CN110127852B - 一种纵向基质填充的往复式潜流人工湿地及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纵向基质填充的往复式潜流人工湿地，包括池体，所述池体为顶部敞口的槽状结构，在池体内填充基质；所述基质由下至上为基础层、发生层、阻隔层和种植层；所述发生层至少包括两种由左至右依次纵向填充的基质；在池体上部设置沿水平方向延伸的进水管，池体底部连接出水管；在发生层内设置至少一个一侧向下倾斜的分层隔板，分层隔板位置高的一侧与池体紧贴，位置低的一侧与池体存在间距。本发明能使污水以不同的次序经过不同的基质，形成往复式水流流动，这样使污水水力停留时混合均匀，避免水力停留分层现象，增强微生物除氮性能。

Description

一种纵向基质填充的往复式潜流人工湿地及应用
技术领域
本发明涉及人工湿地技术领域，具体涉及一种纵向基质填充的往复式潜流人工湿地及应用。
背景技术
随着社会的发展和人民生活水平的提高，生活污水产生量日益增加，乱排现象严重，不仅浪费水资源，还造成环境污染。人工湿地作为一种新型的污水处理工艺，具有构造简单、易于维护、处理费用低、并且具有景观效果等优点，在污水处理以及生态环境保护方面发挥重要作用，具有良好的推广价值。
人工湿地主要由3个部分组成：基质、植物和微生物。基质在人工湿地中主要起着3个方面的作用：微生物生长的依附表面，水生植物生长的载体和营养来源，通过物理作用和化学作用(如吸附、过滤、离子交换等)净化污水。人工湿地的应用类型主要有单一型、复合型，其中复合型人工湿地类型主要有水平潜流配合上行垂直流、垂直流配合水平潜流两种，现有运行方式的污水均以既定的顺序进入，水力停留分层明显，导致除氮性能降低，同时在水力停留时间内污水中的碳源被持续消耗，进一步导致除氮性能降低。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种纵向基质填充的往复式潜流人工湿地及应用。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种纵向基质填充的往复式潜流人工湿地，包括池体，所述池体为顶部敞口的槽状结构，在池体内填充基质；所述基质由下至上为基础层、发生层、阻隔层和种植层；所述发生层至少包括两种由左至右依次纵向填充的基质；在池体上部设置沿水平方向延伸的进水管，池体底部连接出水管；在发生层内设置至少一个一侧向下倾斜的分层隔板，分层隔板位置高的一侧与池体紧贴，位置低的一侧与池体存在间距。
优选的，所述基质粒径大小满足基础层＞发生层＞阻隔层＞种植层，基质以发生层为主。
基础层位于池体内部最下端，选用粒径较大的硬质材料砾石，空隙较大，对上层基质起承托作用，增强人工湿地整体的机械强度，提高结构的稳固性，同时水体中的悬浮颗粒可沉淀到最下层。
阻隔层选用粒径较小、吸水性弱的石英砂，置于种植层下侧，有效防止种植层土壤随水流渗漏到下层造成堵塞的弊端。
其中砾石粒径15～25mm，厚度60～80mm，石英砂粒径2～5mm，厚度40～60mm，农田土厚度60～80mm。
优选的，所述发生层包括三种基质，三种基质由左至右依次为废砖、沸石和火山岩。
优选的，所述发生层厚度为300～400mm，废砖、沸石和火山岩的粒径均为8～15mm；基质废砖的宽度为130～180mm，基质沸石的宽度为180～250mm，基质火山岩的宽度为130～180mm。
发生层厚度较高，为主要的基质层，沸石具有发达的微孔结构，可有效吸附降解水体中的污染物；废砖作为人工湿地基质填充物，具有较强的吸附性，可总体提高湿地对铵态氮与总氮的去除效率，实现废砖的资源化利用，对发展循环经济、保护环境具有重要的意义；火山岩表面粗糙多微孔，这些特点特别适用于微生物在其表面生长、繁殖，形成生物膜。
优选的，所述发生层内设置三个分层隔板，三个分层隔板交错倾斜设置，三个分层隔板将发生层分隔为四层。分层隔板材质为有机玻璃，其长度为350～450mm，宽度为250～350mm。
优选的，所述进水管位于阻隔层内，进水管包括相互垂直且连通的进水主管和进水支管，所述进水支管至少为一个，在进水主管和进水支管上均设置有多个朝下的散水孔。所述散水孔直径为2～3mm，每相邻的两个散水孔之间的距离为30～50mm，通过多个散水孔可实现同时均匀向池体内进水。
所述进水主管、进水支管和出水管均为PVC管，进水主管、进水支管的内径均为20mm，出水管的内径为20～35mm。
优选的，所述进水管通过管路与曝气装置连接，所述曝气装置置于池体外的进水水源处。避免沉淀于池体底部的悬浮颗粒物再次悬浮，一旦损坏，更换简单迅速，曝气装置采用现有的曝气设备。
所述进水管的进水口位于池体左侧上部，在池体底部右侧连接出水管，分层隔板较高一侧位于左侧或右侧。
曝气装置于进水水源处，使待进入池体的污水富氧，富氧污水通过进水主管进入池体内部，散水孔将水流分散成多股水流，水流在重力作用下经过阻隔层进入发生层，在分层隔板的阻挡下，水流在发生层内由左向右、由右向左往复流动，以不同的次序经过不同的纵向基质。多种不同特性的基质有助于形成不同性质的生物膜，水流以不同次序流经多种基质，可增强微生物除氮性能。
优选的，位于出水管上方的池体底部安装水位观察管，在水位观察管上安装水位调控阀门，所述水位调控阀门包括位于不同高度的高水位调控阀门、中水位调控阀门和低水位调控阀门。
所述水位观察管与池体高度相同，水位观察管为直径是15～30mm的透明有机玻璃圆管，水位观察管用于调节池体内水位高度和排水。水位观察管用于观察池体内水位高度变化，水位调控阀门用于调节池体内水位高度和排水。
优选的，在池体外表用黑色涂料涂黑，在池体外围四周覆盖蔽光层，所述蔽光层为白色玻璃纤维网格布。黑色涂料可以有效阻隔阳光直射，避免光照对湿地池体内部微生物作用产生负面影响，同时蔽光层选用白色玻璃纤维网格布，能够增强系统稳定性，避免池体吸收光照热量使水温升高现象的发生。
所述池体和分层隔板均为有机玻璃材质，有机玻璃机械强度较高，有一定的耐热耐寒性，耐腐蚀，绝缘性能良好；
本发明的第二方面，提供利用上述人工湿地处理污水的方法，首次污水处理时，待处理的污水通过进水主管进入池体内的阻隔层，污水下行进入发生层，经分层隔板的阻挡，水流在发生层内由左向右、由右向左往复流动，以不同的次序经过不同的基质，形成往复式水流流动，待水位处于高水位调控阀门时，停止进水；次日经出水管出水至中水位调控阀门，停止出水，再次进水至高水位调控阀门，停止进水；此后每日重复出水与进水，达到稳定运行。
通过本发明的人工湿地处理污水，其操作方法简单易行，稳定运行时，每次进水可维持2-3天的水力停留时间，为污水中污染物的沉淀、基质吸附、微生物降解以及植物吸收提供了一定的时间；每次进水均为富氧污水，序批式进水出水使湿地下层为缺氧环境，形成厌氧区，上层为富氧环境，形成好氧区，序批式进水在水力停留时间内阶段性出水并进水能够及时补充新鲜碳源，避免了低碳氮比污水在较长水力停留后期，因碳源缺乏而导致除氮性能下降的问题。
本发明的有益效果：
(1)通过本发明纵向基质填充法可将基质分离清晰，水流进入池体即可使水体与各种基质接触，在不同的基质中可形成不同特性的生物膜，避免传统分层填充法在水位较低情况下水体与上层基质无法接触的弊端，有利于增强除氮性能。
(2)污水通过曝气装置富氧，富氧污水通过进水主管进入池体内部，散水孔将水流分散成多股水流，水流在重力作用下，实现下行垂直流，随着进水的持续，经过阻隔层进入发生层，在分层隔板的阻挡下，水流在发生层内由左向右、由右向左往复流动，以不同的次序经过不同的基质，形成往复式水流流动，这样能够使污水水力停留时混合均匀，避免水力停留分层现象，增强微生物除氮性能。
(3)池体内的基质，其粒径大小满足基础层＞发生层＞阻隔层＞种植层，因此水体中的悬浮颗粒能沉淀到最下层，使池体不容易堵塞，减缓堵塞问题。
(4)基础层位于池体内部最下端，选用粒径较大的硬质材料砾石，空隙较大，对上层基质起承托作用，增强人工湿地整体的机械强度，提高结构的稳固性，同时水体中的悬浮颗粒可沉淀到最下层；发生层厚度较高，为主要的基质层，沸石具有发达的微孔结构，可有效吸附降解水体中的污染物；废砖作为人工湿地基质填充物，具有较强的吸附性，可总体提高湿地对铵态氮与总氮的去除效率，实现废砖的资源化利用，对发展循环经济、保护环境具有重要的意义；火山岩表面粗糙多微孔，这些特点特别适用于微生物在其表面生长、繁殖，形成生物膜；阻隔层选用粒径较小、吸水性弱的石英砂，置于种植层下侧，有效防止种植层土壤随水流渗漏到下层造成堵塞的弊端，种植层采用农田土，为植物生长提供良好的营养及空间条件。
附图说明
图1为本发明的池体结构示意图；
图2为本发明的剖面图；
图3为本发明进水管的结构示意图；
图中：1、池体，21、进水主管，22、进水支管，23、散水孔，3、出水管，4、水位观察管，51、低水位调控阀门，52、中水位调控阀门，53、高水位调控阀门，6、分层隔板，7、基础层，81、废砖，82、沸石，83、火山岩，9、阻隔层，10、种植层，11、植物。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
如图1、2所示，一种纵向基质填充的往复式潜流人工湿地，包括池体1，所述池体1为顶部敞口的槽状结构。所述池体1是由厚度为5mm的有机玻璃制成的尺寸长×宽×高＝500mm×400mm×550mm的立方体，容积为110L。在池体1外围用黑色墨汁涂黑，并在池体1外围四周覆盖蔽光层，蔽光层是厚度为2mm的白色玻璃纤维网格布。
在池体1内填充基质，所述基质由下至上为基础层7、发生层、阻隔层9和种植层10。所述基础层7为砾石，阻隔层9为石英砂，种植层10为农田土。所述发生层包括三种基质，三种基质由左至右依次为废砖81、沸石82和火山岩83。所述基质粒径大小满足基础层7＞发生层＞阻隔层9＞种植层10，基质以发生层为主。
其中基础层7填充厚度为50mm，发生层填充厚度为350mm，阻隔层9填充厚度为50mm，种植层10填充厚度为80mm。砾石的粒径为15～25mm，废砖81、沸石82和火山岩83的粒径均为8～15mm，石英砂的粒径为2～5mm。基质废砖81的宽度为150mm，基质沸石82的宽度为200mm，基质火山岩83的宽度为150mm。植物选用芦苇，植于种植层10上，分2排种植，每排3株，共6株。
所述发生层内设置三个分层隔板6，三个分层隔板6交错倾斜设置，每个分层隔板6位置较高的一侧紧贴池体1，位置低的一侧与池体1存在间距，三个分层隔板6将发生层分隔为四层。每个分层隔板6均为有机玻璃制成，长度为400mm，宽度为300mm。
在池体1上部设置沿水平方向延伸的进水管，池体1底部连接出水管3；所述进水管位于阻隔层9内。如图3所示，进水管包括相互垂直且连通的进水主管21和进水支管22，所述进水支管22为两个，在进水主管21和进水支管22上均设置有多个朝下的散水孔23。进水主管21进水口设置于池体1侧面距顶部100mm的位置，进水主管21长度为450mm，每个进水支管22的长度均为350mm，每相邻的两个散水孔23之间的距离为40mm，散水孔23的直径为3mm。所述进水主管21、进水支管22和出水管3均为PVC管，进水主管21、进水支管22的内径均为20mm，出水管3的内径为35mm，出水管3位于距离池底20mm的位置。
所述进水管通过管路与曝气装置连接，所述曝气装置置于池体1外的进水水源处。避免沉淀于池体1底部的悬浮颗粒物再次悬浮，一旦损坏，更换简单迅速，曝气装置采用现有的曝气设备。
所述进水管的进水口位于池体1左侧上部，在池体1底部右侧连接出水管3，分层隔板6较高一侧位于左侧或右侧。
曝气装置于进水水源处，使待进入池体1的污水富氧，富氧污水通过进水主管21进入池体1内部，散水孔23将水流分散成多股水流，水流在重力作用下经过阻隔层9进入发生层，在分层隔板6的阻挡下，水流在发生层内由左向右、由右向左往复流动，以不同的次序经过不同的纵向基质。多种不同特性的基质有助于形成不同性质的生物膜，水流以不同次序流经多种基质，可增强微生物除氮性能，有利于去除多种污染物。
位于出水管3上方的池体1底部安装水位观察管4，水位观察管4位于出水管3上方50mm的位置，在水位观察管4下端设置低水位调控阀门51，在高于低水位调控阀门51 180mm的水位观察管4上设置中水位调控阀门52，在高于中水位调控阀门52 180mm的水位观察管4上设置高水位调控阀门53。所述水位观察管4与池体1高度相同，水位观察管4为直径是15～30mm的透明有机玻璃圆管，水位观察管4用于观察池体1内水位高度变化，水位调控阀门用于调节池体1内水位高度和排水。
利用上述人工湿地处理污水的方法，在首次污水处理时，待处理的污水通过进水主管21进入池体1内的阻隔层9，污水下行进入发生层，经分层隔板6的阻挡，水流在发生层内由左向右、由右向左往复流动，以不同的次序经过不同的基质，形成往复式水流流动，待水位处于高水位调控阀门53时，停止进水；次日经出水管3出水至中水位调控阀门52，停止出水，再次进水至高水位调控阀门53，停止进水；此后每日重复出水与进水。
污水处理检测实验
在第一次出水3天后(稳定运行后)，进行短、中、长三期实验以测试该人工湿地污水处理的除氮性能及其稳定性。第一期短期实验为期5天，第二期中期实验为期10天，第三期长期实验为期30天，每天监测出水水质。进水为人工配置污水，各污染物指标分别为：NH4+：30mg/L，NO3—：15mg/L，TN：30.52mg/L，COD：135mg/L，属低碳氮比污水。
下表为对该实施例进行三期实验污水处理检测得出的实验数据：
Figure GDA0004118613150000091
由上表可以发现：NH4 +与TN在三期实验中去除效果稳定，分别能达到接近90％和接近40％的去除率，NO3 —与COD的去除效果随湿地运行时间而加强，分别能达到83％和81％的去除率。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种纵向基质填充的往复式潜流人工湿地，包括池体(1)，所述池体(1)为顶部敞口的槽状结构，在池体(1)内填充基质；其特征在于：所述基质由下至上为基础层(7)、发生层、阻隔层(9)和种植层(10)；所述发生层包括三种由左至右依次纵向填充的基质；在池体(1)上部设置沿水平方向延伸的进水管，池体(1)底部连接出水管(3)；在发生层内设置三个一侧向下倾斜的分层隔板(6)，分层隔板(6)位置高的一侧与池体(1)紧贴，位置低的一侧与池体(1)存在间距；
所述基质粒径大小满足基础层(7)＞发生层＞阻隔层(9)＞种植层(10)，基质以发生层为主；
所述基础层(7)为砾石，阻隔层(9)为石英砂，种植层(10)为农田土；
所述发生层的三种基质由左至右依次为废砖(81)、沸石(82)和火山岩(83)；
所述发生层厚度为300～400mm，废砖(81)、沸石(82)和火山岩(83)的粒径均为8～15mm；基质废砖(81)的宽度为130～180mm，基 质沸石(82)的宽度为180～250mm，基质火山岩(83)的宽度为130～180mm；
所述发生层内的三个分层隔板(6)交错倾斜设置，三个分层隔板(6)将发生层分隔为四层；
所述进水管位于阻隔层(9)内，进水管包括相互垂直且连通的进水主管(21)和进水支管(22)，所述进水支管(22)至少为一个，在进水主管(21)和进水支管(22)上均设置有多个朝下的散水孔(23)；
所述进水管通过管路与曝气装置连接，所述曝气装置置于池体(1)外的进水水源处；
位于出水管(3)上方的池体(1)底部安装水位观察管(4)，在水位观察管(4)上安装水位调控阀门，所述水位调控阀门包括位于不同高度的高水位调控阀门(53)、中水位调控阀门(52)和低水位调控阀门(51)。
2.利用权利要求1所述的人工湿地处理污水的方法，其特征在于：待处理的 污水通过进水管进入池体(1)内的阻隔层(9)，污水下行进入发生层，经分层隔板(6)的阻挡，水流在发生层内由左向右、由右向左往复流动，以不同的次序经过不同的基质，形成往复式水流流动，最后经出水管(3)流出。
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