CN111115965A - 一种适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置和工艺，包括与化粪池排水管连接的配水区，配水区下部设置有沉淀区，沉淀区的上清液通过穿孔花墙进入整流区；所述整流区沿宽度方向设有若干导流板，整流区的底部设置有大阻力配水管道和曝气管道，整流区出水通过穿孔花墙进入人工湿地，人工湿地单元自上而下包括覆土层、海绵层、中粒径砾石基质层、大粒径砾石基质层和防渗层，所述人工湿地设有自动溢流堰口。使用本发明实现了北方冬季恶劣环境下，潜流式人工湿地对生活污水的高效净化。

Description

一种适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置和工艺
技术领域
本发明属于环保技术领域，涉及人工湿地，特别涉及一种适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置和工艺。
背景技术
人工湿地是一种典型的污水生态处理模式，由于它具有运行费用低、维护管理简单、生态环境效益显著和投资少等优点，经过半个多世纪的发展，其理论研究已日趋成熟，且被广泛应用于世界各地的各种类型污水的治理。其中水平潜流系统(HF-CWs)最为常见，然而在北方地区，特别是在冬季低温时，不仅影响人工湿地对污染物的处理效果，使得污染物去除效率大幅下降，而且会造成填料层冻结、床体缺氧、管道破裂等多种不利后果，所以在我国北方地区推广和使用人工湿地处理工艺，如何对运行过程中进行保温措施成为了一个需要解决的问题。针对当前低温环境下人工湿地运行效果较差的现象，国内外研究人员对低温条件下人工湿地污水处理技术进行了相关研究。例如，通过在植物表面覆盖保温材料和降低水力负荷，但现有研究和工程建设并没有从湿地结构设计方面给出切实可行的解决方案。
发明内容
为克服现有潜流人工湿地处理工艺在北方寒冷季节运行效率低下的问题，本发明的目的在于提供一种适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理工艺，以实现极端环境下潜流式人工湿地的稳定、高效运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置，包括与化粪池排水管 21连接的配水区1，其特征在于，所述配水区1下部设置有沉淀区，沉淀区的上清液2通过1#穿孔花墙25进入1#整流区8；所述1#整流区8沿宽度方向设有若干导流板9，1#整流区8的底部设置有大阻力配水管道6和曝气管道7，1# 整流区8出水通过2#穿孔花墙29进入1#人工湿地10，1#人工湿地10自上而下包括覆土层11、海绵层13、中粒径砾石基质层12、大粒径砾石基质层14和防渗层15。
所述配水区1位于化粪池排水管21上方设置有生物活性炭吸附层4，用于去除配水区单元1污水产生的异味气体；生物活性炭吸附层4上方设置有喷淋装置5，用于为生物活性炭吸附层4提供必要的水分和营养物质；所述1#人工湿地10出水通过穿孔花墙进入2#整流区17，2#整流区17的出水通过穿孔花墙进入2#人工湿地18，所述2#人工湿地18的出水池19设有自动溢流堰口20，所述喷淋装置5连接出水池19且在连接管路上设置水泵一22向生物活性炭吸附层4喷洒部分净化出水；同时，部分净化出水通过水泵二23进入大阻力配水管道系统6，所述曝气管道7通过曝气泵24同时为1#整流区8和2#整流区17 进行曝气富氧。
所述化粪池排水管21埋深为地面以下1.0～2.0m，沉淀区高度为2.5～3.0m，宽度为5～10m，排泥周期不超过2d；所述生物活性炭吸附层4选用活性炭纤维和颗粒活性炭复合结构材料，活性炭纤维粒径为5～6mm，比表面积为2000～2200 m2/g，颗粒活性炭粒径为2～3mm，活性炭纤维和活性炭填充体积比为1.5:1，所述生物活性炭吸附层4设置有在线含湿量探头，与喷淋装置5形成反馈机制。
所述导流板9在1#整流区8和2#整流区17中沿宽度均匀布设，将1#整流区8均分为若干子区域，控制各整流子区域的的长宽比≥4；其中，大阻力配水管道系统6设置在1#整流区8前部，曝气管道7设置在1#整流区8的中、后部。
所述自动溢流堰口20的高度H为温度的函数f(T)，堰口高度随温度的下降而下降，以保证湿地内部水位处于冰冻线以下。
所述导流板9之间填充有粒径为1～2cm的表面包裹有沥青的砾石28。
所述覆土层11的层厚为0.5～1.0m，海绵层13的厚度为30～50mm，中粒径砾石基质层12厚度为0.3m，由粒径为5～8mm的砾石填充构成，大粒径砾石基质层14厚度为0.3m，由粒径为8～10mm的砾石填充构成；在1#整流区8和1# 人工湿地10的底部均设置有防渗层15；覆土层11上种植的湿地植被16选取菖蒲、西伯利亚鸢尾和花叶麦冬等耐寒常绿植被，所述沉淀区的上清液2出水通过穿孔花墙25连接1#整流区8，1#整流区8出水通过穿孔花墙26进入1#人工湿地10。
所述1#整流区8和1#人工湿地10的数量均有多个，1#整流区8和1#人工湿地10依次交叉分布，水流依次连接。
本发明还提供了一种基于所述适用于北方寒冷地区的人工湿地的污水处理装置的工艺，流程如下：
1)将化粪池处理后的生活污水通过化粪池排水管21引入配水区1，污水在沉淀区完成污泥沉淀过程，产生的恶臭气体被上部生物活性炭吸附层4吸附去除后经上部的气体排出口27排出；
2)经沉淀预处理后的污水进入1#整流区8，在导流板9和被沥青包裹的大粒径砾石填料28的作用下保证水流的均匀性，大阻力配水管道系统6将人工湿地处理出水回流进入1#整流区8，曝气管道7通过曝气的方式将污水中的氨氮氧化为硝态氮；回水和曝气对水体产生扰动作用，以及包裹有沥青的砾石填料 28均具有污水防冻的效果；
3)1#整流区8出水通过穿孔花墙25进入人工湿地10，利用海绵层13的保温和持水作用，保证冬季植物的生长和湿地的正常运行。
所述化粪池处理后的生活污水温度一般为16～24℃，以5～7mm/s的流速流入配水单元1；大阻力配水系统6有多个配水支管，支管起端流速为1.5～2.5m/s，支管间距为200～300mm，支管孔径9～12mm，孔距为75～300mm；曝气管道7 为穿孔曝气管，有多个支管，其穿孔直径为3mm，孔距为70mm，支管管径为 20mm，支管间距为80mm，枝状布置，孔口向下倾斜45°，使1#整流区8处于富氧状态，将污水中的氨氮氧化为硝态氮。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明所构建的配水区由沉淀区、生物活性炭吸附层和喷淋装置三部分有机构成，沉淀区污水所携带的热量通过热传导作用对生物活性炭层起到保温作用，同时生物活性炭吸附层能够吸附沉淀区产生的恶臭气体，且脱落的生物膜会落入下层的沉淀区，为维持生物活性炭上微生物的生长状态，将部分净化出水通过喷淋装置喷洒至生物活性炭层。这一结构形式既解决了生物膜冬天上冻的问题，也有效保证了配水区的卫生状况。
2.本发明所构建的1#整流区，合理利用导流板优化水流均匀性，并采用经沥青包裹的大粒径砾石作为填料，在提高整体美观性的同时，也有效利用了沥青材料对太阳能的吸收作用，实现污水保温效果。
3.本发明所构建的整流区底部布设大阻力配水管路和曝气管路，提出将部分系统出水(有氨氮残留)回流至整流单元，在曝气作用下实现氨氮的氧化转化，保证了系统出水对氨氮的总体去除效率。同时，布水和曝气的双重扰动作用也具有防治污水结冰的作用。
4.本发明所构建的人工湿地，在覆土层与基质层之间设有30～50mm厚的海绵层，具有保温和持水的双重作用。
5.本发明在所构建的出水池出口处，设有能随大气温度调节高度的溢流堰，其堰口H堰随大气温度T上、下移动，保证人工湿地系统内部液面高度始终处于冰冻线以下，实现了自动化智能防冻。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图中：1.配水区、2.上清液、3.沉泥区、4.生物活性碳吸附层、5.喷淋装置、 6.大阻力配水管、7.曝气管、8.1#整流区、9.导流板、10.1#人工湿地、11.覆土层、12.中粒径砾石基质层、13.海绵层、14.大粒径砾石基质层、15.防渗层、16.湿地植被、17.2#整流区、18.2#人工湿地、19.出水池、20.自动溢流堰、21.化粪池排水管、22.水泵一、23.水泵二、24.曝气泵、25.1#穿孔花墙、26.出水口、27.气体排出口、28.被沥青包裹的大粒径砾石、29.2#穿孔花墙。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1和图2所示，一种适用于北方寒冷地区的人工湿地装置，包括配水区1，配水区元1与化粪池排水管21连接，配水区1下部设置有沉淀区，沉淀区的上清液2通过1#穿孔花墙25进入1#整流区8。
其中，化粪池排水管21埋深在地面以下1.0～2.0m以防止冬季管道结冻，沉淀区高度为2.5～3.0m，宽度为5～10m。为实现除臭，在配水区1位于化粪池排水管21上方设置生物活性炭吸附层4；在生物活性炭吸附层4上方设置有喷淋装置5，喷淋装置5连接人工湿地的出水池，通过水泵一22向生物活性炭吸附层4喷水。
生物活性炭吸附层4选用活性炭纤维和颗粒活性炭复合材料，活性炭纤维粒径为5～6mm，比表面积为2000～2200m2/g，颗粒活性炭粒径为2～3mm，活性炭纤维和活性炭填充体积比为1.5:1。
可在生物活性炭吸附层4设置在线含湿量检测探头，与喷淋装置5形成反馈机制。
在1#整流区8内部沿宽度方向均匀设置若干导流板9，1#整流区8的底部设置有大阻力配水管道6和曝气管道7，1#整流区8的出水通过2#穿孔花墙29 进入1#人工湿地10。
本发明中，整流区和人工湿地的数量均可有多个，整流区和人工湿地依次交叉分布，水流依次连接，以进一步保证北方冬季人工湿地的运行效果。例如，在图1和图2所示的实施例中，整流区和人工湿地均有两个，分别为1#整流区 8、2#整流区17，1#人工湿地10、2#人工湿地18。
其中导流板9在1#整流区8和2#整流区17中沿宽度均匀布设，以将每个整流区均分为若干子区域，控制各整流子区域的长宽比≥4；
在导流板9之间填充有粒径为1～2cm的被沥青包裹的砾石28。大阻力配水管道系统6设置在每个整流区前部，曝气管道7设置在每个整流区的中、后部。
曝气管道7为穿孔曝气管，大阻力配水管道6和曝气管道7均有多个支管，在每个整流区内均匀分布，大阻力配水管道6可连接人工湿地的出水口且在连接管路上设置水泵二23，曝气管道7在连接管路上设置曝气泵24，各泵均可使用太阳能供能。
1#人工湿地10自上而下包括覆土层11、海绵层13、中粒径砾石基质层12、大粒径砾石基质层14和防渗层15。2#人工湿地18的结构与其一致。
其中，覆土层11的层厚适宜为0.5～1.0m，海绵层13的层厚适宜为30～50 mm，中粒径砾石基质层12厚度适宜为0.3m，由粒径为5～8mm的砾石填料填充构成，大粒径砾石基质层14厚度适宜为0.3m，由粒径为8～10mm的砾石填料填充构成，在整流区和人工湿地的底部均设置有防渗层15(防渗材料渗透率＜10-6cm/s，如沥青、聚氯乙烯和高密度聚乙烯)，整个湿地床体深度为0.4m～0.6 m，长度为12m～30m，长宽比为1：1～1：2。覆土层11上种植的湿地植被16 选取菖蒲、西伯利亚鸢尾和花叶麦冬等具有发达的根系，耐寒，耐寒和四季常绿等优势的植被。
人工湿地的出水口连接带自动控制溢流堰口20的出水池19，溢流堰口20 的高度H堰定义为温度的函数f(T)，堰口高度随温度的下降而下降，以调节湿地内液面处于冰冻层以下。
利用上述人工湿地的污水处理工艺，流程如下：
1)将化粪池处理后的生活污水通过化粪池排水管21引入配水区1，污水在沉淀区完成污泥沉淀过程，产生的恶臭气体被上部生物活性炭吸附层4吸附去除。
化粪池处理后的生活污水温度为16～24℃，以5～7mm/s的流速流入配水单元1，去除污水中的悬浮颗粒。沉淀区的排泥周期不超过2d，当排泥不彻底时应放空并采用人工冲洗的方法清泥。生物活性炭吸附层4用于吸收由底部沉淀区溢散的恶臭气体(NH3和H2S)，对整个配水区1起除臭的作用，脱落的生物膜会直接进入下部的沉淀区。同时，下部沉淀区污水由于具有一定的温度，基于热辐射原理对上层的生物活性炭吸附层4具有一定的保温、防冻作用。喷淋装置5将系统处理出水定期喷洒至生物活性炭吸附层4以保持生物活性炭吸附层4中微生物的水分营养需求，该过程可通过自动检测反馈系统实现。
2)经沉淀后的上清液2进入1#整流区8，在导流板9和大粒径砾石填料(沥青包裹)的作用下优化水流的均匀性并达到保温效果，大阻力配水管道6将系统处理出水回流进入1#整流区8，曝气管道7通过曝气的方式将回水中残留的氨氮氧化为硝态氮，且回水和曝气对水体产生扰动作用实现防冻效果。
经沥青包裹修饰的大粒径砾石28，其在提高布水均匀性、透水性以及整体感观的同时由于沥青表面对太阳热能的吸收作用实现了一定的保温防冻效果。
大阻力配水管6的支管起端流速为1.5～2.5m/s，支管间距为200～300mm，支管孔径9～12mm，孔距为75～300mm，大阻力配水管6将人工湿地的出水(含有残余的氨氮污染物)引入配水区以提高冬季污水氨氮的去除率。曝气管道7 的支管穿孔直径为3mm，孔距为70mm，支管管径为20mm，支管间距为80 mm，枝状布置，孔口向下倾斜45°，使整流单元处于富氧状态以实现将回水中氨氮氧化为硝态氮的目的。由于曝气和回水作用，扰动水体使整流单元8具有较优的防冻作用。
3)1#整流区8出水通过穿孔花墙进入人工湿地单元10，硝态氮在厌氧环境下被还原去除，海绵层13除了具有保温作用以外，还具有良好的吸水性能，能够保证冬季湿地植被16对水的需求，保温和保水可保证冬季植物的生长和湿地的正常运行。
4)经过人工湿地区18处理后的出水经进入出水池19，出水池面积为6m2 (根据实际调整)、深度为1m(根据实际调整)。为应对北方地区冬季的强降温天气所导致的系统结冻现象，在出水口采用自动控制溢流堰口20，根据安装在湿地中的温度在线监测设备通过自动化程序调控堰口20的高度(H堰)。实现及时调节湿地内液面处于冰冻层以下，优化冬季人工湿地对污染物的去除效果。将出水分别回流至配水单元的生物活性炭吸附层和整流单元。
综上，本发明将化粪池处理后的生活污水通过管路引入配水区，污水在处于配水区下部的沉淀区完成悬浮颗粒杂质的预处理，污水释放的恶臭气体被上部生物活性炭吸附层层吸附去除。经除臭、沉淀预处理后的污水进入整流单元，在导流板和大粒径砾石填料(沥青包裹)的作用下优化水流的均匀性并达到保温效果，下部布设的曝气管道通过曝气的方式将污水中的氨氮氧化为硝态氮，布设的大阻力配水管道系统将部分处理出水回流进入整流区，保证了系统对氨氮的总体去除效率。同时，利用回水和曝气对水流产生扰动作用实现污水防冻的效果。整流区出水通过穿孔花墙进入人工湿地区，利用覆土层与基质层间的海绵层实现保温和保水，有利于植物的生长和湿地的正常运行。处理完成后的出水经出水池自动控制溢流堰口排出。溢流堰口高度根据大气温度自动调节以实现防冻效果。使用本发明实现了北方冬季低温环境下，潜流式人工湿地对生活污水的高效净化。
以上所述的实施例，仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形与改进，均落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置，包括与化粪池排水管(21)连接的配水区(1)，其特征在于，所述配水区(1)下部设置有沉淀区，沉淀区的上清液(2)通过1#穿孔花墙(25)进入1#整流区(8)；所述1#整流区(8)沿宽度方向设有若干导流板(9)，1#整流区(8)的底部设置有大阻力配水管道(6)和曝气管道(7)，1#整流区(8)出水通过2#穿孔花墙(29)进入1#人工湿地(10)，1#人工湿地(10)自上而下包括覆土层(11)、海绵层(13)、中粒径砾石基质层(12)、大粒径砾石基质层(14)和防渗层(15)。
2.根据权利要求1所述适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置，其特征在于，所述配水区(1)位于化粪池排水管(21)上方设置有生物活性炭吸附层(4)，用于去除配水区单元(1)污水产生的异味气体；生物活性炭吸附层(4)上方设置有喷淋装置(5)，用于为生物活性炭吸附层(4)提供必要的水分和营养物质；所述1#人工湿地(10)出水通过穿孔花墙进入2#整流区(17)，2#整流区(17)的出水通过穿孔花墙进入2#人工湿地(18)，所述2#人工湿地(18)的出水池(19)设有自动溢流堰口(20)，所述喷淋装置(5)连接出水池(19)且在连接管路上设置水泵一(22)向生物活性炭吸附层(4)喷洒部分净化出水；同时，部分净化出水通过水泵二(23)进入大阻力配水管道系统(6))，所述曝气管道(7)通过曝气泵(24)同时为1#整流区(8)和2#整流区(17)进行曝气富氧。
3.根据权利要求2所述适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置，其特征在于，所述化粪池排水管(21)埋深为地面以下1.0～2.0m，沉淀区高度为2.5～3.0m，宽度为5～10m，排泥周期不超过2d；所述生物活性炭吸附层(4)选用活性炭纤维和颗粒活性炭复合结构材料，活性炭纤维粒径为5～6mm，比表面积为2000～2200m2/g，颗粒活性炭粒径为2～3mm，活性炭纤维和活性炭填充体积比为1.5:1，所述生物活性炭吸附层(4)设置有在线含湿量探头，与喷淋装置(5)形成反馈机制。
4.根据权利要求2所述适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置，其特征在于，所述导流板(9)在1#整流区(8)和2#整流区(17)中沿宽度均匀布设，将1#整流区(8)均分为若干子区域，控制各整流子区域的的长宽比≥4；其中，大阻力配水管道系统(6)设置在1#整流区(8)前部，曝气管道(7)设置在1#整流区(8)的中、后部。
5.根据权利要求2所述适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置，其特征在于，所述自动溢流堰口(20)的高度H为温度的函数f(T)，堰口高度随温度的下降而下降，以保证湿地内部水位处于冰冻线以下。
6.根据权利要求1所述适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置，其特征在于，所述导流板(9)之间填充有粒径为1～2cm的表面包裹有沥青的砾石(28)。
7.根据权利要求1所述适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置，其特征在于，所述覆土层(11)的层厚为0.5～1.0m，海绵层(13)的厚度为30～50mm，中粒径砾石基质层(12)厚度为0.3m，由粒径为5～8mm的砾石填充构成，大粒径砾石基质层(14)厚度为0.3m，由粒径为8～10mm的砾石填充构成；在1#整流区(8)和1#人工湿地(10)的底部均设置有防渗层(15)；覆土层(11)上种植的湿地植被(16)选取菖蒲、西伯利亚鸢尾和花叶麦冬等耐寒常绿植被，所述沉淀区的上清液(2)出水通过穿孔花墙(25)连接1#整流区(8)，1#整流区(8)出水通过穿孔花墙(26)进入1#人工湿地(10)。
8.根据权利要求1所述适用于北方寒冷地区的人工湿地污水处理装置，其特征在于，所述1#整流区(8)和1#人工湿地(10)的数量均有多个，1#整流区(8)和1#人工湿地(10)依次交叉分布，水流依次连接。
9.一种基于权利要求1所述适用于北方寒冷地区的人工湿地的污水处理装置的污水处理工艺，其特征在于，流程如下：
1)将化粪池处理后的生活污水通过排水管(21)引入配水区(1)，污水在沉淀区完成悬浮颗粒的沉淀去除，污水产生的恶臭气体被上部生物活性炭吸附层(4)吸附去除；
2)经沉淀预处理后的污水进入1#整流区(8)，在导流板(9)和被沥青包裹的大粒径砾石填料(28)作用下保证水流的均匀性，大阻力配水管道系统(6)将2#人工湿地(18)处理出水回流至1#整流区(8)，曝气管道(7)通过曝气的方式将污水中的氨氮氧化为硝态氮；回水和曝气对水体产生扰动作用，以及包裹有沥青的填料(28)均具有污水防冻的效果；
3)1#整流区(8)出水进入1#人工湿地(10)，利用海绵层(13)的保温和持水作用，保证冬季植物的生长和湿地的正常运行。
10.根据权利要求9所述污水处理工艺，其特征在于，所述化粪池处理后的生活污水温度一般为16～24℃，以5～7mm/s的流速流入配水区(1)；大阻力配水系统(6)有多个配水支管，支管起端流速为1.5～2.5m/s，支管间距为200～300mm，支管孔径9～12mm，孔距为75～300mm；曝气管道(7)为穿孔曝气管，有多个支管，其穿孔直径为3mm，孔距为70mm，支管管径为20mm，支管间距为80mm，枝状布置，孔口向下倾斜45°，使1#整流区(8)处于富氧状态，将污水中的氨氮氧化为硝态氮。
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