CN110127856A - 一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，包括湿地填料层、多孔混凝土布水坝、水位控制器、湿地围隔，湿地填料层包括由底向上依次设置的级配砾石垫层、轻质混凝土填料层、上覆种植土层；所述湿地填料层上设有湿地耐湿植物；所述湿地围隔的一端设有进水管，所述湿地围隔的另一端设有水位控制器。湿地设置水位控制器以保持湿地填料浸润，使得低密度混凝土填料悬浮，且多孔结构的轻质混凝土材质本身潜在的高性能磷吸附，污水中的营养盐吸附后用于植物吸收和微生物降解，悬浮填料与水流的相对运动随时更新湿地的固液接触界面，使得湿地长期维持污染物的高效去除。

Description

一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地
技术领域
本发明涉及环境工程和生态工程学科中污染水体净化技术领域，是应用于城乡污水处理的生物生态的水质净化技术，尤其适用于分散式生活污水的生化处理后尾水的水质进一步处理，具体为一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地。
背景技术
人工湿地是由人工建造和运行控制运行的类似沼泽地面的水质净化方法，将污水有组织的导入人工湿地，利用填料、植物、物化和生化的系统作用，完成各类型污染物的有效去除。人工湿地具有缓冲容量大、工艺简单、运行费用低、景观适用性强等优点，在处理分散式生活污水比传统的物化处理设施更具有经济性。传统潜流湿地人工湿地的关键在于基质的选择和耐湿植物的配置，因为微生物是湿地系统污染物去除的主力军，填料选择要点是比表面积大、具有微生物富集功能，通常采取级配砾石、煤渣、沸石等分层填充，填充厚度为500~800mm。填料上层覆土配置水生植物，通常引种净化能力好、抗逆性强等耐湿植物，常用水生植物包括纸莎草、鸢尾、灯芯草、水葱等。
基质堵塞问题一直是传统潜流式湿地制约因素，级配砾石等填料的密度较大，水流渗透通过固定基质，富集微生物膜填充至基质孔隙，渗透系数变小，限制湿地水质净化功能，缩短运行时间。湿地运行中通常采取间歇进水、停床轮作、清水反冲洗、定期更新或清理介质等方法解决堵塞问题，然而，会在一定程度上影响湿地的正常运行程序，降低污水处理能力，工程成本较高。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，采用轻质低密度的泡沫或加气混凝土作为湿地的主要净水填料，其表观密度为600~900kg/m3，密度小于水，在水力浸润的条件下，湿地中的轻质混凝土填料具有悬浮或漂浮特性。轻质混凝土的上层覆盖种植土和配置的植物均作为配重，以保持轻质混凝土填料与水体全面接触，伴随水流运动过程，填料与水保持的微小相对运动，更新填料的固液接触界面。同时轻质混凝土为天然且廉价的除磷功能材料，制备简单，以废治污，实现节能减排绩效。
为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：
一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，
包括湿地填料层、多孔混凝土布水坝、水位控制器、湿地围隔，湿地填料层包括由底向上依次设置的级配砾石垫层、轻质混凝土填料层、上覆种植土层；所述湿地填料层上设有湿地耐湿植物；所述水质净化湿地的一端设有进水管，所述湿地围隔的另一端设有水位控制器；
所述湿地围隔内设有湿地填料层、多孔混凝土布水坝，所述湿地围隔由底部湿地围隔和侧部湿地围隔围成；所述底部湿地围隔包括一级台阶和二级台阶，所述二级台阶高于一级台阶，二级台阶为湿地填料区，一级台阶上部为生态清水池，所述一级台阶上的前后端设有多孔混凝土布水坝，所述多孔混凝土布水坝内设有湿地填料层，所述水位控制器位于靠近一级台阶处的湿地围隔上末端，所述进水管位于靠近二级台阶处的湿地围隔前端的湿地布水区内；所述水位控制器为L型出水管，L型出水管为水平端口，按一定水位自由出流。
湿地围隔是湿地内外的隔离设施，具有隔水和维护功能。湿地填料层为湿地水质净水的核心区。水位控制器是水力浸润和填料自悬浮的功能保障关键节点。多孔混凝土布水坝起到均匀布水和填料围挡作用。湿地由多孔混凝土透水坝均匀布水，水位控制器维持填料浸润水位，轻质混凝土填料保持水中悬浮，运行时填料与水流在微小范围内相对运动，更新液固接触界面，长期维持水质高效净化功能。
进一步的，所述湿地填料层由底向上依次设置为：100~150mm厚粒径15~25mm级配砾石垫层；200~300mm厚轻质混凝土饱满散粒状填料层；PVC透水纱布1层；上覆种植土层100mm厚。土壤厚度应根据轻质混凝土填料的表观密度和填料厚度大小而变动，表观密度，覆土厚度适当增加。土壤层种植根系发达、抗逆性强的耐湿植物，如格桑花、鸢尾等多年生耐湿植物。
进一步的，所述轻质混凝土填料层采用泡沫混凝土或加气混凝土为制备材质形成饱满构型的散粒状颗粒，等直径30~50mm，轻质混凝土填料的表观密度为600~900kg/m3。
进一步的，所述泡沫混凝土的制备方法：以表观密度为设计目标，设计水泥、石膏、石灰、矿渣粉、外加剂（短纤维、减水剂等）、水材料配合比，混合搅拌后，掺入物理发泡法制备的泡沫，短暂搅拌后置于模具中成型、脱模、养护，切割成散粒状填料。
进一步的，所述加气混凝土的制备方法：以表观密度为设计目标，设计水泥、石膏、石灰、矿渣粉、外加剂、水等材料配合比，混合搅拌后添加铝粉等混凝土化学发泡剂，置于模具中发泡成型养护，切割成散粒状填料。
进一步的，所述多孔混凝土布水坝由多孔混凝土预制块干砌而成；多孔混凝土的内部孔隙连续贯通，点状进水时材料对面呈面状均匀出水。
进一步的，所述多孔混凝土布水坝的制备方法：由普通硅酸盐水泥、单一级配砾石（粒径15~25mm）、矿物外加剂、减水剂与水按一定比例混合、搅拌，置于模具中压制或振捣成型、脱模、养护至力学强度形成。多孔混凝土材料的孔隙率为15~25%，抗压强度不小于10MPa，渗透系数为1.0~3.0cm/s。多孔混凝土预制砌块的长宽高尺寸为550mm×330mm×200mm，中心保留圆孔，周边流线型的凹凸构型，以增加表面积。砌块干式砌筑透水坝，实现湿地均匀布水。
进一步的，所述L型出水管包括相通连接的竖直出水管、水平出水管，水平出水管(7)穿过湿地围隔；竖直出水管的出流水位低于轻质混凝土填料层50mm。湿地的水位控制器是轻质混凝土填料悬浮与否的关键控制部件，水位控制器保持着填料浸润与悬浮的水力条件。一般情况下，水位控制高度高于轻质混凝土填料层约50mm，加上配重的上覆土和湿地植物，水力浸润时，水面高度与轻质混凝土填料层高度持平，以保持水流与填料的全面接触，水位下降时，填料稍微下落。
进一步的，所述一级台阶上设有级配砾石垫层，级配砾石垫层上方设有清水池。
进一步的，所述多孔混凝土布水坝的一侧与湿地围隔直接留有间隙，所述间隙为进水配水渠，所述进水管的一端相通连接进水配水渠。
本发明具有如下有益效果：
本发明采用的轻质混凝土作为悬浮填料，其材料易得，价格低廉，具有抗压强度，且耐久性好，表面的孔隙结构使之具有巨大的比表面积，有利于富集微生物，从而具有对污染物很强的吸附作用和微生物降解作用，以达到水质净化的目的。另外，制备轻质混凝土和多孔混凝土的制备材料均包括水泥、石灰、石膏等，这都是除磷的天然且廉价物质，从而保证了湿地中磷的高效去除，且工程投资低。另外，水流经过多孔混凝土透水坝和轻质混凝土填料区，对水中悬浮物具有拦滤作用，从而保证出水的透明度，湿地的出水浊度均小于5.0NTU。
本发明是利用轻质混凝土的低密度特性，材料在污水中自悬浮或漂浮，水流与填料有着相对运行，确保持续更新固液接触界面，保持湿地系统强大的污染物吸附和微生物降解的水质净化功能。
本发明提出的水利浸润悬浮填料水质净化湿地是利用轻质混凝土在水中的自悬浮和漂浮特性，以天然廉价物质替代价格昂贵的工业产品的填料替代，降低了湿地建造费用，提高了水质净化效果。水流与悬浮填料全面接触，填料处于漂浮状态，因此，湿地的水头损失较小，且净水效果好。另外，湿地结构简单，避免使用施工繁琐的花墙布水和折板布水等砌筑结构，施工便利，易于实施。多孔混凝土、轻质混凝土的应用同时实现了以废治污和节能减排的双重目的。
本发明针对传统湿地填料的运行问题，选用具有天然除磷功能的轻质混凝土作为填料优选替代，利用其表观密度低于水的物理性质和孔隙表面结构特征，合理配置上覆的土壤厚度及移栽植物，结合湿地的水位控制保持填料浸润的水力特征，水流通过时形成悬浮性填料自更新的基质运行状态，提高污水氮磷营养盐去除率。同时轻质混凝土的制备材料易得、价廉，并可采用脱硫石膏、石灰、灰矿渣等工业废品制作，实现以废治污的节能减排效果。
附图说明
图1 水力浸润条件下悬浮填料湿地剖视图（轻质混凝土填料层悬浮膨胀）；
图2 未浸润条件下悬浮填料湿地剖视图（轻质混凝土填料层自然压实状态）；
图3 水力浸润悬浮填料湿地平面图；
图4 多孔混凝土布水坝砌筑及砌块形状图。
其中：1、湿地围隔；2、水位控制器；3、清水池；4、多孔混凝土布水坝；5、湿地填料层；51、级配砾石垫层；52、轻质混凝土填料层；53、上覆种植土层；6、进水配水渠；7、出水管；8、进水管；9、湿地耐湿植物。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
如图1至图4所示的一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，图中箭头表示水流方向；
包括湿地填料层5、多孔混凝土布水坝4、水位控制器2、湿地围隔1，湿地填料层包括由底向上依次设置的级配砾石垫层51、轻质混凝土填料层52、上覆种植土层53；湿地填料层上设有湿地耐湿植物9；水质净化湿地的一端设有进水管8，湿地围隔的另一端设有水位控制器2；
湿地围隔内设有湿地填料层、多孔混凝土布水坝，湿地围隔由底部湿地围隔和侧部湿地围隔围成，底部湿地围隔包括一级台阶和二级台阶，二级台阶高于一级台阶，二级台阶为湿地填料区，一级台阶上部为生态清水池；一级台阶上的前后端设有多孔混凝土布水坝，多孔混凝土布水坝内设有湿地填料层，水位控制器位于靠近一级台阶处的湿地围隔上末端，进水管位于靠近二级台阶处的湿地围隔前端的湿地布水区内；水位控制器为L型出水管，L型出水管为水平端口，按一定水位自由出流。
湿地围隔是湿地内外的隔离设施，具有隔水和维护功能。湿地填料层为湿地水质净水的核心区。水位控制器是水力浸润和填料自悬浮的功能保障关键节点。多孔混凝土布水坝起到均匀布水和填料围挡作用。
在本实施例中，湿地填料层由底向上依次设置为：100~150mm厚粒径15~25mm级配砾石垫层；200~300mm厚轻质混凝土饱满散粒状填料层；PVC透水纱布1层；上覆种植土层100mm厚。土壤厚度应根据轻质混凝土填料的表观密度和填料厚度大小而变动，表观密度，覆土厚度适当增加。土壤层种植根系发达、抗逆性强的耐湿植物，如格桑花、鸢尾等多年生耐湿植物。
在本实施例中，轻质混凝土填料层采用泡沫混凝土或加气混凝土为制备材质形成饱满构型的散粒状颗粒，等直径30~50mm，轻质混凝土填料的表观密度为600~900kg/m3。
其中，泡沫混凝土的制备方法：以表观密度为设计目标，设计水泥、石膏、石灰、矿渣粉、外加剂（短纤维、减水剂等）、水材料配合比，混合搅拌后，掺入物理发泡法制备的泡沫，短暂搅拌后置于模具中成型、脱模、养护，切割成散粒状填料。
其中，加气混凝土的制备方法：以表观密度为设计目标，设计水泥、石膏、石灰、矿渣粉、外加剂、水等材料配合比，混合搅拌后添加铝粉等混凝土化学发泡剂，置于模具中发泡成型养护，切割成散粒状填料。
在本实施例中，多孔混凝土布水坝由多孔混凝土预制块干砌而成；多孔混凝土的内部孔隙连续贯通，点状进水时材料对面呈面状均匀出水。
在本实施例中，多孔混凝土布水坝的制备方法：由普通硅酸盐水泥、单一级配砾石（粒径15~25mm）、矿物外加剂、减水剂与水按一定比例混合、搅拌，置于模具中压制或振捣成型、脱模、养护至力学强度形成。多孔混凝土材料的孔隙率为15~25%，抗压强度不小于10MPa，渗透系数为1.0~3.0cm/s。多孔混凝土预制砌块的长宽高尺寸为550mm×330mm×200mm，中心保留圆孔，周边流线型的凹凸构型，以增加表面积。砌块干式砌筑透水坝，实现湿地均匀布水。
在本实施例中，L型出水管包括相通连接的竖直出水管、水平出水管7，水平出水管穿过湿地围隔。湿地的水位控制器是轻质混凝土填料悬浮与否的关键控制部件，水位控制器保持着填料浸润与悬浮的水力条件。一般情况下，水位控制高度高于轻质混凝土填料层约50mm，加上配重的上覆土和湿地植物，水力浸润时，水面高度与轻质混凝土填料层高度持平，以保持水流与填料的全面接触，水位下降时，填料稍微下落。
在本实施例中，一级台阶上设有级配砾石垫层，级配砾石垫层上方设有清水池3。
在本实施例中，多孔混凝土布水坝的一侧与湿地围隔直接留有间隙，间隙为进水配水渠6，进水管的一端相通连接进水配水渠，竖直出水管的出流水位低于轻质混凝土填料层50mm。水从进水管，进入到进水配水渠内缓冲。填料保持水力浸润状态，以保证运行时表观密度为600~900kg/m3的悬浮高度，伴随着填料与水流的相对运动过程不断更新固液接触界面。
实施例2
实施例1的水力浸润悬浮填料式水质净化湿地应用于东南大学校内的生活污水的处理。
东南大学校内某宿舍的生活污水排放量约为8.0m3/d，排出的生活污水经化粪池、好氧接触氧化和斜管沉淀池等处理后，水中COD、NH3-N、TN、TP等平均浓度分别为73mg/L、6.76mg/L、18.9mg/L和2.609mg/L，类似于《城镇污水处理厂污染物排放标准》的二级水质（GB18918-2002），物化处理单元的出水采用水力浸润悬浮填料净水湿地予以深度净化，水质达到一级A标准后排放于东南大学护校河。该湿地占地面积为19.25m2，长宽尺寸为3.5m×5.5m（含末端水质展示池），湿地水质净化面积为16.0 m2。
湿地中采用的多孔混凝土和轻质混凝土均匀现场制备。多孔混凝土由PII32.5普通硅酸盐水泥、平均粒径20mm的饱满砾石、石膏粉作为主要材料，设计配合比为83:14:3，减水剂用量为水泥的0.8%，水灰比为0.22~0.24，混合料由搅拌机均匀拌和后，置于预制模具中，平板振动30s后脱模，自然养护28d形成砌块，干砌成多孔混凝土布水坝，多孔混凝土试件的透水系数1~3cm/s，平均孔隙率为20%，抗压强度14.9MPa。采用的轻质混凝土填料为化学加气混凝土， PII普通硅酸盐水泥、石膏粉、矿渣粉的配合比为20:3:2，减水剂用量为水泥的0.8%，水灰比为0.55~0.75，混合料经胶砂搅拌机均匀拌合后添加水泥用量的0.25%的铝粉发泡剂，慢速搅拌10s，置于模具发泡成型，7d切割成30~50mm的饱满粒装填料，轻质混凝土的表观密度约为650kg/m3。
厚度200mm的多孔混凝土砌块干砌3层，总高度为0.6m，设置于湿地两端，作为透水性布水坝，并与湿地围隔一起维护和支撑填料区与植物生长。水质净化湿地的填料区由底部向上依次设置为：150mm厚粒径15~25mm级配砾石垫层；300mm厚轻质混凝土饱满散粒状填料层；PVC透水纱布1层；上覆100mm厚种植土层。土壤厚度应根据轻质混凝土填料的表观密度和填料厚度大小而变动，表观密度，覆土厚度适当增加。土壤层种植根系发达、抗逆性强的耐湿植物，如格桑花、鸢尾等多年生的耐湿植物。
湿地的水位控制器置于湿地末端，控制水位高于轻质混凝土填料层50mm，以保证填料的水力浸润与自我悬浮特性。当湿地水位高于控制水位时，湿地则自行排水。
为直观显示湿地的水质净化效果，湿地末端设清水池（水质展示池），最大水深1.0m，蓄积湿地处理后的尾水，并放养鲹条等鱼苗，运行结果显示湿地出水透明度好，清澈见底，处理后水质适用鱼群生活环境，出水的COD、NH3-N、TP等指标均优于一级A标准（GB18918-2002），甚至低于地表水IV类水质（GB3838-2002）的指标限值。
水力浸润悬浮填料式水质净化湿地的主要设计工艺参数为：水力负荷为0.4~0.8m3/( m2·d)，总磷去除负荷为0.6~1.0 g/( m2·d)，填料总厚度为400~550mm。遵循本工艺参数，湿地出水水质的COD、NH3-N、TP、TN等指标均优于一级A标准。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，其特征在于：
包括湿地填料层(5)、多孔混凝土布水坝(4)、水位控制器(2)、湿地围隔(1)，湿地填料层(5)包括由底向上依次设置的级配砾石垫层（51）、轻质混凝土填料层（52）、上覆种植土层（53）；所述湿地填料层(5)上设有湿地耐湿植物（9）；所述水质净化湿地的一端设有进水管(8)，所述湿地围隔(1)的另一端设有水位控制器(2)；
所述湿地围隔(1)内设有湿地填料层(5)、多孔混凝土布水坝(4)，所述湿地围隔(1)由底部湿地围隔和侧部湿地围隔围成；所述底部湿地围隔包括一级台阶和二级台阶，所述二级台阶高于一级台阶，二级台阶为湿地填料区，一级台阶上部为生态清水池(3)，所述一级台阶上的前后端设有多孔混凝土布水坝(4)，所述多孔混凝土布水坝(4)内设有湿地填料层(5)，所述水位控制器(2)位于靠近一级台阶处的湿地围隔(1)上末端，所述进水管(8)位于靠近二级台阶处的湿地围隔(1)前端的湿地布水区内；所述水位控制器(2)为L型出水管，L型出水管为水平端口。
2.如权利要求1所述的一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，其特征在于：所述湿地填料层(5)由底向上依次设置为：100~150mm厚粒径15~25mm级配砾石垫层；200~300mm厚轻质混凝土饱满散粒状填料层；PVC透水纱布1层；上覆种植土层100mm厚。
3.如权利要求1所述的一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，其特征在于：所述轻质混凝土填料层（52）采用泡沫混凝土或加气混凝土为制备材质形成饱满构型的散粒状颗粒，等直径30~50mm，轻质混凝土填料的表观密度为600~900kg/m3。
4.如权利要求3所述的一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，其特征在于：所述泡沫混凝土的制备方法：以表观密度为设计目标，设计水泥、石膏、石灰、矿渣粉、外加剂、水配合比，混合搅拌后，掺入物理发泡法制备的泡沫，短暂搅拌后置于模具中成型、脱模、养护，切割成散粒状填料。
5.如权利要求3所述的一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，其特征在于：所述加气混凝土的制备方法：以表观密度为设计目标，设计水泥、石膏、石灰、矿渣粉、外加剂、水配合比，混合搅拌后添加铝粉等混凝土化学发泡剂，置于模具中发泡成型养护，切割成散粒状填料。
6.如权利要求3-5所述的一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，其特征在于：所述多孔混凝土布水坝(4)由多孔混凝土预制块干砌而成；孔隙率为15%~25%，抗压强度不小于10MPa，渗透系数为1~3cm/s。
7.如权利要求1所述的一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，其特征在于：所述多孔混凝土布水坝(4)的制备方法：由普通硅酸盐水泥、单一级配砾石、矿物外加剂、减水剂与水按混合、搅拌，置于模具中压制或振捣成型、脱模、养护至力学强度形成。
8.如权利要求1所述的一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，其特征在于：所述L型出水管包括相通连接的竖直出水管(7)、水平出水管，水平出水管穿过湿地围隔(1)；竖直出水管(7)的出流水位低于轻质混凝土填料层50mm。
9.如权利要求1所述的一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，其特征在于：所述一级台阶上设有级配砾石垫层，级配砾石垫层上方设有清水池(3)。
10.如权利要求1所述的一种水力浸润悬浮填料式水质净化湿地，其特征在于：所述多孔混凝土布水坝(4)的一侧与湿地围隔(1)直接留有间隙，所述间隙为进水配水渠(6)，所述进水管(8)的一端相通连接进水配水渠(6)。
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