CN103864216A - 波式潜流人工湿地景观水体处理系统及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波式潜流人工湿地景观水体处理系统及其处理方法，该系统将水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地相结合，构成一种波式潜流人工湿地。通过在湿地内部有规则地设置上、下隔板，以波形流态取代水平流态，使污水形成若干个串联的上下行流交替的水流方式，使有机营养物质得到充分降解并显著地促进磷的沉积；污水反复进行厌氧-好氧过程，有利于氮的去除；在湿地填料中加入适量的石灰石，释放出Ca²⁺使污水磷素生成不溶性磷酸钙盐的沉积，从而提高磷的去除率。本发明采取间歇布水、底部开孔布水管进水、多个波式潜流人工湿地串联或并联运行的方式，使人工湿地床体发挥更大效率，提高了对氮、磷和有机物的去除率，增强了污水处理能力。

Description

波式潜流人工湿地景观水体处理系统及其处理方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种用于处理景观水体的波式潜流人工湿地污水处理系统及其处理方法。

背景技术

景观水体多为静止或流动性差的封闭缓流水体，这就意味着其易受污染，自净能力差，而且水环境容量较低。景观水体一般都在人群密集区，由于居民的不良习惯和周边污染物的注入，使景观水体污染严重，极易发生富营养化，严重影响其景观功能。人工湿地作为一种处理费用和基建费用低的环境友好型污水处理技术，它利用系统中基质－水生植物－微生物的物理、化学、生物三重协同作用，通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解对污水进行高效净化。与传统的二级处理技术相比，人工湿地具有建设运行费用低，耗能少，出水水质好，运行维护方便，系统配置可塑性强，对负荷变化适应性强，有较高的氮、磷去除能力以及生态环境效益显著并可美化环境，实现废水资源化等特点。其应用受到越来越多的重视。

经对现有技术的文献检索发现，已有的处理景观水体的人工湿地污水处理方法，如CN201110370614.5是一种复合水平潜流人工湿地处理污水的系统及处理方法，所述系统的主要处理单元包括两级串联的第一级水平潜流湿地处理单元和第二级水平折流湿地处理单元，所述第一级水平潜流湿地处理单元设置有垂直流的硝化带，污水经初沉池去除大部分砂粒和悬浮颗粒物质后自流进入硝化带，然后利用第一级水平潜流人工湿地和第二级水平折流湿地处理单元完成最终处理去除功能，该系统具有处理成本低、占地面积小、脱氮除磷效果较好等优点，但是结构较为复杂，未将水平潜流人工湿地与垂直潜流人工湿地的优点充分结合；CN201010255219.8公开了一种富营养化水体的景观型复合人工湿地处理装置及应用，该发明中的复合人工湿地将表面流和水平潜流人工湿地在一个平面基础上进行了垂直复合、上下叠加串联，具有占地面积小、处理效率高、建设成本低、不易堵塞、运行稳定性好、景观效果佳等优点，但是表面流人工湿地存在易滋生蚊蝇、硝化能力不高的缺点，水平潜流人工湿地硝化能力也较差；CN201020126627.9将水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地和表面流人工湿地有机结合组成复合湿地单元，具有净化效果好、结构较简单、不易出现堵塞、维护方便等特点。现有技术主要是利用表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地及其不同形式的组合，表面流人工湿地和水平潜流人工湿地中污水水平流动，导致其脱氮除磷效果不如垂直潜流人工湿地，垂直潜流人工湿地固然脱氮除磷效果好，但其落干、淹水的时间较长，导致对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点与不足，提供一种波式潜流人工湿地的景观水体处理系统及其处理方法。

本发明将水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地二者结合起来，成为一种新型潜流湿地—波式潜流人工湿地。通过在湿地内部有规则地设置上、下隔板对传统水平潜流湿地的水流条件加以改进，以波形流态取代水平流态，使污水形成若干个串联的上下行流交替的水流方式，多次经过湿地内部具有不同处理特性的填料，与湿地系统中层、下层的微生物和基质充分接触，增加污水在湿地内部的水力停留时间，同时水流的上下运动，更多地将溶解氧带入中层、下层，使得有机营养物质得到充分降解并显著地促进磷的沉积，另外，污水反复上下交替使污水反复进行厌氧-好氧过程，是典型的A/O工艺，有利于氮的去除。同时在湿地床体填料中加入适量的石灰石，释放出Ca²⁺使污水磷素能够生成不溶性磷酸钙盐的沉积，从而提高磷的去除率。此外，采取间歇布水、底部开孔布水管进水、多个波式潜流人工湿地串联或并联运行的方式，使波式潜流人工湿地床体发挥更大效率，提高对氮、磷和有机物的去除率，从而达到增强污水处理的目的。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种波式潜流人工湿地景观水体处理系统，包括水泵、调节池、进水管、出水管和人工湿地，其特征在于，所述水泵（1）的出水端连接有调节池（2），调节池（2）分别通过进水管A（6）、进水管B（8）及进水管C（10）与波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）相连接，波式潜流人工湿地的出水管A（7）、出水管B（9）、出水管C（11）汇总到跌水出水口（12）；

所述波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）的结构特征完全相同，波式潜流人工湿地的进水管A（6）、进水管B（8）及进水管C（10）的端口分别横向设置有布水管A（13）、布水管B（14）和布水管C（15）；布水管A（13）管壁的下方设置有两排布水孔（30），布水孔（30）与布水管A（13）的截面圆心水平线成45°交错排列，布水管A（13）中间位置的布水孔直径最大，其它布水孔的直径由中间向两端依次减小，每排的每两个布水孔（30）的中心距为100mm；

波式潜流人工湿地A（3）内设置有下隔板A（25）、上隔板A（26）及下隔板B（27）、上隔板B（28），将波式潜流人工湿地A（3）分割为5部分，每两隔板之间设置有填料（31），填料（31）的上面种植有植物（32）；波式潜流人工湿地A（3）靠近出水管A（7）的一侧设置有出水堰（29），出水堰（29）与波式潜流人工湿地A（3）的池壁之间构成出水池（33）；出水堰（29）的堰顶距离湿地床体顶端即距离池壁顶端30cm；上隔板A（26）与上隔板B（28）的顶部与湿地床体顶端齐平，其下部距离湿地底部15cm；下隔板A（25）与下隔板B（27）距离湿地床体顶端30cm；

该处理系统通过阀门A（16）、阀门B（17）、阀门C（18）、阀门D（19）、阀门E（20）、阀门F（21）、阀门G（22）、阀门H（23）和阀门I（24）控制进水、出水的流量；

当阀门H（23）和阀门Ｉ（24）关闭，其余阀门全部开启时，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）并联运行；当关闭阀门D（19）、阀门E（20）、阀门G（22），其余阀门全部开启时，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）并联后再与波式潜流人工湿地C（5）串联运行。

所述调节池（2）设置有曝气、增氧及去除异味的装置。

所述调节池（2）为8×8×1.5m的钢筋混凝土结构。

所述波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）均为15×15×1.5m的钢筋混凝土结构。

所述调节池（2）中最低水位高于波式潜流人工湿地0.1m。

所述填料（31）的底部为承托层，承托层设置有粒径为7-8cm的大粒径砾石，填装高度为40cm；承托层的上面为主填料层，主填料层设置有页岩和石灰石，粒径为2.5-3.5cm，填充高度为60cm，页岩与石灰石体积比为7:3，二者均匀混合；为防止管道堵塞，在页岩上面填充高度为20cm的大粒径砾石；

所述出水池（33）的尺寸为长1m、宽15m、高1.5m。

所述布水孔（30）的直径，在布水管A（13）中间位置的为12mm，由中间位置向两端依次减小至9mm。

所述的波式潜流人工湿地景观水体处理系统的处理方法，步骤如下：

（1）经过水泵（1）将河道中被污染的河水提升进入调节池（2），调节水质与水量，同时在调节池（2）中进行曝气、增氧并去除异味；

（2）经过调节池（2）处理后的河水，通过进水管A（6）、进水管B（8）、进水管C（10），再通过布水管A（13）、布水管B（14）、布水管C（15）分别自流进入波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）；当处理水量较多时，在保证出水水质的前提下，阀门H（23）和阀门Ｉ（24）关闭，其余阀门全部开启，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）并联运行；当进水水质变差时，关闭阀门D（19）、阀门E（20）、阀门G（22），其余阀门全部开启，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）并联后再与波式潜流人工湿地C（5）串联运行；

（3）污水通过波式潜流人工湿地的上隔板、下隔板形成若干个串联的上下行流交替的水流方式，多次经过湿地内部具有不同处理特性的填料（31），与人工湿地系统中、下层的微生物和填料充分接触，增加污水在湿地内部的水力停留时间，同时水流的上下运动，更多地将溶解氧带入中、下层，使得有机营养物质得到充分降解并显著地促进磷的沉积；由于污水反复上下交替使污水反复进行厌氧-好氧过程，是典型的A/O工艺，有利于氮的去除；再由于填料中加入石灰石，释放出Ca²⁺使污水磷素能够生成不溶性磷酸钙盐的沉积，从而提高磷的去除率；该波式潜流人工湿地景观水体处理系统采用间歇布水方式，使系统处于淹水、落干交替状态，以保证微生物获得充足的氧气，从而提高氮的去除率。

（4）出水池（33）采用出水堰（29）淹没出流方式，经系统处理后的河水由跌水出水口（12）回流入河道。

本发明与现有技术相比较，具有如下优点：

1.波式潜流人工湿地内部污水呈包括水平流、上行流和下行流在内的混合流态，同时在湿地床体填料中加入适量的石灰石和采取间歇布水的方式，使处理系统具有更高的氮、磷和有机物去除率。

2.波式潜流人工湿地床体内部设置上隔板、下隔板，使水流在流动过程中不易“短路”，增强不同水深污水的混合程度。

3.波式潜流人工湿地进水端采用底部开孔布水管进水、出水端采用堰淹没出流，使得湿地布水均匀、水力条件较好。

4.与水平潜流人工湿地相比，波式潜流人工湿地的耐冲击负荷能力更大，出水更平稳。

5.波式潜流人工湿地集水平潜流人工湿地与垂直潜流人工湿地的优点于一身，结构简单、占地面积小、降低了建造、运行、维护及管理费用。

附图说明

图1为本发明的波式潜流人工湿地景观水体处理系统结构示意图；

图2为本发明的波式潜流人工湿地平面结构图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为本发明的波式潜流人工湿地布水管平面结构图；

图5为图4的B-B剖视图。

本发明附图标记如下：

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述具体实施例。

具体实施例以北方某城市开发区内的景观水体为处理对象，实施本发明。

该波式潜流人工湿地污水处理系统，在水泵（1）的出水端连接有调节池（2），调节池（2）分别通过进水管A（6）、进水管B（8）及进水管C（10）与波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）相连接，波式潜流人工湿地的出水管A（7）、出水管B（9）、出水管C（11）汇总到跌水出水口（12）；所述调节池（2）设置有曝气、增氧及去除异味的装置，调节池为8×8×1.5m的钢筋混凝土结构，其最低水位高于波式潜流人工湿地0.1m；出水管A（7）、出水管B（9）及出水管C（11）为直径200mm的PVC管；

所述人工湿地A（3）、人工湿地B（4）和人工湿地C（5）的结构特征完全相同，均为15×15×1.5m的钢筋混凝土结构；人工湿地的进水管A（6）、进水管B（8）及进水管C（10）的端口分别横向设置有布水管A（13）、布水管B（14）和布水管C（15）；布水管A（13）管壁的下方设置有两排布水孔（30），布水孔（30）与布水管A（13）的截面圆心水平线成45°交错排列，布水管A（13）中间位置的布水孔直径最大，为12mm，其它布水孔的直径由中间向两端依次减小，两端布水孔直径最小，为9mm，每排的每两个布水孔（30）的中心距为100mm；

波式潜流人工湿地A（3）内设置有下隔板A（25）、上隔板A（26）及下隔板B（27）、上隔板B（28），将波式潜流人工湿地A（3）分割为5部分，每部分长2.8m，每两隔板之间设置有填料（31），填料（31）的上面种植有植物（32）；所述填料（31）的底部为承托层，承托层设置有粒径为7-8cm的大粒径砾石，填装高度为40cm；承托层的上面为主填料层，主填料层设置有页岩和石灰石，粒径为2.5-3.5cm，填充高度为60cm，页岩与石灰石体积比为7:3，二者均匀混合；为防止管道堵塞，在页岩上面填充高度为20cm的大粒径砾石；

波式潜流人工湿地A（3）靠近出水管A（7）的一侧设置有出水堰（29），出水堰（29）与人工湿地A（3）的池壁之间构成出水池（33），出水池（33）的尺寸为长1m、宽15m、高1.5m；出水堰（29）的堰顶距离湿地床体顶端即距离池壁顶端30cm；上隔板A（26）与上隔板B（28）的顶部与湿地床体顶端齐平，其下部距离湿地底部15cm；下隔板A（25）与下隔板B（27）距离湿地床体顶端30cm；

该处理系统通过阀门A（16）、阀门B（17）、阀门C（18）、阀门D（19）、阀门E（20）、阀门F（21）、阀门G（22）、阀门H（23）和阀门I（24）控制进水、出水的流量；

当阀门H（23）和阀门Ｉ（24）关闭，其余阀门全部开启时，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）并联运行；当关闭阀门D（19）、阀门E（20）、阀门G（22），其余阀门全部开启时，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）并联后再与波式潜流人工湿地C（5）串联运行。

该波式潜流人工湿地污水处理系统的处理方法，步骤如下：

经过水泵（1）将河道中被污染的河水提升进入调节池（2），调节水质与水量，同时在调节池（2）中进行曝气、增氧并去除异味；

经过调节池（2）处理后的河水，通过进水管A（6）、进水管B（8）、进水管C（10），再通过布水管A（13）、布水管B（14）、布水管C（15）分别自流进入波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）；当处理水量较多时，在保证出水水质的前提下，阀门H（23）和阀门Ｉ（24）关闭，其余阀门全部开启，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）并联运行；当进水水质变差时，关闭阀门D（19）、阀门E（20）、阀门G（22），其余阀门全部开启，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）并联后再与波式潜流人工湿地C（5）串联运行；

污水通过波式潜流人工湿地的上隔板、下隔板形成若干个串联的上下行流交替的水流方式，多次经过湿地内部具有不同处理特性的填料（31）的构造层，与人工湿地系统中、下层的微生物和填料充分接触，增加污水在湿地内部的水力停留时间，同时水流的上下运动，更多地将溶解氧带入中、下层，使有机营养物质得到充分降解并显著地促进磷的沉积；由于污水反复上下交替使污水反复进行厌氧-好氧过程，是典型的A/O工艺，有利于氮的去除；再由于填料中加入石灰石，释放出Ca²⁺使污水磷素能够生成不溶性磷酸钙盐的沉积，从而提高磷的去除率；

该波式潜流人工湿地景观水体处理系统采用间歇布水方式，使系统处于淹水、落干交替状态，以保证微生物获得充足的氧气，从而提高氮的去除率。

波式潜流人工湿地A（3）种植黑山棱，种植密度为10株/m²，波式潜流人工湿地B（4）与波式潜流人工湿地C（5）分别种植黄花鸢尾和香蒲，种植密度为15株/m²，这三种植物适合该市的气候条件，对氮、磷等污染物吸收能力较强，耐水浸泡且抗污能力强，根系发达、生长周期长、生物产量大。

出水池（33）采用出水堰（29）淹没出流方式，经系统处理后的河水由跌水出水口（12）回流入河道。

方便进行取样检测，需在人工湿地的池壁上进行打孔、取样。

该实施例的处理水量为平均500m³/d，进水水质情况详见表1。通过实际运行，经系统处理后的水体中TN、TP、COD的平均出水浓度分别为1.48mg/L、0.25mg/L、31mg/L，同时在表观上无漂浮物、无令人不愉快的嗅和味，达到了《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类水质标准。说明了利用该系统修复景观水体水质是可行的。

表1

Claims (9)

1.一种波式潜流人工湿地景观水体处理系统，包括水泵、调节池、进水管、出水管和人工湿地，其特征在于，所述水泵（1）的出水端连接有调节池（2），调节池（2）分别通过进水管A（6）、进水管B（8）及进水管C（10）与波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）相连接，波式潜流人工湿地的出水管A（7）、出水管B（9）、出水管C（11）汇总到跌水出水口（12）； 

所述波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）的结构特征完全相同，波式潜流人工湿地的进水管A（6）、进水管B（8）及进水管C（10）的端口分别横向设置有布水管A（13）、布水管B（14）和布水管C（15）；布水管A（13）管壁的下方设置有两排布水孔（30），布水孔（30）与布水管A（13）的截面圆心水平线成45°交错排列，布水管A（13）中间位置的布水孔直径最大，其它布水孔的直径由中间向两端依次减小，每排的每两个布水孔（30）的中心距为100mm； 

波式潜流人工湿地A（3）内设置有下隔板A（25）、上隔板A（26）及下隔板B（27）、上隔板B（28），将波式潜流人工湿地A（3）分割为5部分，每两隔板之间设置有填料（31），填料（31）的上面种植有植物（32）；波式潜流人工湿地A（3）靠近出水管A（7）的一侧设置有出水堰（29），出水堰（29）与波式潜流人工湿地A（3）的池壁之间构成出水池（33）；出水堰（29）的堰顶距离湿地床体顶端即距离池壁顶端30cm；上隔板A（26）与上隔板B（28）的顶部与湿地床体顶端齐平，其下部距离湿地底部15cm；下隔板A（25）与下隔板B（27）距离湿地床体顶端30cm； 

该处理系统通过阀门A（16）、阀门B（17）、阀门C（18）、阀门D（19）、阀门E（20）、阀门F（21）、阀门G（22）、阀门H（23）和阀门I（24）控制进水、出水的流量； 

当阀门H（23）和阀门Ｉ（24）关闭，其余阀门全部开启时，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）并联运行；当关闭阀门D（19）、阀门E（20）、阀门G（22），其余阀门全部开启时，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）并联后再与波式潜流人工湿地C（5）串联运行。 

2.根据权利要求1所述的波式潜流人工湿地景观水体处理系统，其特征在于，所述调节池（2）设置有曝气、增氧及去除异味的装置。 

3.根据权利要求1所述的波式潜流人工湿地景观水体处理系统，其特征在于，所述调节池（2）为8×8×1.5m的钢筋混凝土结构。 

4.根据权利要求1所述的波式潜流人工湿地景观水体处理系统，其特征在于，所述波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）均为15×15×1.5m的钢筋混凝土结构。 

5.根据权利要求1所述的波式潜流人工湿地景观水体处理系统，其特征在于，所述调节 池（2）中最低水位高于波式潜流人工湿地0.1m。 

6.根据权利要求1所述的波式潜流人工湿地景观水体处理系统，其特征在于，所述填料（31）的底部为承托层，承托层设置有粒径为7-8cm的大粒径砾石，填装高度为40cm；承托层的上面为主填料层，主填料层设置有页岩和石灰石，粒径为2.5-3.5cm，填充高度为60cm，页岩与石灰石体积比为7:3，二者均匀混合；为防止管道堵塞，在页岩上面填充高度为20cm的大粒径砾石。

7.根据权利要求1所述的波式潜流人工湿地景观水体处理系统，其特征在于，所述出水池（33）的尺寸为长1m、宽15m、高1.5m。 

8.根据权利要求1所述的波式潜流人工湿地景观水体处理系统，其特征在于，所述布水孔（30）的直径，在布水管A（13）中间位置的为12mm，由中间位置向两端依次减小至9mm。 

9.权利要求1所述的波式潜流人工湿地景观水体处理系统的处理方法，步骤如下： 

（1）经过水泵（1）将河道中被污染的河水提升进入调节池（2），调节水质与水量，同时在调节池（2）中进行曝气、增氧并去除异味； 

（2）经过调节池（2）处理后的河水，通过进水管A（6）、进水管B（8）、进水管C（10），再通过布水管A（13）、布水管B（14）、布水管C（15）分别自流进入波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）；当处理水量较多时，在保证出水水质的前提下，阀门H（23）和阀门Ｉ（24）关闭，其余阀门全部开启，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）和波式潜流人工湿地C（5）并联运行；当进水水质变差时，关闭阀门D（19）、阀门E（20）、阀门G（22），其余阀门全部开启，波式潜流人工湿地A（3）、波式潜流人工湿地B（4）并联后再与波式潜流人工湿地C（5）串联运行； 

（3）污水通过波式潜流人工湿地的上隔板、下隔板形成若干个串联的上下行流交替的水流方式，多次经过湿地内部具有不同处理特性的填料（31），与人工湿地系统中、下层的微生物和填料充分接触，增加污水在湿地内部的水力停留时间，同时水流的上下运动，更多地将溶解氧带入中、下层，使得有机营养物质得到充分降解并显著地促进磷的沉积；由于污水反复上下交替使污水反复进行厌氧-好氧过程，是典型的A/O工艺，有利于氮的去除；再由于填料中加入石灰石，释放出Ca²⁺使污水磷素能够生成不溶性磷酸钙盐的沉积，从而提高磷的去除率；该波式潜流人工湿地景观水体处理系统采用间歇布水方式，使系统处于淹水、落干交替状态，以保证微生物获得充足的氧气，从而提高氮的去除率。 

（4）出水池（33）采用出水堰（29）淹没出流方式，经系统处理后的河水由跌水出水口（12）回流入河道。 

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