提高湿地污水净化效果至关重要；出水中碳源浓度很低，使得湿地系统出水中富集大量的硝态氮，直接限制了其对总氮的彻底脱除，想要进行后续脱氮处理过程，必须额外添加碳源，一定程度上增加了成本与运行维护的难度。
另一方面，蚯蚓活动可以对残落有机物进行机械破碎，疏松人工湿地基质，提高基质的孔隙率，一方面可有效缓解基质堵塞问题，另一方面使更多的氧气进入基质，有利于好氧微生物的生长，从而提高人工湿地中的硝化反应；蚯蚓粉碎芦苇杆为后续脱氮处理提供碳源，加强反硝化反应，因此，经申请人实验验证，可以利用蚯蚓对人工湿地进行改良，以解决现有人工湿地的上述问题，缓解湿地堵塞，延长湿地寿命，在资源化利用湿地植物的同时强化湿地脱氮系统。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种利用蚯蚓缓解堵塞并强化脱氮的人工湿地系统，这种湿地系统适于引入蚯蚓，以缓解湿地堵塞，延长湿地寿命，在资源化利用湿地植物的同时强化湿地的脱氮作用。
本发明的技术方案为：
一种利用蚯蚓缓解堵塞并强化脱氮的人工湿地系统，包括第一湿地单元和第二湿地单元，所述第一湿地单元的填料层由上至下依次包括第一细无机填料层、第一粗无机填料层和第一主填料层，所述第一主填料层的下面为第一集水层，所述第一无机填料层的上方设有第一布水管，所述第二湿地单元的填料层由上至下依次设有第二有机透水层和第二主填料层，所述第二主填料层的下面为第二集水层，所述第二有机透水层的上方设有第二布水管，所述第一集水层设有第一出水口，所述第二集水层设有第二出水口，所述第一出水口连通所述第二布水管的进口，所述第一湿地单元和第二湿地单元的填料层内均接种有蚯蚓，并具有适宜蚯蚓生存的未被水浸泡（未处于水浸泡中）的区域，可以通过控制浸泡水位高度控制相应单元内蚯蚓的活动范围。
所述第一湿地单元和第二湿地单元之间可以设有集水槽，所述第一出水口连通所述第二布水管的进口的方式为所述第一出水口连接所述集水槽，所述第二布水管的进口连接所述集水池，依靠系统水位实现第一湿地单元出水向第二布水管的自然流动（无外加动力），由此不仅节省能源，可以通过自然流动实现对单元内浸泡水位高度的有效控制和调节。
所述第二湿地单元的底部高度优选低于所述第一湿地单元的底部高度，以利于形成水的无动力流动。
所述第二出水口可以连接有系统排水管。
所述系统排水管优选采用出口高度可调的结构，例如带有可弯折的软管，通过弯管改变出水口高度，或者设置成由若干套管相互套接的可拉伸结构，通过拉伸方式调节出水高度，由此可以通过调节系统排水管的出口高度，调节所述第二湿地单元的浸泡水位高度，进而调节第二湿地单元内所引入蚯蚓的活动区域和代谢强度。
例如，所述第二出水口与所述系统排水管之间采用允许系统排水管相对于第二出水口上下翻转的活动连接方式连接，所述系统排水管设有用于固定其位置的翻转定位装置，或者，所述系统排水管由排水管进水段和排水管出水段构成，所述排水管进水段和排水管出水段之间采用允许排水管出水段相对于排水管进水段上下翻转的活动连接方式连接，所述排水管进水段与所述第二出水口固定连接，所述排水管出水段设有用于固定其位置的翻转定位装置。
所述第二布水管可以采用布水出口固定的结构，例如，固定架设在池体上的带有固定布水出口的管道，在此情况下，所述第二布水管的布水出口的高度优选低于（含端值，下同）所述第一细无机填料层的底部且高于（不含端值，下同）第一粗无机填料层的底部，或者优选低于第一粗无机填料层的顶部且高于第一主填料层的3/4高度，以便在第一细无机颗粒层或者第一细无机颗粒层和第一粗无机颗粒层内形成适于蚯蚓生长的湿润且不被水浸泡的环境。
优选的，所述第二布水管采用布水出口高度可调的结构，调节范围可以包括第一细无机填料层和第一粗无机填料层对应的高度范围，或者更大一些，例如，下限至第一主填料层的2/3高度，可以采用任意适宜的现有技术实现对第二布水管布水出口高度的调节，通过调节第二布水管的布水出口高度，调节第一湿地单元的浸泡水位高度。例如，将第二布水管的主体部分安装在能够带动其上下移动的可调支架上，其进水段可以采用向下延伸的弯管，以便于在其上下移动时，进水段的进口始终浸入在集水槽的水内，由此通过调节第二布水管的布水出口高度，调节集水槽内额水位高度，进而调节第一湿地单元内的水位高度，调节第一湿地单元内所引入蚯蚓的活动区域和代谢强度。
为施工方便且结构紧凑，优选的，所述第一湿地单元、集水槽和第二湿地单元由同一池体前后分隔而成，所述池体内设有第一湿地单元隔板和第二湿地单元隔板，所述池体前壁和第一个单元隔板之间为第一湿地单元，所述第一湿地单元隔板和第二湿地单元隔板之间为集水槽，所述第二湿地单元隔板和池体后壁之间为第二湿地单元。
所述第一湿地单元隔板的底部可以设有构成所述第一出水口的第一出水通孔或第一出水管，可以在第一集水层内设置侧壁上分布有若干集水通孔的第一集水管，将第一集水管的出水段穿过池体后壁，形成第一出水管。
所述池体后壁的底部可以设有构成所述第二出水口的第二出水通孔或第二出水管，可以在第二集水层内设置侧壁上分布有若干集水通孔的第二集水管，将第二集水管的出水段穿过池体后壁，形成第二出水管。
所述第一细无机填料层可以采用细沙层，所述第一粗无机填料层可以采用石子层。
所述第一主填料层可以采用下列任意一种或者采用以任意上下相间分布形式分布的下列任意多种：沸石颗粒层、钢渣层和无烟煤层。
所述第二有机透水层可以采用秸秆渣层，例如芦苇渣层。
所述第二主填料层可以采用下列任意一种或者采用以任意上下相间分布形式分布的下列任意多种：沸石颗粒层、钢渣层和无烟煤层。
所述第一集水层和第二集水层均可以采用石子层，且优选采用粒径大小分层分布的多层结构，位于上层的石子粒径小于位于下层的石子粒径。
各集水层的出水口设置方式可以依据现有技术或其他适宜的技术，例如，可以在集水层内设置相应的集水管，集水管的侧壁上分布有若干通孔作为集水进口，将集水层内的水引入集水管内，集水管的外端口构成的相应出水口，可以穿过相应的池壁接入集水槽或系统排水管，或者连接其他形式的输出通道。
所述第一湿地单元内优选种植有芦苇。
所述第二湿地单元内优选种植有茭白。
本发明的使用方式和有益效果为，通过第一布水管接入待处理水，待处理水从第一布水管上的布水出口流出，依次经过第一细无机填料层、第一粗无机填料层和第一主填料层，进入第一湿地单元底部的第一集水层，第一集水层中的水经第一出水口自然流入集水槽，集水槽内的水经第二布水管的进口进入第二布水管，经第二布水管上的布水出口流出，依次经过第二有机透水层和第二主填料层，进入第二湿地单元底部的第二集水层，然后经第二集水层的出水口流入系统排水管，从系统排水管排出。待处理水经过上述过程实现净化，除人工湿地通常所具有的各种物理、化学、植物和微生物的净化作用外，本发明还适宜在第一湿地单元和第二湿地单元中接种或引入蚯蚓，第一湿地单元的细无机填料层和粗无机填料层经过一段时间运行后在颗粒表面和缝隙之间截留和沉积了含有有机物的污泥，或者在使用之前人工加入蚯蚓赖以生存的污泥等，使接种的蚯蚓得以生存和代谢，通过蚯蚓活动为第一湿地单元增加了气水接触和氧气溶解，加以第一湿地单元种植的芦苇根部较强的泌氧能力，进一步增大了第一湿地单元水体内所含的溶解氧量，强化了第一湿地单元好氧生化作用，其中包括对氨氮的硝化反应，水体流经第一湿地单元后氨氮得到有效去除，由于第一湿地单元中氨氮的硝化作用及有机物的降解消耗一定量的溶解氧，水中溶解氧含量降低，为第二湿地单元的反硝化作用形成了有利的缺氧环境，蚯蚓在第二湿地单元中粉碎消化芦苇杆一方面为第二湿地单元提供外加碳源，有利于反硝化过程硝态氮的去除；另一方面芦苇杆分解消耗氧气，提供一种缺氧环境，更利于反硝化过程的进行。蚯蚓在两个单元中活动，一方面可以缓解湿地堵塞问题；另一方面通过蚯蚓消化，微生物活性和数量均有大幅度提高；此外，蚯蚓粪具有类似活性炭的多孔状结构，对于一些具有恶臭气味的化合物如低级脂肪酸、硫醇和硫化氢等以及重金属具有吸附作用，有效地减小了人工湿地存在的异味等二次污染问题。
通过蚯蚓活动增加基质孔隙率，有效缓解人工湿地基质堵塞。
蚯蚓增加第一湿地单元湿地基质中氧含量，有利于硝化反应。
蚯蚓粉碎和消化湿地植物秸秆，为第二湿地单元湿地提供外加碳源，强化反硝化反应。
通过植物、基质的选择，强化人工湿地脱氮除磷效果。
经申请人实验验证，本发明不需要停床处理，在湿地运行期间即可有效地缓解湿地堵塞问题，并且强化湿地脱氮效果并提高总体净化水平。
附图说明
图1是本发明主视方向上的示意图；
图2是本发明俯视方向上的示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，这种人工湿地系统共可分为两个处理单元，沿水流方向依次分为第一湿地单元和第二湿地单元，两者之间设置集水槽9，第一湿地单元和第二湿地单元的体积比优选为1:1，两单元的底部具有一定的高程差，第二湿地单元底部较第一湿地单元底部低15cm，通过第二湿地单元的布水高度，确保第一湿地单元的不饱和体积，以保证蚯蚓在第一湿地单元上层正常活动，解决第一湿地单元湿地堵塞问题，同时为第一湿地单元提供氧气，加强硝化反应。
通过向上或向下翻转系统排水管14（图1中用虚线表示系统排水管的不同翻转角度或出水高度），可以提高或降低排水口高度，调整蚯蚓15在第二湿地单元上下活动区域，解决人工湿地基质上、中层的堵塞问题，蚯蚓对第二有机透水层12内芦苇杆的消化为第二湿地单元提供额外碳源，促进反硝化进行。
第一湿地单元栽植芦苇2，种植密度为20株/m2，第二湿地单元栽植茭白10，种植密度为20株/m2。
第一湿地单元填料自上而下分别为第一湿地单元的细沙层3（厚度10cm）、石子层4（厚度10cm）、主填料层（采用沸石、钢渣或无烟煤等）5（厚度60cm）、集水层6（厚度10cm）和防渗层8（厚度3cm），集水层内设置集水管7，集水管7的出口构成第一出水口，于第一湿地单元的表层接种蚯蚓密度为120只/m2。
第二湿地单元填料自上而下分别为第二湿地单元的芦苇杆渣层12（厚度20cm）、主填料层（采用沸石、钢渣或无烟煤等）13（厚度60cm）、集水层（厚度10cm）和防渗层（厚度3cm），于第二湿地单元的芦苇杆渣层中接种蚯蚓密度为180只/m2。
两单元中的蚯蚓均可以选用生命周期短、繁殖力强、可人工养殖的表层种赤子爱胜蚓，赤子爱胜蚓也常被用于生态滤池中。本人工湿地中蚯蚓15可在第一湿地单元中的细沙层、石子层上下活动，以缓解第一湿地单元的湿地堵塞问题的同时为第一湿地单元提供氧气促进硝化反应吗，根据可旋转排水管高度调节，使第二湿地单元中的蚯蚓可以在上、中层上下活动，缓解第二湿地单元的湿地堵塞问题，同时消化芦苇杆为第二湿地单元提供外加碳源加强反硝化反应。
污水经过第一布水管1进入第一湿地单元的人工湿地，均匀流经第一湿地单元的细沙层3、石子层4、填料层5，进入集水层6经集水管7收集后，进入集水槽9。由集水槽9联通进入第二布水管11。通过蚯蚓活动为第一湿地单元提供氧气，加以芦苇根部较强的泌氧能力，强化了第一湿地单元对氨氮的硝化反应。水体流经第一湿地单元后，氨氮得到有效去除。第一湿地单元中氨氮的硝化作用及有机物的降解消耗一定量的溶解氧，使进入系统的污水（例如河道水）溶解氧得到一定的降低，为第二湿地单元的反硝化作用形成了有利的缺氧环境。水自第二湿地单元顶部的第二布水管11流出后，依次流芦苇杆渣层12和主填料层13，经第二集水层内的集水管收集后由可旋转的系统排水管14排出湿地系统。蚯蚓在第二湿地单元中粉碎消化芦苇杆一方面为第二湿地单元提供外加碳源，有利于反硝化过程硝态氮的去除，另一方面芦苇杆分解消耗氧气，提供一种缺氧环境，更利于反硝化过程的进行。蚯蚓在两个单元中活动，一方面可以缓解湿地堵塞问题；另一方面通过蚯蚓消化，微生物活性和数量均有大幅度提高；此外，蚯蚓粪具有类似活性炭的多孔状结构，对于一些具有恶臭气味的化合物如低级脂肪酸、硫醇和硫化氢等具有吸附作用，所采用的赤子爱胜蚓具有可人工饲养、繁殖力强、较耐低温等特点，目前已成功应用于污染环境的治理中。通过引入蚯蚓，使这种湿地系统不需要停床处理，在湿地运行期间即可缓解湿地堵塞问题，并且强化湿地脱氮效果。
使用中，可以根据出水指标监测，旋转调节排水管14的高度，如硝态氮含量有所增加时，适当降低出水口高度，通过蚯蚓粉碎芦苇杆渣一方面增加微生物数量、提高微生物活性，另一方面提供更多的碳源，从而加强水体中的硝化反应，降低出水硝态氮含量；当硝态氮含量降低后，提高出水高度，防止芦苇杆渣对第二湿地单元湿地产生影响，控制出水中的有机污染，通过对各单元蚯蚓活动范围的调节，特别是对第二湿地单元内蚯蚓活动范围的调节，以达到各部分生化环境和效应的协同与均衡，保证所需的各反应过程相互衔接且顺利地进行，优化最终净化效果。与不加蚯蚓的湿地系统相比，加蚯蚓的湿地系统更有效地缓解湿地堵塞现象。在相同处理时间内，相比加蚯蚓的湿地系统，不加蚯蚓的湿地系统湿地表面有明显污泥沉积，出水渗透时间延长，甚至在第一湿地单元湿地表面看到积水；而加蚯蚓的湿地系统表面没有任何污泥沉积，并且在蚯蚓的活动下，湿地基质的渗透性良好，孔隙率与初始状态没有显著差异，完全没有堵塞现象。不加蚯蚓湿地系统出现堵塞现象之后，出水中氨氮浓度迅速升高，而加蚯蚓的湿地系统对氨氮的去除效果稳定。
微生物脱氮过程的不同阶段对氧含量的要求有很大差异，硝化是一个需氧过程，反硝化则是厌氧过程，单一的氧环境也会导致湿地内生物脱氮过程不畅，水气比太小则无法提供足够的氧气，不能满足微生物硝化作用的需要，而水气比过大，则破坏了湿地中好氧厌氧的交替状态，使得微生物自身氧化速度过快进而影响脱氮效果。通常适于硝化反应的DO应该高于2mg/L，反硝化的DO应控制在0.5mg/L。第一湿地单元中，蚯蚓的活动为硝化反应的进行提供更为充足的氧气。碳源主要对反硝化过程产生影响，每硝化1g硝态氮成N2，需要消耗相当于2.86g BOD5的有机物，而本系统中碳源在第一湿地单元较为丰富，第二湿地单元中碳源不足，影响反硝化过程的进行，一般认为BOD5/TN值不大于3~5即可认为碳源不足。第二湿地单元中，通过蚯蚓分解芦苇杆渣可有效促进反硝化反应的进行。
本发明具有下列特点：
在第一湿地单元，蚯蚓活动，为人工湿地提供一种有氧环境，加强氨氮的硝化过程；
在第二湿地单元，芦苇杆作为外源填料，通过蚯蚓的粉碎和消化作用，为反硝化细菌提供持续的碳源，同时增加了微生物的附着场所，强化了系统反硝化过程；
通过选择不同的植物，在第一湿地单元栽植输氧能力较强的芦苇，第二湿地单元栽植对氮磷吸收能力较强但泌氧能力有限的茭白，适应于各单元的溶解氧环境要求；
蚯蚓产生的粪便具有类似活性炭的疏松多孔结构，对一些有机化合物、重金属以及恶臭气体具有吸附作用；
经蚯蚓消化后的微生物，繁殖能力更强，活性更高，蚯蚓消化对酶活性也有一定的促进作用；
蚯蚓可以提高人工湿地的渗透能力，解决人工湿地处理污水时存在的堵塞问题；
蚯蚓促进人工湿地中植物的生长，防止植物退化，确保人工湿地的稳定运行；
蚯蚓延长了人工湿地中的食物链，增加了食物网的丰富度，使人工湿地的结构和功能更完善、稳定，有利于高效、稳定地净化污水；
沸石、钢渣、无烟煤作为湿地的主填料，强化系统处理效果。
本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。
Claims (8)
1.一种利用蚯蚓缓解堵塞并强化脱氮的人工湿地系统，包括第一湿地单元和第二湿地单元，其特征在于所述第一湿地单元的填料层由上至下依次包括第一细无机填料层、第一粗无机填料层和第一主填料层，所述第一主填料层的下面为第一集水层，所述第一细无机填料层的上方设有第一布水管，所述第二湿地单元的填料层由上至下依次设有第二有机透水层和第二主填料层，所述第二主填料层的下面为第二集水层，所述第二有机透水层的上方设有第二布水管，所述第一集水层设有第一出水口，所述第二集水层设有第二出水口，所述第一出水口连通所述第二布水管的进口，所述第一湿地单元和第二湿地单元的填料层内均接种有蚯蚓，并具有适宜蚯蚓生存的未被水浸泡的区域，所述第二出水口连接有系统排水管，所述系统排水管采用出口高度可调的结构，通过调节系统排水管的出口高度，调节所述第二湿地单元的浸泡水位高度，所述第一湿地单元的细无机填料层和粗无机填料层在使用之前人工加入蚯蚓赖以生存的污泥，所述第二有机透水层采用秸秆渣层，所述秸秆渣层为芦苇渣层，蚯蚓在第二湿地单元中粉碎消化芦苇杆一方面为第二湿地单元提供外加碳源，另一方面芦苇杆分解消耗氧气，提供一种缺氧环境，所述第一湿地单元和第二湿地单元内分别种植有芦苇和茭白。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一湿地单元和第二湿地单元之间设有集水槽，所述第一出水口连通所述第二布水管的进口的方式为所述第一出水口连接所述集水槽，所述第二布水管的进口连接所述集水槽，依靠系统水位实现第一湿地单元出水向第二布水管的自然流动。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述第二出水口与所述系统排水管之间采用允许系统排水管相对于第二出水口上下翻转的活动连接方式连接，所述系统排水管设有用于固定其位置的翻转定位装置，或者，所述系统排水管由排水管进水段和排水管出水段构成，所述排水管进水段和排水管出水段之间采用允许排水管出水段相对于排水管进水段上下翻转的活动连接方式连接，所述排水管进水段与所述第二出水口固定连接，所述排水管出水段设有用于固定其位置的翻转定位装置。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述第二布水管采用布水出口高度固定的结构或者采用布水出口高度可调的结构，当采用布水出口高度可调的结构时，通过调节第二布水管的布水出口高度，调节第一湿地单元的浸泡水位高度。
5.如权利要求1、2、3或4所述的系统，其特征在于所述第一湿地单元、集水槽和第二湿地单元由同一池体前后分隔而成，所述池体内设有第一湿地单元隔板和第二湿地单元隔板，所述池体前壁和第一个单元隔板之间为第一湿地单元，所述第一湿地单元隔板和第二湿地单元隔板之间为集水槽，所述第二湿地单元隔板和池体后壁之间为第二湿地单元。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述第一湿地单元隔板的底部设有构成所述第一出水口的第一出水通孔或第一出水管，所述池体后壁的底部设有构成所述第二出水口的第二出水通孔或第二出水管，所述第二出水口连接有系统排水管。
7.如权利要求1、2、3或4所述的系统，其特征在于所述第一细无机填料层采用细沙层，所述第一粗无机填料层采用石子层，所述第一主填料层采用下列任意一种或者采用以任意上下相间分布形式分布的下列任意多种：沸石颗粒层、钢渣层和无烟煤层。
8.如权利要求1、2、3或4所述的系统，其特征在于所述第二有机透水层采用芦苇渣层，所述第二主填料层采用下列任意一种或者采用以任意上下相间分布形式分布的下列任意多种：沸石颗粒层、钢渣层和无烟煤层。
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