CN113121064B - 用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，其包括沉淀区、表流湿地、深度净化单元和集水井，沉淀区沉淀降雨径流中泥沙等大颗粒的杂质，以减少对湿地填料的堵塞，表流湿地通过蜿蜒高低起伏的造型，在起到水力调节作用的同时，还形成了一定的景观水面，雨水在流动时，通过沉水植物等去除水中有机污染物质，深度净化单元去除水中的氨氮和磷，得到充分净化的雨水通过集水井上的闸门排出；通过水位控制装置控制液位，降雨径流能够在湿地系统中长时间停留，达到充分净化的目的，并且可以根据需要调节湿地系统的水位，解决了现有的传统的人工湿地因无水位控制功能而导致去污效果差和去污效率低的问题。

Description

用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统

技术领域

本发明涉及人工湿地技术领域，尤其涉及一种用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统。

背景技术

一般来讲，水污染源分为点源污染和面源污染两大类，分别使用不同的处理方法进行控制。点源污染具有明确的排放点(例如从居民区或工业排放的家庭污水和工业废水)，可以很容易地通过管网将其收纳并汇入污水处理厂进行处理。而面源污染分布范围较大，包括已沉积在农田种植区、土地、草地、林地、建筑工地以及道路等中污染物质，特别是在降雨时期，通过初期雨水的冲刷，这些污染物会伴随雨水径流进入到自然水体，处理和控制的难度较大。常见的用于减少面源污染物的处理方法包括人工湿地，植草沟过滤，坑塘，物理过滤设备(过滤槽，渗透槽，多孔包装)等。其中，人工湿地是一种更接近自然净化的面源污染处理方法，对城镇中的面源污染物降解或降雨径流控制均具有良好的效果，污染物质可以通过湿地填料中的过滤、吸附，以及微生物分解和水生植物吸收得以净化。由于该处理方法利用了自然生态系统的净化功能以去除了污染物，作为治理面源污染物的处理设施，因此具有处理成本低的经济优势。

然而，在传统的人工湿地，没有水位控制装置，仅当进入湿地的水位处于满水位时，才会有出水溢出，对于湿地水量和水力停留时间的调节缺乏控制。且在干旱季节由于降雨少的原因，湿地内存水处于缓滞状态，湿地的水质净化功能减弱。如果遇到连续降雨的情况，湿地也会缺乏调蓄功能，无法达到处理污染物的目的。另外，雨水携带面源污染物进入湿地时通常含有大量悬浮物质，不可避免地会在短时间内堵塞过滤层，导致湿地的处理效率降低。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，解决了现有的传统的人工湿地因无水位控制功能而导致去污效果差和去污效率低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，其包括与河流连接的表流湿地，表流湿地的进水口处设置有水位控制装置；表流湿地与水位控制装置之间设置有沉淀区，表流湿地的出水口设置有用于减少水中污染物质的深度净化单元，表流湿地内的雨水通过导流装置进入深度净化单元，深度净化单元上连通有一个带有排水口的集水井；

深度净化单元包括防渗层和设置于防渗层下方的过滤雨水的滤料层；防渗层上设置有用于将雨水导入滤料层的导水管，导水管内设置有充氧装置；防渗层上设置有除磷装置，除磷装置包括贯穿防渗层和滤料层的除磷外筒，除磷外筒上设置有多个与滤料层连通的透水孔，除磷外筒的顶部高于导水管顶部高度，除磷外筒的底部与集水井连通。

进一步地，滤料层包括用于支撑防渗层的上滤料层和用于过滤雨水中氨氮物质的下滤料层；上滤料层内均匀填充有直径为5mm～10mm的砾石，上滤料层的厚度为100mm～200mm；下滤料层内均匀填充有质量比为1:1:1的多孔沸石、火山岩和石灰石，下滤料层的厚度为1500mm～2000mm。

进一步地，除磷外筒内设置有与其等高且贯穿防渗层和滤料层的除磷内筒，除磷外筒与除磷内筒之间设置有可拆卸的除磷填料块，除磷填料块为质量比为7:2:1的粉煤灰、黏土和结块剂均匀混合烧结形成多孔块状结构，除磷内筒的圆周外壁上均匀设置有多个与滤料层连通的透水孔，除磷外筒的底部和除磷内筒的底部通过排水管与集水井的底部连通。

进一步地，水位控制装置包括进水闸门和用于检测表流湿地内水位高度的流量液位传感器。

进一步地，沉淀区的深度为90cm～150cm。

进一步地，表流湿地包括相互连通的浅水区和深水区，浅水区和深水区的底部均栽种有沉水植物，浅水区与沉淀区连通。

进一步地，导流装置包括用于将浅水区雨水导入防渗层上表面的导流槽，导流槽与浅水区连接的端部为水平结构，导流槽的水平管段的管底与浅水区的水面平齐，其水平管段上设置有过滤网。

进一步地，充氧装置包括转动设置在导水管内的旋转杆，旋转杆的圆周外壁上设置有多个叶片。

进一步地，排水口位于集水井的中上部，排水口处设置有一个用于调节集水井液面高度的水闸。

进一步地，导水管顶部和除磷外筒的顶部均设置有过滤盖。

在河流附近形成用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，该河流通过在进水口安装有由水位传感器控制的闸门，与湿地前端沉淀区连通，使降雨径流从低水位流入预定水位，沉淀区形成在上游，沉淀降雨径流中包含漂浮物、悬浮物等杂质。净化后的雨水引导至中段的表流湿地，用于减少水中污染物质，同时，经过地貌的蜿蜒设计，形成一定的景观水面。在表流湿地的末端通过导流装置将雨水导入末端的深度净化单元，通过深度净化单元中的过滤层和除磷装置，进一步去除雨水中的氮、磷污染物，以减少水体爆发富营养化的风险。除磷填料块为模块化设计，随着吸附材料的饱和，可以快速方便地进行更换。最后在集水井出口端设置液位控制装置，通过前后两段的液位控制装置，有效地控制湿地水面高度。

本发明的有益效果为：

1、本方案中的用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，可有效地控制因雨水径流裹挟的面源污染物。通过设置沉淀区，可以减少雨水中的的无机颗粒物质，降低了对湿地系统的堵塞，延长了湿地系统的使用时间。

2、本方案中的湿地系统中段形成的表流湿地和末端的深度净化单元，可有效地去除雨水中有机污染物和氮、磷营养物质，减少水体水华暴发的风险，并且除磷填料块采用了模块化的设计，便于材料的安装与更换。

3、本发明通过表流湿地的进水口处的水位控制装置和排水口处的水闸，使降雨径流能够在表流湿地中长时间停留以达到充分净化雨水的目的，并且可以根据需要调节湿地系统的水位，在水质净化的同时，还形成了一定的景观水面，增加了居民的亲水性，美化了周边环境。

附图说明

图1为本发明的用于减少降雨径流污染物的高效的复合湿地系统的平面结构示意图。

图2为本发明的用于减少降雨径流污染物的高效的复合湿地系统的侧视结构图。

图3为深度净化单元的结构示意图。

图4为除磷装置的俯视结构示意图。

图5为除磷填料块的放大结构示意图。

图6为图3中A处放大的剖视结构示意图。

图7为图3中B处放大的剖视结构示意图。

其中，1、沉淀区；2、表流湿地；3、导流装置；4、深度净化单元；5、集水井；6、流量液位传感器；7、进水闸门；8、进水口；9、浅水区；10、深水区；11、沉水植物；12、导水管；13、排水口；14、湿地景观造型；15、排水管；16、滤网；17、导流槽；18、滤料层；19、防渗层；20、上滤料层；21、下滤料层；22、除磷装置；23、除磷外筒；24、除磷内筒；25、除磷填料块；26、充氧装置；27、旋转杆；28、叶片。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～7所示，本发明提供了用于减少降雨径流污染物的高效的复合湿地系统，其包括与河流连接的表流湿地2，表流湿地2的进水口8处设置有水位控制装置；表流湿地2与水位控制装置之间设置有沉淀区1，表流湿地2的出水口设置有用于减少水中污染物质的深度净化单元4，表流湿地2内的雨水通过导流装置3进入深度净化单元4，深度净化单元4上连通有一个带有排水口13的集水井5；排水口13位于集水井5的中上部，排水口13处设置有一个用于调节集水井5液面高度的水闸。

深度净化单元4包括防渗层19和设置于防渗层19下方的过滤雨水的滤料层18；防渗层19上设置有用于将雨水导入滤料层18的导水管12，导水管12内设置有充氧装置26；防渗层19上设置有除磷装置22，除磷装置22包括贯穿防渗层19和滤料层18的除磷外筒23，除磷外筒23上设置有多个与滤料层18连通的透水孔，除磷外筒23的顶部高于导水管12顶部高度，除磷外筒23的底部与集水井5连通。使得雨水只能从导水管12内进入，流经滤料层18后才进入除磷装置22中。

水位控制装置包括进水闸门7和用于检测表流湿地2内水位高度的流量液位传感器6。通过流量液位传感器6控制进水闸门7，雨水通过进水口8从河流进入表流湿地2而形成上游，沉淀区1的深度优选形成为90cm～150cm的深度，以沉淀无机颗粒物质，从而可以容易地进行清掏，并且不会随着时间的累积而频繁地进行清洗作业。另一方面，进水闸门7的上升和下降安装在进水口8上，其配套的流量液位传感器6根据降雨水水量及设定的水力停留时间，驱动电动机或液压单元控制水闸的开闭高度。

表流湿地2布置在沉降区和深度净化单元4之间，表流湿地2包括相互连通的浅水区9和深水区10，浅水区9和深水区10的底部均栽种有沉水植物11，浅水区9与沉淀区1连通。沉水植物11可充分利用太阳能进行光合作用分解降雨径流汇入的有机污染物，在表流湿地2的末端，深水区10中的雨水净化后，通过导流装置3进入后段的深度净化单元4。

表流湿地2中段设置有呈蜿蜒曲折立体结构的湿地景观造型14，美化了整个湿地系统。

如图3所示，导流装置3包括用于将浅水区9雨水导入防渗层19上表面的导流槽17，导流槽17与浅水区9连接的端部为水平结构，导流槽17的水平管段的管底与浅水区9的水面平齐，其水平管段上设置有过滤网16。深水区10通过溢流的方式收集净化的雨水，当深水区10中的液面高度高于导流槽17水平管段时，深水区10中的雨水通过导流槽17进入深度净化单元4内，滤网16可以阻挡漂浮物通过导流槽17进入深度净化单元4内。

如图3～图7所示，深度净化单元4中的防渗层19对雨水有积蓄作用，雨水在防渗层19表面流动，防渗层19可采用膨润土防水毯或者黏土夯实等方式实现，使得防渗层19上的雨水通过导水管12穿过过滤料层18并最终流入除磷装置22，防渗层19厚度优选为为100mm～200mm，防水性能优异，避免雨水渗透，降低雨水的去污效果。

滤料层18包括用于支撑防渗层19的上滤料层20和用于过滤雨水中氨氮物质的下滤料层21；上滤料层20内均匀填充有直径为5mm～10mm的砾石，上滤料层20的厚度为100mm～200mm，上滤料层20主要起到承托防渗层19的作用，避免防渗层19的坍塌；下滤料层内均匀填充有质量比为1:1:1的多孔沸石、火山岩和石灰石，下滤料层的厚度为1500mm～2000mm，雨水平稳地通过滤料层18，雨水中含有少量有机的污染物和氨氮污染物被滤料层18截留，使得滤料层18上形成的生物膜，有机的污染物和氨氮污染物被滤料层18上附着的微生物降解转化。

导水管12的顶部设置有用于阻挡漂流物流入其内的过滤盖，导水管12内设置有充氧装置26包括转动设置在导水管12内的旋转杆27，旋转杆27的圆周外壁上设置有多个叶片28。导水管12可以为具有圆形或多边形横截面的中空管，旋转杆27一端固定在上盖，另一端固定安装在底表面中心的轴承上。叶片28顺应下落水流的方向旋转，从而将外部空气裹挟到水流里进入滤料层18内，起到一定的曝气充氧作用，提升生物膜中微生物的活性，进一步提高去污效率。

除磷装置22包括均贯穿防渗层19和滤料层18的除磷外筒23和除磷内筒24，除磷内筒24与除磷内筒24之间设置有可拆卸的除磷填料块25，除磷填料块25为质量比为7:2:1的粉煤灰、黏土和结块剂均匀混合烧结形成多孔块状结构，除磷外筒23和除磷内筒24的圆周外壁上均匀设置有多个与滤料层18连通的透水孔，除磷外筒23的底部和除磷内筒24的底部通过排水管15与集水井5的底部连通。

除磷填料块25依照除磷外筒23和除磷内筒24的形状制成梯形状以方便布置和更换，除磷外筒23与滤料层18相连并高出防渗层19顶部30cm～50cm，除磷外筒23与防深层接触部分封闭并在连接处做防渗处理，以防止水流短流，除磷外筒23与滤料层18接触部分则均匀分布直径5mm～10mm的透水孔使雨水流入，除磷内筒24高度与除磷外筒23一致，内壁也设置直径5mm～10mm的透水孔，另外，在除磷外筒23的顶端设有过滤盖，以防止杂物进入。通过滤料层18的雨水通过透水孔进入除磷装置22内部，流经除磷填料块25，除磷填料块25完成对雨水中磷的吸附后，雨水通过底部排水管15进入集水井5并最终排出。

在集水井5中，排水口13位于集水井5的中上部，排水口13处设置有一个用于调节集水井5液面高度的水闸。除磷外筒23和除磷内筒24的底部通过排水管15与集水井5的底部连通，排水口13设有用于调节液面高度的水闸，当闸口放到底端时，表流湿地2处于低水位状态，当闸口放到顶端时，表流湿地2处于高水位状态；通过水闸的高低调节以控制雨水在湿地系统中的水力停留时间。在雨水停止后，也可以用来控制湿地系统的液位高度。可使雨水在湿地系统中做长时间停留并形成一定的景观水面。

用于减少雨水径流污染物的高效的复合湿地系统的工作过程为：在使用处理雨水径流水时，雨水径流通过开放的进水口8流入表流湿地2。降雨径流水位逐步升高时，流量水位检测传感器检测到相应雨量值后，进水闸门7打开使雨水进入湿地系统，雨水首先进入湿地系统的沉淀区1，将雨水裹挟的泥沙等颗粒物质沉淀于此。随后雨水进入表流湿地2，通过湿地弯曲起伏的构造带来的水力调控功能，及沉水植物11的净化作用，首先去除水中有机污染物。然后，雨水通过导流装置3进入深度净化单元4，雨水通过导流管进入到滤料层18。此时，通过导流管中的旋转叶片28作用和跌水下落过程，使雨水中的溶解氧含量升高，有助于保持滤料系统的好氧状态。充氧后的雨水在滤料层18中流动，通过下滤料层21中滤料的吸附作用及滤料上形成的生物膜，去除雨水中的氨氮物质。随后流动的雨水穿过除磷外筒23进入除磷装置22，水中的磷被除磷填料吸附后，雨水通过除磷内筒24流经除磷装置22底部排水管15流入集水井5中，最终通过可调节液位的水闸的打开，雨水通过排水口13排出。按照正常的设计情况下，降雨径流在湿地系统中可停留了24～48小时，因此在具有足够的停留时间以去除随降雨径流带来的污染物质。

Claims (8)

1.用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，其特征在于，包括与河流连接的表流湿地(2)，表流湿地(2)的进水口(8)处设置有水位控制装置；表流湿地(2)与水位控制装置之间设置有沉淀区(1)，表流湿地(2)的出水口设置有用于减少水中污染物质的深度净化单元(4)，表流湿地(2)内的雨水通过导流装置(3)进入所述深度净化单元(4)，深度净化单元(4)上连通有一个带有排水口(13)的集水井(5)；

深度净化单元(4)包括防渗层(19)和设置于所述防渗层(19)下方的过滤雨水的滤料层(18)；防渗层(19)上设置有用于将雨水导入滤料层(18)的导水管(12)，所述导水管(12)内设置有充氧装置(26)；防渗层(19)上设置有除磷装置(22)，所述除磷装置(22)包括贯穿防渗层(19)和所述滤料层(18)的除磷外筒(23)，除磷外筒(23)上设置有多个与滤料层(18)连通的透水孔，除磷外筒(23)的顶部高于所述导水管(12)顶部高度，除磷外筒(23)的底部与所述集水井(5)连通；

所述滤料层(18)包括用于支撑所述防渗层(19)的上滤料层(20)和用于过滤雨水中氨氮物质的下滤料层(21)；所述上滤料层(20)内均匀填充有直径为5mm～10mm的砾石，上滤料层(20)的厚度为100mm～200mm；所述下滤料层内均匀填充有质量比为1:1:1的多孔沸石、火山岩和石灰石，下滤料层的厚度为1500mm～2000mm；

所述除磷外筒(23)内设置有与其等高且贯穿所述防渗层(19)和所述滤料层(18)的除磷内筒(24)，所述除磷外筒(23 )与除磷内筒(24)之间设置有可拆卸的除磷填料块(25)，所述除磷填料块(25)为质量比为7:2:1的粉煤灰、黏土和结块剂均匀混合烧结形成多孔块状结构，除磷内筒(24)的圆周外壁上均匀设置有多个与滤料层(18)连通的透水孔，除磷外筒(23)的底部和除磷内筒(24)的底部通过排水管(15)与所述集水井(5)的底部连通。

2.根据权利要求1所述的用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，其特征在于，所述水位控制装置包括进水闸门(7)和用于检测表流湿地(2)内水位高度的流量液位传感器(6)。

3.根据权利要求1所述的用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，其特征在于，所述沉淀区(1)的深度为90cm～150cm。

4.根据权利要求2所述的用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，其特征在于，所述表流湿地(2)包括相互连通的浅水区(9)和深水区(10)，所述浅水区(9)和深水区(10)的底部均栽种有沉水植物(11)，浅水区(9)与所述沉淀区(1)连通。

5.根据权利要求4所述的用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，其特征在于，所述导流装置(3)包括用于将所述浅水区(9)雨水导入所述防渗层(19)上表面的导流槽(17)，所述导流槽(17)与浅水区(9)连接的端部为水平结构，导流槽(17)的水平管段的管底与浅水区(9)的水面平齐，其水平管段上设置有过滤网(16)。

6.根据权利要求1所述的用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，其特征在于，所述充氧装置(26)包括转动设置在所述导水管(12)内的旋转杆(27)，所述旋转杆(27)的圆周外壁上设置有多个叶片(28)。

7.根据权利要求1所述的用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，其特征在于，所述排水口(13)位于所述集水井(5)的中上部，排水口(13)处设置有一个用于调节集水井(5)液面高度的水闸。

8.根据权利要求1～7任一所述的用于减少降雨径流污染物的高效复合湿地系统，其特征在于，所述导水管(12)顶部和除磷外筒(23)的顶部均设置有过滤盖。

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