CN110143671A - 一种格室基质填充的虹吸式垂直流人工湿地及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种格室基质填充的虹吸式垂直流人工湿地，包括池体，所述池体为顶部敞口的槽状结构；所述池体通过无孔隔板分隔形成跌水滤池和格室，无孔隔板下端与池体底部不连接，所述跌水滤池和格室在底部相连通；在格室内至少安装一个有孔隔板，有孔隔板将格室分隔成距离跌水滤池由近及远的至少两个基质滤室；在跌水滤池顶端安装散水管；在距离跌水滤池最远的基质滤室底部安装出水管路；在跌水滤池和各个基质滤室的底部均填充基础层；在跌水滤池基础层的上方填充过滤层，在各个基质滤室基础层上方依次填充发生层、阻隔层和种植层。既保证了污水处理效果，又解决了人工湿地频繁堵塞的问题，且堵塞后方便清理。

Description

一种格室基质填充的虹吸式垂直流人工湿地及应用
技术领域
本发明涉及人工湿地技术领域，具体涉及一种格室基质填充的虹吸式垂直流人工湿地及应用。
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。同时，基质粒径越小就越容易造成堵塞，人工湿地的堵塞问题直接影响其湿地的应用，基质堵塞是人工湿地长期稳定运行的关键问题，堵塞会导致湿地水力传导系数降低、处理效果下降、运行寿命缩短以及其他的一系列问题，更重要的是，一旦发生严重的基质堵塞问题就需要全面更换基质浪费大量资金与时间。
废砖是建筑垃圾主要组成成分之一，其资源化利用程度和途径直接影响建筑垃圾资源化、产业化进程。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。
申请号为201410375796.9的专利中公开了一种人工湿地装置，为实现曝气，需安装曝气装置及管路，耗费资金资源，污水进入初期，由于各个基质为上下层设置，因此无法使水体与各个基质接触，且一旦发生堵塞，难以清理。
申请号为201811494910.4的专利中公开了人工湿地及其处理污水中氮、磷的方法，一方面同样需要安装曝气装置，另一方面其基质填充方法在实际应用中仍然存在易堵塞的问题。
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格室基质填充的虹吸式垂直流人工湿地及应用。
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，提供一种格室基质填充的虹吸式垂直流人工湿地，包括池体，所述池体为顶部敞口的槽状结构；所述池体通过无孔隔板分隔形成跌水滤池和格室，无孔隔板下端与池体底部不连接，所述跌水滤池和格室在底部相连通；
在格室内至少安装一个有孔隔板，有孔隔板将格室分隔成距离跌水滤池由近及远的至少两个基质滤室；在跌水滤池顶端安装散水管；在距离跌水滤池最远的基质滤室底部安装出水管路；
在跌水滤池和各个基质滤室的底部均填充基础层；在跌水滤池基础层的上方填充过滤层，在各个基质滤室基础层上方依次填充发生层、阻隔层和种植层。
优选的，基质滤室内的基质，其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。
优选的，在格室内安装两个有孔隔板，有孔隔板将格室分隔成距离跌水滤池由近及远的基质滤室Ⅰ、基质滤室Ⅱ和基质滤室Ⅲ，其中基质滤室Ⅰ在底部与跌水滤池相连通，所述出水管路安装在基质滤室Ⅲ的底部。
优选的，所述出水管路为出水上行管和出水下行管组成的“n”型结构，出水上行管的进水端与基质滤室Ⅲ底部相连通，出水上行管的出水端与出水下行管的进水端连接，出水下行管的出水端低于出水上行管的进水端。出水上行管为透明玻璃管，其内径为10～15mm，高度为200～250mm；出水下行管为硅胶软管，其内径为5～10mm的硅胶软管，长度为350～450mm，出水下行管出水口口径为3～5mm。
出水上行管为透明玻璃管便于观察池内水位高度，若水位超过出水上行管则会通过出水下行管开始排出，进水仍在继续，直到注满池体，出水下行管为硅胶软管，移动灵活且长度较长，出水下行管的出水端低于出水上行管的进水端，在大气压与液体压强的共同作用下，池内的污水通过虹吸作用缓缓排出，出水下行管出水口较细，减缓流速，增加污水在池内的停留时间，使污染物去除效果更好。
优选的，所述基质滤室Ⅰ内的发生层为沸石，基质滤室Ⅱ内的发生层为废砖，基质滤室Ⅲ的发生层为火山岩。
优选的，所述发生层厚度为280～320mm；沸石、废砖、火山岩的粒径均为8～15mm。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。
基质滤室Ⅰ宽80～100mm、基质滤室Ⅱ宽180～220mm，基质滤室Ⅲ宽80～100mm，各基质滤室的高度与池体高度相同；在每个有孔隔板上，每隔45～50mm穿一个直径为5～6mm的孔。
优选的，所述基础层为鹅卵石，其中鹅卵石的粒径15～25mm，厚度40～60mm。选用粒径较大的硬质材料鹅卵石，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。
优选的，所述阻隔层和过滤层均为石英砂，石英砂的粒径2～5mm，阻隔层厚度45～55mm，过滤层厚度为200～300mm。
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。所述种植层为厚度90～110mm的农田土，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，植物为挺水型湿地植物。
过滤层为石英砂，通过石英砂可以过滤污水中粒径较大的悬浮颗粒，而后水流经底部流入各个基质滤室，若跌水滤池发生堵塞，石英砂更换简单迅速。
优选的，所述散水管上设置多个朝下设置的散水微孔，多个散水微孔在同一条直线上，所述散水微孔直径为1mm，每相邻的两个散水微孔之间的距离为40～50mm。
散水管固定于跌水滤池池壁上，散水管由直径为20～30mm的PVC管制成，长度为300～400mm。散水管为进水管路，其下侧的多个散水微孔使单股水流散成多股，多股水流通过重力作用同时冲击跌水滤池，实现跌水曝气，增加进水的溶解氧浓度。
优选的，所述池体、无孔隔板、有孔隔板均为有机玻璃制成，无孔隔板下端距离池体底部40～60mm。有机玻璃机械强度高，耐热耐寒耐腐蚀，绝缘性好。
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。
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，包括两次进水，第一次进水，待处理的污水通过散水管进入跌水滤池，通过跌水滤池底部顺序进入各个基质滤室，待水位处于出水上行管上端但未出水时，停止进水，维持5-6h，然后第二次进水，第二次进水时进水和出水同时进行，进水速率大于出水速率，10-15min后，停止进水，至液体压强和大气压强相等时，出水自动停止；根据需要，每隔一段时间进行一次循环进水。
通过本发明的人工湿地处理污水，其操作方法简单易行，每个循环第一次进水并维持5-6小时的水力停留，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；第二次进水直到池内装满，停止进水，继续出水，由于出水下行管的出水端低于出水上行管的进水端，在大气压与液体压强的共同作用下，池内的污水通过虹吸作用缓缓排出，直至两点压强相等，停止出水，并使单个循环处理污水量最大化；池内的污水通过虹吸作用缓缓排出，出水口较细，减缓流速，增加污水在池内的停留时间，使污染物去除效果更好。
本发明的有益效果：
(1)通过本发明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，在不同的基质滤室内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，有利于去除多种污染物。
(2)污水通过散水管进入跌水滤池，首先经过滤层对污水进行过滤后进入各个基质滤室，过滤层中的石英砂过滤污水中粒径较大的悬浮颗粒，若跌水滤池发生堵塞，石英砂更换简单迅速；若更换跌水滤池石英砂仍存在堵塞问题，只需先更换基质滤室Ⅰ内的基质，如效果不佳再更换基质滤室Ⅱ内的基质，依次进行，避免了传统分层填充法发生严重堵塞更换全部基质的弊端。
(3)各个基质滤室内的基质，其粒径大小满足基础层＞发生层＞阻隔层＞种植层，且在跌水滤池的过滤层下方也填充基础层，因此水体中的悬浮颗粒能沉淀到最下层，使跌水滤池和各个基质滤室不容易堵塞，减缓堵塞问题。
(4)本发明无需安装曝气装置，散水管多股水流通过重力作用冲击跌水滤池内部实现跌水曝气，增加进水的溶解氧浓度，节省成本。
(5)通过本发明基质填充方法，既保证了污水处理效果，有解决了人工湿地频繁堵塞的问题；基础层位于池体内部最底层，选用粒径较大的硬质材料鹅卵石，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；
图2为本发明的剖面图；
图中：1、池体，11、跌水滤池，12、基质滤室Ⅰ，13、基质滤室Ⅱ，14、基质滤室Ⅲ，15、无孔隔板，16、有孔隔板，2、散水管，31、出水上行管，32、出水下行管，4、鹅卵石，5、沸石，6、废砖，7、火山岩，8、石英砂，9、农田土，10、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，一种格室基质填充的虹吸式垂直流人工湿地，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通过无孔隔板15分隔形成跌水滤池11和格室，无孔隔板15下端与池体1底部不连接，所述跌水滤池11和格室在底部相连通，在跌水滤池11顶端安装散水管2。
所述池体1是由厚度为5mm的有机玻璃制成的长×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。
在格室内安装两个有孔隔板16，有孔隔板16将格室分隔成距离跌水滤池11由近及远的基质滤室Ⅰ12、基质滤室Ⅱ13和基质滤室Ⅲ14，其中基质滤室Ⅰ12在底部与跌水滤池11相连通，在基质滤室Ⅲ14的底部安装出水管路。有孔隔板16表面每隔50mm穿一个直径5mm透水孔的有机玻璃板，基质滤室Ⅰ12宽100mm，基质滤室Ⅱ13宽200mm，基质滤室Ⅲ14宽100mm。
所述出水管路为出水上行管31和出水下行管32组成的“n”型结构，出水上行管31的进水端与基质滤室Ⅲ14底部相连通，出水上行管31的进水端与基质滤室Ⅲ14的连接部位距离池体1底壁50mm，出水上行管31的出水端与出水下行管32的进水端连接，出水下行管32的出水端低于出水上行管31的进水端。出水上行管31为内径为10mm的透明玻璃管，高度为200mm；出水下行管32为硅胶软管，其内径为8mm的硅胶软管，长度为400mm，出水下行管32出水口口径为3mm。
如图2所示，在跌水滤池11和各个基质滤室的底部均填充基础层；在跌水滤池11基础层的上方填充过滤层，在各个基质滤室基础层上方依次填充发生层、阻隔层和种植层。基质滤室内的基质，其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。
优选的，所述基质滤室Ⅰ12内的发生层为沸石5，基质滤室Ⅱ13内的发生层为废砖6，基质滤室Ⅲ14的发生层为火山岩7。所述发生层厚度为300mm；沸石5、废砖6、火山岩7的粒径均为8～15mm。
所述基础层为鹅卵石4，其中鹅卵石4的粒径15～25mm，厚度50mm。所述阻隔层和过滤层均为石英砂8，石英砂8的粒径2～5mm，阻隔层厚度50mm，过滤层厚度为260mm。
所述种植层为厚度100mm的农田土9，种植层采用农田土9，为植物10生长提供良好的营养及空间条件，植物10为选用挺水型湿地植物芦苇，种植密度为40～50株/m2。
散水管2固定于跌水滤池11池壁上，所述散水管2上设置多个朝下设置的散水微孔，多个散水微孔在同一条直线上，所述散水微孔直径为1mm，每相邻的两个散水微孔之间的距离为40mm，散水管2由直径为20mm的PVC管制成，长度为350mm。
利用上述人工湿地处理污水的方法，每天通过散水管2进行3个进水循环，分别在0时、8时、16时开始；每个进水循环包括两次进水，第一次进水，待处理的污水通过散水管进入跌水滤池，通过跌水滤池底部顺序进入基质滤室Ⅰ、基质滤室Ⅱ和基质滤室Ⅲ，待水位处于出水上行管上端但未出水时，停止进水，维持5-6h，然后第二次进水，第二次进水时进水和出水同时进行，进水速率大于出水速率，进水速率为2.5L/min,出水速率为2L/min，10-15min后，停止进水，约30min后至液体压强和大气压强相等时，出水自动停止。
下表为对该实施例进行污水处理检测得出的实验数据：
由上表可知，人工湿地出水水质非常稳定，TN去除率超过50％，对NO3 -与NH4 +的去除率均超过77％，对PO4 3-的去除率达到71％以上，对COD去除率超过65％。
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 (10)

1.一种格室基质填充的虹吸式垂直流人工湿地，包括池体(1)，所述池体(1)为顶部敞口的槽状结构；其特征在于：所述池体(1)通过无孔隔板(15)分隔形成跌水滤池(11)和格室，无孔隔板(15)下端与池体(1)底部不连接，所述跌水滤池(11)和格室在底部相连通；
在格室内至少安装一个有孔隔板(16)，有孔隔板(16)将格室分隔成距离跌水滤池(11)由近及远的至少两个基质滤室；在跌水滤池(11)顶端安装散水管(2)；在距离跌水滤池(11)最远的基质滤室底部安装出水管路；
在跌水滤池(11)和各个基质滤室的底部均填充基础层；在跌水滤池(11)基础层的上方填充过滤层，在各个基质滤室基础层上方依次填充发生层、阻隔层和种植层。
2.根据权利要求1所述的人工湿地，其特征在于：基质滤室内的基质，其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。
3.根据权利要求1所述的人工湿地，其特征在于：在格室内安装两个有孔隔板(16)，有孔隔板(16)将格室分隔成距离跌水滤池(11)由近及远的基质滤室Ⅰ(12)、基质滤室Ⅱ(13)和基质滤室Ⅲ(14)，其中基质滤室Ⅰ(12)在底部与跌水滤池(11)相连通，所述出水管路安装在基质滤室Ⅲ(14)的底部。
4.根据权利要求3所述的人工湿地，其特征在于：所述出水管路为出水上行管(31)和出水下行管(32)组成的“n”型结构，出水上行管(31)的进水端与基质滤室Ⅲ(14)底部相连通，出水上行管(31)的出水端与出水下行管(32)的进水端连接，出水下行管(32)的出水端低于出水上行管(31)的进水端。
5.根据权利要求3所述的人工湿地，其特征在于：所述基质滤室Ⅰ(12)内的发生层为沸石(5)，基质滤室Ⅱ(13)内的发生层为废砖(6)，基质滤室Ⅲ(14)的发生层为火山岩(7)。
6.根据权利要求5所述的人工湿地，其特征在于：所述发生层厚度为280～320mm；沸石(5)、废砖(6)、火山岩(7)的粒径均为8～15mm。
7.根据权利要求1所述的人工湿地，其特征在于：所述基础层为鹅卵石(4)，其中鹅卵石(4)的粒径15～25mm，厚度40～60mm。
8.根据权利要求1所述的人工湿地，其特征在于：所述阻隔层和过滤层均为石英砂(8)，石英砂(8)的粒径2～5mm，阻隔层厚度45～55mm，过滤层厚度为200～300mm。
9.根据权利要求1所述的人工湿地，其特征在于：所述散水管(2)上设置多个朝下设置的散水微孔，多个散水微孔在同一条直线上，所述散水微孔直径为1mm，每相邻的两个散水微孔之间的距离为40～50mm。
10.利用权利要求1-9任一项所述的人工湿地处理污水的方法，其特征在于：包括两次进水，第一次进水，待处理的污水通过散水管(2)进入跌水滤池(11)，通过跌水滤池(11)底部顺序进入各个基质滤室，一段时间后停止进水，维持5-6h，然后第二次进水，第二次进水时进水和出水同时进行，进水速率大于出水速率，一段时间后停止进水，至液体压强和大气压强相等时，出水自动停止；根据需要，每隔一段时间进行一次循环进水。
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