CN115784457A - 一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，解决了现有系统的过滤结构容易堵塞的技术问题。该系统包括位于植物种植层下方并自上而下设置的粗石层、滤料层、过滤层和集水层，其特征在于：该系统还包括曝气装置，所述曝气装置的曝气管分布于滤料层的底部。曝气装置的曝气管分布于滤料层下方，一方面，用于为滤料层及粗石层提供氧气补充，另一方，通过曝气保持滤料之间间隙的通透，有效降低、迟缓湿地堵塞情况的发生。

Description

一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统。

背景技术

人工湿地是利用基质、植物、微生物等的协同作用，通过吸附、沉淀、降解、吸收等共同作用下达到净化水质的目的，在污水处理工艺中经常作为设备出水的后端深度处理使用，以达到稳定和提高出水水质，提高污水处理设施抗负荷波动能力。但传统人工湿地存在溶氧不足，脱氮除磷效果不佳，容易堵塞，占地面积大等问题。

物理过滤和吸附作用是湿地系统对污水中的污染物进行拦截从而达到净化污水的目的的重要途径之一，在人工湿地中通过多级基质滤料的物理过滤和吸附，达到污水污染物的过滤，实现净水目的。但实际运行过程中，由于基质滤料对污水中悬浮物的截留以及基质表面生物膜累积和脱落，容易造成人工湿地堵塞问题。

人工湿地系统中的脱氮除磷主要靠微生物的硝化和反硝化作用来消耗，硝化过程需要消耗污水中的氧气，而反硝化过程则需要污水中的有机碳源。人工湿地系统中水中氧气的获取方法和途径主要包括空气中吸收和植物根系释放两种，然而靠这两种方法来补充污水中的氧气速度远远低于消耗速度，因此需要额外的氧气补充方式来提高氧气的补充速度，以提高微生物的硝化和反硝化作用。传统的人工湿地通过安装通气管道来实现底层湿地与空气的接触，起到了一定的缓解优化效果，但由于上述堵塞的问题，气体难以向上层流通并参与微生物的硝化和反硝化作用，故并不能从根本上解决问题。

为此，我们提出一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，解决了现有系统的过滤结构容易堵塞的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，包括位于植物种植层下方并自上而下设置的粗石层、滤料层、过滤层和集水层，其特征在于：该系统还包括曝气装置，所述曝气装置的曝气管分布于滤料层的底部。

优选地，所述粗石层、滤料层、过滤层置于由封板围合形成的过滤型腔内，所述粗石层、滤料层和过滤层下方分别设置有第一隔板、第二隔板和第三隔板，所述有第一隔板、第二隔板和第三隔板均分布有过水孔，所述系统还包括滤料翻动装置，所述翻动装置设置于粗石层、滤料层下方，所述滤料翻动装置包括气囊和供气单元，所述气囊设置有多个并且呈矩阵分布，所述第一隔板、第二隔板均包括托板和连接板，所述托板与气囊一一对应并安装于气囊上端，所述托板周向与封板之间以及与相邻托板之间分别通过连接板相连，所述连接板为波纹状并具有弹性，所述供气单元分别通过支路与各个气囊连接，所述各个支路上安装有阀门。

特别地，所述托板、连接板设置有自上而下贯穿的过水孔，所述托板的下端面设有均匀并间隔分布的导流槽，所述过水孔与过水孔连通。

特别地，所述冲洗单元的冲洗管呈波浪状弯曲设置于各个托板上，所述冲洗管端部与托板固定连接，所述冲洗管位于各个托板上方的、弯曲的拐点处均通过拉簧与托板弹性连接。

优选地，所述植物种植层包含用于固定植物生长的砂石及用于水净化的水生/半水生植物。

优选地，植物种植层所采用砂石为含有机质(如树皮、松针等)的砂石(粒径优选为0.1cm-0.2cm)。

特别地，所述植物种植层选用常绿水生鸢尾作为种植植物(种植密度优选为20-25株/平方米)；或者常绿水生鸢尾与其他水生植物混栽。

优选地，采用底部带空隙的植物种植轻质器皿，以模块化组合的形式进行种植。

特别地，在植物种植层下方设置有第四隔板，所述第四隔板与粗石层之间形成有布水层。

优选地，所述布水层中设置聚乙烯或聚丙烯涡型球填料。所述涡型球填料为粒径约8-10cm的空心球形填料，内部填充有多孔物质(例如海绵)。

特别地，所述布水层中的布水管设置按照30-40cm间距进行设置管道，在管道上按照15-20cm间距进行开孔，开孔孔径为1-2mm，且相邻两根布水管间的开孔采用错位开孔。同一根布水管两侧的开孔间夹角为90度。

特别地，所述粗石层的生物填料为火山岩、沸石或其组合，所述滤料层的生物滤料采用陶粒，所述过滤层为单细沙层，或者，活性炭层与细沙层的组合，该组合以活性炭层在上细沙层在下的形式进行布置。

特别地，所述粗石层的生物填料粒径为2-3cm；所述滤料层的生物滤料的粒径为2-5mm，细沙粒径为0.25-0.35mm，活性炭的粒径为0.8～1.5mm。

优选地，所述集水层中间采用支撑板进行支撑，所述支撑板上开有过水孔。

特别地，所述集水层中分布有曝气管。

特别地，所述集水层的出水方式为系统自流出水或通过增加排水泵的形式进行强制排水。

特别地，所述集水层的截面为L形，所述集水层的横向部位为储液区，设置于第三隔板的下方，所述集水层的纵向部位为出液区，设置于过滤型腔的侧部，该系统还包括气提装置，所述气提装置包括气提管，气提管上开设有提回流进水孔，所述曝气装置的曝气供气管、气提装置的气提管均竖立状设置于出液区内，所述曝气供气管的下端与气提管以及储液区内的曝气管连通，所述曝气供气管的中段与滤料层下方的曝气管连通。

特别地，曝气管道和气提回流管道上均设置有阀门。

(三)有益效果

本发明提供了一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，具备以下有益效果：曝气装置的曝气管分布于滤料层下方，一方面，用于为滤料层及粗石层提供氧气补充，另一方，通过曝气保持滤料之间间隙的通透，有效降低、迟缓湿地堵塞情况的发生。本发明在曝气装置的基础上，还增设了翻动装置，翻动粗石层、滤料层的滤料，进一步持滤料之间间隙的通透，防止堵塞。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例2的滤料翻动装置的侧视结构示意图；

图3为本发明实施例2的滤料翻动装置的俯视结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

实施例1

参照图1，一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，包括自上而下设置植物种植层1、布水层2、粗石层31、滤料层32、过滤层33和集水层，该系统还包括曝气装置，所述曝气装置包括曝气管62、曝气供气管61和鼓风机，曝气管62通过曝气供气管61连接鼓风机。图1中，一部分分布于滤料层32的底部，通过曝气保持滤料之间间隙的通透，防止堵塞，另一部分分布于集水层中，用于对水体进行曝气充氧，保持水中溶氧量及水体活性，避免因水体缺乏流动性造成水质恶化。

该实施例中，所述植物种植层1包含用于固定植物生长的砂石及用于水净化的水生/半水生植物，主要用于人工湿地的表面绿化以及污水处理尾水中氮磷等有机物质的吸收。

植物种植层1所采用砂石为含有机质，例如树皮、松针等，的粗砂石，粗纱石的粒径优选为0.1cm-0.2cm，在防止砂石进入布水层2的同时也能保证植物初期生长所需的有机物质供应。

所述植物种植层1优先选用常绿水生鸢尾作为种植植物，种植密度优选为20-25株/平方米。常绿水生鸢尾为喜冷性植物，分蘖期一般在11月至翌年的3月，该习性与其他品种的水生植物迥然不同，在需要治理的水体污染物地区，可将其与其他水生植物混栽，由于常绿水生鸢尾旺盛的新陈代谢，其一年四季都能在吸收水体污染物方面发挥出色功效。

采用底部带空隙的植物种植轻质器皿，以模块化组合的形式进行种植，既能保证植物对水分的吸收也可以满足植物根系向布水层2甚至粗石层31、滤料层32甚至过滤层33生长的需要。

该实施例中，所述布水层2用于分布进水，使进水能均衡通过人工湿地，减少因水流不均对湿地滤料的冲刷。

所述布水层2中可以设置聚乙烯或聚丙烯涡型球填料用于均衡水流并为微生物提供附着空间，以实现缺氧环境条件的污水预处理；

所述布水层2设置的涡型球填料还可以起到过滤、吸附污水中较大杂质的作用，以减少杂质对下层湿地填充物质的堵塞，迟缓湿地堵塞；

所述涡型球填料为粒径约8-10cm的空心球形填料，内部填充有海绵等物质，为微生物生存提供附着物。

所述布水层2中的布水管设置按照30-40cm间距进行设置管道，在管道上按照15-20cm间距进行开孔，开孔孔径以1-2mm为最优，且相邻两根布水管间的开孔易采用错位开孔，避免相邻两根布水管间的出水冲突。同一根布水管两侧的开孔间夹角以90度为最佳。

该实施例中，所述粗石层31为质地较轻且外形不规则的生物填料构成的填充层，生物填料可采用火山岩或沸石，用于对水中的氮磷等有机物及有害物质和杂质进行吸附，从而达到净化水质的目的。

所述沸石是铝硅酸盐组成各种格架状矿物的总称，其重量比一般的石头轻，内部充满了微细的孔穴和通道，具有吸附性、离子交换性、催化和耐酸耐热等性能。由于有氧化硅，氧化钙，氧化铁，氧化铝等成份，水解后的产物都具有明显的絮凝效果，加上沸石粉自身本就具有网状多孔结构带有明显的物理吸附特性，两重作用叠加就让沸石粉具有了显著的净水效果。

所述火山岩生物滤料抗腐蚀，表面带有正电荷且内外孔隙率高(内外平均孔隙率在40％左右)、比表面积大、开孔率高且惰性，在环境中不参与生物膜的生物化学反应，有利于微生物的接触挂膜和生长，有利于微生物代谢过程中所需的氧气与营养物质及代谢产生的废物的传质过程。同时与同类滤料相比，在达到同样过滤目标时所需滤料量较少。作为生物膜载体，火山岩生物滤料对所固定的微生物无害、无抑制性作用，不会影响微生物的活性。

所述粗石层31的生物填料粒径以2-3cm为最优，粒径过大对水流的阻力较大且水流分布不均，粒径过小则容易被杂质所堵塞，造成湿地拥堵。

该实施例中，所述滤料层32为采用粒径相对较小的生物滤料对水中的杂质及氮磷等有机物进行进一步的过滤和吸附，提升水质。

生物滤料以粒径在2-5mm的陶粒为最优，所述陶粒具有比表面积大，空隙率高、表面坚硬，内部多微孔、截污能力强、过滤周期长、过滤水头损失小、反冲洗耗水量低的特点，其可有效去除水体中的氨氮和化学需氧量等有机物质。在弱碱环境下，氨氮的去除效果最好，其最高去除率可达49.8％，吸附30秒后即可达到吸附平衡。

通过陶粒填料以及生物质填料的结合，对农村水污染超标的氨氮、COD以及总磷三项指标进行针对性净化处理，从而达到水处理排放标准；其通过生物反应和物化吸附过滤相结合的原理，有效的提高了污水水质净化效果，能够使得净化后的水质基本达到排放标准。

该实施例中，所述过滤层33为活性炭层331细沙层332的组合，其中活性炭层331在上细沙层332在下的形式进行布置，并可根据出水标准以及来水的特性适当调整二者的比例。用于更深一步地对水进行吸附和过滤，去除水中的杂质，稳定出水水质。

活性炭以优质椰子壳、核桃壳、杏壳、桃壳、煤质为原料，经系列生产工艺精制而成，外观呈黑色颗粒状。优点是孔隙结构发达，比表面积大，吸附性能强，库层阴力小，化学性能稳定，易再生。它不但能除去异臭异味，提高水的纯净度。对水中各种杂质如氯、酚、砷、铅、氰化物、农药等有害物质也有很高的去除率，广泛应用于高纯度的生活饮用水、工业用水和废水处理的深度净化。

所述细沙层332主要用于进一步去除细小杂质，做到洁净出水。

该实施例中，所述集水层用于收集经人工湿地处理后的达标排放水，便于排放水回用及排放出人工湿地系统，出水方式可以为系统自流出水或通过增加排水泵的形式进行强制排水。

所述集水层与过滤层33中间设置有第三隔板53，第三隔板53上铺设有不易腐烂的透水布，阻止细沙以及杂质通过的同时允许水通过隔板从过滤层33进入集水层。

所述集水层中间采用支撑板55进行支撑，用于为第三隔板53提供受力支撑，具体的，支撑板55上端抵靠第三隔板53或与第三隔板53固定连接所述支撑板55上开有过水孔，便于水体的自由流动。

该实施例中，在植物种植层1设置了喷水装置，该喷水装置通过气提形式将处理后的达标排放水适时为植物补充生长所需水分。具体的，所述集水层的截面为L形，所述集水层的横向部位为储液区41，设置于第三隔板53的下方，所述集水层的纵向部位为出液区42，出液区42上部连接出水接管43，设置于过滤型腔的侧部，该系统还包括气提装置，所述气提装置包括气提管81，气提管81上开设有提回流进水孔82，所述曝气装置的曝气供气管61、气提装置的气提管81均竖立状设置于出液区内，所述曝气供气管61的下端与气提管81以及储液区内的曝气管62连通，所述曝气供气管61的中段与滤料层32下方的曝气管62连通。

特别地，曝气管62上设置有曝气控制阀门63，气提回流管上设置有气提控制阀门83(气提回流进水孔82位于气提控制阀门83下方)，曝气控制阀门63、气提控制阀门83优选为电磁阀，用于控制管道的通断及开合大小，从而来控制曝气量及气提回流量的大小。

实施例2

参照图1、图2、图3，实施例2与实施例1的主要区别如下，所述粗石层31、滤料层32和过滤层33下方分别设置有第一隔板51、第二隔板52和第三隔板53，所述有第一隔板51、第二隔板52和第三隔板53均分布有过水孔，所述系统还包括滤料翻动装置，所述翻动装置设置于粗石层31、滤料层32下方，所述滤料翻动装置包括气囊91和供气单元，所述气囊91设置有多个并且呈矩阵分布，所述第一隔板51、第二隔板52均包括托板521和连接板522，所述托板521与气囊91一一对应并安装于气囊91上端，所述托板521周向与封板之间以及与相邻托板521之间分别通过连接板522相连，所述连接板522为波纹状并具有弹性，所述供气单元分别通过支路与各个气囊91连接，所述各个支路上安装有阀门。

翻动装置的气囊91放气后形成局部空腔，在其上方的滤料会连同托板521下陷进入该空腔，气囊91充气后，会将其上方的托板521、滤料上顶，而其周边的滤料会受到挤压向外推送，即在气囊91充放气的过程中，滤料位置发生变化，并配合曝气装置的气流吹动，以消除堵塞。另外，气囊91呈矩阵分布，通过支路阀门的控制，使得各个气囊91充放气不同步，能够提高清堵效果。

所述托板521、连接板522设置有自上而下贯穿的过水孔，所述托板521的下端面设有均匀并间隔分布的导流槽，所述过水孔与过水孔连通。由于托板521的下端面和气囊91贴合，通过设置导流槽，避免过水孔被气囊91堵住，水能够从导流槽两端流出。

所述冲洗单元的冲洗管呈波浪状弯曲设置于各个托板521上，所述冲洗管端部与托板521固定连接，所述冲洗管位于各个托板521上方的、弯曲的拐点处均通过拉簧92与托板521弹性连接。在翻动机构的气囊91充放气的过程中，托板521会发生上下方向的移动，导致冲洗管移位，故冲洗管端部与托板521固定连接，保证翻动机构运行前后，冲洗管始终保持经过各个托板521的状态，进而能够沿粗石层31或滤料层32长度方向实施有效冲洗；而冲洗管呈波浪状弯曲设置后，能够在托板521移动过程中，提供足够的拉伸余量以避免管道断裂；而冲洗管弯曲的拐点处通过拉簧92与托板521弹性连接，能够保证翻动机构的各个气囊91在恢复充气状态后，冲洗管位于各个托板521上的部位均恢复至弯曲状，使进而冲洗管各段部位均能提供足够的拉伸余量以避免管道断裂，保证机构的可靠性。

图1中，第四隔板54设置在植物种植层1下方，所述第四隔板54与粗石层31之间形成有布水层2，布水层2连接进水接管21。第四隔板54可扣合于过滤型腔的上端开口处，而第三隔板53可通过从四周伸入过滤型腔内的多个螺栓进行支撑、限位。

需要说明的是，在本文中，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，包括位于植物种植层下方并自上而下设置的粗石层、滤料层、过滤层和集水层，其特征在于：该系统还包括曝气装置，所述曝气装置的曝气管分布于滤料层的底部。

2.如权利要求1所述的一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，其特征在于：所述粗石层、滤料层、过滤层置于由封板围合形成的过滤型腔内，所述粗石层、滤料层和过滤层下方分别设置有第一隔板、第二隔板和第三隔板，所述有第一隔板、第二隔板和第三隔板均分布有过水孔，所述系统还包括滤料翻动装置，所述翻动装置设置于粗石层、滤料层下方，所述滤料翻动装置包括气囊和供气单元，所述气囊设置有多个并且呈矩阵分布，所述第一隔板、第二隔板均包括托板和连接板，所述托板与气囊一一对应并安装于气囊上端，所述托板周向与封板之间以及与相邻托板之间分别通过连接板相连，所述连接板为波纹状并具有弹性，所述供气单元分别通过支路与各个气囊连接，所述各个支路上安装有阀门。

3.如权利要求2所述的一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，其特征在于：所述托板、连接板设置有自上而下贯穿的过水孔，所述托板的下端面设有均匀并间隔分布的导流槽，所述过水孔与过水孔连通。

4.如权利要求3所述的一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，其特征在于：所述冲洗单元的冲洗管呈波浪状弯曲设置于各个托板上，所述冲洗管端部与托板固定连接，所述冲洗管位于各个托板上方的、弯曲的拐点处均通过拉簧与托板弹性连接。

5.如权利要求1所述的一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，其特征在于：所述植物种植层包含用于固定植物生长的砂石及用于水净化的水生/半水生植物。

6.如权利要求5所述的一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，其特征在于：植物种植层所采用砂石为含有机质的砂石，砂石粒径为0.1cm-0.2cm。

7.如权利要求5所述的一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，其特征在于：所述植物种植层选用常绿水生鸢尾作为种植植物，种植密度优选为20-25株/平方米；或者常绿水生鸢尾与其他水生植物混栽；

采用底部带空隙的植物种植轻质器皿，以模块化组合的形式进行种植植物的种植。

8.如权利要求1所述的一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，其特征在于：在植物种植层下方设置有第四隔板，所述第四隔板与粗石层之间形成有布水层；

所述布水层中设置聚乙烯或聚丙烯涡型球填料，所述涡型球填料为粒径约8-10cm的空心球形填料，内部填充有多孔物质；

所述布水层中的布水管设置按照30-40cm间距进行设置管道，在管道上按照15-20cm间距进行开孔，开孔孔径为1-2mm，且相邻两根布水管间的开孔采用错位开孔。同一根布水管两侧的开孔间夹角为90度。

9.如权利要求1所述的一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，其特征在于：所述粗石层的生物填料为火山岩、沸石或其组合，所述滤料层的生物滤料采用陶粒，所述过滤层为单细沙层，或者，活性炭层与细沙层的组合，该组合以活性炭层在上细沙层在下的形式进行布置；

所述粗石层的生物填料粒径为2-3cm；所述滤料层的生物滤料的粒径为2-5mm，细沙粒径为0.25-0.35mm，活性炭的粒径为0.8～1.5mm。

10.如权利要求1所述的一种适用于生活污水处理的后生态人工湿地系统，其特征在于：所述集水层的截面为L形，所述集水层的横向部位为储液区，设置于第三隔板的下方，所述集水层的纵向部位为出液区，设置于过滤型腔的侧部，该系统还包括气提装置，所述气提装置包括气提管，气提管上开设有提回流进水孔，所述曝气装置的曝气供气管、气提装置的气提管均竖立状设置于出液区内，所述曝气供气管的下端与气提管以及储液区内的曝气管连通，所述曝气供气管的中段与滤料层下方的曝气管连通。

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