CN115784514A - 一种多级人工湿地低污染水深度净化装置及运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多级人工湿地低污染水深度净化装置及运行方法，属于水污染物生态处理技术领域。解决了现有人工湿地处理效率低、占地面积大的问题。净化装置包括沿水流输送方向依次设置的多个处理单元，处理单元包括首处理单元、中间处理单元和尾处理单元，首处理单元与中间处理单元之间以及中间处理单元与尾处理单元之间均设置有单元隔板，首处理单元与入水口相连，尾处理单元与出水口相连，单元隔板上开设有过水口，每个处理单元均包括多个净化室，相邻净化室之间设置有净化室隔墙，每个净化室均包括从上到下依次设置的顶层基质、主层基质、辅层基质和底层基质，每个处理单元的底层基质下方均设置输水管道。它主要用于污染水的净化。
Description
技术领域
本发明属于水污染物生态处理技术领域，特别是涉及一种多级人工湿地低污染水深度净化装置及运行方法。
背景技术
城市尾水的深度净化，河流或湖泊等低污染水的处理难度大，费用高，人工湿地作为生态处理方法，具有对低污染水处理效果好和成本低的优点。受人工湿地工艺条件的限制，其处理效率普遍偏低，由于处理低污染水量大，在保证处理效果的条件下，提高人工湿地的处理效率是迫切需要解决的问题。
目前提高人工湿地处理效率的方法较多，包括改善材料性能、提高曝气效果、人工湿地结构形式优化等，但是普遍存在效率低和占地面积大的缺点。因此，开发成本低、效率高的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种多级人工湿地低污染水深度净化装置及运行方法，以解决现有人工湿地处理效率低、占地面积大的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，它包括沿水流输送方向依次设置的多个处理单元，所述处理单元包括首处理单元、中间处理单元和尾处理单元，所述首处理单元与中间处理单元之间以及中间处理单元与尾处理单元之间均设置有单元隔板，所述首处理单元与入水口相连，所述尾处理单元与出水口相连，所述单元隔板上开设有过水口，每个处理单元均包括多个净化室，相邻净化室之间设置有净化室隔墙，每个净化室均包括从上到下依次设置的顶层基质、主层基质、辅层基质和底层基质，每个处理单元的底层基质下方均设置输水管道。
更进一步的，所述首处理单元内的顶层基质采用粗砂，主层基质采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.20)，辅层基质采用粒径8-15mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.12)，底层基质采用粒径为15-25mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.20)。
更进一步的，所述中间处理单元内的顶层基质采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:(2.5-5.0)，主层基质采用粒径为5-10mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.15)，辅层基质采用粒径5-10mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.02-0.1)，底层基质采用粒径为10-20mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.15)。
更进一步的，所述尾处理单元内的顶层基质采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:(1.2-2.0)，主层基质采用粒径为3-8mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.16)，辅层基质采用粒径3-8mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.12)，底层基质采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.16)。
更进一步的，所述污泥生物炭通过净水厂的污泥和秸秆混合均匀造粒后热解制备，秸秆采用玉米秸秆粉碎后经过风选后的秸秆皮，秸秆皮的粒径小于1.0mm，净水厂的污泥晾晒含水率至25-45％，按污泥：秸秆＝1:(0.05-0.15)的比例混合进行造粒，造粒后的污泥颗粒晾晒至含水量低于5％，在升温速率为10-15℃/min和加热温度为550-750℃的条件下热解2-3小时。
更进一步的，所述木质生物炭为树枝、树根和木材废料中的一种或多种混合粉碎后热解制备，粉碎粒径为6-12mm，在升温速率为10-15℃/min，加热温度为500-700℃条件下热解2-3小时。
更进一步的，所述顶层基质的厚度为50-150mm，所述主层基质的厚度为300-500mm，所述辅层基质的厚度为200-300mm，所述底层基质厚度为50-100mm。
更进一步的，所述顶层基质上方种植有植物，所述植物采用黄菖蒲和马蹄莲混合栽培，株距为100-200mm。
更进一步的，所述植物上方设置有滤光材料，所述滤光材料通过支架支撑，所述支架设置在池壁上。
更进一步的，所述滤光材料具有光转化功能，将红光和蓝光以外的光转化为红光和蓝光，转化后红蓝光按(5-8):1组合作为植物生长的光源。
更进一步的，所述净化室隔墙靠出水一侧设置有反冲洗管，所述反冲洗管下方与输水管道相连通。
更进一步的，所述反冲洗管内设置有曝气管，所述曝气管与曝气机相连。
更进一步的，所述曝气管底端为横向管，所述横向管设置在输水管道内，所述横向管为可伸缩式结构。
更进一步的，所述反冲洗管直径为200-300mm，所述反冲洗管管口高于净化室隔墙顶300-500mm，所述曝气管管径为100-150mm。
更进一步的，所述输水管道采用多孔材质。
更进一步的，所述输水管道放置于底板上，所述输水管道管径为100-200mm，间距为200-400mm，壁厚为30-50mm，管壁的孔径为5-10mm，孔间距为3-5mm。
更进一步的，所述过水口上设置过滤板，所述过滤板为多孔板，孔径为2-5mm，孔间距为1-2mm。
更进一步的，所述入水口高为0.2-0.3m，宽为0.7-1.5m，所述出水口高为0.3-0.4m，宽为0.6-1.2m，所述入水口和出水口的间距均为1.5-3.0m，所述过水口高为0.2-0.3m，宽为0.6-1.2m，间距为1.5-3.0m，所述入水口高于出水口的底标高50-100mm，所述过水口底边低于入水口的底边100-200mm。
更进一步的，所述每个处理单元均包括两个净化室，分别为第一净化室和第二净化室，所述出水口下方设置有储水箱，所述中间处理单元的数量为一个或多个。
本发明为一种多级人工湿地低污染水深度净化装置的运行方法，需净化的水进入首处理单元的第一净化室，依次通过第一净化室内的顶层基质、主层基质、辅层基质和底层基质后进入输水管道，在水压力的作用下再依次通过第二净化室的底层基质、辅层基质、主层基质和顶层基质后通过过水口流入中间处理单元和尾处理单元，水流在中间处理单元和尾处理单元的方向与首处理单元相同。
更进一步的，所述运行方法包括间歇流运行方法和连续流运行方法，所述间歇流运行方法中间处理单元的数量为1-3个，首处理单元的宽度为2.0-4.0m，中间处理单元的宽度为3.0-6.0m，尾处理单元的宽度为3.0-6.0m，水力停留时间为2-3天；所述连续流运行方法中间处理单元的数量为4-6个，首处理单元的宽度为10.0-20.0m，中间处理单元的宽度为20.0-30.0m，尾处理单元的宽度为10.0-30.0m；所述宽度为水流方向的长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过垂直流多级过滤，实现人工湿地系统内不同基质对低污染水的过滤，能够提高人工湿地基质的利用率、植物的吸收作用和微生物的作用，进而提高人工湿地的处理效率和处理率，能够有效避免人工湿地基质的堵塞，整个系统自然动力、能耗低，工艺简单，推广应用价值高。
本发明采用水的势能，利用水体的微动力实现垂直流动，实现多级基质过滤吸附离子交换、植物吸收和微生物分解；通过曝气充氧，提高脱氮效果；光作用强化，提高植物生长和对污染物的吸收；植物、微生物和基质相互作用对低污水处理效果的提高，进而整体提高人工湿地系统的处理率和处理效率；设置反冲洗设施，有效的预防人工湿地基质的堵塞；该发明人工湿地占地面积小，实现低能耗、高处理率、高处理效率，有效降低城市尾水、河流、湖泊等水体中污染物的浓度。
本发明通过自然动力流方式实现多级垂直流人工湿地的运行，实现低耗能运行。通过有效利用多种人工湿地基质，实现提高净化效果和净化率。通过输水管道管壁渗流方式，即保证了人工湿地连续流，又保证低污染水在不同处理单元的停留时间，不同处理单位设置不同的人工湿地基质层，针对不同污染指标实现高效净化和处理。设置反冲洗系统，有效的预防人工湿地系统的堵塞。设置曝气系统，增加处理污水中的溶解氧含量，提高脱氮效果。人工湿地系统植物顶设置光转化系统，提高湿地植物的光合作用，进而提高植物对污染物的吸收。本发明通过多种基质利用、光照植物强化和曝气强化的措施，实现提高氮磷去除率15％以上，同时保证该人工湿地系统运行的稳定性。本发明处理方式简单，施工方便，成本低，处理效率高，应用性强。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置剖面结构示意图；
图2为本发明所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置平面布置结构示意图。
1-入水口，2-首处理单元，3-中间处理单元，4-尾处理单元，5-出水口，6-储水箱，7-第一净化室，8-第二净化室，9-过水口，10-过滤板，11-植物，12-顶层基质，13-主层基质，14-辅层基质，15-底层基质，16-输水管道，17-单元隔板，18-净化室隔墙，19-池壁，20-支架，21-滤光材料，22-反冲洗管，23-曝气管。
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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。
参见图1-2说明本实施方式，一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，它包括沿水流输送方向依次设置的多个处理单元，所述处理单元包括首处理单元2、中间处理单元3和尾处理单元4，所述首处理单元2与中间处理单元3之间以及中间处理单元3与尾处理单元4之间均设置有单元隔板17，所述首处理单元2与入水口1相连，所述尾处理单元4与出水口5相连，所述单元隔板17上开设有过水口9，每个处理单元均包括多个净化室，相邻净化室之间设置有净化室隔墙18，每个净化室均包括从上到下依次设置的顶层基质12、主层基质13、辅层基质14和底层基质15，每个处理单元的底层基质15下方均设置输水管道16。
所述首处理单元2内的顶层基质12采用粗砂，主层基质13采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.20)，辅层基质14采用粒径8-15mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.12)，底层基质15采用粒径为15-25mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.20)。
所述中间处理单元3内的顶层基质12采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:(2.5-5.0)，主层基质13采用粒径为5-10mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.15)，辅层基质14采用粒径5-10mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.02-0.1)，底层基质15采用粒径为10-20mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.15)。
所述尾处理单元4内的顶层基质12采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:(1.2-2.0)，主层基质13采用粒径为3-8mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.16)，辅层基质14采用粒径3-8mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.12)，底层基质15采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.16)。
各处理单元中的污泥生物炭通过净水厂的污泥和秸秆混合均匀造粒后热解制备，秸秆采用玉米秸秆粉碎后经过风选后的秸秆皮，秸秆皮的粒径小于1.0mm，净水厂的污泥晾晒含水率至25-45％，按污泥：秸秆＝1:(0.05-0.15)的比例混合进行造粒，造粒后的污泥颗粒晾晒至含水量低于5％，在升温速率为10-15℃/min和加热温度为550-750℃的条件下热解2-3小时。
各处理单元中的木质生物炭为树枝、树根和木材废料中的一种或多种混合粉碎后热解制备，粉碎粒径为6-12mm，在升温速率为10-15℃/min，加热温度为500-700℃条件下热解2-3小时。
所述顶层基质12的厚度为50-150mm，所述主层基质13的厚度为300-500mm，所述辅层基质14的厚度为200-300mm，所述底层基质15厚度为50-100mm。
所述顶层基质12上方种植有植物11，所述植物11采用黄菖蒲和马蹄莲混合栽培，株距为100-200mm。所述植物11上方设置有滤光材料21，所述滤光材料21通过支架20支撑，所述支架20设置在池壁19上，所述滤光材料21具有光转化功能，将红光和蓝光以外的光转化为红光和蓝光，转化后红蓝光按(5-8):1组合作为植物生长的光源。
所述净化室隔墙18靠出水一侧设置有反冲洗管22，所述反冲洗管22下方与输水管道16相连通，反冲洗管22底部设置连接管，连接管与输水管道16相连接，反冲洗管22与输水管道16相连通。所述反冲洗管22内设置有曝气管23，所述曝气管23与曝气机相连，所述曝气管23底端为横向管，所述横向管设置在输水管道16内，所述横向管为可伸缩式结构，可实现横向收拢和打开，所述反冲洗管22直径为200-300mm，所述反冲洗管22管口高于净化室隔墙18顶300-500mm，所述曝气管23管径为100-150mm。
所述输水管道16采用多孔材质，所述输水管道16放置于底板上，所述输水管道16管径为100-200mm，间距为200-400mm，壁厚为30-50mm，管壁的孔径为5-10mm，孔间距为3-5mm。
所述过水口9上设置过滤板10，所述过滤板10为多孔板，孔径为2-5mm，孔间距为1-2mm，所述入水口1高为0.2-0.3m，宽为0.7-1.5m，所述出水口5高为0.3-0.4m，宽为0.6-1.2m，所述入水口1和出水口5设置的间距均为1.5-3.0m，所述过水口9高为0.2-0.3m，宽为0.6-1.2m，间距为1.5-3.0m，所述入水口1高于出水口5的底标高50-100mm，所述过水口9底边低于入水口1的底边100-200mm。
本实施例所述每个处理单元均包括两个净化室，分别为第一净化室7和第二净化室8，所述出水口5下方设置有储水箱6，所述中间处理单元3的数量为一个或多个，根据运行方式的不同进行设置。
本实施例为一种多级人工湿地低污染水深度净化装置的运行方法，需净化的水从入水口1进入首处理单元2的第一净化室7，依次通过第一净化室7内的顶层基质12、主层基质13、辅层基质14和底层基质15后进入输水管道16，在水压力的作用下再依次通过第二净化室8的底层基质15、辅层基质14、主层基质13和顶层基质12后通过过水口9流入中间处理单元3和尾处理单元4，水流在中间处理单元3和尾处理单元4的方向与首处理单元2相同，之后从出水口5流出进入储水箱6。
本实施例所述的运行方法包括间歇流运行方法和连续流运行方法，所述间歇流运行方法中间处理单元3的数量为1-3个，首处理单元2的宽度为2.0-4.0m，中间处理单元3的宽度为3.0-6.0m，尾处理单元4的宽度为3.0-6.0m，水力停留时间为2-3天；所述连续流运行方法中间处理单元3的数量为4-6个，首处理单元2的宽度为10.0-20.0m，中间处理单元3的宽度为20.0-30.0m，尾处理单元4的宽度为10.0-30.0m；所述宽度为水流方向的长度。
在进行反冲洗时，将高压泵吸水一端接入储水箱6，高压泵的另一端与反冲洗管22相连，进行反冲洗工作。首处理单元2在系统运行30-60天后进行一次反冲洗，中间处理单元3在系统运行40-80天后进行一次反冲洗，尾处理单元4在系统运行80-100天后进行一次反冲洗，每次反冲洗持续时间20-30分钟。曝气管23通过外接曝气机进行曝气，每隔2-3小时曝气一次，每次曝气10-20分钟。
本实施例通过垂直流多级过滤，实现不同基质对低污染水的过滤；能够提高人工湿地基质的利用率、植物的吸收作用和微生物的作用，进而提高人工湿地的处理效率和处理率。能够有效避免人工湿地基质的堵塞，自然动力，能耗低，其工艺简单，推广应用价值高。
本实施例以城市尾水处理为例，如图1-2所示，人工湿地净化装置的结构与上述实施例相同。
本实施例采用间歇流运行方法，中间处理单元3数量为1个，首处理单元2宽度为2.0m，中间处理单元3的宽度为3.0m，尾处理单元4宽度为3.0m，水力停留时间为3天。每个处理单元均包括第一净化室7和第二净化室8，需净化的低污染城市尾水通过入水口1进入首处理单元2的第一净化室7，依次通过第一净化室7内的顶层基质12、主层基质13、辅层基质14和底层基质15后进入输水管道16，在水压力的作用下再依次通过第二净化室8的底层基质15、辅层基质14、主层基质13和顶层基质12后通过过水口9流入中间处理单元3和尾处理单元4，水流在中间处理单元3和尾处理单元4的方向与首处理单元2相同，之后从出水口5流出进入储水箱6。
净化室隔墙18靠出水一侧设置反冲洗管22，反冲洗管22管口高于净化室隔墙18顶300mm；反冲洗管22内设置曝气管23，曝气管23底端为横向管。
植物11种植于各处理单元的顶层基质12层，植物11采用黄菖蒲和马蹄莲混合栽培，株距为100mm；植物11之上设置滤光材料21，滤光材料21采用支架20支撑，支架20放置到池壁19上，滤光材料21具有光转化功能，将太阳光红光和蓝光以外的光转化为红光和蓝光，转化后红蓝光按5:1组合作为植物生长的光源。
顶层基质12的厚度为50mm，主层基质13的厚度为300mm，辅层基质14的厚度为200mm，底层基质15的厚度为50mm。
首处理单元2的顶层基质12采用粗砂，主层基质13采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.08，辅层基质14采用粒径8-15mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.05；底层基质15采用粒径为15-25mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.08。
中间处理单元3的顶层基质12采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:2.5；主层基质13采用粒径为5-10mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.05；辅层基质14采用粒径5-10mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.02；底层基质15采用粒径为10-20mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.05。
尾处理单元4的顶层基质12采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:1.2；主层基质13采用粒径为3-8mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.08；辅层基质14采用粒径3-8mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.05；底层基质15采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.08。
污泥生物炭为净水厂的污泥和秸秆混合均匀造粒后热解制备，秸秆采用玉米秸秆粉碎后经过风选后的秸秆皮，秸秆皮的粒径小于1.0mm；净水厂的污泥晾晒含水率至25％，按污泥：秸秆＝1:0.05比例混合进行造粒；造粒后的污泥颗粒晾晒至含水量低于5％，在升温速率为10℃/min加热至550℃的条件下热解3小时。木质生物炭为树枝、树根和木材废料的一种或多种混合粉碎热解制备，粉碎粒径为6-12mm，升温速率为10℃/min加热至温度为500℃的条件下热解3小时。
过水口9高为0.3m，宽为0.6m，间距为1.5m；过滤板10为多孔板，孔径为2mm，孔间距为1mm；入水口1高为0.3m，宽为0.7m，出水口5尺寸为高0.3m和宽为0.6m，入水口1和出水口5设置的间距均为1.5m；入水口1高于出水口5的底标高50mm，过水口9底边低于入水口1的底边200mm。
输水管道16放置于人工湿地底板之上，管径为100mm，间距为200mm；输水管道16采用多孔材质，壁厚为30mm；输水管道16管壁的孔径为5mm，孔间距为3mm；反冲洗管22底部设置连接管，连接管与输水管道16相连接，反冲洗管22与输水管道16相连通，反冲洗管22直径为200mm；曝气管23底端的横向管为可伸缩收拢和横向打开管，曝气管23管径为100mm。
各处理单元进行反冲洗时，将高压泵吸水一端接入储水箱6，高压泵另一端与反冲洗管22相连接，首处理单元2在系统运行30天后进行反冲洗一次，中间处理单元3在系统运行40天后进行反冲洗一次，尾处理单元4在系统运行80天后进行反冲洗一次，每次反冲洗持续时间20分钟。曝气管23外接曝气机，每隔2小时曝气一次，每次曝气10分钟。
实验采用的城市尾水水质各指标情况为：NH4 +-N浓度5.1±0.23mg/L，TN浓度为14.9±0.37mg/L，TP浓度为0.89±0.11mg/L，NO3 --N的浓度为9.78±0.63mg/L。设备运行7天后，NH4 +-N浓度0.45±0.11mg/L，TN浓度为2.3±0.31mg/L，TP浓度为0.09±0.02mg/L，NO3 --N的浓度为1.39±0.43mg/L；NH4 +-N、TN、TP和NO3 --N的去除率均超过82％，效果显著。
本实施例以河流水体为例，如图1-2所示，人工湿地净化装置的结构与上述实施例相同。
本实施例采用间歇流运行方法，中间处理单元3数量为3个，首处理单元2宽度为4.0m，中间处理单元3的宽度为6.0m，尾处理单元4宽度为6.0m，水力停留时间为2天。每个处理单元均包括第一净化室7和第二净化室8，需净化的河流水体通过入水口1进入首处理单元2的第一净化室7，依次通过第一净化室7内的顶层基质12、主层基质13、辅层基质14和底层基质15后进入输水管道16，在水压力的作用下再依次通过第二净化室8的底层基质15、辅层基质14、主层基质13和顶层基质12后通过过水口9流入中间处理单元3和尾处理单元4，水流在中间处理单元3和尾处理单元4的方向与首处理单元2相同，之后从出水口5流出进入储水箱6。
净化室隔墙18靠出水一侧设置反冲洗管22，反冲洗管22管口高于净化室隔墙18顶500mm；反冲洗管22内设置曝气管23，曝气管23底端为横向管。
植物11种植于各处理单元的顶层基质12层，植物11采用黄菖蒲和马蹄莲混合栽培，株距为200mm；植物11之上设置滤光材料21，滤光材料21采用支架20支撑，支架20放置到池壁19上，滤光材料21具有光转化功能，将太阳光红光和蓝光以外的光转化为红光和蓝光，转化后红蓝光按6:1组合作为植物生长的光源。
顶层基质12的厚度为150mm，主层基质13的厚度为500mm，辅层基质14的厚度为300mm，底层基质15的厚度为100mm。
首处理单元2的顶层基质12采用粗砂，主层基质13采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.20，辅层基质14采用粒径8-15mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.12；底层基质15采用粒径为15-25mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.20。
中间处理单元3的顶层基质12采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:5.0；主层基质13采用粒径为5-10mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.15；辅层基质14采用粒径5-10mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.1；底层基质15采用粒径为10-20mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.15。
尾处理单元4的顶层基质12采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:2.0；主层基质13采用粒径为3-8mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.16；辅层基质14采用粒径3-8mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.12；底层基质15采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.16。
污泥生物炭为净水厂的污泥和秸秆混合均匀造粒后热解制备，秸秆采用玉米秸秆粉碎后经过风选后的秸秆皮，秸秆皮的粒径小于1.0mm；净水厂的污泥晾晒含水率至45％，按污泥：秸秆＝1:0.15比例混合进行造粒；造粒后的污泥颗粒晾晒至含水量低于5％，在升温速率为15℃/min加热至750℃的条件下热解2小时。木质生物炭为树枝、树根和木材废料的一种或多种混合粉碎热解制备，粉碎粒径为6-12mm，升温速率为15℃/min加热至温度为700℃的条件下热解2小时。
过水口9高为0.2m，宽为1.2m，间距为3.0m；过滤板10为多孔板，孔径为5mm，孔间距为2mm；入水口1高为0.2m，宽为1.5m，出水口5尺寸为高0.35m和宽为1.2m，入水口1和出水口5设置的间距均为3.0m；入水口1高于出水口5的底标高100mm，过水口9底边低于入水口1的底边100mm。
输水管道16放置于人工湿地底板之上，管径为200mm，间距为400mm；输水管道16采用多孔材质，壁厚为50mm；输水管道16管壁的孔径为10mm，孔间距为5mm；反冲洗管22底部设置连接管，连接管与输水管道16相连接，反冲洗管22与输水管道16相连通，反冲洗管22直径为300mm；曝气管23底端的横向管为可伸缩收拢和横向打开管，曝气管23管径为150mm。
各处理单元进行反冲洗时，将高压泵吸水一端接入储水箱6，高压泵另一端与反冲洗管22相连接，首处理单元2在系统运行60天后进行反冲洗一次，中间处理单元3在系统运行80天后进行反冲洗一次，尾处理单元4在系统运行100天后进行反冲洗一次，每次反冲洗持续时间30分钟。曝气管23外接曝气机，每隔3小时曝气一次，每次曝气20分钟。
河流水质各指标情况为：NH4 +-N浓度2.57±0.23mg/L，TN浓度为11.3±0.82mg/L，TP浓度为0.59±0.11mg/L，NO3 --N的浓度为8.79±1.32mg/L；设备运行7天后，NH4 +-N浓度0.43±0.09mg/L，TN浓度为1.82±0.65mg/L，TP浓度为0.10±0.05mg/L，NO3 --N的浓度为0.98±0.17mg/L；NH4 +-N、TN、TP和NO3 --N的去除率均超过80％，效果明显。
本实施例以湖泊水体为例，如图1-2所示，人工湿地净化装置的结构与上述实施例相同。
本实施例采用连续流运行方法，中间处理单元3数量为6个，首处理单元2宽度为10.0m，中间处理单元3的宽度为20.0m，尾处理单元4宽度为10.0m。每个处理单元均包括第一净化室7和第二净化室8，需净化的河流水体通过入水口1进入首处理单元2的第一净化室7，依次通过第一净化室7内的顶层基质12、主层基质13、辅层基质14和底层基质15后进入输水管道16，在水压力的作用下再依次通过第二净化室8的底层基质15、辅层基质14、主层基质13和顶层基质12后通过过水口9流入中间处理单元3和尾处理单元4，水流在中间处理单元3和尾处理单元4的方向与首处理单元2相同，之后从出水口5流出进入储水箱6。
净化室隔墙18靠出水一侧设置反冲洗管22，反冲洗管22管口高于净化室隔墙18顶400mm；反冲洗管22内设置曝气管23，曝气管23底端为横向管。
植物11种植于各处理单元的顶层基质12层，植物11采用黄菖蒲和马蹄莲混合栽培，株距为150mm；植物11之上设置滤光材料21，滤光材料21采用支架20支撑，支架20放置到池壁19上，滤光材料21具有光转化功能，将太阳光红光和蓝光以外的光转化为红光和蓝光，转化后红蓝光按8:1组合作为植物生长的光源。
顶层基质12的厚度为100mm，主层基质13的厚度为400mm，辅层基质14的厚度为250mm，底层基质15的厚度为80mm。
首处理单元2的顶层基质12采用粗砂，主层基质13采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.12，辅层基质14采用粒径8-15mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.08；底层基质15采用粒径为15-25mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.11。
中间处理单元3的顶层基质12采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:3.5；主层基质13采用粒径为5-10mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.10；辅层基质14采用粒径5-10mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.06；底层基质15采用粒径为10-20mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.10。
尾处理单元4的顶层基质12采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:1.6；主层基质13采用粒径为3-8mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.12；辅层基质14采用粒径3-8mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.08；底层基质15采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:0.12。
污泥生物炭为净水厂的污泥和秸秆混合均匀造粒后热解制备，秸秆采用玉米秸秆粉碎后经过风选后的秸秆皮，秸秆皮的粒径小于1.0mm；净水厂的污泥晾晒含水率至35％，按污泥：秸秆＝1:0.1比例混合进行造粒；造粒后的污泥颗粒晾晒至含水量低于5％，在升温速率为12℃/min加热至650℃的条件下热解2.5小时。木质生物炭为树枝、树根和木材废料的一种或多种混合粉碎热解制备，粉碎粒径为6-12mm，升温速率为12℃/min加热至温度为600℃的条件下热解2.5小时。
过水口9高为0.25m，宽为0.9m，间距为2.2m；过滤板10为多孔板，孔径为4mm，孔间距为1mm；入水口1高为0.25m，宽为1.1m，出水口5尺寸为高0.4m和宽为0.9m，入水口1和出水口5设置的间距均为2.3m；入水口1高于出水口5的底标高75mm，过水口9底边低于入水口1的底边150mm。
输水管道16放置于人工湿地底板之上，管径为150mm，间距为300mm；输水管道16采用多孔材质，壁厚为40mm；输水管道16管壁的孔径为7mm，孔间距为4mm；反冲洗管22底部设置连接管，连接管与输水管道16相连接，反冲洗管22与输水管道16相连通，反冲洗管22直径为250mm；曝气管23底端的横向管为可伸缩收拢和横向打开管，曝气管23管径为120mm。
各处理单元进行反冲洗时，将高压泵吸水一端接入储水箱6，高压泵另一端与反冲洗管22相连接，首处理单元2在系统运行40天后进行反冲洗一次，中间处理单元3在系统运行60天后进行反冲洗一次，尾处理单元4在系统运行90天后进行反冲洗一次，每次反冲洗持续时间25分钟。曝气管23外接曝气机，每隔2.5小时曝气一次，每次曝气15分钟。
湖泊水体整体水质各指标情况为：NH4 +-N浓度3.1±0.52mg/L，TN浓度为9.95±0.79mg/L，TP浓度为0.56±0.16mg/L，NO3 --N的浓度为5.71±0.91mg/L；设备运行7天后，NH4 +-N浓度0.43±0.12mg/L，TN浓度为1.03±0.21mg/L，TP浓度为0.10±0.04mg/L，NO3 --N的浓度为1.11±0.33mg/L；NH4 +-N、TN、TP和NO3 --N的去除率均超过80％，效果明显。
上述实施例能够实现城市污水厂尾水、河流以及湖泊等低污染水的深度处理，有效利用低污染水中的氮磷作为植物营养物质；采用多级处理垂直流方式，充分利用湿地基质，提高净化效率；采用光转化强化，提高植物对污染物的吸收；采用充氧曝气，提高处理低污染水中的溶解氧含量；运行过程，实现人工湿地系统稳定的水质净化；上述实施例净化效率和净化率均较高，经济效益、社会效益和环境效益显著。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明，仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (21)
1.一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：它包括沿水流输送方向依次设置的多个处理单元，所述处理单元包括首处理单元(2)、中间处理单元(3)和尾处理单元(4)，所述首处理单元(2)与中间处理单元(3)之间以及中间处理单元(3)与尾处理单元(4)之间均设置有单元隔板(17)，所述首处理单元(2)与入水口(1)相连，所述尾处理单元(4)与出水口(5)相连，所述单元隔板(17)上开设有过水口(9)，每个处理单元均包括多个净化室，相邻净化室之间设置有净化室隔墙(18)，每个净化室均包括从上到下依次设置的顶层基质(12)、主层基质(13)、辅层基质(14)和底层基质(15)，每个处理单元的底层基质(15)下方均设置输水管道(16)。
2.根据权利要求1所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述首处理单元(2)内的顶层基质(12)采用粗砂，主层基质(13)采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.20)，辅层基质(14)采用粒径8-15mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.12)，底层基质(15)采用粒径为15-25mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.20)。
3.根据权利要求1所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述中间处理单元(3)内的顶层基质(12)采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:(2.5-5.0)，主层基质(13)采用粒径为5-10mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.15)，辅层基质(14)采用粒径5-10mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.02-0.1)，底层基质(15)采用粒径为10-20mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.15)。
4.根据权利要求1所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述尾处理单元(4)内的顶层基质(12)采用中砂和粗砂，混合质量比例为1:(1.2-2.0)，主层基质(13)采用粒径为3-8mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.16)，辅层基质(14)采用粒径3-8mm的碎石和木质生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.05-0.12)，底层基质(15)采用粒径为8-15mm的碎石和污泥生物炭的混合物，混合质量比例为1:(0.08-0.16)。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述污泥生物炭通过净水厂的污泥和秸秆混合均匀造粒后热解制备，秸秆采用玉米秸秆粉碎后经过风选后的秸秆皮，秸秆皮的粒径小于1.0mm，净水厂的污泥晾晒含水率至25-45％，按污泥：秸秆＝1:(0.05-0.15)的比例混合进行造粒，造粒后的污泥颗粒晾晒至含水量低于5％，在升温速率为10-15℃/min和加热温度为550-750℃的条件下热解2-3小时。
6.根据权利要求2-4任意一项所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述木质生物炭为树枝、树根和木材废料中的一种或多种混合粉碎后热解制备，粉碎粒径为6-12mm，在升温速率为10-15℃/min，加热温度为500-700℃条件下热解2-3小时。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述顶层基质(12)的厚度为50-150mm，所述主层基质(13)的厚度为300-500mm，所述辅层基质(14)的厚度为200-300mm，所述底层基质(15)厚度为50-100mm。
8.根据权利要求1所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述顶层基质(12)上方种植有植物(11)，所述植物(11)采用黄菖蒲和马蹄莲混合栽培，株距为100-200mm。
9.根据权利要求8所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述植物(11)上方设置有滤光材料(21)，所述滤光材料(21)通过支架(20)支撑，所述支架(20)设置在池壁(19)上。
10.根据权利要求9所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述滤光材料(21)具有光转化功能，将红光和蓝光以外的光转化为红光和蓝光，转化后红蓝光按(5-8):1组合作为植物生长的光源。
11.根据权利要求1所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述净化室隔墙(18)靠出水一侧设置有反冲洗管(22)，所述反冲洗管(22)下方与输水管道(16)相连通。
12.根据权利要求11所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述反冲洗管(22)内设置有曝气管(23)，所述曝气管(23)与曝气机相连。
13.根据权利要求12所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述曝气管(23)底端为横向管，所述横向管设置在输水管道(16)内，所述横向管为可伸缩式结构。
14.根据权利要求13所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述反冲洗管(22)直径为200-300mm，所述反冲洗管(22)管口高于净化室隔墙(18)顶300-500mm，所述曝气管(23)管径为100-150mm。
15.根据权利要求1所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述输水管道(16)采用多孔材质。
16.根据权利要求15所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述输水管道(16)放置于底板上，所述输水管道(16)管径为100-200mm，间距为200-400mm，壁厚为30-50mm，管壁的孔径为5-10mm，孔间距为3-5mm。
17.根据权利要求1所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述过水口(9)上设置过滤板(10)，所述过滤板(10)为多孔板，孔径为2-5mm，孔间距为1-2mm。
18.根据权利要求1所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述入水口(1)高为0.2-0.3m，宽为0.7-1.5m，所述出水口(5)高为0.3-0.4m，宽为0.6-1.2m，所述入水口(1)和出水口(5)设置的间距均为1.5-3.0m，所述过水口(9)高为0.2-0.3m，宽为0.6-1.2m，间距为1.5-3.0m，所述入水口(1)高于出水口(5)的底标高50-100mm，所述过水口(9)底边低于入水口(1)的底边100-200mm。
19.根据权利要求1所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置，其特征在于：所述每个处理单元均包括两个净化室，分别为第一净化室(7)和第二净化室(8)，所述出水口(5)下方设置有储水箱(6)，所述中间处理单元(3)的数量为一个或多个。
20.一种如权利要求1-19任意一项所述的多级人工湿地低污染水深度净化装置的运行方法，其特征在于：需净化的水进入首处理单元(2)的第一净化室(7)，依次通过第一净化室(7)内的顶层基质(12)、主层基质(13)、辅层基质(14)和底层基质(15)后进入输水管道(16)，在水压力的作用下再依次通过第二净化室(8)的底层基质(15)、辅层基质(14)、主层基质(13)和顶层基质(12)后通过过水口(9)流入中间处理单元(3)和尾处理单元(4)，水流在中间处理单元(3)和尾处理单元(4)的方向与首处理单元(2)相同。
21.根据权利要求20所述的一种多级人工湿地低污染水深度净化装置的运行方法，其特征在于：所述运行方法包括间歇流运行方法和连续流运行方法两种，所述间歇流运行方法中间处理单元(3)的数量为1-3个，首处理单元(2)的宽度为2.0-4.0m，中间处理单元(3)的宽度为3.0-6.0m，尾处理单元(4)的宽度为3.0-6.0m，水力停留时间为2-3天；所述连续流运行方法中间处理单元(3)的数量为4-6个，首处理单元(2)的宽度为10.0-20.0m，中间处理单元(3)的宽度为20.0-30.0m，尾处理单元(4)的宽度为10.0-30.0m；所述宽度为水流方向的长度。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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