CN107381787B - 一种适用于低温环境的人工湿地系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于低温环境的人工湿地系统，所述人工湿地系统包括设置在上层的水平潜流湿地单元、设置在下层的垂直流湿地单元、设置在水平潜流湿地单元与垂直流湿地单元上的进出水管路机构，所述进出水管路机构控制水流依次流经水平潜流湿地单元、垂直流湿地单元逐级进行水质净化，或者所述进出水管路机构控制水流直接经垂直流湿地单元进行水质净化。本发明的人工湿地系统与传统采用保温措施的人工湿地相比，能够显著提高湿地运行温度，具有脱氮除磷效果好、投资运行成本低、不易堵塞等优点。

Description

一种适用于低温环境的人工湿地系统
技术领域
本发明涉及一种人工湿地系统，特别是涉及一种适用于低温环境的人工湿地系统，尤其适合在北方冬季低温环境下使用。
背景技术
人工湿地作为20世纪70年代发展起来的一种新型污水处理生态系统，以其建设运营成本低、去污能力强、使用寿命长、工艺简单、组合多样化等优势，在世界各地得到了广泛的应用。
但人工湿地是一个人为建造的自然生态系统，受季节、气温等因素影响较大。尤其是寒冷的北方冬季，地表土层处于结冻状态，人工湿地存在植物冻、枯死，填料层冻结、床体缺氧、管道破裂等多种问题，影响人工湿地对污染物的处理效果，限制了其在北方低温地区的推广使用。
近年来，针对人工湿地在北方寒冷地区冬季运行的研究逐渐受到重视，但主要集中于筛选抗寒植物及基质和采取保温措施两个方面，例如公告号为CN201410554829.6的提高潜流式人工湿地冬季运行效果的植物筛选及配置方法，该方法通过综合考虑植物耐污和净化能力、生长特性、基质酶活性和景观性等特点筛选出木本植物和草本植物，并且对种植植物进行阶段性维护和管理；公告号为CN201210004734.8的一种人工湿地污水处理系统的冬季保温装置，通过形成冰层空气层保温层从而提高冬季湿地的温度。
但在实际运行当中，抗寒植物在低温环境下仅能保证生存，对污染物的去除效果较差；保暖措施无论是大棚保温、植物覆盖、地膜覆盖还是冰层覆盖等，都只能延长运行时间1～2个月，且运行处理率不高，不能达到预期效果。因此，如何保证人工湿地在寒冷地区冬季正常运行及处理效果，仍是一大技术难题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种适用于低温环境的人工湿地系统，通过构建集保温与加热一体化的复合人工湿地系统，从提高进水温度与采取保温措施两方面来提高湿地运行温度，并且采用节能环保的湿地结构设计，在最大限度地减少能量损耗的基础上，增强湿地冬季的运行效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于低温环境的人工湿地系统，所述人工湿地系统包括设置在上层的水平潜流湿地单元、设置在下层的垂直流湿地单元、设置在水平潜流湿地单元与垂直流湿地单元上的进出水管路机构，所述水平潜流湿地单元包括设置在底部与四周的水平潜流湿地墙体、分别设置在所述水平潜流湿地墙体两相对面内侧的进出水布汇水层与透水汇水层、铺设在底部的保温层、填充在内部的水平潜流湿地基质，所述垂直流湿地单元包括呈回型设置的回水保温层、呈回型设置在所述回水保温层内侧的进水加热层、设置在回水保温层和进水加热层两侧的垂直流湿地墙体、设置在所述进水加热层内的加热机构、设置在进水加热层的内墙内的曝气机构与布汇水管路机构、填充在进水加热层的内墙内侧的垂直流湿地基质。
所述进出水管路机构控制水流依次流经水平潜流湿地单元、垂直流湿地单元逐级进行水质净化，或者所述进出水管路机构控制水流直接经垂直流湿地单元进行水质净化。
优选地，所述水平潜流湿地单元还包括与所述进出水汇水层和透水汇水层均垂直设置的隔断墙，所述隔断墙将所述水平潜流湿地单元内部分隔为第一池体与第二池体，并且所述第一池体的最深处与第二池体的最浅处等深。
优选地，所述第一池体的坡度为1％，所述第二池体的坡度为-1％。
优选地，所述水平潜流湿地基质包括填充在所述第一池体内的第一净化基质层以及沿水流方向依次填充在所述第二池体内的第二净化基质层与第三净化基质层，所述第一净化基质层包括粒径5～10mm、体积比1：1的沸石与石灰石复合基质层，所述第二净化基质层包括粒径10～25mm的页岩层，所述第三净化基质层包括粒径10～20mm的钢渣层。
优选地，所述保温层包括自上而下依次设置的防水土工膜层、第一水泥砂浆层、承重水泥板层、珍珠岩保温层、第二水泥砂浆层。
优选地，所述水平潜流湿地单元长度为20～30m，宽度为20～30m，深度为1～1.2m；所述第一水泥砂浆层的厚度为1.5cm，所述承重水泥板层的厚度为10cm，所述珍珠岩保温层的厚度为5cm，所述第二水泥砂浆层的厚度为1.5cm。
优选地，所述隔断墙将所述进出水布汇水层隔断开，并在所述第一池体一侧形成进水布水层，在所述第二池体一侧形成出水汇水层；并且所述进水布水层与第一池体、所述出水汇水层与第二池体、所述透水汇水层与第一池体和第二池体之间的墙壁均为透水墙。
优选地，所述垂直流湿地单元还包括垂直将所述回水保温层与进水加热层一处隔断的隔水墙。
优选地，所述垂直流湿地基质包括自上而下依次设置的沸石层、无烟煤层、陶粒层、砾石层。
优选地，所述垂直流湿地单元的深度为1～1.2m；所述沸石层的厚度为30cm，所述无烟煤层的厚度为30cm，所述陶粒层的厚度为30cm，所述砾石层的厚度为20cm。
优选地，所述布汇水管路机构包括设置在进水加热层的内墙内的主布水管、与所述主布水管垂直连接的次布水管、设置在所述主布水管下方的出水收集管，所述次布水管上设有布水孔，所述出水收集管上开具有孔洞。
优选地，所述主布水管一端延伸至所述进水加热层内，所述出水收集管一端穿过所述进水加热层延伸至所述回水保温层内，并且所述主布水管与出水收集管均位于所述隔水墙的同一侧。
优选地，所述加热机构包括至少一根设置在所述进水加热层内的加热管以及设置在所述主布水管与进水加热层内墙连接处的温度传感器，所述加热管在所述进水加热层内自隔水墙一侧回形延伸至隔水墙另一侧。
优选地，所述曝气机构包括设置在所述次布水管下方的曝气支管以及与所述曝气支管垂直连接的曝气干管，所述曝气干管穿过所述进水加热层、回水保温层延伸至所述垂直流湿地单元外侧。
优选地，所述曝气干管通过风机和加热装置通入热空气，所述热空气的温度为20～25℃。
优选地，所述进出水管路机构包括与所述水平潜流湿地单元上部连通的第一进水管、与所述水平潜流湿地单元下部连通的第一出水管、与所述垂直流湿地单元上部连通的第二进水管、与所述垂直流湿地单元下部连通的第二出水管，所述第一进水管、第一出水管、第二进水管之间通过管道依次连通，所述第一进水管后段上设有第一阀门，所述第一出水管前段上设有第二阀门，所述第一进水管与第一出水管之间设有第三阀门。
优选地，所述第一进水管与所述第一池体一侧的进出水布汇水层相连通，所述第一出水管与所述第二池体一侧的进出水布汇水层相连通，所述第二进水管与所述进水加热层相连通，所述第二出水管与所述回水保温层相连通。
优选地，所述第二进水管与第二出水管均位于所述隔水墙的同一侧。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
1)本发明通过构建双层人工湿地结构，不仅减小了人工湿地的占地面积，并且将水平潜流与垂直流相结合，有效降低水中的悬浮物、氮磷总量，提升了湿地的处理效果。
2)本发明通过将垂直流人工湿地设置于地下，提高了湿地所处的环境温度，大大减少了维持湿地运行所需能耗。并通过提高进水温度与保温措施，在低耗能下将湿地运行温度维持在适宜温度下，基本解决了低温地区湿地净化效果较差的难题。
3)本发明将净化后温度较高的污水当作保温层，并可结合其余保温材料获得更好的保温效果，减少了内层进水的热量逸散，降低运营成本。
4)本发明适用于冬季低温地区的人工湿地系统，相对于采用传统保温措施的人工湿地，延长了人工湿地在冬季低温地区运行时间，提高了低温环境下的湿地净化效率，有效促进了水资源的可持续发展。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为人工湿地系统俯视示意图；
图2为人工湿地系统第一池体垂直方向剖视示意图；
图3为人工湿地系统第二池体垂直方向剖视示意图；
图4为垂直流湿地单元俯视示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种适用于低温环境的人工湿地系统，如图1～图4所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。具体地，所述人工湿地系统包括设置在上层的水平潜流湿地单元、设置在下层的垂直流湿地单元、设置在水平潜流湿地单元与垂直流湿地单元上的进出水管路机构，所述水平潜流湿地单元包括设置在底部与四周的水平潜流湿地墙体、分别设置在所述水平潜流湿地墙体两相对面内侧的进出水布汇水层与透水汇水层3、铺设在底部的保温层25、填充在内部的水平潜流湿地基质，所述垂直流湿地单元包括呈回型设置的回水保温层14、呈回型设置在所述回水保温层14内侧的进水加热层15、设置在回水保温层14和进水加热层15两侧的垂直流湿地墙体21、设置在所述进水加热层15内的加热机构、设置在进水加热层15的内墙内的曝气机构与布汇水管路机构、填充在进水加热层15的内墙内侧的垂直流湿地基质。
人工湿地系统主要分为上层的水平潜流湿地单元、下层的垂直流湿地单元和进出水管路机构三部分。所述进出水管路机构控制水流依次流经水平潜流湿地单元、垂直流湿地单元逐级进行水质净化，或者所述进出水管路机构控制水流直接经垂直流湿地单元进行水质净化。本发明的人工湿地系统与传统采用保温措施的人工湿地相比，能够显著提高湿地运行温度，具有脱氮除磷效果好、投资运行成本低、不易堵塞等优点。
如图1所示，所述水平潜流湿地单元包括设置在底部与四周的水平潜流湿地墙体、分别设置在所述水平潜流湿地墙体两相对面内侧的进出水布汇水层与透水汇水层3、铺设在底部的保温层25、填充在内部的水平潜流湿地基质。优选地，所述水平潜流湿地单元还包括与所述进出水汇水层和透水汇水层3均垂直设置的隔断墙4，墙体作防渗处理，所述隔断墙4将所述水平潜流湿地单元内部分隔为第一池体2与第二池体5，并且所述第一池体2的最深处与第二池体5的最浅处等深，形成多级净化。
如图2、图3所示，为引导水流从第一池体2、第二池体5依次流动，进行逐级净化，优选地，所述第一池体2的坡度为1％，所述第二池体5的坡度为-1％。优选地，所述水平潜流湿地基质包括填充在所述第一池体2内的第一净化基质层以及自水流方向填充在所述第二池体5内面积相等的第二净化基质层与第三净化基质层，所述第一净化基质层由粒径5～10mm、体积为比1：1的沸石与石灰石混合而成，所述第二净化基质层填充粒径10～25mm的页岩，所述第三净化基质层填充粒径10～20mm的钢渣。所述第一水泥砂浆层的厚度为1.5cm，所述承重水泥板层的厚度为10cm，所述珍珠岩保温层的厚度为5cm，所述第二水泥砂浆层的厚度为1.5cm。
优选地，所述水平潜流湿地单元长度为20～30m，宽度为20～30m，深度为1～1.2m。优选地，所述保温层25包括自上而下依次设置的防水土工膜层、第一水泥砂浆层、承重水泥板层、珍珠岩保温层、第二水泥砂浆层，结构强度高，而且能够弱化散热，在冬季对下层的垂直流湿地单元起到保温的作用。
如图1所示，所述隔断墙4将所述进出水布汇水层隔断开，并在所述第一池体2一侧形成进水布水层1，在所述第二池体5一侧形成出水汇水层6。水平潜流湿地单元两端分别设有条形布水区与汇水区，布水区与汇水区皆与隔断墙4相垂直，其中布水区被隔断墙4隔断为两部分，进水布水层1与出水汇水层6。水平潜流湿地单元另一端的汇水区不被隔断墙4隔断，为透水汇水区域。进水布水层1、出水汇水层6、透水汇水层3均填充砾石，起到均匀布水的作用。所述进水布水层1与第一池体2、所述出水汇水层6与第二池体5、所述透水汇水层3与第一池体2和第二池体5之间的墙壁均为透水墙。
如图4所示，所述垂直流湿地单元包括呈回型设置的回水保温层14、呈回型设置在所述回水保温层14内侧的进水加热层15、设置在回水保温层14和进水加热层15两侧的垂直流湿地墙体21、设置在所述进水加热层15内的加热机构、设置在进水加热层15的内墙内的曝气机构与布汇水管路机构、填充在进水加热层15的内墙内侧的垂直流湿地基质。
进水加热层15是由内外两层墙体与其夹层组成，整体呈“回”字型。优选地，所述垂直流湿地单元还包括垂直将所述回水保温层14与进水加热层15一处隔断的隔水墙20。进水加热层14由一道隔水墙20隔断。回水保温层14结构与进水加热层15相同，是由内外两层墙体及夹层组成的“回”字型通道，回水保温层14内层墙体为进水加热层15墙体外层墙体。进水加热层15同样设有隔水墙20，且与进水加热层15的隔水墙20处于同一垂直面。
如图4所示，所述布汇水管路机构包括设置在进水加热层15的内墙内的主布水管18、与所述主布水管18垂直连接的次布水管24、设置在所述主布水管18下方的出水收集管19，所述次布水管24上设有布水孔，所述出水收集管19上开具有孔洞。主布水管18长度略小于池体长度，主布水管18上垂直连通数根次布水管24，次布水管24之间间隔80～120cm，次布水管24上设有布水孔。优选地，所述主布水管18一端延伸至所述进水加热层15内，所述出水收集管19一端穿过所述进水加热层15延伸至所述回水保温层14内，并且所述主布水管18与出水收集管19均位于所述隔水墙20的同一侧。出水收集管19底部开有小孔，使水能够流入出水收集管19中，在垂直面上与主布水管平行。出水收集管19穿过进水加热层15，但并不与进水加热层15连通，而与回水保温层14相连通。
优选地，所述加热机构包括至少一根设置在所述进水加热层15内的加热管16以及设置在所述主布水管18与进水加热层15内墙连接处的温度传感器，所述加热管16在所述进水加热层15内自隔水墙20一侧回形延伸至隔水墙20另一侧。为了使得人工湿地系统能够在冬季使用，本发明利用加热机构对垂直流湿地单元进行加热。加热管16与墙体平行，对进水加热层15内流动水体加热，通过调节加热管16输出功率，使得污水进入主布水管18时温度达到15～20℃。
如图4所示，所述曝气机构包括设置在所述次布水管24下方的曝气支管23以及与所述曝气支管23垂直连接的曝气干管17，所述曝气干管17穿过所述进水加热层15、回水保温层14延伸至所述垂直流湿地单元外侧。优选地，所述曝气干管17通过风机和加热装置通入热空气，所述热空气的温度为20～25℃。曝气机构不仅能够给垂直流湿地单元中增加含氧量，增强硝化作用。同时，由于曝气的空气为热空气，也能够实现对垂直流湿地单元中的水进行升温加热。
优选地，所述垂直流湿地基质包括自上而下依次设置的沸石层、无烟煤层、陶粒层、砾石层。优选地，所述垂直流湿地单元的深度为1～1.2m；所述沸石层的厚度为30cm，所述无烟煤层的厚度为30cm，所述陶粒层的厚度为30cm，所述砾石层的厚度为20cm。
其中，沸石与无烟煤孔隙度高、比表面积大，具有吸附、离子交换等功能，附着于沸石表面和空隙中的硝化细菌，能硝化去除水中的NH4+-N，而无烟煤对总磷具有较强的吸附能力，两者结合有效降低水中氨氮和磷的浓度；陶粒结构疏松，孔隙度高，该层中在缺氧状态下通过反硝化细菌去除水中的NO3-N；最底层基质为砾石层，起承托与均匀布水的作用。
优选地，所述进出水管路机构包括与所述水平潜流湿地单元上部连通的第一进水管11、与所述水平潜流湿地单元下部连通的第一出水管8、与所述垂直流湿地单元上部连通的第二进水管10、与所述垂直流湿地单元下部连通的第二出水管13，所述第一进水管11、第一出水管8、第二进水管10之间通过管道依次连通，所述第一进水管11后段上设有第一阀门12，所述第一出水管8前段上设有第二阀门7，所述第一进水管11与第一出水管8之间设有第三阀门9。
优选地，所述第一进水管11与所述第一池体2一侧的进出水布汇水层相连通，所述第一出水管8与所述第二池体5一侧的进出水布汇水层相连通，所述第二进水管10与所述进水加热层15相连通，所述第二出水管13与所述回水保温层14相连通。优选地，所述第二进水管10与第二出水管13均位于所述隔水墙20的同一侧。所述第一进水管11中污水的流量为0.005～0.01m3/s，下层的垂直流湿地单元的水力停留时间为1～1.5d。
在非冬季运行所述人工湿地系统时，污水从上层第一进水管11进入上层的水平潜流湿地单元。进入上层水平潜流湿地单元后，首先通过进水布水层1均匀布水后流入第一池体2，净化后通过透水汇水层3流入第二池体5，最后通过出水汇水层6的沿第一出水管8、第二进水管10流入下层的垂直流湿地单元。污水流入下层垂直流湿地单元后，在下层垂直流湿地单元流过进水加热层15后通过主布水管18、次布水管布水24，并在垂直流湿地基质各层净化过滤后进入出水收集管19，流经回水保温层14后通过下层第二出水管13排出。
在冬季运行所述人工湿地系统时，通过阀门控制，污水直接经过下层垂直流湿地单元的第一进水管11、第二进水管10进入下层，在流经进水加热层15的同时使用加热管16对污水进行加热，使污水进入主布水管18时温度达到15～20℃。在次布水管24布水的同时，通过曝气机构为上层水体曝气，提升沸石层中硝化菌的硝化作用，再通过陶粒层的反硝化作用完成对污水的净化。净化后的污水通过出水管流入回水保温层14，在流经回水保温层14的同时对内层起到较好的保温作用，然后通过回水保温层14经下层第二出水管13排出。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种适用于低温环境的人工湿地系统，其特征在于：所述人工湿地系统包括设置在上层的水平潜流湿地单元、设置在下层的垂直流湿地单元、设置在水平潜流湿地单元与垂直流湿地单元上的进出水管路机构，所述水平潜流湿地单元包括设置在底部与四周的水平潜流湿地墙体、分别设置在所述水平潜流湿地墙体两相对面内侧的进出水布汇水层与透水汇水层（3）、铺设在底部的保温层（25）、填充在内部的水平潜流湿地基质，所述垂直流湿地单元包括呈回型设置的回水保温层（14）、呈回型设置在所述回水保温层（14）内侧的进水加热层（15）、设置在回水保温层（14）和进水加热层（15）两侧的垂直流湿地墙体（21）、设置在所述进水加热层（15）内的加热机构、设置在进水加热层（15）的内墙内的曝气机构与布汇水管路机构、填充在进水加热层（15）的内墙内侧的垂直流湿地基质，所述垂直流湿地单元还包括垂直将所述回水保温层（14）与进水加热层（15）一处隔断的隔水墙（20），所述布汇水管路机构包括设置在进水加热层（15）的内墙内的主布水管（18）、与所述主布水管（18）垂直连接的次布水管（24）、设置在所述主布水管（18）下方的出水收集管（19），所述次布水管（24）上设有布水孔，所述出水收集管（19）上开具有孔洞，所述主布水管（18）一端延伸至所述进水加热层（15）内，所述出水收集管（19）一端穿过所述进水加热层（15）延伸至所述回水保温层（14）内，并且所述主布水管（18）与出水收集管（19）均位于所述隔水墙（20）的同一侧，所述加热机构包括至少一根设置在所述进水加热层（15）内的加热管（16）以及设置在所述主布水管（18）与进水加热层（15）内墙连接处的温度传感器；
所述进出水管路机构控制水流依次流经水平潜流湿地单元、垂直流湿地单元逐级进行水质净化，或者所述进出水管路机构控制水流直接经垂直流湿地单元进行水质净化。
2.根据权利要求1所述的人工湿地系统，其特征在于：所述水平潜流湿地单元还包括与所述进出水布汇水层和透水汇水层（3）均垂直设置的隔断墙（4），所述隔断墙（4）将所述水平潜流湿地单元内部分隔为第一池体（2）与第二池体（5），并且所述第一池体（2）的最深处与第二池体（5）的最浅处等深。
3.根据权利要求2所述的人工湿地系统，其特征在于：所述隔断墙（4）将所述进出水布汇水层隔断开，并在所述第一池体（2）一侧形成进水布水层（1），在所述第二池体（5）一侧形成出水汇水层（6）；并且所述进水布水层（1）与第一池体（2）、所述出水汇水层（6）与第二池体（5）、所述透水汇水层（3）与第一池体（2）和第二池体（5）之间的墙壁均为透水墙。
4.根据权利要求1所述的人工湿地系统，其特征在于：所述加热管（16）在所述进水加热层（15）内自隔水墙（20）一侧回形延伸至隔水墙（20）另一侧；所述曝气机构包括设置在所述次布水管（24）下方的曝气支管（23）以及与所述曝气支管（23）垂直连接的曝气干管（17），所述曝气干管（17）穿过所述进水加热层（15）、回水保温层（14）延伸至所述垂直流湿地单元外侧。
5. 根据权利要求2所述的人工湿地系统，其特征在于：所述第一池体（2）的坡度为1%，所述第二池体（5）的坡度为-1%；所述水平潜流湿地基质包括填充在所述第一池体（2）内的第一净化基质层以及沿水流方向依次填充在所述第二池体（5）内的第二净化基质层与第三净化基质层，所述第一净化基质层包括粒径5~10 mm、体积为比1：1的沸石与石灰石复合基质层，所述第二净化基质层包括粒径10~25 mm的页岩层，所述第三净化基质层包括粒径10~20 mm的钢渣层，所述保温层（25）包括自上而下依次设置的防水土工膜层、第一水泥砂浆层、承重水泥板层、珍珠岩保温层、第二水泥砂浆层；所述水平潜流湿地单元长度为20~30m，宽度为20~30 m，深度为1~1.2 m，所述第一水泥砂浆层的厚度为1.5 cm，所述承重水泥板层的厚度为10 cm，所述珍珠岩保温层的厚度为5 cm，所述第二水泥砂浆层的厚度为1.5cm。
6.根据权利要求4所述的人工湿地系统，其特征在于：所述曝气干管（17）通过风机和加热装置通入热空气，所述热空气的温度为20~25℃。
7.根据权利要求2所述的人工湿地系统，其特征在于：所述进出水管路机构包括与所述水平潜流湿地单元上部连通的第一进水管（11）、与所述水平潜流湿地单元下部连通的第一出水管（8）、与所述垂直流湿地单元上部连通的第二进水管（10）、与所述垂直流湿地单元下部连通的第二出水管（13），所述第一进水管（11）、第一出水管（8）、第二进水管（10）之间通过管道依次连通，所述第一进水管（11）后段上设有第一阀门（12），所述第一出水管（8）前段上设有第二阀门（7），所述第一进水管（11）与第一出水管（8）之间设有第三阀门（9）；所述第一进水管（11）与所述第一池体（2）一侧的进出水布汇水层相连通，所述第一出水管（8）与所述第二池体（5）一侧的进出水布汇水层相连通，所述第二进水管（10）与所述进水加热层（15）相连通，所述第二出水管（13）与所述回水保温层（14）相连通。
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