CN113003728A - 组合可控型高效净化的人工湿地系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种组合可控型高效净化的人工湿地系统。该系统包括：配水井、第一水泵、第二水泵、曝气装置、以及通过管道串联的一级水平潜流湿地单元、二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元，所述配水井通过进水管与一级水平潜流湿地单元进水口连通；所述第一水泵用于将一级水平潜流湿地单元的出水提升至二级垂直潜流湿地单元，所述曝气装置用于对二级垂直潜流湿地单元的进水进行曝气处理；所述第二水泵，用于将二级垂直潜流湿地单元的出水提升至三级水平潜流湿地单元。本发明运行方式可控、操作简便、可以有效控制影响湿地的主要因素，实施有效，应用广泛，不会造成二次污染。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，特别是涉及一种组合可控型高效净化的人工湿地系统。
背景技术
随着我国城镇化进程加快，经济飞速发展，居民生活质量显著提高，同时水环境污染问题也日益突出。人工湿地污水处理技术因其投资小、操作简单、运营费低、脱氮效果好等优势，在污水处理技术领域得到广泛推广与应用。常用在生活污水、污水厂尾水以及地表水等处理工程中。
人工湿地是通过模拟自然湿地的结构与功能，人为建造的用于污水处理设施。用人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，充填一定深度的基质填料层，种植水生植物。经过物理、化学、生物三重作用，通过基质、植物、微生物构成生态系统去除污染物，使污水得到净化。其中脱氮主要是通过包括植物吸收、基质吸附、微生物的硝化-反硝化反应。
按照污水流动方式，分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。表面流人工湿地，水面在表层填料以上，污水以水平流方式从首端流至末端。水平潜流人工湿地，水面在表层填料以下，污水以水平流方式从首端流至末端。垂直潜流人工湿地，污水以垂直流方式从顶部(底部)流至底部(或顶部)，且内部设置填料的人工湿地。
人工湿地对污水的处理效果主要受到基质、植物、溶解氧、碳源及布水均匀性等因素的影响。不同类型人工湿地去除污染物能力有所不同，具有不同的特点。表面流人工湿地有机物去除能力一般，消化能力较强，反硝化能力弱，除磷能力弱，卫生条件差，受季节气候影响大；水平潜流人工湿地有机物去除能力强，硝化能力较强，反硝化能力强，除磷能力较强，卫生条件好，受季节气候影响一般；垂直潜流人工湿地有机物去除能力强，硝化能力较强，反硝化能力一般，除磷能力较强，卫生条件一般，受季节气候影响一般。根据实际工程需要提高出水效果，综合考虑人工湿地的影响因素，把特点各异的人工湿地有机结合组合应用显得尤为重要。
在实际工程应用中，与人工湿地有关的工艺主要有：生化处理和单一类型人工湿地的组合、单类型人工湿地的串联或并联组合、或是预处理加单类型人工湿地。人工湿地多采用手动操作；人工湿地运行时，不能有效地控制溶解氧、碳源及布水均匀性等因素对人工湿地的影响。从而影响到污水处理效果，影响到人工湿地的推广与应用。
因此，研究一种运行可控、操作简便，实施有效，应用广泛，不会造成二次污染，可以解决上述问题的组合可控型高效净化的人工湿地系统显得尤为重要。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的在于提供一种运行方式可控、操作简便、可以有效控制影响湿地的主要因素，实施有效，应用广泛，不会造成二次污染的组合可控型高效净化的人工湿地系统。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的一个方面，本发明提供的一种组合可控型高效净化的人工湿地系统，包括：配水井，第一水泵、第二水泵、曝气装置、以及通过管道串联的一级水平潜流湿地单元、二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元，其中，所述配水井通过进水管与一级水平潜流湿地单元进水口连通，用于收集水并为一级水平潜流湿地单元配水；所述第一水泵和所述曝气装置均安装在一级水平潜流湿地单元和二级垂直潜流湿地单元之间，所述第一水泵用于将一级水平潜流湿地单元的出水提升至二级垂直潜流湿地单元，所述曝气装置用于对二级垂直潜流湿地单元的进水进行曝气处理；所述第二水泵安装在二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元之间，用于将二级垂直潜流湿地单元的出水提升至三级水平潜流湿地单元。
优选地，所述配水井还通过多级进水分流管与三级水平潜流湿地单元连通，用于为三级水平潜流湿地单元配水；其中，所述配水井按照水量的1/10～1/3配水分流至三级水平潜流湿地单元内。
优选地，所述二级垂直潜流湿地单元通过回流管与一级水平潜流湿地单元连通，通过第二水泵将出水提升并回流至一级水平潜流湿地单元中；其中，所述二级垂直潜流湿地单元出水的回流比为100％～300％。
优选地，所述一级水平潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元均包括一组或多组并联的水平潜流湿地单元；所述二级垂直潜流湿地单元包括一组或多组并联的垂直潜流湿地单元。
优选地，所述一级水平潜流湿地单元、二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元的内部，从上至下分别铺设有铺设有覆盖层、填料层和防渗层；其中，所述覆盖层的厚度为10～30cm，所述覆盖层种有湿地植物；所述填料层中的填料为石灰石、火山岩、沸石、页岩、陶粒和炉渣中的一种或多种，粒径为8～25mm，所述填料层的厚度为0.8～1.5m；所述防渗层为复合土工膜、塑料薄膜、混凝土、以及渗透系数<10-8cm/s且厚度大于0.5m的土壤中的一种。其中，适当所述防渗层为复合土工膜或塑料薄膜时，防渗层的上下需要设置细沙作为保护层。
优选地，所述二级垂直潜流湿地单元中，进水分层进入所述二级垂直潜流湿地单元；进一步地，通过沿二级垂直潜流湿地单元垂直方向上下布置的1～3层管道进入。
优选地，所述二级垂直潜流湿地单元中，设置有进水主管、进水支管、出水主管、出水支管、以及进气管。所述进水主管沿二级垂直潜流湿地单元的垂直方向铺设1～3层；所述进水支管与进水主管连通，所述出水主管位于二级垂直潜流湿地单元的底部，所述出水支管与出水主管连通；所述进气管位于所述进水主管和进水支管内且与曝气装置连通。
优选地，所述二级垂直潜流湿地单元中，还设置有通气管，一端伸出湿地表面5～30cm，另一端与出水主管的端部连接。优选地，所述通气管的顶部设置有通气帽。
优选地，所述一级水平潜流湿地单元、二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元的进水管处，以及第一水泵和第二水泵的出水管处均设置有电动阀门和流量计。优选地，所述一级水平潜流湿地单元、二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元的出水管处设置有水质监测采样点和/或排空井。
优选地，所述系统还包括：控制单元，用于控制电动阀门和流量计的开度，控制第一水泵和第二水泵的开关，控制曝气装置的曝气处理条件，控制配水井的配水。所述系统还包括：预处理单元，与所述配水井连接，用于对污水进行预处理，预处理后的水被配水井收集。
有益效果：本发明能有效地控制溶解氧、碳源及布水均匀性等因素对人工湿地的影响，本发明运行可控、操作简便，实施有效，应用广泛，不会造成二次污染。与现有技术相比，本发明还具有以下优势：
1)通过配水井保证每个湿地单元布水的均匀性，减少断流现象和堵塞现象的发生，最大程度发挥湿地的作用。
2)垂直潜流湿地单元进行曝气，通过外置曝气装置增加湿地单元内水体溶解氧的含量。
3)人工湿地单元进水采用分流式，保证水平潜流单元内反硝化反应时所需足够的碳源。
4)水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地组合应用，提高工艺处理效率。
5)同级湿地单元采用并联，可实现植物轮作，间歇运行，减少湿地堵塞风险。
6)整个工艺采用自动控制，节省人力，可实现湿地单元串联、并联自由切换，满足不同运行条件的需求。
附图说明
图1是本发明的一种组合可控型高效净化的人工湿地系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中一级和三级水平潜流湿地单元的剖面示意图；
图3是本发明实施例中二级垂直潜流湿地单元的剖面示意图；
图4是本发明实施例中二级垂直潜流湿地单元的另一侧剖面示意图。
图1-图4中，1配水井，21一级水平潜流湿地单元，22三级水平潜流湿地单元，3垂直潜流湿地单元，41第一水泵，42第二水泵，5曝气装置，6回流管，7多级进水分流管，10覆盖层，11填料层，12保护层，13防渗层，14湿地植物，831进水主管，832进水支管，833进气管，931出水主管，932出水支管，933通气管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示意性地示出了本发明的一种组合可控型高效净化的人工湿地系统的结构，如图1所示，本发明提供的一种组合可控型高效净化的人工湿地系统，包括：配水井1，通过水管串联的一级水平潜流湿地单元21、二级垂直潜流湿地单元3和三级水平潜流湿地单元22，第一水泵41，第二水泵42和曝气装置。其中，所述配水井1通过进水管与一级水平潜流湿地单元21的进水口连通，用于收集水并为一级水平潜流湿地单元21配水。所述第一水泵41和所述曝气装置均安装在一级水平潜流湿地单元21和二级垂直潜流湿地单元3之间的管道中，所述第一水泵41用于将一级水平潜流湿地单元21的出水提升至二级垂直潜流湿地单元3，所述曝气装置用于对二级垂直潜流湿地单元3的进水进行曝气处理。所述第二水泵42安装在二级垂直潜流湿地单元3和三级水平潜流湿地单元22之间的管道中，用于将二级垂直潜流湿地单元3的出水提升至三级水平潜流湿地单元22。
本发明处理过程：经预处理后的污水被配水井1收集并均匀配水后，分别进入一级水平潜流湿地单元21内部，处理后的水通过第一水泵41提升和曝气装置曝气后，进入二级垂直潜流湿地进行处理；二级垂直潜流湿地单元3的出水经第二水泵42提升进入三级水平潜流湿地单元22，处理后出水排放，从而可以达到有效控制溶解氧、碳源及布水均匀性等因素对人工湿地的影响，且该系统运行可控、操作简便，实施有效，应用广泛，不会造成二次污染。
在一可选实施例中，本发明系统还可以包括多级进水分流管7。如图1所示，配水井1通过多级进水分流管7与三级水平潜流湿地单元22的进水口连接，用于为三级水平潜流湿地单元22均匀配水。经预处理后的污水通过配水井1按照水量的1/10～1/3分流进三级水平潜流湿地单元22内进行处理，从而给单元内反硝化反应提高充足的碳源，提供电子促进单元内的反硝化反应，强化脱氮效果。
在一可选实施例中，本发明系统还可以包括回流管6。如图1所示，二级垂直潜流湿地单元3通过回流管6与一级水平潜流湿地单元21连通，通过第二水泵42将出水提升并回流至一级水平潜流湿地单元21中。本发明二级垂直潜流湿地单元3的一部分出水经第二水泵42提升进入三级水平潜流湿地单元22中进行处理；另一部分出水按照回流比100％～300％通过第二水泵42提升并回流至一级水平潜流湿地单元21中，以提高一级水平潜流湿地单元21内硝酸盐含量，促进单元内反硝化反应，强化脱氮效果。
本发明中，每级湿地单元中均可以包含一组或并联的多组，具体可以根据占地和出水调整并联的数量。如图1所示，一级水平潜流湿地单元21和三级水平潜流湿地单元22均包括两组并联的水平潜流湿地单元。所述二级垂直潜流湿地单元3包括两组并联的垂直潜流湿地单元。所述配水井1将预处理后的污水进行收集再配水，减少了流量污水因流量变化冲击水平潜流湿地单元，所述配水井1可以为每组水平潜流湿地单元均匀配水，可以采用V型槽或是溢流堰。
本发明中，每级中的各组水平/垂直潜流湿地单元的形状可以为矩形，长宽比符合规范要求即可，多组水平/垂直潜流湿地单元所构成的每级水平/垂直潜流湿地单元整体上也可以为矩形。每级中的各组水平/垂直潜流湿地单元的内部分层铺设级配粒径的填料。如图2所示，一级水平潜流湿地单元21、二级垂直潜流湿地单元3和三级水平潜流湿地单元22的内部，从上至下分别可以铺设覆盖层10、填料层11、保护层12、防渗层13以及保护层12。如图2-4所示，本发明中各级湿地单元的底部和侧墙面均需要进行防渗处理，以防止原水污染地下水和土壤，防渗层13设计满足规范要求。其中，所述防渗层13可以是为复合土工膜、塑料薄膜、混凝土、或渗透系数<10-8cm/s且厚度大于0.5m的土壤等；其中，复合土工膜和塑料薄膜上下需要设置细沙作为保护层12。所述覆盖层10可以是种植土或砂石等适合湿地植物14生长的物质，铺设厚度可以为10～30cm。所述覆盖层10上种有湿地植物14，所述湿地植物14可以是：择芦苇、香蒲、菖蒲、美人蕉、再力花、水葱、水芹、灯心草、茭白、黑麦草等植物。所述填料层11中的填料可以为石灰石、火山岩、沸石、页岩、陶粒和炉渣等，可以是单一填料，也可以是几种填料组合而成。填料粒径可以为8～25mm，主体填料厚度可以为0.8～1.5m。
图2是一级和三级水平潜流湿地单元22的剖面结构。如图2所示，水平潜流湿地单元中，进水进入同级不同组的水平潜流湿地单元的内部，并以水平流方式从首端流至末端，其中，如图2所示，首端进水口位于上部，末端出水口位于下部。进一步地，如图2所示，水平潜流湿地单元位于首端和末端处填料层11中填料的粒径可以比中间部分大。
图3示意性示出了二级垂直潜流湿地单元3的剖面结构。一级水平潜流湿地单元21中的出水经第一水泵41提升和曝气装置曝气处理，处理后的水通过水管进入二级垂直潜流湿地单元3中，且进水可以分多层进入二级垂直潜流湿地单元3中，例如可以分1～3层进入。如图3所示，可以在二级垂直潜流湿地单元3中设置进水主管831、进水支管832、出水主管931和出水支管932。如图3-4所示，沿二级垂直潜流湿地单元3的垂直方向上下铺设两层进水主管831，当然进水主管831可以如图4所示为一条，当然也可以为多条，进水主管831上连接多条进水支管832；二级垂直潜流湿地单元3的底部设置出水主管931，出水主管931上也可连接多条出水支管932；二级垂直潜流湿地单元3内部的水流分多层从上至下流动。
本发明中，所述曝气装置可以通过进气管833与二级垂直潜流湿地单元3连通。所述进气管833可以设置在每条进水主管831和/或进水支管832中，如图3所示，具体可以设置在进水主管831和进水支管832的下部，当然进气管833的具体安装位置不限于此。本发明中，曝气装置可以采用鼓风机等，通过曝气增加垂直潜流湿地单元内的溶解氧含量，改善单元内硝化菌、亚硝化菌的生存环境，提供充足的氧气，促进单元内硝化反应，强化脱氮效果。
所述二级垂直潜流湿地单元3中还设置有通气管933。如图3所示，所述通气管933的一端可以垂直向上伸出湿地填料表面5～30cm，另一端与出水主管931的末端连接。优选地，所述通气管933的顶部还可以设置通气帽。
本发明所述系统还可以包括预处理单元，以对进入湿地系统的水进行预处理。所述预处理单元与配水井1连接，经预处理单元预处理后的水被所述配水井1收集。其中，对于生活污水：为了保证人工湿地处理效果，预防湿地堵塞，进入湿地前，生活污水需要预处理，预处理的程度和方式应综合考虑污水水质、人工湿地类型及出水水质要求等因素，预处理措施可以选择格栅、沉砂、沉淀、调节等处理工艺。对于污水尾水：尾水可以直接进入湿地系统，根据出水水质要求，也可自由配置处理设施，稳定塘、表流湿地、消毒等生态或物化处理工艺。
所述系统还可以包括控制单元、电动阀门、流量计、水质检测单元、排空井等。其中，所述控制单元可以用来控制电动阀门和流量计的开度，可以控制配水井1的配水，可以控制第一水泵41和第二水泵42的开关，可以控制曝气装置的曝气处理条件等等，以实现整个湿地系统的自控控制操作。所述排空井可以设置在湿地单元末端，以便在湿地轮休、维护停运等排空湿地单元内部的污水。所述电动阀门和流量计均可以安装在湿地单元进水水管和水泵的出水水管等处。所述水质监测采样点可以设置在湿地单元的出水水管处，以根据湿地出水的要求，调整湿地单元的运行方式。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (10)
1.一种组合可控型高效净化的人工湿地系统，其特征在于，包括：配水井，第一水泵、第二水泵、曝气装置、以及通过管道串联的一级水平潜流湿地单元、二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元，其中，
所述配水井通过进水管与一级水平潜流湿地单元进水口连通，用于收集水并为一级水平潜流湿地单元配水；
所述第一水泵和所述曝气装置均安装在一级水平潜流湿地单元和二级垂直潜流湿地单元之间，所述第一水泵用于将一级水平潜流湿地单元的出水提升至二级垂直潜流湿地单元，所述曝气装置用于对二级垂直潜流湿地单元的进水进行曝气处理；
所述第二水泵安装在二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元之间，用于将二级垂直潜流湿地单元的出水提升至三级水平潜流湿地单元。
2.根据权利要求1所述的人工湿地系统，其特征在于，所述配水井还通过多级进水分流管与三级水平潜流湿地单元连通，用于为三级水平潜流湿地单元配水；其中，所述配水井按照水量的1/10～1/3配水分流至三级水平潜流湿地单元内。
3.根据权利要求1所述的人工湿地系统，其特征在于，所述二级垂直潜流湿地单元通过回流管与一级水平潜流湿地单元连通，通过第二水泵将出水提升并回流至一级水平潜流湿地单元中；其中，所述二级垂直潜流湿地单元出水的回流比为100％～300％。
4.根据权利要求1所述的人工湿地系统，其特征在于，所述一级水平潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元均包括一组或多组并联的水平潜流湿地单元；所述二级垂直潜流湿地单元包括一组或多组并联的垂直潜流湿地单元。
5.根据权利要求1所述的人工湿地系统，其特征在于，所述一级水平潜流湿地单元、二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元的内部，从上至下分别铺设有覆盖层、填料层和防渗层；其中，所述覆盖层的厚度为10～30cm，所述覆盖层种有湿地植物；所述填料层的厚度为0.8～1.5m，填料粒径为8～25mm；所述防渗层为复合土工膜、塑料薄膜、混凝土、以及渗透系数<10-8cm/s且厚度大于0.5m的土壤中的一种。
6.根据权利要求1所述的人工湿地系统，其特征在于，所述二级垂直潜流湿地单元中，进水通过沿垂直方向上下布置的1～3层管道进入所述二级垂直潜流湿地单元的内部。
7.根据权利要求6所述的人工湿地系统，其特征在于，所述二级垂直潜流湿地单元中，设置有进水主管、进水支管、出水主管、出水支管、以及进气管，所述进水支管与进水主管连通，所述出水支管与出水主管连通，所述进气管位于所述进水主管和进水支管内且与曝气装置连通。
8.根据权利要求7所述的人工湿地系统，其特征在于，所述二级垂直潜流湿地单元中，还设置有通气管，一端伸出湿地表面5～30cm，另一端与出水主管的端部连接；所述通气管的顶部设置有通气帽。
9.根据权利要求1所述的人工湿地系统，其特征在于，
所述一级水平潜流湿地单元、二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元的进水管处，以及第一水泵和第二水泵的出水管处均设置有电动阀门和流量计；
所述一级水平潜流湿地单元、二级垂直潜流湿地单元和三级水平潜流湿地单元的出水管处设置有水质监测采样点和排空井。
10.根据权利要求9所述的人工湿地系统，其特征在于，所述系统还包括：
控制单元，用于控制电动阀门和流量计的开度，控制第一水泵和第二水泵的开关，控制曝气装置的曝气处理条件，以及控制配水井的配水；
预处理单元，与所述配水井连接，用于对污水进行预处理，预处理后的水被配水井收集。
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