CN107840457A - 一种复合式深层人工湿地系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合式深层人工湿地系统及运行方法，属于给水处理技术领域。本发明采用连续进水方式进行河湖水原位净化。借助进水穿孔管将河湖水均匀地分布于由水生植物和沙土层组成的表面流反应区，借助粘土层的竖向阻隔实现进水的横向推流，经过溢流堰，自由跌落至由砾石层组成的下向垂直流反应区，经穿孔花墙流入由石英砂构成的水平潜流反应区，再借助穿孔花墙流入由石英砂层组成的上向垂直流反应区，最后借助V型槽均匀出流，返回自然水体。与常规人工湿地相比，本发明减少61.43％的占地面积，出水达到《地表水环境质量标准》(GB3838‑2002)三类水标准。本发明采用跌水折流式自流运行，较于传统湿地系统，本发明的产水率提高4.1％，降低了出现堵塞现象的几率。

Description

一种复合式深层人工湿地系统及运行方法
技术领域
本发明涉及一种用于水源水原位净化的复合式深层人工湿地系统及运行方法。属于给水处理技术领域。
背景技术
人工湿地是水环境治理中一种典型的原位生态修复技术，水源水中的污染物在人工湿地中主要是通过基质-植物-微生物三者协同作用而去除。基质通过吸附、沉淀、过滤等物理、化学作用去除水体污染物，同时为微生物附着和水生植物生长提供适宜条件。水生植物通过吸附与同化作用吸收去除水体污染物。硝化细菌与反硝化细菌等微生物通过硝化-反硝化作用去除水体氮素污染物。传统的水平潜流人工湿地的床体一般高60-100cm，原水(水源水)通过水平推流方式在人工湿地系统中得到处理，该水平潜流人工湿地系统能够承受较大的水力负荷和污染负荷，可实现氮、磷、悬浮物、有机物、大肠杆菌和重金属等多种污染物的去除。与物理、化学及其他生物处理工艺相比较，人工湿地技术具有出水水质稳定、基建和运行费用低、维护管理方便、耐冲击负荷强等生产性优势。同时因水生植物的设置而具有美学价值，改善了城市水处理环境。因此，人工湿地技术具有较为广阔的发展空间。
虽然人工湿地凭借以上优势不断地应用于水环境修复，但人工湿地存在的应用局限阻碍了其进一步发展，主要表现在：(1)低温问题：冬季水生植物枯萎，根系的作用大打折扣，对污染物质的吸附作用和输送氧气能力大大降低，同时，低温会影响系统内硝化细菌、反硝化细菌等功能菌的活性，从而降低系统对污染物质的去除效率。(2)溶解氧问题：由于人工湿地系统对于氮素的转化与去除依靠硝化作用进行，而溶解氧是影响硝化强度的重要控制因素，水平潜流人工湿地由于缺少大气复氧作用，冬季植物萎缩致使根系泌氧作用减弱后，系统内溶解氧不足，致使生物脱氮效果降低。(3)堵塞问题：由于传统人工湿地系统进行人工排泥的可能性较小，系统运行过程中不断出现悬浮物质的堆积，使得系统孔隙率逐渐降低。针对人工湿地在水处理应用中存在的问题，研究人员提出相应的改进措施：中国专利《潮汐流一水平潜流组合人工湿地强化脱氮的方法及其系统》(申请号：201210487252.2)针对系统易堵塞及溶解氧不足的问题，设置潮汐流与水平潜流的组合工艺。此方法利用水平潜流人工湿地长时间所处的缺氧状态，利于反硝化作用的进行。另一方面，利用潮汐流人工湿地系统较好的氧环境提高系统硝化强度。通过两者的结合，强化组合人工湿地系统的脱氮效能。中国专利《上向流曝气生物滤池一水平潜流人工湿地组合中水处理系统》(申请号：201310005326.9)将曝气生物滤池与水平潜流式人工湿地进行组合，提高水平潜流湿地的溶解氧水平，提高系统脱氮效能，降低小规模中水回用成本。但现阶段应用的复合式人工湿地仅仅是传统的表面流人工湿地、水平潜流式人工湿地、垂直流人工湿地的平面串联应用，仍然存在着占地面积较大、易堵塞及由于冬季低温、溶解氧不足和功能分析不明确等运行与设计缺陷导致的冬季处理效率较低等问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种占地面积较小、功能分区明确，从而能提高出水处理效果和抗击环境变化的能力的复合式深层人工湿地处理系统，以及运行方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术措施是开发纵向空间，将表面流人工湿地、双向垂直流人工湿地及水平潜流式人工湿地进行纵向结合，节省了湿地系统占地面积。
为实现以上效果，本发明的系统由表面流反应区，下向垂直流反应区，水平潜流反应区，上向垂直流反应区和出水区5个区组成，表面流反应区自上而下由种植了水生植物的沙土和粘土构成，作为隔水层的粘土下面是水平潜流反应区，水平潜流反应区内设有大粒径石英砂，表面流反应区和水平潜流反应区的一侧通过溢流堰板设有下向垂直流反应区，下向垂直流反应区内部装填砾石，其底部设有排泥阀的；水平潜流反应区处的溢流堰板上开设穿墙孔，穿墙孔与大粒径石英砂之间装有雨花石，水平潜流反应区的底端通过雨花石设有排泥阀；表面流反应区和水平潜流反应区的另外一侧通过穿孔花墙自下而上设有上向垂直流反应区和出水区，水平潜流反应区处的穿孔花墙上也开设穿墙孔，穿墙孔与水平潜流反应区中大粒径石英砂之间也装填有雨花石，上向垂直流反应区内部装有小粒径石英砂，底部设有排泥阀；出水区内设有V型槽和出水管，将处理合格的原水引出系统流至天然水体；进水穿孔管将待处理原水引入表面流反应区，进行净化处理。
上述的水平潜流反应区中的沙土选用当地表层土，设置厚度为200mm，粘土选用当地紫砂泥，设置厚度为150mm。
上述的下向垂直流反应区中装填的砾石的厚度为650mm、粒径为10～15mm。
上述的水平潜流反应区中的大粒径石英砂厚度为500mm，粒径为Ф6～8mm。
上述的小粒径石英砂厚度为450mm、粒径为Ф2～5mm。
上述的穿墙孔的孔径为Ф25mm。
该复合式深层人工湿地系统的运行方法是：先通过进水穿孔管均匀地将待处理水分布于由水生植物及沙土组成的表面流反应区，将待处理水中的悬浮颗粒进行机械拦截，将磷吸附并增强了系统硝化强度；借助粘土实现分层折流运行，并以推流式连续进水，经过溢流堰板至由砾石组成的下向垂直流反应区，借助跌水作用人工强化大气复氧；然后，借助溢流堰板的穿墙孔均匀布水作用进入装填了大粒径石英砂的水平潜流反应区，增强了系统的反硝化作用，并推动氮素转化；再借助穿孔花墙的穿墙孔均匀布水作用进入装填小粒径石英砂的上向垂直流反应区，截留脱落的生物膜，增强系统微生物持留水平后到达出水区，净化处理合格的出水通过出水区内的V型槽集水后由出水管流至天然水体，保证出水均匀，实现河湖水的原位净化的最佳水力负荷为0.7m3/(m2·d)。
本发明的有益结果：
1，本发明借助粘土隔水层实现分层折流运行，一方面可减少系统的占地面积，相较于常规复合式湿地系统，减少占地面积50％以上，极大地节省了湿地系统的建设成本，另一方面，构成深层湿地系统，提高系统保温效果，增强系统功能菌活性，达到较好的脱氮除磷效果。
2，本发明通过综合表面流硝化作用较明显，垂直流的大气复氧效果突出，水平潜流反硝化效果较好的特点构建的复合式湿地系统，各个反应区优势互补，实现系统氮素无害化转化，使本发明总氮去除率高于44％，出水总氮小于1.0mg/L，达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水标准。
3，本发明为全程重力流，相较于传统人工湿地系统，借助水位差的作用，系统产水率提高4.1％。故本发明有助于增强水源地水量供应的稳定性。本发明设计的表面流-垂直流-水平潜流-垂直流的运行方式，实现溶解氧的梯度配置，有助于湿地系统硝化-反硝化作用的功能分区。
4，本发明基于单体湿地系统的空间组合复合式湿地系统，减少的占地面积，提高出水处理效果和抗击环境变化的能力，可实现在相同出水效果状况下，减少人工湿地的占地面积50％以上，细化人工湿地系统的功能分区，依靠系统重力流设计及分级粒径级配设计减少系统出现堵塞的几率，产生较好的技术、经济效益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为本发明的俯视图
图3为本发明的A-A剖面图
图4为本发明的B-B剖面图
图5为本发明的C-C剖面图
图中
1—进水穿孔管，DN25；2—水生植物——芦苇；3—沙土；4—溢流堰板，；5—砾石；6—粘土；7—大粒径石英砂；8—雨花石；9—穿孔花墙；10—小粒径石英砂；11—V型槽；12—出水管；13—排泥阀；14—穿墙孔。
具体实施方式
本发明由表面流反应区，下向垂直流反应区，水平潜流反应区，上向垂直流反应区和出水区5个区组成，表面流反应区自上而下由种植了水生植物2(水生植物2选择挺水植物—鸢尾，满足经济性、地区适应性等条件，选择鸢尾作为功能植物，借助其较为发达的根系为微生物提供合理的微氧环境。鸢尾的横、纵向种植间距为30cm×30cm，以保证其所需的生态位。)的沙土3和粘土6构成，沙土3选用当地表层土，设置厚度为200mm，起到悬浮颗粒的机械拦截、磷的吸附及增强系统硝化强度的作用。粘土6选用当地紫砂泥，设置厚度为150mm。作为隔水层的粘土6下面是水平潜流反应区。
水平潜流反应区内设有大粒径石英砂7，厚度为500mm，粒径为Ф6～8mm。石英砂(7)组成折向潜流反应区增强系统反硝化作用，推动氮素转化。
表面流反应区和水平潜流反应区的一侧通过溢流堰板4设有内部装填砾石5(Ф10～15mm)底部设有排泥阀13的下向垂直流反应区；下向垂直流反应区中装填的砾石5的厚度为650mm、粒径为10～15mm。在装有砾石5的下向垂直流反应区，借助跌水作用人工强化大气复氧。
水平潜流反应区处的溢流堰板4(0.3×0.1m2上)开设了穿墙孔14，穿墙孔14的孔径为Ф25mm，穿墙孔14与大粒径石英砂7之间装有雨花石8，雨花石8选用Ф25～30mm。水平潜流反应区的底端通过雨花石8设有排泥阀13；砾石层5组成下向垂直流反应区，借助跌水作用人工强化大气复氧。
表面流反应区和水平潜流反应区的另外一侧通过穿孔花墙9沿流程方向设有上向垂直流反应区和出水区，水平潜流反应区处的穿孔花墙9上也开设穿墙孔14，穿墙孔14的孔径为Ф25mm。穿墙孔14与水平潜流反应区中大粒径石英砂7之间也装填有雨花石8，雨花石8的粒径为Ф25～30mm。上向垂直流反应区内部装有小粒径石英砂10，小粒径石英砂10厚度为450mm、粒径为Ф2～5mm。上向垂直流反应区底部设有排泥阀13；出水区内设有V型槽11和出水管12(DN25)，V型槽11为0.3×0.3m2；将处理合格的原水引出系统流至天然水体；进水穿孔管1(DN25)将待处理原水引入表面流反应区，进行净化处理。
本发明借助粘土层的设置实现分层折流运行，一方面可减少系统的占地面积，另一方面，构成深层湿地系统，提高系统保温效果，增强系统功能菌活性，达到较好的脱氮除磷效果。
本发明工艺经历启动/工况优化/稳定运行阶段后，确定最佳水力负荷为0.7m3/(m2·d)。
本实施例中设置包含表面流、垂直流、水平潜流湿地形式的复合式湿地系统。系统综合表面负荷为0.7m3/(m2·d)，本发明的系统借助进水穿孔管1、穿孔花墙9实现配水均匀性。进水流经由水生植物2和沙土层3组成的表面流反应区，完成有机氮向无机氮转化的氨化过程及氨氮向亚硝酸盐、硝酸盐转化的硝化过程。经过溢流堰进入由砾石层5组成的下向垂直流反应区，借助溢流堰的跌水增强大气复氧作用，强化硝化效果。经过由大粒径石英砂层7组成的折向潜流反应区实现脱氮过程中反硝化作用，实现氮素由水相到气相的转化，同时实现有机物的降解。最后经过由小粒径石英砂层10组成的上向垂直流反应区实现脱落生物膜的拦截及降解。经过完整的硝化-反硝化作用过程后，本发明实现氮素转化，减少水体富营养化风险。
本次实施过程涉及系统启动/工况优化/稳定运行等三个阶段。具体实施操作如下：
(1)启动阶段着重于分析水力流态变化，验证其是否存在短流现象及出水稳定性。
(2)工况优化阶段：基于传统湿地系统及前人所研究复合式湿地系统，确定流量变化梯度为0.5-0.4-0.3-0.2m3/d，本发明及传统复合式湿地系统出水效果对比如下表1.所示：
表1复合式湿地系统出水效果对照表
(3)稳定运行阶段：表1显示，当设计流量为0.2m3/d，即水力负荷为0.7m3/m2·d时，相较于传统湿地系统，本发明的TN去除率44.17％，相较于传统湿地系统提高了27.88％，有机物去除率为34.3％，相较于传统湿地系统提高了9.8％。所研究指标均满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水要求，系统对水源水的原位净化效果增强。此工况条件下，产水量较大，故为本发明的最佳运行工况。
相较于传统湿地系统，本发明减少了湿地系统61.43％的占地面积，系统水力负荷提高了62.8％，其技术应用效益较为显著。本系统全程自流，减少了系统运行能耗。系统采用跌水折流式运行，减少了水力流程，减少出现短流及堵塞现象的几率。研究表明相较于传统湿地系统，本系统的防堵塞效率提高了4.1％，获得较好的技术、经济效益。
本发明的工艺具体实施步骤如下：
周期开始时，采用进水穿孔管1将待净化水源水引入系统，实现系统的均匀配水。进水以推流式经过由水生植物——鸢尾2和表层沙土3组成的表面流反应区，实现氨氮的转化。经过溢流堰4进入由砾石5组成的下向垂直流反应区，跌水的设置实现了人为的大气复氧。下向垂直流反应区截留进入系统的大颗粒悬浮物，利用下向垂直流态实现大气复氧。随后待处理水源水经过穿孔花墙9和雨花石8均匀地进入由大粒径石英砂7组成的水平潜流反应区，截留水中较小颗粒悬浮物，同时借助系统的反硝化作用推动氮素转化，降低出水TN浓度。经过穿孔花墙9的均匀布水作用，水源水进入由小粒径石英砂10，防止生物膜脱落后的微生物泄漏，保证出水水质的稳定性。净化结束后，经过V型槽11溢流出水。经过以上处理，TN出水浓度降至1mg/L以下，TN去除率达到44％，满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类水要求。

Claims (7)

1.一种复合式深层人工湿地系统，其特征是：由表面流反应区，下向垂直流反应区，水平潜流反应区，上向垂直流反应区和出水区5个区组成，表面流反应区自上而下由种植了水生植物(2)的沙土(3)和粘土(6)构成，作为隔水层的粘土(6)下面是水平潜流反应区，水平潜流反应区内设有大粒径石英砂(7)，表面流反应区和水平潜流反应区的一侧通过溢流堰板(4)沿流程方向设有下向垂直流反应区，下向垂直流反应区内部装填砾石(5)，其底部设有排泥阀(13)；水平潜流反应区处的溢流堰板(4)上开设穿墙孔(14)，穿墙孔(14)与大粒径石英砂(7)之间装有雨花石(8)，水平潜流反应区的底端通过雨花石(8)设有排泥阀(13)；表面流反应区和水平潜流反应区的另外一侧通过穿孔花墙(9)设有上向垂直流反应区和出水区，水平潜流反应区处的穿孔花墙(9)上也开设穿墙孔(14)，穿墙孔(14)与水平潜流反应区中大粒径石英砂(7)之间也装填有雨花石(8)，上向垂直流反应区内部装有小粒径石英砂(10)，底部设有排泥阀(13)；出水区内设有V型槽(11)和出水管(12)，将处理合格的原水引出系统流至天然水体；进水穿孔管(1)将待处理原水引入表面流反应区，进行净化处理。
2.根据权利要求1所述的一种复合式深层人工湿地系统，其特征是：所述的水平潜流反应区中的沙土(3)选用当地表层土，设置厚度为200mm，粘土(6)选用当地的紫砂泥，设置厚度为150mm。
3.根据权利要求1所述的一种复合式深层人工湿地系统，其特征是：所述的下向垂直流反应区中装填砾石(5)的厚度为650mm、粒径为Φ10～15mm。
4.根据权利要求1所述的一种复合式深层人工湿地系统，其特征是：所述的水平潜流反应区中的大粒径石英砂(7)厚度为500mm，粒径为Ф6～8mm。
5.根据权利要求1所述的一种复合式深层人工湿地系统，其特征是：所述的小粒径石英砂(10)厚度为450mm、粒径为Ф8～10mm。
6.根据权利要求1所述的一种复合式深层人工湿地系统，其特征是：所述的穿墙孔(14)的孔径为Ф25mm。
7.一种复合式深层人工湿地系统的运行方法，其特征是：先通过进水穿孔管(1)均匀地将待处理水分布于由水生植物(2)及沙土(3)组成的表面流反应区，将待处理水中的悬浮颗粒进行机械拦截，将磷吸附并增强了系统硝化强度；借助粘土(6)实现分层折流运行，并以推流式连续进水，经过溢流堰板(4)至由砾石(5)组成的下向垂直流反应区，借助跌水作用人工强化大气复氧；然后，借助溢流堰板(4)的穿墙孔(14)均匀布水作用进入装填了大粒径石英砂(7)的水平潜流反应区，增强了系统的反硝化作用，并推动氮素转化；再借助穿孔花墙(9)的穿墙孔(14)均匀布水作用进入装填小粒径石英砂(10)的上向垂直流反应区，截留脱落的生物膜，增强系统微生物持留水平后到达出水区，净化处理合格的出水通过出水区内的V型槽(11)集水后由出水管(12)流至天然水体，保证出水均匀，实现河湖水的原位净化的最佳水力负荷为0.7m3/(m2·d)。
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