CN111960544B

CN111960544B - 一种湿地模块

Info

Publication number: CN111960544B
Application number: CN202010609086.3A
Authority: CN
Inventors: 王超; 任勇翔; 张海; 杨晨曦; 贺鹏
Original assignee: Hebei Yuanjing Ecological Environment Technology Co ltd
Current assignee: Hebei Yuanjing Ecological Environment Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2040-06-30
Also published as: CN111960544A

Abstract

本发明公开了用于水处理的一种湿地模块。该湿地模块由植物和基质床两者组成，无需借助壳/板，基质床依靠植物的根系固定成形，基质床厚度2‑29cm，空隙率20‑55%。该湿地模块的培育方法包括：1）卡槽连接的培育框侧板粘附磁铁，磁场强度1000‑5000 Oe；2）向培育框内分层倒入基质床填料；3）将植物根茎或草籽种植在培育框的基质床中；4）浇灌稀释过滤后的生活污水；5）培育到植物根系能够固定笼络基质床，拆下培育框侧板和磁铁，湿地模块构建完成。所述植物包括芦苇、芦竹、香蒲、菖蒲、黑麦草和高羊茅等。该湿地模块重量轻，施工便捷，不借助外物，无启动期，净化功能启动迅速，投资成本低，污水处理效果好，可缓解模块的堵塞，实现以废治废。

Description

一种湿地模块

技术领域

本发明属于生态环境修复及治理领域，具体涉及一种用于水处理的人工湿地模块。

背景技术

污水处理是环境治理的重中之重，无论是构建“山水林田湖草”生命共同体，还是新农村污水处理设施补短板，都使得人工湿地这种兼有生态修复和污染治理的技术得以广泛应用。

人工湿地依靠“基质—微生物—植物”复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现污水净化功能。其中，根系微生物是污水净化的主要贡献者，植物根系可以为微生物提供载体和氧气，同时微生物也能促进植物吸收生长，两者具有相互促进作用。

人工湿地技术具有管理简单、运行费用低、与环境和谐等优点，适合分散式水环境治理。在实际应用中，存在有长时间运行后湿地床堵塞、建造实施受场地限制不够方便、从种植植物建成到对污水适应、具有净化能力需要一定时间（即启动期）等问题。

湿地发生堵塞的主要原因是：人工湿地的基质床对水中的悬浮物有过滤作用，这些被基质床截留下来的悬浮物久而久之就会堵塞基质床。当开始形成堵塞时，因堵塞带来的植物根系厌氧环境使得微生物降解有机物不充分，进一步加剧堵塞形成。普遍认为，基质床深度越大，容积越大，截留容量也越大，可有效延迟堵塞形成的时间。而且对基质床冲洗和曝气，有助于减缓堵塞。所以，人工湿地的基质床厚度一般设计在0.5-1.8m范围内，堵塞形成的平均时间约为5年。

针对堵塞问题，人们提出模块化人工湿地，即人工湿地由若干个湿地模块组成，通过模块的拆装组合，实现快速施工构建和对堵塞部分的更换。例如，一种利用人工湿地模块的污水处理设备（CN201020185931.0），采用玻璃钢框体和钢结构支撑，对人工湿地进行模块化。预加工插合式组合人工湿地系统（CN201620458241.5）中，模块化湿地槽的外观尺寸为长1.5m×宽0.5m×高0.5m，混凝土浇筑。

通过湿地模块化，虽然可以解决堵塞问题，但仍存在许多不足： 1）堵塞问题的解决仅是依赖模块的更换，模块本身不能延缓堵塞发生。2）模块立体尺寸较大，重量重，施工不够便捷，常常需要吊装设备。3）大重量的模块需要借助板、壳等外物才方便施工或更换。4）上述模块化是结构上的预制，仅缩短了施工时间，便于更换，但没有缩短净化功能的启动期。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种小深度湿地模块，其基质床浅、无需借助壳/板等外物、能快速启动的湿地模块，来解决上述技术问题。

本发明所采用的技术方案是：湿地模块由植物和基质床两者组成，无需借助壳/板。所述基质床依靠植物的根系固定成形，基质床厚度2-29cm，空隙率20-55%。所述湿地模块的培育方法包括：1）培育框内腔尺寸与湿地模块尺寸一致，培育框的侧板之间通过卡槽连接；所述侧板粘附磁铁，培育框内磁场强度1000-5000 Oe；2）向培育框内按比例分层倒入基质床填料，颗粒细小的在上层，颗粒粗大的在下层；3）将植物根茎或草籽种植在培育框的基质床中；4）日常浇水管理，每周浇灌稀释6-10倍过滤后的生活污水；5）培育到植物根系能够固定笼络基质床，拆下培育框侧板，湿地模块构建完成。

进一步，所述植物包括芦苇、芦竹、香蒲、菖蒲、水葱、美人蕉、旱伞草、灯芯草、黑麦草和高羊茅。

进一步，所述基质床填料由土壤、粉煤灰、砂、砾石、陶粒、沸石、炉渣、活性炭、塑料、纤维、秸秆等天然或人工填料中的一种或两种以上组合。

本发明取得的有益效果是：与现有模块相比，本发明人工湿地模块具有以下优点：

1）解决堵塞问题更高效。该湿地模块不仅可以在堵塞时可进行更换，还可以利用单位空间内发达的根系对基质床疏松作用增大孔隙率，利用微生物好氧环境充分降解有机物减少堵塞物质，延缓堵塞发生提高使用年限。

2）模块重量轻，施工便捷。该模块面积小，基质床深度小，模块重量轻，无需借助吊装机械，施工方便，尤其适用于机械无法达到的场地。

3）模块无需借助壳/板等外物，杜绝了二次污染，天然环保。

4）无启动期，净化功能启动迅速，构建后可立即投入使用。

5）投资成本低。模块基质床深度大幅度减小，有效降低了施工成本和污水净化系统的投资成本。

6）净化效果好。植物根系发达，空隙率高，不易堵塞，根系浅，溶解氧更高，微生物活性强，污水处理效果好。

7）模块构建过程中，外加磁场且以生活污水代替常规肥料，促进植物生长、加速模块构建，实现了“利用废水-构建模块-治理废水”以废治废的理想模式。

附图说明

图1为培育框平面示意图；

图2为湿地模块结构示意图；

图3 为实施例1湿地系统平面示意图；

图4为实施例2湿地系统立面示意图；

1-前后侧板、2-左右侧板、3-湿地植物、4-基质床、5-配水穿孔管、6-集水穿孔管、7-湿地模块、8-高羊茅湿地、9-香蒲湿地、10-芦竹湿地。

具体实施方式

实施例1。

某小区生活污水处理工程，污水水量为240m³/d，污染物COD、SS、氨氮、总氮、总磷的平均浓度分别为：220mg/L、180 mg/L、35 mg/L、40 mg/L、5 mg/L。统筹考虑景观效果、水处理功能以及施工对居民影响，业主决定采用模块化人工湿地来处理污水。分别采用本发明的浅模块湿地和其他深模块湿地，各处理上述污水120m³/d。

根据设计规范和行业经验，确定每种人工湿地系统所需湿地面积为：120 m³/d÷0.2 m³/(㎡·d)=600㎡。考虑到与现有景观搭配和谐，业主确定种植湿地植物为美人蕉和黑麦草。为减少施工对居民影响，小区物业部门，已对现场场址做好防渗措施，如附图3所示，安装好了用于配水的配水穿孔管5、用于集水的集水穿孔管6，只待湿地模块7的嵌入。

采用深湿地模块的参数为：模块槽的长×宽×高=1.5m×0.5m×0.5m，混凝土浇筑；所用基质自上至下分为三层，分别是土壤和细沙、5-25mm的沸石和钢渣、15-35mm的砾石，孔隙率40-45%。所种植植物为美人蕉和黑麦草，种植密度为20和90株/㎡；模块重量约为300kg。该组湿地系统所需模块数量为600㎡÷（1.5m×0.5m）=800个。施工时，需要车辆多次运输、专业工人及吊装设备对模块进行安装，工期约为15天。投资成本约为40万。湿地模块安装完成后2个月，系统出水水质有显著提升，该人工湿地系统度过启动期，初步具有净化功能。控制水位在基质床表面以下运行半年后，各污染物去除率平均值为：COD 75%、SS85%、氨氮 80%、总氮 65%、总磷80%。运行一年后测试该组湿地系统的孔隙率比建成初始减少了13.5%左右。预测该组系统运行6年后就可能发生堵塞现象，届时需要投入车辆和吊装设备对堵塞部分模块进行更换。

采用本发明的浅湿地模块，从生产基地选取，其参数为：基质床深度0.1m，面积0.4㎡，孔隙率40-45%，基质床选用土壤、粒径2mm粗砂、4mm沸石和6mm塑料填料；种植美人蕉、黑麦草，数量为8株/模块、32株/模块；模块重量约30kg。本组湿地系统所需湿地模块数量为600㎡÷0.4㎡=1500个。

所选浅湿地模块在生产基地内的培育过程为：1）采用高强度PVC板材制作培育框，培育框内尺寸为高0.1m、底平面面积0.4㎡，培育框顶部无盖，培育框内壁贴满3000 Oe的磁片。或者粘附磁铁，使得培育框内磁场强度为1000-5000 Oe。如附图1所示，前后侧板1与左右侧板2之间通过卡槽连接，可方便拆装。2）向培育框内按比例倒入土壤、粒径约2mm粗砂、粒径约4mm沸石和6mm塑料填料做基质床，其中沸石、塑料填料在下层，约50mm厚，土壤、粗砂在上层，约50mm厚，基质床孔隙率约40-45%。3）将美人蕉的根茎、黑麦草的草籽分别种在培育框的基质床中，种植密度分别为20株/㎡、80株/㎡。4）日常浇水管理，每周浇灌稀释6-10倍过滤后的生活污水，一方面给植物施肥提供生长营养，另一方面培养植物和微生物对污水的适应性和净化能力。5）培育一段时间后，由于基质床深度小，植物根系很容易到达基质底部，在受限空间的胁迫环境下植物生命力更顽强，根系也更发达，从而使得单位空间内的根系量显著增加，植物根系的保持水土即固定笼络基质能力得到强化。同时，在培育框外加磁场的作用下，植物根系健壮度和生长速度增加迅速，微生物酶活性和代谢能力提高显著，基质固定笼络能力和污水降解净化能力都获得提高。当这一固定笼络能力足以抗拒基质重量离散时，就形成了无需借助壳/板等外物便可移动的模块化功能。至此，拆下培育框，无外物、有净化能力的模块构建完成，如附图2所示，植物3与基质床4成为一体。

浅湿地模块施工时，车辆将模块运来，进行人工安装即可。工期为12天，投资成本约30万。由于模块在模块构建过程中使用了生活污水做肥料，相当于提前介入净化功能的启动期，湿地模块安装完成后一周内，系统出水水质即有明显提升，实现了人工湿地净化功能的可快速启动。控制水位在基质床表面以下运行半年后，监测各污染物去除率平均值为：COD 82%、SS 84%、氨氮 85%、总氮 68%、总磷78%。运行一年后，测试本组湿地系统的孔隙率，比建成初始减少约10%左右，预测本组系统运行7-8年后，方有可能发生堵塞。届时人工用铁锹等普通劳动工具挖出堵塞模块，进行更换即可。

上述数据对比可知，浅湿地模块成本低，施工工期短，污水处理效果优于深湿地模块，堵塞速度也比其缓慢。浅湿地模块在单位空间内拥有更为发达的根系，这些根系在生长过程中对基质床产生的疏松作用也更强，增大孔隙率，减缓堵塞发生。同时，深度小的基质床大气复氧更容易，加上越发达的根系泌氧越强，基质床溶解氧变得更高（等同于曝气作用），使得根际微生物在好氧环境下可以充分降解有机物，减少堵塞物质产生。此外，发达的根系带来了更多数量的根系微生物，较高的溶解氧带来了充足的好氧环境，这些都促进了微生物对污染物的去除，强化了净化功能。

本发明的湿地模块，无需借助外物即可成模块，可避免外物对水或环境的二次污染，节约了外物材料成本。施工时具有重量轻、无需机械设备，方便快捷。投入使用时，可以快速启动净化功能，并能有效减缓堵塞发生时间，仅靠人工就可以进行堵塞部分更换。在经济成本、运行管理及净化效果上都有着明显的优势。

除此之外，本发明的浅湿地模块还带来了安全效果，由于浅湿地基质床深度小，只有100mm，人或宠物即使误入也不易发生危险，非常适宜于小区的的生活污水处理。另外，其他深湿地模块动辄几百公斤，且为一整体，施工时必须使用起吊装置，施工危险系数增加。本湿地模块重量轻仅为30Kg，且为根系笼络，仅人工就可以安装，不使用起吊机械，不存在施工安全隐患。小区的污水经处理后成为景观用水，节约了污水处理费用和景观用水，取得了良好的经济效果。

本发明湿地模块的培育，采用生活污水代替常规肥料，实现了“利用废水-构建模块-治理废水”的以废治废理想模式。

实施例2。

某河道为重点保护流域，由于沿河两岸的农田面源污染，河水水质为地表准Ⅳ类水，为进行污水处理，在河道两岸分别采用本发明浅湿地模块和其他深湿地模块构建人工湿地系统，进行面源污染防治，以达到水体修复目标。

根据设计要求，在两岸各建设宽3m、长1km、面积为3000㎡的人工湿地系统做净化带。考虑到当地气候以及周边生态性，选择湿地植物高羊茅、香蒲、芦竹，由外侧向河道内侧种植，每种植物各对应宽1m、长1km的湿地单元。如附图4所示，农田废水依次流经高羊茅湿地8、香蒲湿地9、芦竹湿地10，最后进入河流。本发明构建的浅湿地模块污水处理系统和其他深湿地模块污水处理系统分别位于河流的两岸。

深湿地模块污水处理系统采用的湿地模块参数为：模块槽的长×宽×高=1m×0.5m×1m，玻璃钢材质加钢结构支撑；所用基质自上至下分为三层，分别是粉煤灰和粗砂（30cm厚）、5-25mm的沸石和活性炭（30cm厚）、20-40mm的砾石和炉渣（40cm厚），孔隙率为35-40%。所种植植物为高羊茅、香蒲、芦竹，种植密度为90株/㎡、25株/㎡、40株/㎡；模块重量约为400kg。该组湿地所需模块数量为3000㎡÷（1m×0.5m）=6000个。施工时，需要车辆运输、专业工人及吊装设备对模块进行安装，多点同时作业，工期约25天，总投资成本约400万。湿地模块安装完成后第40天，人工湿地系统出水水质明显提升，初步具有净化功能，完成启动期。运行1年后，对湿地出水水质取样监测，数据为COD 25mg/L、氨氮 1.4mg/L、总氮1.5mg/L、总磷0.3mg/L，出水水质达到地表Ⅲ类水。测试该湿地系统平均孔隙率比建成时减少了10%左右。预测该系统运行8-9年后可能发生堵塞现象，届时需要再次投入车辆和吊装设备对堵塞部分模块进行更换。

采用本发明构建的浅湿地模块污水处理系统所用的湿地模块，从生产培育基地选取。生产基地有多种规格模块，具体见表1。浅湿地模块的培育步骤同实施例1，从中选取种植芦竹、香蒲和高羊茅的模块进行污水处理系统的构建。每种植物对应的湿地单元为宽1m、长1km，即面积1000㎡。不同植物的湿地模块所需数量为：芦竹，1000㎡÷0.1㎡=10000个；香蒲，1000㎡÷0.25㎡=4000个；高羊茅，1000㎡÷1㎡=1000个。施工时，车辆将模块运来，安排工人或闲散劳动力对模块进行人工安装，多点作业，工期20天，总投资成本约300万。湿地模块安装完成后第二天，浅湿地模块污水处理系统出水水质达到预期，无净化功能启动期。运行1年后，对湿地出水水质取样监测，数据为COD 22mg/L、氨氮 1.2mg/L、总氮1.5mg/L、总磷0.3mg/L，出水水质达到地表Ⅲ类水。测试该湿地系统平均孔隙率比建成时减少了8.7%左右。预测该系统运行10-11年后可能发生堵塞现象，届时仅需人工使用铁锹等普通工具，便可实现部分堵塞湿地模块的更换。

表1生产基地各模块参数

注：上述模块参数大小、植物种类及基质床搭配，只是举例说明并便于本实例数值计算，并非固定数值。

可见，浅湿地模块构建成本低，施工工期短，污水处理效果比深湿地模块略好。

本发明的湿地模块，无需借助外物即可成模块，节约环保。施工时具有重量轻、无需机械设备，方便快捷。投入使用时，无启动期，可实现快速启动净化功能。并能有效延迟堵塞发生时间，降低模块更换频率，降低维护成本。堵塞模块的更换仅靠人工就可以，不使用吊装机械。在经济成本、运行管理、净化效果以及施工安全性上都有着明显的优势。此外，本发明湿地模块在河道动土挖深少，更有利于河床稳定性维护。

Claims

1.一种湿地模块，其特征在于：由植物和基质床两者组成，无需借助壳/板；所述基质床依靠植物的根系固定成形，所述基质床厚度2-29cm，空隙率20-55%；所述湿地模块的培育包括：1）培育框内腔尺寸与湿地模块尺寸一致，培育框的侧板之间通过卡槽连接，所述侧板粘附磁铁，培育框内磁场强度1000-5000 Oe；2）向培育框内按比例分层倒入基质床填料，颗粒细小的在上层，颗粒粗大的在下层；3）将植物根茎或草籽种植在培育框的基质床中；4）日常浇水管理，浇灌过滤稀释后的生活污水培育；5）培育到植物根系能够固定笼络基质床，拆下培育框侧板和磁铁，湿地模块构建完成。

2.根据权利要求1所述的一种湿地模块，其特征在于：所述植物包括芦苇、芦竹、香蒲、菖蒲、水葱、美人蕉、旱伞草、灯芯草、黑麦草、高羊茅、早熟禾、狗牙根中的一种或两种以上组合。

3.根据权利要求1所述的一种湿地模块，其特征在于：所述基质床填料由土壤、粉煤灰、砂、砾石、陶粒、沸石、炉渣、活性炭、塑料、纤维、秸秆等天然或人工填料中的一种或两种以上组合。

4.根据权利要求1所述的一种湿地模块，其特征在于：所述生活污水稀释倍数为6-10倍。