CN109502901A - 一种基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理工艺，包括原水提升泵站、絮凝剂加注系统、絮凝池、沉淀池、人工湿地、入渗池、开采井和淤泥脱水池，本发明脱氮除磷效果好，工艺简单、处理费用低；可根据应用地点的实际情况及污水处理规模大小调整工艺规模；操作易于调控，维护简单；持续开采状态下，系统对周边地下水环境影响小；将湿地生态保护区与地下水资源人工补给有机结合，建立基于湿地生态系统的地下水人工补给系统，既改善城市内河绵远河水环境，又增加了供水水源，可有效缓解应用地区的供水压力；可结合湿地公园修建，兼具湿地景观娱乐，地下水人工回灌，饮用水生产，公众教育以及科学研究的功能，各个功能之间相辅相成。

Description

一种基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理工艺

技术领域

本发明涉及水质处理技术领域，尤其涉及一种基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理工艺。

背景技术

自1990s年代以来，我国地下水开采量以2.5×10⁹m³/a的速度递增，造成的地下水超量开采问题愈来愈突出，同时，由于水资源管理不善等问题，国内地表水体污染事件密集爆发，城市应急供水体系亟需完善，在此背景下，水资源调蓄战略迫切实现由传统单一以地表水调蓄为主的方式向地表水-地下水联合调蓄方式的转型。近年来，发达国家为解决城市供水水资源紧缺问题，调节和缓解公共供水紧张局面，水资源调蓄方法实现了由传统修建地表水库储备水资源向利用地下含水层储水构造建立地下水“水银行”的转型。欧洲供水联合会(EUREAU)的12个成员国以及美国自20世纪80年代开始，便开展了钻孔补给含水层的恢复(ASR)工程，以满足日益增长的供水需求(费谨，1982)。我国对于地下水人工补给的相关研究相对起步较晚，最初研究的目的主要是为解决城市地面沉降问题。近年来，伴随国家南水北调工程的推进，及与之相关的与北京市地下水回灌系列工程的展开，北京市水文队在北京西郊西黄村地区开展了利用废砂石坑进行人工补给地下水的试验，并利用首都钢铁公司大口径井进行了管井注入地下水回灌试验等研究(张虎成等，2004)，人工湿地系统通过模拟天然湿地的结构与功能，可以根据人为需求设计建造的湿地生态系统，使经处理的原水水质得到改善，实现对污水的净化作用与生态化处理(刘强等，2008)。人工湿地将水质处理与环境生态有机结合，既使污水得到了有效处理，又构建生态景观、美化环境，兼顾了环境效益与经济效益(黄锦楼等，2013)。生态河道—湿地—人工回灌系统的建设，不但可以改善城市水环境，而且可以治理将天然河道河水改善成具有供水价值的地下水人工补给水源，为城市供水提供重要的生态用水水源，对城市可持续发展做出新的贡献。当今世界许多城市把生态保护区与地下水资源人工补给有机结合，既美化了城市环境，又保障了城市安全供水。基于湿地生态系统的地下水人工补给与供水系统可为城市安全供水提供有效的应对方案，并带动中国地下水人工补给项目的广泛实施，该系统致力于产、学、研有效结合，可建成科研与公众教育的基地，该设计先进的人造湿地生态系统处理补给水源，引进自动监测仪器全方位监测水质变化，防范任何污染事故。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理工艺。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明一种基于湿地生态系统，包括原水提升泵站、絮凝剂加注系统、絮凝池、沉淀池、人工湿地、入渗池、开采井和淤泥脱水池，所述原水提升泵站接入水源或自然水源，所述原水提升泵站输出原水至所述絮凝池，所述絮凝池设置所述絮凝剂加注系统，所述絮凝池出水输出至所述沉淀池，所述沉淀池设置所述淤泥脱水池，所述沉淀池输出水至所述人工湿地，所述人工湿地的出水输出至入渗池，所述入渗池输出水至开采井，所述开采井输出水至自来水厂。

进一步，还设置有监测系统，所述监测系统监测点包括场地进水水质监测，沉淀池出水监测、场地人工湿地运行监测、场地地下水入渗池水质监测部分。

优选的，所述絮凝池为穿孔旋流型，絮凝池分为四个部分，每个部分进出水口上下错开形成紊流。

本发明一种基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理工艺，包括以下步骤：

(1)利用原水提升泵站将河水提升进入本处理工艺，或可利用有利地形使河水自然流入本处理工艺；

(2)利用加药泵将絮凝剂投加到原水中，加药泵可调节絮凝剂加注流量；絮凝剂采用聚氯化铝溶液(PAC)或者三氯化铁溶液(FeCl₃)；

(3)絮凝池设计为穿孔旋流型，絮凝池分为四个部分，每个部分进出水口上下错开形成紊流，使絮凝剂与原水充分混合，提高絮凝沉淀效果；

(4)水流进入沉淀池，沉淀时间4-12小时；

(5)当沉淀池的淤泥层厚大于50cm时，必须清除淤泥至淤泥脱水池脱水，脱出的水用虹吸管道排出，干淤泥用卡车运送到指定的堆放场做无害化处理；

(6)水流从沉淀池进入人工湿地，人工湿地采用垂直潜流式设计，水力负荷不超过0.75m³/m²·d，填料选择砾石(主要成分SiO₂)、石灰岩(主要成分CaCO₃)；垂直流的布水方式有助于湿地内部厌氧环境的产生，进而有助于反硝化脱氮作用；

(7)水流从人工湿地进入入渗补给池，入渗补给池为两个平行入渗补给池，方便清淤及维护，并采用反滤层结构；NH₄ ⁺、NO₃ ^-可通过入渗池单元的氨化、硝化作用、反硝化作用得到去除；

(8)最后在地下水流向下游设置开采井，抽取入渗池补给的地下水，入渗补给水源经过反滤层和含水层介质，进一步杀灭细菌和病毒，并与地下水充分混合，达到地下水质量标准，可开采出来利用。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理工艺，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.脱氮除磷效果好，工艺简单、处理费用低；

2.可根据应用地点的实际情况及污水处理规模大小调整工艺规模；

3.操作易于调控，维护简单；

4.持续开采状态下，系统对周边地下水环境影响小；

5.该工艺将湿地生态保护区与地下水资源人工补给有机结合，建立基于湿地生态系统的地下水人工补给系统，既改善城市内河绵远河水环境，又增加了供水水源，可有效缓解应用地区的供水压力；

6.该工艺可结合湿地公园修建，兼具湿地景观娱乐，地下水人工回灌，饮用水生产，公众教育以及科学研究的功能，各个功能之间相辅相成。

附图说明

图1是本发明的处理工艺流程图；

图2是本发明的絮凝池俯视图

图3是本发明的絮凝池剖面示意图

图4是本发明的入渗池反滤层结构示意图；

图5是本发明的入渗池结构示意图；

图6是本发明德阳市旌南湿地公园地下水人工补给系统水处理工艺与监测点(孔)平面分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明一种基于湿地生态系统，包括原水提升泵站、絮凝剂加注系统、絮凝池、沉淀池、人工湿地、入渗池、开采井和淤泥脱水池，所述原水提升泵站接入水源或自然水源，所述原水提升泵站输出原水至所述絮凝池，所述絮凝池设置所述絮凝剂加注系统，所述絮凝池出水输出至所述沉淀池，所述沉淀池设置所述淤泥脱水池，所述沉淀池输出水至所述人工湿地，所述人工湿地的出水输出至入渗池，所述入渗池输出水至开采井，所述开采井输出水至自来水厂。通过景观设计，可把本水处理系统设计成特色景观公园。设计理念为：河湖湿地，综合补源，地下水库，供水安全，生态公园，教育科研。另外公园内布置一个展厅，既作为系统的控制室，也作为公众教育展览厅，展示各个系统组成的功能，宣传生态保护和水资源保护的重要意义及节约用水的观念。

进一步，还设置有监测系统，所述监测系统监测点包括场地进水水质监测，沉淀池出水监测、场地人工湿地运行监测、场地地下水入渗池水质监测部分。

优选的，所述絮凝池为穿孔旋流型，絮凝池分为四个部分，每个部分进出水口上下错开形成紊流。

本发明一种基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理工艺，包括以下步骤：

(1)利用原水提升泵站将河水提升进入本处理工艺，或可利用有利地形使河水自然流入本处理工艺；

(2)利用加药泵将絮凝剂投加到原水中，加药泵可调节絮凝剂加注流量；絮凝剂采用聚氯化铝溶液(PAC)或者三氯化铁溶液(FeCl₃)；具有高效廉价的特点，絮凝剂投加量可根据试验确定；

(3)絮凝池设计为穿孔旋流型，絮凝池分为四个部分，每个部分进出水口上下错开形成紊流，使絮凝剂与原水充分混合，提高絮凝沉淀效果；(图2-图3)

(4)水流进入沉淀池，沉淀时间4-12小时；视河水浊度而定，沉淀池可设计成圆形的辐流式沉淀池，方便自动清理沉淀的淤泥；

(5)当沉淀池的淤泥层厚大于50cm时，必须清除淤泥至淤泥脱水池脱水，脱出的水用虹吸管道排出，干淤泥用卡车运送到指定的堆放场做无害化处理；水体中富营养物与有机质凝结在悬浮物上变成大的颗粒物而沉淀去除，可降低河水中的总磷(TP)，并能有效降低河水的浊度、悬浮物(SS)、COD等。

(6)水流从沉淀池进入人工湿地，人工湿地采用垂直潜流式设计，水力负荷不超过0.75m³/m²·d，填料选择砾石(主要成分SiO₂)、石灰岩(主要成分CaCO₃)；垂直流的布水方式有助于湿地内部厌氧环境的产生，进而有助于反硝化脱氮作用；经过人工湿地单元后，悬浮物，富营养物会得到进一步去除。人工湿地设计见本人专利ZL201510351633.1

(7)水流从人工湿地进入入渗补给池，入渗补给池为两个平行入渗补给池，方便清淤及维护，并采用反滤层结构；NH₄ ⁺、NO₃ ^-可通过入渗池单元的氨化、硝化作用、反硝化作用得到去除；入渗池表面应设计成反滤层，按照不同粒径设计成8层，其铺设顺序如图4，粒径上小下大。

在入渗池埋深3-5cm处设置清淤细钢筋作为清淤界线(图5)，防止清淤时过度开挖砂层。

(8)最后在地下水流向下游设置开采井，抽取入渗池补给的地下水，入渗补给水源经过反滤层和含水层介质，进一步杀灭细菌和病毒，并与地下水充分混合，达到地下水质量标准，可开采出来利用。

为了实现对水源、入渗进水水质、水文、水态进行全域监控与管理需布置监测系统，对湿地—地下水人工补给系统进水水质监测；监测水质处理系统的运行，确定系统各阶段水质净化效果；对环境现状水文水质信息进行监测；通过地下水位监测确定地下水人工补给与地下水开采对场地地下水的影响，同时为地下水流量和质量模型校准数据。监测点位布置可根据实际情况设置。

监测布点主要考虑场地进水水质监测，沉淀池出水(人工湿地进水)监测、场地人工湿地运行监测、场地地下水入渗池水质监测部分。需能够实现系统进水、人工湿地进水、入渗池进水的水位与水质动态变化与水质监测。可设置地表水监测、地下水监测、开采井监测三部分。

地表水、地下水监测：自动监测指标有水位、EC，DO，pH，温度，浊度，人工监测指标有COD、BOD、总磷、总氮、氨氮等。

开采井监测：自动检测指标水位、EC，DO，pH，温度等，人工监测定期对出水106项指标进行检测，确保出水水质达到饮用水标准。

通过本水处理工艺，絮凝沉淀环节重点去除浊度和总磷，还可起到去除重金属、杀菌、降低COD等作用，人工湿地环节重点去除NH₄ ⁺-N、COD，并进一步去除总磷，入渗池及水在含水层中的运移环节进一步杀灭细菌和病毒。

系统进出水水质指标：

经室内和现场试验，本系统进水水质指标要求和开采井出水指标见表1。

表1工艺进水主要水质指标设计

工程实例：

本处理工艺在四川省德阳市旌南湿地公园得到应用。

德阳市旌南湿地公园将湿地生态保护区与地下水资源人工补给有机结合，建立基于湿地生态系统的地下水人工补给系统，既改善城市内河绵远河水环境，又增加了供水水源，为缓解德阳市供水压力起到了示范作用。

在绵远河边布置本处理工艺，具体布置为在研究场地北侧修建提升泵房，从柳稍堰抽取绵远河河水作为系统进水，抽水量为3000m³/d；建造体积为5m³的絮凝剂液体存贮池，通过加药泵向絮凝池加注絮凝液，加药泵可调节絮凝剂加注流量；絮凝池体积为70m³；沉淀池体积570m³，沉淀时间为4小时；人工湿地采用垂直潜流式设计，水力负荷0.75m³/m²·d，填料选择砾石(主要成分SiO₂)、石灰岩(主要成分CaCO₃)；入渗补给池为两个平行入渗补给池，方便清淤及维护，并采用了反滤层结构；在场地西侧设计三口开采井，抽取入渗池补给的地下水，开采量3000m³/d；当沉淀池的淤泥层厚50cm时，利用污泥泵将淤泥抽到淤泥脱水间进行脱水，并送到指定的堆放场(图4)。

系统运行过程中，开展了水质分析、絮凝沉淀试验、人工湿地水质处理试验、入渗试验、抽水试验、数值模拟等一系列的工作。

(1)经系统絮凝沉淀处理-人工湿地水处理后，水质主要控制指标理论上均可达到设计回灌水质要求，水处理成本为0.065-0.128元/m³，该工艺综合运行成本小于0.8元/m³，为当地可接受价位；入渗池的入渗速度和三口开采井的开采量满足设计要求；

(2)数值模拟结果表明，地下水回灌-开采系统可形成一个局部的地下水流系统，对原生地下水环境造成影响较小，湿地-地下水人工补给系统在技术上是可行的，但需要持续开采；

(3)系统全运行试验水质监测结果表明开采井26项指标符合《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，可达到自来水厂的进水要求；

(4)德阳市旌南湿地公园兼具湿地景观娱乐，地下水人工回灌，饮用水生产，公众教育以及科学研究的功能，各个功能之间相辅相成，为流域规划、污染治理、水源地保护等提供借鉴。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理系统，其特征在于：包括原水提升泵站、絮凝剂加注系统、絮凝池、沉淀池、人工湿地、入渗池、开采井和淤泥脱水池，所述原水提升泵站接入水源或自然水源，所述原水提升泵站输出原水至所述絮凝池，所述絮凝池设置所述絮凝剂加注系统，所述絮凝池出水输出至所述沉淀池，所述沉淀池设置所述淤泥脱水池，所述沉淀池输出水至所述人工湿地，所述人工湿地的出水输出至入渗池，所述入渗池输出水至开采井，所述开采井输出水至自来水厂。

2.根据权利要求1所述的基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理系统，其特征在于：还设置有监测系统，所述监测系统监测点包括场地进水水质监测，沉淀池出水监测、场地人工湿地运行监测、场地地下水入渗池水质监测部分。

3.根据权利要求1所述的基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理系统，其特征在于：所述絮凝池为穿孔旋流型，絮凝池分为四个部分，每个部分进出水口上下错开形成紊流。

4.一种基于湿地生态系统的地下水人工补给水处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用原水提升泵站将河水提升进入本处理工艺，或可利用有利地形使河水自然流入本处理工艺；

(2)利用加药泵将絮凝剂投加到原水中，加药泵可调节絮凝剂加注流量；絮凝剂采用聚氯化铝溶液(PAC)或者三氯化铁溶液(FeCl₃)；

(3)絮凝池设计为穿孔旋流型，絮凝池分为四个部分，每个部分进出水口上下错开形成紊流，使絮凝剂与原水充分混合，提高絮凝沉淀效果；

(4)水流进入沉淀池，沉淀时间4-12小时；

(5)当沉淀池的淤泥层厚大于50cm时，必须清除淤泥至淤泥脱水池脱水，脱出的水用虹吸管道排出，干淤泥用卡车运送到指定的堆放场做无害化处理；

(6)水流从沉淀池进入人工湿地，人工湿地采用垂直潜流式设计，水力负荷不超过0.75m³/m²·d，填料选择砾石(主要成分SiO₂)、石灰岩(主要成分CaCO₃)；垂直流的布水方式有助于湿地内部厌氧环境的产生，进而有助于反硝化脱氮作用；

(7)水流从人工湿地进入入渗补给池，入渗补给池为两个平行入渗补给池，方便清淤及维护，并采用反滤层结构；NH₄ ⁺、NO₃ ^-可通过入渗池单元的氨化、硝化作用、反硝化作用得到去除；

(8)最后在地下水流向下游设置开采井，抽取入渗池补给的地下水，入渗补给水源经过反滤层和含水层介质，进一步杀灭细菌和病毒，并与地下水充分混合，达到地下水质量标准，可开采出来利用。