CN113683200B - 一种复合型往复式人工湿地水体净化系统及水体净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合型往复式人工湿地水体净化系统及水体净化方法。本系统包括第一功能单元、位于第二功能单元下方的第二功能单元。第二功能单元设置于潜流人工湿地下方。本发明通过平流、潜流、垂直流的复合型人工湿地的设计，使得人工湿地的功能依据微污染水体特性有了进一步提升空间，提高了各个单元的负荷效率，摆脱了形式单一、功能单一、效果单一的综合问题。

Description

一种复合型往复式人工湿地水体净化系统及水体净化方法

技术领域

本发明涉及污染水体净化技术领域，特别涉及一种复合型往复式人工湿地水体净化系统及水体净化方法。

背景技术

人工湿地主要通过物理截留、化学反应、生物降解等方式，对水体污染物的去除，达到净化水质的目的。而水体中的污染物，正是植物生长所需的营养物质。人工湿地的形式根据水流的方式不同，主要分为表流型、潜流型、垂直流型等。表流型人工湿地中，水体从湿地表面流经通过，形成一层深度均匀的浅水区；主要功能为沉淀颗粒污染物于湿地的土壤载体表面，并通过植物降解水中有益的影响物质，从而达到降低水体污染物的作用。其优点为处理水量大，水力损失小，对BOD₅和氨氮有较高的去除率，但易造成湿地进水端的泥沙大量沉积，破坏水力条件，形成冲击面，部分区域形成裸露的沼泽。潜流型人工湿地，水体从湿地的下部水平穿过植物床的根系，形成一层地下河流，通过湿地下部的土壤、填料、根系的物理过滤，以及植物的吸收，微生物的分解等方式，净化水体中的污染物。其优点为出水效果好，对BOD₅和总氮的去除效果好，但相对于较大规模的应用时，无法形成较为均匀的布水环境，造成断面过水流量差异较大，局部过滤负荷较高形成堵塞。垂直流湿地，顾名思义，通过集配水装置将水流水流垂直方向上(上向或下向)流经湿地，湿地成为一张巨大的过滤网。对BOD和总氮的去除效果好，其优点为避免了局部断流的影响，但形成了造价相对较高，施工精度要求高的缺点

现有复合型人工湿地由表流湿地、潜流湿地、垂直流湿地的不同方式组成，水体由湿地一端进入，另一端排出。湿地的组合方式只考虑水力的因素和去除所有污染物的功能，未能按实用功能考虑，不同区域针对不同污染物因子(BOD₅、氨氮、总氮、总磷)的功能进行针对性设计；另外，由于水中污染物浓度与水流方向成正比例的线性关系，水中的污染物大量滞留在湿地的前段，造成植物的分解负担加大，而后段的污染物浓度相对较低，植物分解污染物的效率减低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种复合型往复式人工湿地水体净化系统，包括第一功能单元、垂直位于第一功能单元下方的第二功能单元；

所述第一功能单元包括串联的第一平流人工湿地、潜流人工湿地、第二平流人工湿地；第二功能单元为垂直流人工湿地，设置于潜流人工湿地下方；

所述第一平流人工湿地的前端、第二平流人工湿地的尾端分别设置有布水渠，垂直流人工湿地两端分别设置有布水渠；

第一平流人工湿地的尾端与潜流人工湿地之间、第二平流人工湿地的前端与潜流人工湿地之间分别设置有第一液位控制区、第二液位控制区；所述第一液位控制区、第二液位控制区能够对区域内的液位进行控制；潜流人工湿地池体两侧均匀设置有导流孔；

沿着串联方向，第一平流人工湿地两侧池体的相同高度处设置有过水孔，以分别与前端的布水渠、第一液位控制区联通；

沿着串联方向，第二平流人工湿地两侧池体的相同高度处设置有过水孔，以分别与第二液位控制区、尾端的布水渠联通；第一平流人工湿地、第二平流人工湿地对应布水渠的外侧池壁上至少设置有用于进水的过水孔和用于与垂直流人工湿地的布水渠联通的另一个过水孔；

垂直流人工湿地两侧设置有布水渠，池体内从上到下分为土壤层、上层碎石层、填料层、下层碎石层，且上层碎石层、下层碎石层分别设置有第一布水管、第二集水管，第一布水管、第二集水管均能够通过开关阀门实现与其中一侧的布水渠联通；两侧的布水渠外侧池壁至少设置有用于出水的过水孔和用于与第一功能单元的布水渠联通的另一个过水孔。

进一步的，第一液位控制区内均设置有水泵及水泵管道、控制阀，水泵管道穿过第一平流人工湿地靠近第一液位控制区的池壁上的过水孔；

第二液位控制区内均设置有水泵及水泵管道、控制阀；水泵管道穿过第二平流人工湿地靠近第二液位控制区的池壁上的过水孔；

第一平流人工湿地与第一液位控制区通过对应水泵管道联通，且水泵管道高于土壤层；第二平流人工湿地与第二液位控制区通过对应水泵管道联通，且水泵管道高于土壤层。

进一步的，所述填料层制备原料为陶砾、页岩、火山岩、沸石、碎石、砾石其中之一，或者由其中任意几类组合而成。

进一步的，包括顺向水体运行净化流程和/或逆向水体运行净化流程：

顺向水体运行净化流程中，第一平流人工湿地布水渠所在侧为待净化水体进水侧，垂直流人工湿地同侧作为净化后水体的出水侧；该流程具体包括如下步骤：

S1:第一液位控制区的控制阀关闭，水泵不工作，待净化水体从第一平流人工湿地的布水渠流入，水位高于其土壤层，水流经对应水泵管道流入第一液位控制区；

S2:水流穿过潜流人工湿地后流出到第二液位控制区；

S3:第二液位控制区的控制阀开启，水泵工作，使得水位高于第二平流人工湿地的土壤层高度，水流穿过第二平流人工湿地后流出到对应布水渠，再流入垂直流人工湿地同侧的布水渠，水位高度高于第一布水管的高度，且第一布水管仅与该布水渠联通；

S4:水流通过第一布水管上的布水孔均匀下穿；

S5：控制第二集水管仅与出水侧的布水渠联通，第二集水管收集上方流下的水，并输出到出水侧的布水渠后，此时所得的水为净化后的水；

逆向水体运行净化流程中，第二平流人工湿地布水渠所在侧为待净化水体进水侧，垂直流人工湿地同侧作为净化后水体的出水侧；该流程具体包括如下步骤：

S1:第二液位控制区的控制阀关闭，水泵不工作，待净化水体从第二平流人工湿地的布水渠流入，水位高于其土壤层，水流经对应水泵管道流入第二液位控制区；

S2:水流穿过潜流人工湿地后流出到第一液位控制区；

S3:第一液位控制区的控制阀开启，水泵工作，使得水位高于第一平流人工湿地的土壤层高度，水流穿过第一平流人工湿地后流出到对应布水渠，再流入垂直流人工湿地同侧的布水渠，水位高度高于第一布水管的高度，且第一布水管仅与该布水渠联通；

S4:水流通过第一布水管上的布水孔均匀下穿；

S5：控制第二集水管仅与出水侧的布水渠联通，第二集水管收集上方流下的水，并输出到出水侧的布水渠后，此时所得的水为净化后的水。

本发明的有益效果为：

1.通过由平流、潜流、垂直流的复合型人工湿地的设计，依据微污染水体特性有了进一步提升空间，提高了各个单元的负荷效率，摆脱了形式单一、功能单一、效果单一的综合问题。

2.能够通过调整水力方向和竖向水力条件，实现往复式(顺向—逆向)的水流方向交替，改变水体污染物浓度梯度变化，使人工湿地的植物能够均匀生长，稳定各处理单元的污染物去除效率。

3.不同处理单元具有不同的污染物因子的去除作用，可根据单元的作用分别进行工艺计算。

附图说明

图1为顺向运行流程图。

图2为逆向运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图1～2及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本系统的目的在于针对性的组合不同方式的湿地类型，解决人工湿地对水中污染物因子(氨、氮、磷)的针对性去除效果，最大程度的发挥不同类型湿地的功能。并通过调整水流方向和水力条件(，调整人工湿地的功能和作用，提高各个处理单元的污染物降解负荷，恢复人工湿地不同段点的处理效率，避免其湿地运行的差异化和运行缺点。本系统适合处理废水的COD_cr含量为20-100mg/L，氨氮含量为1-20mg/L，总氮为1-50mg/L，总磷含量为0.1-5.0mg/L。

本系统各个湿地的池体以砖混、板材、钢材或三者任意比例混合构建的湿地池体为装置，池体底部通过材料添加或者土质压实进行防透处理。单个人工湿地池体长宽比例以2：1-5:1为宜，人工湿地单体比例不必相同。

所述填料层制备原料为陶砾、页岩、火山岩、沸石、碎石、砾石其中之一，或者由其中任意几类或者全部组合而成。

下面对系统的整体结构进行说明。

本系统包括第一功能单元、垂直位于第一功能单元下方且横向布置的第二功能单元。第二功能单元设置于潜流人工湿地下方。下面对两个功能单元分别进行介绍。

一.第一功能单元

所述第一功能单元包括串联的第一平流人工湿地、潜流人工湿地、第二平流人工湿地；第二功能单元为垂直流人工湿地，设置于潜流人工湿地下方；所述第一平流人工湿地的前端、第二平流人工湿地的尾端分别设置有布水渠，垂直流人工湿地两端分别设置有布水渠。第一平流人工湿地、第二平流人工湿地土壤层厚度及高度相同，且池体底部均高于潜流人工湿地的池体底部。潜流人工湿地土壤层顶部高度高于第一平流人工湿地与第二平流人工的土壤层顶部高度。单个人工湿地池体长宽比例以2：1-5:1为宜，人工湿地单体比例不必相同。

第一平流人工湿地与第二平流人工湿地池体内设置土壤层。

潜流人工湿地池体内设置有位于上层的土壤层和位于下层的填料层。

第一平流人工湿地的尾端与潜流人工湿地之间、第二平流人工湿地的前端与潜流人工湿地之间分别设置有第一液位控制区、第二液位控制区。

第一液位控制区内设置有水泵及水泵管道、控制阀组成的液位控制装置。水泵管道穿过第一平流人工湿地靠近第一液位控制区的池壁上的过水孔；液位控制装置调节区域内的的水位高度。

第二液位控制区内均设置有水泵及水泵管道、控制阀组成的位控制装置。水泵管道穿过第二平流人工湿地靠近第二液位控制区的池壁上的过水孔；液位控制装置调节区域内的水位高度。

上述两个液位控制装置配合工作，能够调整第一功能单元的水流方向和液位高差。

沿着串联方向，潜流人工湿地两侧池体在填料层的高度范围内设置有过水管道，以联通第一液位控制区、第二液位控制区。第一平流人工湿地、第二平流人工湿地的布水渠外侧均设置有一个过水孔，该过水孔通过水管与垂直流人工湿地同侧的布水渠联通，另还需设置一个过水孔作为进水端。待净化水体可以从第一平流人工湿地或者第二平流人工湿地的布水渠的进水端流入系统进行净化。

二.第二功能单元

第二功能单元为垂直流人工湿地，池体内从上到下分为土壤层、上层碎石层、填料层、下层碎石层，池体两侧设置布水渠。布水渠池壁设置一个过水孔，以与同侧平流人工湿地同侧的布水渠联通，另还需设置一个过水孔作为出水端。

在上层碎石层、下层碎石层分别设置有第一布水管、第二集水管。通过阀门控制方式，第一布水管、第二集水管能够与垂直流人工湿地两侧的任一布水渠联通，且仅能与其中之一联通。第一布水管只能与水流进入侧的布水渠联通，第二集水管仅能与水流流出侧的布水渠联通。第一布水管上设置有若干布水孔，水流能够均匀下穿，第二集水管也设置有孔洞，能够收集下方渗入的水分，并排出。

下面对上述系统的运行方法进行说明。

包括如图1所示的顺向水体运行净化流程和/或如图2所示的逆向水体运行净化流程。

一.顺向水体运行净化流程

顺向水体运行净化流程中，第一平流人工湿地布水渠所在侧为待净化水体进水侧，垂直流人工湿地同侧作为净化后水体的出水侧；该流程具体包括如下步骤：

S1:第一液位控制区的控制阀关闭，水泵不工作，待净化水体从第一平流人工湿地的布水渠流入，水位高于其土壤层，水流经对应水泵管道流入第一液位控制区；

S2:水流穿过潜流人工湿地后流出到第二液位控制区；

S3:第二液位控制区的控制阀开启，水泵工作，使得水位高于第二平流人工湿地的土壤层高度，水流穿过第二平流人工湿地后流出到对应布水渠，再流入垂直流人工湿地同侧的布水渠，水位高度高于第一布水管的高度，且第一布水管仅与该布水渠联通；

S4:水流通过第一布水管上的布水孔均匀下穿；

S5：控制第二集水管仅与出水侧的布水渠联通，第二集水管收集上方流下的水，并输出到出水侧的布水渠后，此时所得的水为净化后的水；

逆向水体运行净化流程中，第二平流人工湿地布水渠所在侧为待净化水体进水侧，垂直流人工湿地同侧作为净化后水体的出水侧；该流程具体包括如下步骤：

S1:第二液位控制区的控制阀关闭，水泵不工作，待净化水体从第二平流人工湿地的布水渠流入，水位高于其土壤层，水流经对应水泵管道流入第二液位控制区；

S2:水流穿过潜流人工湿地后流出到第一液位控制区；

S3:第一液位控制区的控制阀开启，水泵工作，使得水位高于第一平流人工湿地的土壤层高度，水流穿过第一平流人工湿地后流出到对应布水渠，再流入垂直流人工湿地同侧的布水渠，水位高度高于第一布水管的高度，且第一布水管仅与该布水渠联通；

S4:水流通过第一布水管上的布水孔均匀下穿；

S5：控制第二集水管仅与出水侧的布水渠联通，第二集水管收集上方流下的水，并输出到出水侧的布水渠后，此时所得的水为净化后的水。

本发明所述系统通过各类湿地的组合，可以称为复合型湿地，并且还可以实现水体往复式过滤。为了更好的解释上述运行机制，下面对本系统水体过滤方法进行原理上的解释。

第一功能单元由“第一平流人工湿地——潜流人工湿地——第二平流人工湿地”三个单元组成，第二功能单元由垂直流湿地单元组成。第一功能单元进水口分别位于两个平流人工湿地的两端，根据工艺要求调整进出水方向，当一侧进水时，另一侧为出水口；第二功能单元两端分别为进水口和出水口，原理同第一功能单元。通过调整第一功能单元和第二功能单元的进出水方向，使水体流态行成大区域的“顺向—逆向”变化，从而实现往返式工艺流程形式。从池体结构布置的形式考虑，第一功能单元为三个单元纵向并排布置，第二功能单元在第一功能单元下方横向布置，水体流向成“S”型折返流经各个单元。在工艺竖向上，水体成“上层平流——全断面(上中下层)平流——上层平流——垂直上下层流”的四个空间流向，其流态与各个湿地的功能紧密结合，为人工湿地的污染物高效运行提供最有利的水力条件。

复合式人工湿地的设计原理：第一平流人工湿地为水平流人工湿地，利用其沉淀的作用，分离水中的颗粒污染物(SS)，在与空气和植物最大接触的条件下，形成好氧的环境，通过表流型湿地针对BOD和氨氮的去除效果。潜流人工湿地为潜流型人工湿地，在去除大量SS的条件下，避免了水阻的差异化，为潜流湿地的运行创造了优越的条件。由于水流在土壤层以下通过，水体中的含氧量相对较低，有针对性的降低水体总氮的同时，进一步消耗水中的BOD。第二平流人工湿地为表流型人工湿地，使第一功能单元的水流方向形成上下上的波浪形流动，并在第二平流人工湿地进一步去除BOD和总磷。垂直流人工湿地采用垂直流人工湿地，利用其最佳的过滤效果降低水体的色度，并在缺氧环境下对总氮进一步去除。从水污染物的处理工艺上总体来说，四个湿地组成了好氧—缺氧—好氧—缺氧的环境，从而对水体的BOD、COD、氨氮、总氮形成了针对性的去除，并且可以分别对其中一个单元进行某个污染物去除能力的详细计算和设计。

往复式人工湿地的设计，是将前三个单元，表流—潜流—表流作为一个整体，将水流方向通过阀门和管道改变，第二平流人工湿地作为进水端，第一平流人工湿地作为出水端，从而改变第一平流人工湿地、第二平流人工湿地的功能，降低原第一平流人工湿地的悬浮物SS沉积负荷，并通过植物的吸收和微生物的分解，减少悬浮物SS淤积的形成。原第二平流人工湿地进水的污染物浓度相对第一平流人工湿地低了很多，植物的生长茂密程度不及第一平流人工湿地，通过改变水体的营养物质浓度，变化水体流向的整体营养物质浓度梯度，改变植物的生长条件(水中污染物浓度与水流方向成正比例的线性关系)，提高植物生长的均匀性和污染物去除率的能力。对潜流人工湿地，改变其进出水方向，并避免污染物水力阻塞的形成，消除潜流人工湿地自身前后端处理能力的差异，提高整体运行效率。对于垂直流人工湿地作为单独的后续单元位置不变，只改变其进出水方向，使垂直流人工湿地的整体流态变化，避免因水力流向而引起的水量水质差异及污染物水力阻塞。

Claims (3)

1.一种复合型往复式人工湿地水体净化系统，其特征在于，包括第一功能单元、垂直位于第一功能单元下方的第二功能单元；

所述第一功能单元包括串联的第一平流人工湿地、潜流人工湿地、第二平流人工湿地；第二功能单元为垂直流人工湿地，设置于潜流人工湿地下方；

所述第一平流人工湿地的前端、第二平流人工湿地的尾端分别设置有布水渠，垂直流人工湿地两端分别设置有布水渠；

第一平流人工湿地的尾端与潜流人工湿地之间、第二平流人工湿地的前端与潜流人工湿地之间分别设置有第一液位控制区、第二液位控制区；所述第一液位控制区、第二液位控制区能够对区域内的液位进行控制；潜流人工湿地池体两侧均匀设置有导流孔；

沿着串联方向，第一平流人工湿地两侧池体的相同高度处设置有过水孔，以分别与前端的布水渠、第一液位控制区联通；

沿着串联方向，第二平流人工湿地两侧池体的相同高度处设置有过水孔，以分别与第二液位控制区、尾端的布水渠联通；第一平流人工湿地、第二平流人工湿地对应布水渠的外侧池壁上至少设置有用于进水的过水孔和用于与垂直流人工湿地的布水渠联通的另一个过水孔；

垂直流人工湿地两侧设置有布水渠，池体内从上到下分为土壤层、上层碎石层、填料层、下层碎石层，且上层碎石层、下层碎石层分别设置有第一布水管、第二集水管，第一布水管、第二集水管均能够通过开关阀门实现与其中一侧的布水渠联通；两侧的布水渠外侧池壁至少设置有用于出水的过水孔和用于与第一功能单元的布水渠联通的另一个过水孔；

所述填料层制备原料为陶砾、页岩、火山岩、沸石、碎石、砾石其中之一，或者由其中任意几类组合而成。

2.如权利要求1所述的复合型往复式人工湿地水体净化系统，其特征在于，第一液位控制区内均设置有水泵及水泵管道、控制阀，水泵管道穿过第一平流人工湿地靠近第一液位控制区的池壁上的过水孔；

第二液位控制区内均设置有水泵及水泵管道、控制阀；水泵管道穿过第二平流人工湿地靠近第二液位控制区的池壁上的过水孔；

第一平流人工湿地与第一液位控制区通过对应水泵管道联通，且水泵管道高于土壤层；第二平流人工湿地与第二液位控制区通过对应水泵管道联通，且水泵管道高于土壤层。

3.一种利用如权利要求1-2任一项所述的复合型往复式人工湿地水体净化系统进行水体净化的方法，其特征在于，包括顺向水体运行净化流程和/或逆向水体运行净化流程：

顺向水体运行净化流程中，第一平流人工湿地布水渠所在侧为待净化水体进水侧，垂直流人工湿地同侧作为净化后水体的出水侧；该流程具体包括如下步骤：

S1:第一液位控制区的控制阀关闭，水泵不工作，待净化水体从第一平流人工湿地的布水渠流入，水位高于其土壤层，水流经对应水泵管道流入第一液位控制区；

S2:水流穿过潜流人工湿地后流出到第二液位控制区；

S3:第二液位控制区的控制阀开启，水泵工作，使得水位高于第二平流人工湿地的土壤层高度，水流穿过第二平流人工湿地后流出到对应布水渠，再流入垂直流人工湿地同侧的布水渠，水位高度高于第一布水管的高度，且第一布水管仅与该布水渠联通；

S4:水流通过第一布水管上的布水孔均匀下穿；

S5：控制第二集水管仅与出水侧的布水渠联通，第二集水管收集上方流下的水，并输出到出水侧的布水渠后，此时所得的水为净化后的水；

逆向水体运行净化流程中，第二平流人工湿地布水渠所在侧为待净化水体进水侧，垂直流人工湿地同侧作为净化后水体的出水侧；该流程具体包括如下步骤：

S1:第二液位控制区的控制阀关闭，水泵不工作，待净化水体从第二平流人工湿地的布水渠流入，水位高于其土壤层，水流经对应水泵管道流入第二液位控制区；

S2:水流穿过潜流人工湿地后流出到第一液位控制区；

S3:第一液位控制区的控制阀开启，水泵工作，使得水位高于第一平流人工湿地的土壤层高度，水流穿过第一平流人工湿地后流出到对应布水渠，再流入垂直流人工湿地同侧的布水渠，水位高度高于第一布水管的高度，且第一布水管仅与该布水渠联通；

S4:水流通过第一布水管上的布水孔均匀下穿；

S5：控制第二集水管仅与出水侧的布水渠联通，第二集水管收集上方流下的水，并输出到出水侧的布水渠后，此时所得的水为净化后的水。

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