CN109437405B - 一种人工湿地水位自动调节系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人工湿地水位自动调节系统及方法，包括湿地进水管、调节池、调节池进水管、布水管和集水管、集水池、集水池出水管以及控制单元，所述集水管延伸至集水池内，另一端延伸至调节池内并在进入调节池后向上延伸至调节池水位之上位置，且在水位之上的末段弯折延伸并通过旋转接头与L形的水位调节管一端相连通，所述水位调节管在控制单元的控制下以旋转接头为轴旋转调节所述水位调节管开放端的高度且所述人工湿地内的水流沿集水管、水位调节管流入调节池内。本发明通过动态改变水位，以利用水位灵活调节策略改善湿地环境的理化性质，使植物及微生物得到更好的生长，提高人工湿地的水处理效率并确保人工湿地出水水质。
Description
技术领域
本发明涉及人工湿地领域，特别是涉及一种人工湿地水位自动调节系统及方法。
背景技术
人工湿地是一种人工建造的生态系统，通过湿地植物与微生物之间的物理、化学、生物三方面的共同作用实现对污水的净化处理，具有结构简单、能耗低、出水水质好、易操作、运行费用低等优点，是一种前景优异的污水处理技术。
水位变化是影响人工湿地处理效率的一个重要因素，水位高低、淹水周期以及水位变化范围等都会影响人工湿地生态系统中植物的分布、生长策略、微生物的种群和数量、湿地环境理化性质等的变化。当前人工湿地的水位通常无法灵活调节或者需要依赖人工经验手动调节，消耗人力物力较大，也无法按需控制淹水周期和水位变化范围等。因此，需要通过水位自动调节系统实现水位灵活调节，从而改善湿地环境的理化性质，使植物及微生物得到更好的生长。
人工湿地的缺氧/厌氧环境限制了有机物和氮的去除速率，因此人工湿地获得溶解氧的能力是其去除有机物和氮的关键因素。通过动态改变水位，有利于大气复氧，可以提高人工湿地溶解氧的质量浓度，并进一步提高潜流人工湿地水质处理效率。现有潜流人工湿地的水位调节中未考虑出水水质对水位变化周期的反馈，未优化水位自动调节的能效，而且水位调节时易将未充分处理的水直接排出，造成水位调节过程中出水水质不达标的情况。因此，也需要通过水位自动调节系统实现水位自适应调节，提高能效性，确保出水水质达标。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种人工湿地水位自动调节系统及方法，通过动态改变水位，充分利用水位灵活调节策略能够改善湿地环境的理化性质，使植物及微生物得到更好的生长，一定程度上提高系统污染物去除能力并减缓湿地堵塞现象，并且有利于大气复氧，可以提高人工湿地溶解氧的质量浓度，最终提高潜流人工湿地的水处理效率并确保人工湿地出水水质。
为实现上述目的，本发明提供了一种人工湿地水位自动调节系统，包括通过湿地进水管与人工湿地相连通的调节池、连通地表水源和调节池的调节池进水管、设置在人工湿地内的布水管和集水管、通过集水管与人工湿地相连通的集水池、集水池出水管以及控制单元，所述集水管一端延伸至集水池内，所述集水管另一端延伸至调节池内并在进入调节池后向上延伸至调节池水位之上位置，且所述集水管在水位之上的末段弯折延伸并通过旋转接头与L形的水位调节管一端相连通，所述水位调节管另一端为开放端，所述湿地进水管通过水泵与布水管相连，所述水位调节管在控制单元的控制下以旋转接头为轴旋转调节所述水位调节管开放端的高度且所述人工湿地内的水流沿集水管、水位调节管流入调节池内。
优选地，所述控制单元包括控制箱、设置在所述集水池内的水质传感器、电机、连接电机与水位调节管的传动机构、设置在所述集水池内集水管末端上的湿地泄空阀、设置在所述集水池底部的集水池泄空阀。
优选地，所述集水管的末段上设有一端与集水管相连通的湿地出水管，所述湿地出水管另一开放端向上设置在集水池内。
优选地，在人工湿地内的集水管上连接有竖直贯穿人工湿地并露出人工湿地表面的通气管。
优选地，所述传动机构为链条传动、皮带传动或齿轮传动。
优选地，所述水质传感器为COD传感器、氨氮传感器、硝酸盐氮传感器、亚硝酸盐氮传感器及溶解氧传感器中的一种或几种。
优选地，所述控制箱包括触摸屏、电气元件断路器、接触器、PLC模块、通讯模块、热继电器及开关电源。
优选地，所述水位调节管的开放端处于最高位置时，所述水位调节管的高度高于所述湿地出水管的开放端最高处；所述水位调节管的开放端处于最低位置时，所述水位调节管的高度低于所述湿地出水管的开放端最高处。
本发明的另一目的在于提供一种人工湿地水位自动调节方法，包括如下步骤：
A、自动调节系统初始化时，湿地泄空阀和集水池泄空阀均保持关闭，所述水位调节管开放端处于最高位置，启动水泵，待处理的水依次流经湿地进水管、布水管、人工湿地、集水管、湿地出水管、集水池，所述集水池内水没过水质传感器后从集水池出水管排出；
B、当人工湿地植物处于最初生长阶段时，所述水位调节管在控制单元的控制下以旋转接头为轴旋转逐步降低水位调节管开放端的高度，开放端最低降至与旋转接头持平，并在人工湿地植物根系发育成熟后在将水位调节管反向旋转恢复至初始化状态；
C、读取水质传感器的实时水质数据，当水质数据低于设定的水质控制阈值上限时，所述自动调节系统保持初始化状态；当水质数据高于设定的水质控制阈值上限时，所述自动调节系统进入水位自动调节模式，所述水位调节管的开放端在控制单元的控制下在水位调节管开放端最高处与旋转接头持平位置之间进行往复运动；
D、周期性的读取水质传感器的实时水质数据，当所述自动调节系统未处于水位自动调节模式，按步骤C执行；当所述自动调节系统处于水位自动调节模式时，若水质数据低于设定的水质控制阈值上限且高于水质控制阈值下限，则保持当前运行状态，若水质数据高于设定的水质控制阈值上限，则提高水位调节管的开放端在水位调节管开放端最高处与旋转接头持平位置之间进行往复运动的速率；若水质数据低于设定的水质控制阈值下限，则降低水位调节管的开放端在水位调节管开放端最高处与旋转接头持平位置之间进行往复运动的速率。
优选地，在提高水位调节管的开放端在水位调节管开放端最高处与旋转接头持平位置之间进行往复运动的速率时，若往复运动的速率达到最高速度，则保持最高速率；在降低水位调节管的开放端在水位调节管开放端最高处与旋转接头持平位置之间进行往复运动的速率时，若往复运动的速率达到最低速度，则离开水位自动调节模式。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
(1)本发明可灵活调节人工湿地水位变化过程，通过控制水位调节水文机制从而改善湿地环境的理化性质、植物的分布、生长策略、微生物的种群和数量、湿地环境理化性质，节省人力物力消耗。
(2)本发明根据人工湿地出水水质要求和实时水质数据自适应的进行水位自动调节，按需提高人工湿地溶解氧水平，在确保出水水质达标的前提下加强了系统的能效性。
(3)本发明在调节水位时不会将未充分处理的水流入集水池，而是流回调节池，从而避免了水位调节过程中影响出水水质。
(4)本发明适用性强，可以布置在多种人工湿地。
(5)本发明采用了智能化控制技术，能根据水质阈值条件自动控制水位调节模式，从而保证在全天候条件下自动运行，可扩展性强，方便功能升级和维护。
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为人工湿地水位自动调节系统示意图。
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。
本发明提供了一种人工湿地水位自动调节系统，如图1所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。本发明通过动态改变水位，充分利用水位灵活调节策略能够改善湿地环境的理化性质，使植物及微生物得到更好的生长，一定程度上提高系统污染物去除能力并减缓湿地堵塞现象，并且有利于大气复氧，可以提高人工湿地溶解氧的质量浓度，最终提高潜流人工湿地的水处理效率并确保人工湿地出水水质。
具体地，所述自动调节系统包括通过湿地进水管8与人工湿地相连通的调节池7、连通地表水源和调节池7的调节池进水管5、设置在人工湿地内的布水管10和集水管14、通过集水管14与人工湿地相连通的集水池12、集水池出水管17以及控制单元，所述集水管14一端延伸至集水池12内，所述集水管14另一端延伸至调节池7内并在进入调节池7后向上延伸至调节池7水位之上位置，且所述集水管14在水位之上的末段弯折延伸并通过旋转接头6与L形的水位调节管4一端相连通，所述水位调节管4另一端为开放端，所述湿地进水管8通过水泵9与布水管10相连，所述水位调节管4在控制单元的控制下以旋转接头6为轴旋转调节所述水位调节管4开放端的高度且所述人工湿地内的水流沿集水管14、水位调节管4流入调节池7内。
为便于说明本发明的自动调节系统，本实施例以垂直潜流人工湿地为例进行说明，本领域技术人员应当知晓，本发明的自动调节系统还可应用于不同种类的人工湿地。
如图1所示，人工湿地水位自动调节系统主要包括控制箱1、电机2、传动机构3、水位调节管4、调节池进水管5、旋转接头6、调节池7、湿地进水管8、水泵9、布水管10、通气管11、集水池12、水质传感器13、集水管14、湿地出水管15、湿地泄空阀16、集水池出水管17、集水池泄空阀18。
优选地，所述控制单元包括控制箱1、设置在所述集水池12内的水质传感器13、电机2、连接电机2与水位调节管4的传动机构3、设置在所述集水池12内集水管14末端上的湿地泄空阀16、设置在所述集水池12底部的集水池泄空阀18。优选地，所述集水管14的末段上设有一端与集水管14相连通的湿地出水管15，所述湿地出水管15另一开放端向上设置在集水池12内。
待处理的水从调节池进水管5进入调节池7，采用水泵9和布水管10在从调节池7取水，在人工湿地顶层布水。水泵9为自吸泵或潜水泵。采用集水管14在人工湿地底层集水，经过净化的水从湿地出水管15进入集水池12，集水池12中的水从集水池出水管17排入地表水域或用于其他用途。当需要整体泄空人工湿地中的水时，可以同时开启湿地泄空阀16和集水池泄空阀18，将人工湿地中的水完全排出，其他时间湿地泄空阀16和集水池泄空阀18保持关闭。优选地，在人工湿地内的集水管14上连接有竖直贯穿人工湿地并露出人工湿地表面的通气管11，有利于人工湿地中的水快速排出。
为了能够自动调节水位并且避免水位调节过程中影响出水水质，集水管14向调节池7一侧水平延伸、进入调节池7，之后向上延伸直至末端超过调节池7水位，随后末端水平延伸并通过旋转接头6与L形的水位调节管4相连。所述水位调节管4在控制单元的控制下以旋转接头6为轴旋转调节所述水位调节管4开放端的高度。具体地，水位调节管4由电机2和传动机构3驱动，以自身固定端的水平管为轴旋转，能够改变水位调节管4开放端的高度。优选地，所述传动机构3为链条传动、皮带传动或齿轮传动。所述电机2可用伺服电机或步进电机。
优选地，所述水位调节管4的开放端处于最高位置时，所述水位调节管4的高度高于所述湿地出水管15的开放端最高处；所述水位调节管4的开放端处于最低位置时，所述水位调节管4的高度低于所述湿地出水管15的开放端最高处，以确保此时水从湿地出水管15流出。当降低水位调节管4开放端的高度时，人工湿地中的水从此开放端流回调节池7，又从布水管10循环进入人工湿地，如此未充分处理的水不会直接流入集水池12，从而避免了水位调节过程中影响出水水质。
为了考虑出水水质对水位变化周期的反馈，在集水池12中设置了水质传感器13。优选地，所述水质传感器13为COD传感器、氨氮传感器、硝酸盐氮传感器、亚硝酸盐氮传感器及溶解氧传感器中的一种或几种，水质传感器13能够提供实时水质参数，便于根据集水池12的水质状况动态调整水位变化周期。
优选地，所述控制箱1包括触摸屏、电气元件断路器、接触器、PLC模块、通讯模块、热继电器及开关电源。PLC模块可采集水质传感器13的实时水质数据，并能控制电机2、水泵9、湿地泄空阀16、集水池泄空阀18的工作状态。水质控制阈值上下限、水位调节速度上下限可通过触摸屏手工输入或通过通讯模块远程设置。
本发明可灵活调节人工湿地水位变化过程，通过控制水位调节水文机制从而改善湿地环境的理化性质、植物的分布、生长策略、微生物的种群和数量、湿地环境理化性质，节省人力物力消耗。本发明根据人工湿地出水水质要求和实时水质数据自适应的进行水位自动调节，按需提高人工湿地溶解氧水平，在确保出水水质达标的前提下加强了系统的能效性。本发明在调节水位时不会将未充分处理的水流入集水池，而是流回调节池，从而避免了水位调节过程中影响出水水质。
本发明还提供一种人工湿地水位自动调节方法，包括如下步骤：
A、自动调节系统初始化时，湿地泄空阀16和集水池泄空阀18均保持关闭，所述水位调节管4开放端处于最高位置，启动水泵9，待处理的水依次流经湿地进水管8、布水管10、人工湿地、集水管14、湿地出水管15、集水池12，所述集水池12内水没过水质传感器13后从集水池出水管17排出。
B、当人工湿地植物处于最初生长阶段时，所述水位调节管4在控制单元的控制下以旋转接头6为轴旋转逐步降低水位调节管4开放端的高度，开放端最低降至与旋转接头6持平，诱导植物根系发育，并在人工湿地植物根系发育成熟后在将水位调节管4反向旋转恢复至初始化状态。
C、读取水质传感器13的实时水质数据，当水质数据低于设定的水质控制阈值上限时，所述自动调节系统保持初始化状态；当水质数据高于设定的水质控制阈值上限时，所述自动调节系统进入水位自动调节模式，所述水位调节管4的开放端在控制单元的控制下在水位调节管4开放端最高处与旋转接头6持平位置之间进行往复运动。
D、周期性的读取水质传感器13的实时水质数据，当所述自动调节系统未处于水位自动调节模式，按步骤C执行；当所述自动调节系统处于水位自动调节模式时，若水质数据低于设定的水质控制阈值上限且高于水质控制阈值下限，则保持当前运行状态，若水质数据高于设定的水质控制阈值上限，则提高水位调节管4的开放端在水位调节管4开放端最高处与旋转接头6持平位置之间进行往复运动的速率；若水质数据低于设定的水质控制阈值下限，则降低水位调节管4的开放端在水位调节管4开放端最高处与旋转接头6持平位置之间进行往复运动的速率。
优选地，在提高水位调节管4的开放端在水位调节管4开放端最高处与旋转接头6持平位置之间进行往复运动的速率时，若往复运动的速率达到最高速度，则保持最高速率；在降低水位调节管4的开放端在水位调节管4开放端最高处与旋转接头6持平位置之间进行往复运动的速率时，若往复运动的速率达到最低速度，则离开水位自动调节模式。
下面以滨河湿地公园、人工湿地对污水处理厂中水进行处理为例，应用发明的人工湿地水位自动调节方法达到地表水IV类标准后排入河道。
其中，水质传感器采用UV法COD在线监测仪和离子选择电极法氨氮在线监测仪，COD控制阈值上下限范围可设为15～25mg/L，氨氮控制阈值上下限范围可设为0.5～1.2mg/L。
读取水质传感器的实时水质数据，COD为30mg/L、氨氮为1.5mg/L，则自动调节系统进入水位自动调节模式，启动电机2，使水位调节管4的开放端以最低转速在水位调节管4开放端最高处与旋转接头6持平位置之间往复运动。周期性的读取水质传感器的实时水质数据，发现水质数据仍略高于水质控制阈值上限，则提高水位调节管4的开放端在水位调节管4开放端最高处与旋转接头6持平位置之间往复运动的速率。当往复运动的速率达到每小时往复一次时，水质数据略低于水质控制阈值上限，则保持此运行状态。人工湿地进水水质保持稳定，则可长期保持此水位自动调节运行状态，从而在保持水质达标的同时尽可能节省能耗。
本发明适用性强，可以布置在多种人工湿地。本发明采用了智能化控制技术，能根据水质阈值条件自动控制水位调节模式，从而保证在全天候条件下自动运行，可扩展性强，方便功能升级和维护。
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 (6)
1.一种人工湿地水位自动调节系统，其特征在于：包括通过湿地进水管（8）与人工湿地相连通的调节池（7）、连通地表水源和调节池（7）的调节池进水管（5）、设置在人工湿地内的布水管（10）和集水管（14）、通过集水管（14）与人工湿地相连通的集水池（12）、集水池出水管（17）以及控制单元，所述集水管（14）一端延伸至集水池（12）内，所述集水管（14）另一端延伸至调节池（7）内并在进入调节池（7）后向上延伸至调节池（7）水位之上位置，且所述集水管（14）在水位之上的末段弯折延伸并通过旋转接头（6）与L形的水位调节管（4）一端相连通，所述水位调节管（4）另一端为开放端，所述湿地进水管（8）通过水泵（9）与布水管（10）相连，所述水位调节管（4）在控制单元的控制下以旋转接头（6）为轴旋转调节所述水位调节管（4）开放端的高度且所述人工湿地内的水流沿集水管（14）、水位调节管（4）流入调节池（7）内，所述集水管（14）的末段上设有一端与集水管（14）相连通的湿地出水管（15），所述湿地出水管（15）另一开放端向上设置在集水池（12）内，所述控制单元包括控制箱（1）、设置在所述集水池（12）内的水质传感器（13）、电机（2）、连接电机（2）与水位调节管（4）的传动机构（3）、设置在所述集水池（12）内集水管（14）末端上的湿地泄空阀（16）、设置在所述集水池（12）底部的集水池泄空阀（18），所述传动机构（3）为链条传动、皮带传动或齿轮传动，所述水质传感器（13）为COD传感器、氨氮传感器、硝酸盐氮传感器、亚硝酸盐氮传感器及溶解氧传感器中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的自动调节系统，其特征在于：在人工湿地内的集水管（14）上连接有竖直贯穿人工湿地并露出人工湿地表面的通气管（11）。
3.根据权利要求1所述的自动调节系统，其特征在于：所述控制箱（1）包括触摸屏、电气元件断路器、接触器、PLC模块、通讯模块、热继电器及开关电源。
4.根据权利要求1所述的自动调节系统，其特征在于：所述水位调节管（4）的开放端处于最高位置时，所述水位调节管（4）的高度高于所述湿地出水管（15）的开放端最高处；所述水位调节管（4）的开放端处于最低位置时，所述水位调节管（4）的高度低于所述湿地出水管（15）的开放端最高处。
5.一种如权利要求1~4任一项中人工湿地水位自动调节系统的自动调节方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、自动调节系统初始化时，湿地泄空阀（16）和集水池泄空阀（18）均保持关闭，所述水位调节管（4）开放端处于最高位置，启动水泵（9），待处理的水依次流经湿地进水管（8）、布水管（10）、人工湿地、集水管（14）、湿地出水管（15）、集水池（12），所述集水池（12）内水没过水质传感器（13）后从集水池出水管（17）排出；
B、当人工湿地植物处于最初生长阶段时，所述水位调节管（4）在控制单元的控制下以旋转接头（6）为轴旋转逐步降低水位调节管（4）开放端的高度，开放端最低降至与旋转接头（6）持平，并在人工湿地植物根系发育成熟后在将水位调节管（4）反向旋转恢复至初始化状态；
C、读取水质传感器（13）的实时水质数据，当水质数据低于设定的水质控制阈值上限时，所述自动调节系统保持初始化状态；当水质数据高于设定的水质控制阈值上限时，所述自动调节系统进入水位自动调节模式，所述水位调节管（4）的开放端在控制单元的控制下在水位调节管（4）开放端最高处与旋转接头（6）持平位置之间进行往复运动；
D、周期性的读取水质传感器（13）的实时水质数据，当所述自动调节系统未处于水位自动调节模式，按步骤C执行；当所述自动调节系统处于水位自动调节模式时，若水质数据低于设定的水质控制阈值上限且高于水质控制阈值下限，则保持当前运行状态，若水质数据高于设定的水质控制阈值上限，则提高水位调节管（4）的开放端在水位调节管（4）开放端最高处与旋转接头（6）持平位置之间进行往复运动的速率；若水质数据低于设定的水质控制阈值下限，则降低水位调节管（4）的开放端在水位调节管（4）开放端最高处与旋转接头（6）持平位置之间进行往复运动的速率。
6.根据权利要求5所述的自动调节方法，其特征在于：在提高水位调节管（4）的开放端在水位调节管（4）开放端最高处与旋转接头（6）持平位置之间进行往复运动的速率时，若往复运动的速率达到最高速度，则保持最高速率；在降低水位调节管（4）的开放端在水位调节管（4）开放端最高处与旋转接头（6）持平位置之间进行往复运动的速率时，若往复运动的速率达到最低速度，则离开水位自动调节模式。
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