CN215454411U - 一种可持续人造土壤生态系统 - Google Patents

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本发明公开一种可持续人造土壤生态系统。可持续人造土壤生态系统含有前处理系统和人造土壤系统;人造土壤系统包括布水管、导气管和主排水管,以及从上到下依次排列的种植土层、粗砂层、保水层、换气层、填料层和承托层;布水管设置在种植土层的上方;前处理系统和人造土壤系统连接,其用于去除进入人造土壤系统的污水中的杂质,同时还为所述布水管提供水源;导气管与所述换气层连接;主排水管与承托层连接,用于将蓄积在所述人造土壤系统内的水排出。本实用新型提供的可持续人造土壤生态系统适用于沙漠、干旱地带,土壤缺失或种植土肥力不足的环境,可实现污水资源化处理和形成可持续土壤系统的双重目的。

Description

一种可持续人造土壤生态系统
技术领域
本实用新型属于水处理和土壤生态系统领域,具体涉及一种可持续人造土壤生态系统。
背景技术
目前的人造土壤采用的是无机物质(如珍珠岩、陶粒、火山石砂、建筑废料等)、有机物质(如有机肥、泥碳等)和粘结剂(如水泥、高岭土、膨润土等)制备而成的。与天然土壤团粒相比,具有比表面积不大,吸附能力和保水能力较差等缺点。同时还需要额外加入土壤微生物菌种进行驯化和肥料的补充,增加了应用上的复制性和不确定性,不具备可持续性,也不具备污水资源化处理的功能。
发明内容
本实用新型提供一种可持续人造土壤生态系统,其含有前处理系统和人造土壤系统;
所述人造土壤系统包括布水管、导气管和主排水管,以及从上到下依次排列的种植土层、粗砂层、保水层、换气层、填料层和承托层;
所述布水管设置在种植土层的上方;
所述前处理系统和人造土壤系统连接,其用于去除进入所述人造土壤系统的污水中的杂质,同时还为所述布水管提供水源;
所述导气管与所述换气层连接;
所述主排水管与承托层连接,用于将蓄积在所述人造土壤系统内的水排出。
根据本实用新型的实施方案,所述进入人造土壤系统内的污水中的杂质包括无机和/或有机颗粒物等。
根据本实用新型的实施方案,所述前处理系统可以包括格栅、混凝沉淀池和/或复合水解池。通过物理方法去除污水中含有的大量的无机和/或有机颗粒等杂物,避免将污水直接投配到所述人造土壤系统上造成的表层堵塞、落干时间增加、水力负荷降低等问题,还可以延长人造土壤系统的使用寿命,实现可持续性,对污水中的颗粒物进行把关处理,降低污染物负荷人造土壤系统。
根据本实用新型的实施方案,所述污水可以来源于生活污水和/或表面径流。本领域技术人员可以根据污水的来源,选择前处理系统所需的处理池。
根据本实用新型的实施方案,所述前处理系统与布水管通过管路连接。优选地,在所述连接管路上设置阀门,以控制进入布水管中的水量。
根据本实用新型的实施方案,所述布水管的管体上设置孔洞,以使由所述前处理系统排出的污水以滴灌方式流入所述人造土壤系统内。滴灌的方式可减少污水中臭气的释放量。
本领域技术人员能够理解,所述布水管的数量、孔洞的数量和相邻孔洞之间的距离可以根据所述人造土壤系统的规格进行调整。
优选地,所述孔洞的数量为若干个(例如为2个、3个、4个、5个、6个、7 个或更多个),各孔洞以相同间隔距离设置在所述布水管上。优选地,所述孔洞的数量以能够在规定时间内供给所述种植土层中的植物所需水量为佳。
优选地,所述布水管的数量可以为1根、2根、3根、4根、5根、6根、7根或更多根;优选地,各根布水管可以串联或者并联。
根据本实用新型的实施方案,所述布水管的材质为PVC(聚氯乙烯)材质。
根据本实用新型的实施方案,所述种植土层、粗砂层、保水层、换气层、填料层和承托层的厚度比为(10-20):(15-30):(10-20):(30-50):(10-20)。
根据本实用新型的实施方案,所述种植土层包括土壤、以及种植在土壤中的耐盐和/或耐高浓度营养(例如氮磷)的植物,所述种植土层用于种植该类特定植物。种植土层厚度无需过厚,以起到降低人造土壤系统内水的蒸发量与减少臭气挥发的作用。
根据本实用新型的实施方案,所述保水层的材质为岩棉材料,优选为保水性能良好的岩棉材料,更优选为农业栽培用岩棉材料。保水层的岩棉材料具有孔隙,起到过滤和保水的功能,特别是在地表蒸发量较大的环境中,能够提高种植土层中植物的抗性。
根据本实用新型的实施方案,所述换气层为带孔的PVC(聚氯乙烯)支撑层。孔的设置可供空气流通、水流缓慢经过、以及植物根系穿透。换气层内无需填充填料,故可以极大地保持空气的流通。
优选地,所述PVC支撑层中孔的孔直径为1-3cm。
本领域技术人员可以根据种植土层中植物的种植密度、污水的富氧情况等,来设计换气层的孔隙率。例如,孔隙率可以为50-80%。
根据本实用新型的实施方案,所述换气层的侧面设置至少两个通气孔,每个通气孔分别连接一根导气管。其中,所述通气孔中,至少一个通气孔作为气体流入孔,至少一个通气孔作为气体流出孔。优选地,所述气体流入孔与气体流出孔设置在相对的位置,以使通入的气体尽可能流通覆盖整个换气层。例如,所述气体可以为空气。
气体流入孔和气体流入导气管,气体流出孔和气体流出导气管,结合人造土壤系统内水流向下流动从而带动空气的流动,无需再额外设置风机,即可为系统提供空气。
根据本实用新型的实施方案,所述填料层含有多孔碳材料,例如所述多孔碳材料为改性或未改性的生物炭、改性或未改性的水焦炭中的至少一种;优选地,所述多孔碳材料为中国专利申请第202011263156.0号所述的改性水焦炭。
根据本实用新型示例性的实施方案,所述填料层由多孔碳材料构成,或者由多孔碳材料、细沙和砾石构成。优选地,所述砾石在所述填料层中的质量百分比不超过5%。砾石起到破环水流通道减缓水流的作用。
填料层中的多孔碳材料具有高比表面积、高孔隙率和优越的吸附性能,用于作为生态系统的土壤基质。
根据本实用新型的实施方案,所述承托层由砾石构成,优选为颗粒较大的砾石,例如颗粒直径5-8cm的砾石。承托层起到承托和汇水的作用。
例如,所述承托层具有坡度,所述坡度随着距离主排水管的距离由远及近而逐渐变缓,所述距离意指承托层在水平面的投影长度。
根据本实用新型的实施方案,所述人造土壤系统还可以包括导流盲管,所述导流盲管设置在所述承托层内,优选设置在所述承托层的中部靠下位置。优选地,所述导流盲管与所述主排水管连接。
根据本实用新型的实施方案,所述主排水管具有两个出口,第一出口连接至出水容器,第二出口通过回流管返回所述人造土壤系统;优选地,所述第二出口通过回流管与布水管连接。回流水继续为种植土层中的植物提供水分。
根据本实用新型的实施方案,所述主排水管和/或回流管上可以设置阀门,以控制水的流量。
根据本实用新型的实施方案,所述承托层的下方可以设置防水结构部,避免地下水或海水倒灌,破坏系统的稳定。
根据本实用新型的实施方案,所述人造土壤系统还包括微生物膜层,所述微生物膜层覆盖和/或穿插在所述人造土壤系统内的各层中,优选覆盖和/或穿插在所述填料层,更优选覆盖和/或穿插在所述填料层内的多孔碳材料。
根据本实用新型的实施方案,所述人造土壤系统还可以包括池体,所述种植土层、粗砂层、保水层、换气层、填料层和承托层自上而下排布在所述池体内。
优选地,所述池体的顶部外延设置溢流装置,将多余污水直接引入溢流装置,防止系统内污水溢出。
根据本实用新型的实施方案,所述可持续人造土壤生态系统还包括培养系统和/或多孔碳材料制备系统,所述培养系统所需的水的来源包括人造土壤系统的出水和和/或多孔碳材料制备系统采出的有机肥营养液。将经过人造土壤系统的出水和有机肥营养液一起再滴灌到培养系统,培养系统主要栽种景观植物。
根据本实用新型的实施方案,所述多孔碳材料制备系统与人造土壤系统和/ 或前处理系统连接,人造土壤系统和/或前处理系统产生的生物质进入多孔碳材料制备系统中,经多孔碳材料制备系统生成多孔碳材料和有机肥。优选地,所述多孔碳材料和有机肥循环进入所述人造土壤系统。
本实用新型的有益效果:
本实用新型提供的可持续人造土壤生态系统适用于沙漠、干旱地带,土壤缺失或种植土肥力不足的环境。该系统包括布水管、导气管和主排水管,以及从上到下依次排列的种植土层、粗砂层、保水层、换气层、填料层和承托层;利用多孔碳材料,尤其是改性(也称活化)水焦炭作为填料层中的人造土壤基质。采用循环人工快渗和绿植生态处理技术结合的方式,利用多孔碳材料的强吸附性能,将污水中的营养物质完全保留在人造土壤系统中。利用保留的营养物质,逐步培养最适的微生物菌群,建立可持续人造土壤生态系统。同时,通过微生物的分解和转化,为植物提供生长所需的养料。水体循环的结构不仅可以对污水进行深度处理,并且可以为植物带来所需的水分,解决干旱环境种植绿化缺水的问题。该系统完全实现碳的固定和回用,最终驯化成具有一定肥力的健康的、可持续的土壤生态系统。
将污水的人工生态处理技术与人造土壤生态系统结合,优选采用生物质处理后活化的水焦炭,既可以满足天然土壤的特性,利用污水中的有机质和氮磷成分,可以迅速建立微生物菌群,通过微生物的转化和活化的水焦炭的吸附作用,将营养存蓄在介质中,最终实现污水资源化处理和形成可持续土壤系统的双重目的。
附图说明
图1为实施例1提供的可持续人造土壤生态系统的结构示意图;
图2为实施例2提供的可持续人造土壤生态系统的结构示意图。
附图标记:1-前处理系统,2-布水管,3-种植土层,4-粗砂层,5-保水层, 6-换气层,7-导气管,8-填料层,9-承托层,10-导流盲管,11-主排水管,12-回流泵,13-回流管,14-人造土壤系统,15-多孔碳材料制备系统,16-培养系统。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本实用新型的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解,下列实施例仅为示例性地说明和解释本实用新型,而不应被解释为对本实用新型保护范围的限制。凡基于本实用新型上述内容所实现的技术均涵盖在本实用新型旨在保护的范围内。
除非另有说明,以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品,或者可以通过已知方法制备。
实施例1
如图1所示的可持续人造土壤生态系统,其包含前处理系统1和人造土壤系统14;人造土壤系统14包括布水管2、导气管7和主排水管11,以及从上到下依次排列的种植土层3、粗砂层4、保水层5、换气层6、填料层8和承托层9;
布水管2设置在种植土层3的上方;
前处理系统1和人造土壤系统14中的布水管2连接,其用于去除进入人造土壤系统的污水中的无机和/或有机颗粒物等杂质,同时还为布水管2提供水源;
导气管7与换气层6连接;
主排水管11与承托层9连接,用于将蓄积在人造土壤系统14内的水排出。
前处理系统包括格栅、混凝沉淀池和/或复合水解池。通过物理方法去除污水中含有的大量的无机和/或有机颗粒等杂物,避免将污水直接投配到所述人造土壤系统上造成的表层堵塞、落干时间增加、水力负荷降低等问题,还可以延长人造土壤系统的使用寿命,实现可持续性,对污水中的颗粒物进行把关处理,降低污染物负荷人造土壤系统。污水可以来源于生活污水和/或表面径流。本领域技术人员可以根据污水的来源,选择前处理系统所需的处理池。
前处理系统1与布水管2的连接管路上设置阀门,以控制进入布水管中的水量。
布水管2的管体上设置孔洞,以使由前处理系统1排出的污水以滴灌方式流入人造土壤系统内。滴灌的方式可减少污水中臭气的释放量。优选为间歇滴灌布水,通过干湿交替的方式为系统富氧。
本领域技术人员能够理解,布水管的数量、孔洞的数量和相邻孔洞之间的距离可以根据人造土壤系统的规格进行调整。
布水管2的材质为PVC(聚氯乙烯)材质。
种植土层3、粗砂层4、保水层5、换气层6、填料层8和承托层9的厚度比为 (10-20):(15-30):(10-20):(30-50):(10-20)。
种植土层3包括土壤和种植在土壤中的耐盐和/或耐高浓度营养(例如氮磷) 的植物,所述种植土层用于种植该类特定植物。种植土层厚度无需过厚,以起到降低人造土壤系统内水的蒸发量与减少臭气挥发的作用。
保水层5的材质为农业栽培用岩棉材料。保水层的岩棉材料具有孔隙,起到过滤和保水的功能,特别是在地表蒸发量较大的环境中,能够提高种植土层中植物的抗性。
换气层6为带孔的PVC(聚氯乙烯)支撑层。孔的设置可供空气流通、水流缓慢经过、以及植物根系穿透。换气层内无需填充填料,故可以极大地保持空气的流通。PVC支撑层中孔的孔直径为1-3cm。
本领域技术人员能够根据种植土层中植物的种植密度、污水的富氧情况等,来设计换气层的孔隙率。
换气层6的侧面设置至少两个通气孔,每个通气孔分别连接一根导气管7。其中,通气孔中,至少一个通气孔作为气体流入孔,至少一个通气孔作为气体流出孔。气体流入孔与气体流出孔设置在相对的位置,以使通入的气体尽可能流通覆盖整个换气层。通入的气体为空气。
气体流入孔和气体流入导气管,气体流出孔和气体流出导气管,结合人造土壤系统内水流向下流动从而带动空气的流动,无需再额外设置风机,即可为系统提供空气。
填料层8含有多孔碳材料,如改性或未改性的生物炭、改性或未改性的水焦炭中的至少一种;优选地,所述多孔碳材料为中国专利申请第202011263156.0 号所述的改性水焦炭。
在一种实施方式中,填料层8仅由多孔碳材料构成;在另一种实施方案中,填料层8由多孔碳材料、细沙和砾石构成。砾石起到破环水流通道减缓水流的作用。
填料层8中的多孔碳材料具有高比表面积、高孔隙率和优越的吸附性能,用于作为生态系统的土壤基质。
承托层9由颗粒直径5-8cm的砾石构成。承托层起到承托和汇水的作用。
人造土壤系统14包括导流盲管10,导流盲管10设置在承托层9的中部靠下位置。导流盲管10与主排水管11连接。
主排水管11具有两个出口,第一出口连接至出水容器(未在图1中标示),第二出口通过回流管13返回人造土壤系统14,通过回流管13与布水管2连接。回流水继续为种植土层中的植物提供水分。
主排水管和/或回流管上设置阀门,以控制水的流量。
在一种实施方式中,承托层9的下方可以根据实际使用环境,设置防水结构部,避免地下水或海水倒灌,破坏系统的稳定。
在一种实施方式中,人造土壤系统14包括微生物膜层,微生物膜层覆盖和/ 或穿插在人造土壤系统14内的各层中,优选覆盖和/或穿插在填料层8,更优选覆盖和/或穿插在填料层14内的多孔碳材料。
人造土壤系统还包括池体,种植土层3、粗砂层4、保水层5、换气层6、填料层8和承托层9自上而下排布在池体内。池体的顶部外延设置溢流装置,将多余污水直接引入溢流装置,防止系统内污水溢出。
上述系统在启动阶段时,向人造土壤系统内加入复合微生物菌剂,延长浸水时间,使得微生物充分复苏和定殖。启动阶段结束后栽种已选取的耐受植物。经过长时间的驯化和培养,土壤基质已经固定了充足的营养,同时也形成了微生物群落,土壤生态系统逐步建立起来。
实施例2
如图2所示的可持续人造土壤生态系统除包括实施例1的前处理系统1和人造土壤系统14外,还包含多孔碳材料制备系统15和培养系统16。培养系统16所需的水的来源包括人造土壤系统14的出水和多孔碳材料制备系统15采出的有机肥营养液。将经过人造土壤系统的出水和有机肥营养液一起再滴灌到培养系统 16,培养系统16主要栽种其他当地景观植物。
种植土层中的植物可以根据当地植物种类,选择具有发达根系,利用植物根系起到松动防堵的作用;生物量或茎秆密度大,生长较为迅速,可最大限度地吸收营养;适合在潮湿的环境中生长,抗逆性强,耐盐,耐高N、P的植物。
培养系统中的植物可以根据当地植物种类,选择具有明显景观效果的多种植物搭配方案。
多孔碳材料制备系统15与人造土壤系统14和/或前处理系统1连接,人造土壤系统14和/或前处理系统1产生的生物质进入多孔碳材料制备系统15中,经多孔碳材料制备系统15生成多孔碳材料和有机肥。多孔碳材料和有机肥循环进入人造土壤系统14。生物质可以来源于系统种植的植物经修剪或者收割的树叶和树枝,以及前处理系统1排出的污泥。
本实用新型提供的可持续人造土壤生态系统采用循环人工快渗和绿植生态处理技术结合的方式,利用多孔碳材料的强吸附性能,将污水中的营养物质完全保留在人造土壤系统中。利用保留的营养物质,逐步培养最适的微生物菌群,建立可持续人造土壤生态系统。同时,通过微生物的分解和转化,为植物提供生长所需的养料。水体循环的结构不仅可以对污水进行深度处理,并且可以为植物带来所需的水分,解决干旱环境种植绿化缺水的问题。该系统完全实现碳的固定和回用,最终驯化成具有一定肥力的健康的、可持续的土壤生态系统。该系统适用于沙漠、干旱地带,土壤缺失或种植土肥力不足的环境。
以上,对本实用新型的实施方式进行了说明。但是,本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可持续人造土壤生态系统,其特征在于,所述可持续人造土壤生态系统含有前处理系统和人造土壤系统;
所述人造土壤系统包括布水管、导气管和主排水管,以及从上到下依次排列的种植土层、粗砂层、保水层、换气层、填料层和承托层;
所述布水管设置在种植土层的上方;
所述前处理系统和人造土壤系统连接,其用于去除进入所述人造土壤系统的污水中的杂质,同时还为所述布水管提供水源;
所述导气管与所述换气层连接;
所述主排水管与承托层连接,用于将蓄积在所述人造土壤系统内的水排出。
2.根据权利要求1所述的可持续人造土壤生态系统,其特征在于,所述前处理系统包括格栅、混凝沉淀池和/或复合水解池,所述前处理系统与布水管通过管路连接。
3.根据权利要求1所述的可持续人造土壤生态系统,其特征在于,所述布水管的管体上设置孔洞,以使由所述前处理系统排出的污水以滴灌方式流入所述人造土壤系统内;所述布水管的材质为聚氯乙烯材质。
4.根据权利要求1所述的可持续人造土壤生态系统,其特征在于,所述种植土层、粗砂层、保水层、换气层、填料层和承托层的厚度比为10-20:15-30:10-20:30-50:10-20。
5.根据权利要求1所述的可持续人造土壤生态系统,其特征在于,所述换气层的侧面设置至少两个通气孔,每个通气孔分别连接一根导气管;
其中,所述通气孔中,至少一个通气孔作为气体流入孔,至少一个通气孔作为气体流出孔。
6.根据权利要求1所述的可持续人造土壤生态系统,其特征在于,所述种植土层包括土壤、以及种植在土壤中的耐盐和/或耐高浓度营养的植物;
所述保水层的材质为岩棉材料;
所述换气层为带孔的聚氯乙烯支撑层;
所述填料层含有多孔碳材料;
所述承托层由砾石构成。
7.根据权利要求6所述的可持续人造土壤生态系统,其特征在于,所述岩棉材料为农业栽培用岩棉材料;所述PVC支撑层中孔的孔直径为1-3cm;
所述填料层由多孔碳材料构成。
8.根据权利要求1所述的可持续人造土壤生态系统,其特征在于,所述承托层具有坡度,所述坡度随着距离主排水管的距离由远及近而逐渐变缓,所述距离意指承托层在水平面的投影长度。
9.根据权利要求1所述的可持续人造土壤生态系统,其特征在于,所述人造土壤系统还包括导流盲管,所述导流盲管设置在所述承托层内;
所述主排水管具有两个出口,第一出口连接至出水容器,第二出口通过回流管返回所述人造土壤系统;
所述承托层的下方设置防水结构部,避免地下水或海水倒灌,破坏系统的稳定;
所述人造土壤系统还包括微生物膜层,所述微生物膜层覆盖和/或穿插在所述人造土壤系统内的各层中;
所述人造土壤系统还包括池体,所述种植土层、粗砂层、保水层、换气层、填料层和承托层自上而下排布在所述池体内。
10.根据权利要求1-9任一项所述的可持续人造土壤生态系统,其特征在于,所述可持续人造土壤生态系统还包括培养系统和/或多孔碳材料制备系统,所述培养系统所需的水的来源包括人造土壤系统的出水和/或多孔碳材料制备系统采出的有机肥营养液;
所述多孔碳材料制备系统与人造土壤系统和/或前处理系统连接,人造土壤系统和/或前处理系统产生的生物质进入多孔碳材料制备系统中,经多孔碳材料制备系统生成多孔碳材料和有机肥,所述多孔碳材料和有机肥循环进入所述人造土壤系统。
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