一種複合人工溼地的製作方法

2023-09-19 10:27:55 1

專利名稱：一種複合人工溼地的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及汙水處理領域，具體涉及一種用於處理城市生活汙水的複合人工溼地。
背景技術：
目前城市汙水複合人工溼地處理裝置主要有水平流與垂直流、垂直流與水平流、垂直流與表面流以及垂直流與垂直流等四種複合人工溼地處理床。
其中，水平流與垂直流複合人工溼地處理床按照水平流在前、垂直流在後的方式串聯起來，水平流床體高80cm，床內一般填充礫石基質，垂直流床體高100cm以上，通常採用較細的基質如砂等作為滲濾介質。汙水先經過水平流床處理後，自流進入垂直流床表層均勻布水，在垂直下滲的過程中得到處理，然後將垂直流床的硝化處理出水回流至水平流床完成反硝化作用。其中，水平流床中種植有泌氧能力的大型挺水植物如蘆葦、香蒲、水蔥、風車草、再力花和菖蒲等。在垂直流床中種植有美人蕉、再力花、月季和香根草等。
垂直流與水平流複合人工溼地處理床是按照垂直流床在前、水平流床在後的方式串聯起來組成的複合系統。垂直流和水平流床體高度和填充基質同前所述，即和水平流與垂直流複合人工溼地處理床相同。汙水先經過垂直流床去除大部分有機物和硝化處理後，自流進入水平流床，同時直接引入一部分未經垂直流床處理的原汙水作為碳源，在水平流床完成反硝化脫氮過程。
垂直流與表面流複合人工溼地處理床是按照垂直流床在前，表面流床在後的方式串聯起來組成的複合系統。表面流床體高約30cm，採用普通土壤為處理介質。汙水在以土壤為介質的表面呈水平流動，並在介質層中種植有泌氧能力的大型挺水植物如蘆葦、茭白、香蒲、再力花、美人蕉、菖蒲、水蔥和野生稻等，利用水生植物的泌氧能力為人工溼地基質上的生物膜分解汙水中的有機物質提供氧氣。汙水先經過垂直流床去除大部分有機質和硝化處理後，自流進入表面流床的前端與部分未經垂直流床處理的汙水(作為碳源)混合，在表面流人工溼地完成反硝化脫氮過程。
垂直流與垂直流複合人工溼地處理床(複合垂直流床)由下行池和上行池組成，兩池中間設有隔牆，底部連通，床體高50-60cm，採用砂石作為處理介質。汙水從下行流經底部通道流向上行流，上行流和下行流上都種有植物，如蘆葦、風車草、美人蕉和香根草等。
這四種現有技術存在的不足之處有水平流與垂直流複合人工溼地處理床雖然能完成一部分氮的硝化與反硝化，但因為水平流供氧條件較差導致硝化效果不是很強，且總氮去除率也不高，僅為30-45％，而且需要將硝化處理出水回流，所以既增加了動力消耗，又隨著回流比的增大減少了汙水處理水量，增加了處理系統佔地面積，同時還降低了磷的去除率；其次，由於水平流人工溼地採用的填充基質大多為石灰石、大理石或白雲石，除磷效果不高，僅為30-50％，從而影響了複合人工溼地的除磷壽命；第三，垂直流人工溼地的耗氧處理能力和硝化能力不能得到完全發揮，佔地面積大。
垂直流與水平流複合人工溼地處理床的主要缺點是佔地面積較大。
垂直流與表面流複合人工溼地處理床，其中表面流設計的時候必須要保障水中有充足的溶解氧以完成NH4+-N的硝化，同時又要使反硝化細菌有適宜的缺氧與好氧交替環境和充足的有機物作為碳源，以保障反硝化脫氮這一表面流人工溼地中主要脫氮途徑的順利進行；垂直流和表面流兩種人工溼地系統各自對生活汙水中磷的去除能力都不是很好，特別是表面流人工溼地較差，而且現行垂直流人工溼地廣泛採用的砂礫石等基質對磷的吸附飽和使用壽命都較短，一般為5-8年。
複合垂直流人工溼地處理床，由於水流採取下行流流向上行流的方式，系統較容易堵塞。另一方面系統整體缺氧，充氧能力低。雖然可以採用間歇式進水從而改善這一狀況，但進水中的溶解氧在下行池即已消耗至很低的水平，不能提供良好的硝化作用環境條件，不能產生大量硝酸鹽作為反硝化作用的底物，使硝化-反硝化途徑不暢通，因此總氮的去除率也不是十分的理想。
實用新型內容(一)要解決的技術問題本實用新型的目的是針對現有技術的不足之處，提出一種汙水處理效果好而且節省佔地面積的複合人工溼地。
(二)技術方案為了達到上述目的，本實用新型的複合人工溼地，包括水平流人工溼地和垂直流人工溼地，其中垂直流人工溼地在上，水平流人工溼地在下串聯組成複合人工溼地；其中，垂直流人工溼地包括床體和布水管，床體包括混合基質層，布水管分布在混合基質層表面以下；垂直流人工溼地的底部連接水平流人工溼地的表層。
上述的複合人工溼地，一種優選的方案是所述布水管分布在垂直流人工溼地混合基質表面以下5-10cm處，其包括與所述床體的縱向一致的若干條布水支管和與布水支管垂直的布水主管，布水主管分布在床體的中間，其長度與床體長度相當，其中一端密封，另一端與汙水進水管連通，布水支管固定連接在布水主管的兩旁，末端密封，布水支管向下部位開有出水孔。
上述的複合人工溼地，一種優選的方案是還包括汙水碳源加入管，呈「」形，一端直接與汙水管連接，並在汙水管上設有閥門水錶，另一端沿著池壁插入混合基質層。
上述的複合人工溼地，一種優選的方案是還包括開設在垂直流人工溼地底部兩側壁的通風管，以及用於控制通風管的空氣對流開關。
上述的複合人工溼地，一種優選的方案是所述水平流人工溼地為長方形，長寬比為2∶1，沿著長度方向分為正方形的前後兩個子床，兩個子床之間設有多孔牆。垂直流人工溼地就是建在前一個子床之上。
上述的複合人工溼地，一種優選的方案是所述混合基質層厚70-100cm，由體積比為4～19∶1的高爐渣和草炭混合物組成。
上述的複合人工溼地，一種優選的方案是所述水平流人工溼地底部填充有礫石層，厚度為10-20cm，其中礫石的直徑為3-5cm，礫石層上填充煤渣基質層，厚度為50-80cm。
上述的複合人工溼地，一種優選的方案是在垂直流人工溼地上種植的植物選自風車草、再力草、美人蕉、香根草、玫瑰、月季、萬壽菊等中的一種或多種；在水平流人工溼地上種植的植物選自美人蕉、再力草、福貴竹、水蕹菜、西洋菜、梨蒿、慈茹等中的一種或多種。
上述的複合人工溼地，一種優選的方案是在當水平流人工溼地的HRT為1-2d時，作為碳源的汙水與垂直流人工溼地硝化出水的適宜比例為1∶3～1∶6之間。
(三)有益效果採用本實用新型的優點有(1)對城市汙水中COD、BOD5、NH4+-N和TN的去除率分別達到75～85％、70～80％、70-90％和50-60％以上，處理出水中COD和BOD5的濃度分別小於60和20mg/L，達到城市汙水處理廠一級排放標準。
(2)對城市汙水中TP(總磷)的去除率達到80-85％以上，處理出水中的TP濃度小於1.0mg/L，達到城市汙水處理廠一級排放標準，並且磷的使用壽命達到10年以上。
(3)在垂直流底部池壁兩邊開了兩個通氣孔，這樣有利於垂直流床上下空氣對流，從而使汙水經過垂直流床時的硝化作用加強，為水平流床的反硝化作用提供了足夠的底物-硝酸鹽態氮。
(4)為了進一步提高總氮的去除效果，將一部分汙水直接加入水平流人工溼地，利用水平流床的缺氧與好氧交替條件和汙水中有機物(BOD)作為碳源，將來自垂直流床處理出水中的硝酸鹽態氮還原成N2O和N2。
(5)將垂直流床疊放在水平流床之上，節省了佔地面積，同時也降低基建投資和處理成本。


圖1為複合人工溼地水平流床結構圖；圖2為垂直流人工溼地結構圖；圖3為水平流人工溼地垂直流床結構圖。
圖中1-沉澱池、2-水泵、3-高位水箱、4-汙水管、5-閥門水錶、6-布水主管、7-布水支管、8-汙水碳源加入管、9-混合基質層、10-多孔牆、11-礫石層、12-煤渣基質層、13-空氣對流開關、14-水平流床出水管、15-水平流床出水集水池具體實施方式
以下結合附圖說明本實用新型。實施例僅用於說明本實用新型，但不限制本實用新型的範圍。
參照圖3，在本實施例中，將水平流床按長度方向分為前後兩個子床，前後兩個子床由多孔牆相通，在前一個子床上建造垂直流床，按照垂直流床在上，水平流床在下和在後的順序組成一體化複合人工溼地處理床，充分利用垂直流床完成對耗氧有機物的大部分去除和對生活汙水的完全硝化，並利用水平流床進一步完成對NH4+-N、COD和BOD5的去除，並通過反硝化作用和水生植物的攝取作用來完成對NO3--N的去除。
然後，在垂直流床中填充高爐渣和草炭混合基質，以達到較高的總磷去除率和較長的磷飽和使用壽命等目的。另一方面，垂直流床底部池壁兩邊各裝一個開關，灌水時關閉，不灌水時打開，以保持垂直流床良好的空氣對流，使垂直流床中有充足的空氣，從而使汙水的硝化作用得到了加強。另外，垂直流床在上，直接與在底部的水平流床相連接，這樣節省了佔地面積。
然後，將部分未經處理的汙水直接引入水平流人工溼地，在水平流人工溼地的缺氧條件下，利用生活汙水中的有機物(BOD)作為碳源而完成反硝化脫氮過程。
可見，本實用新型的複合人工溼地處理床，由於將垂直流人工溼地和水平流人工溼地重疊起來，垂直流人工溼地在上直接連接底部水平流人工溼地，因此城市汙水會首先進入沉澱池去除部分SS後，再經水泵提升至高位水箱，然後自流至垂直流人工溼地均勻布水，經垂直流床體處理後，去除大部分SS(懸浮物)、COD(化學需氧量)、BOD5，並進行廢水的硝化作用，接著流向底部的水平流人工溼地以及後面的水平流人工溼地，利用水平流人工溼地完成對有機物的大部分去除，並通過反硝化作用和水生植物等的吸收完成對氮的大部分去除，其中，反硝化作用需要將沉澱池的部分出水直接引入水平流人工溼地作為碳源。垂直流人工溼地填充高爐渣和草炭混合基質，並單一或混合地種植植物，例如風車草、再力草、美人蕉、香根草、玫瑰、月季、萬壽菊等；而在水平流人工溼地填充煤渣基質，也單一或混合地種植植物，例如美人蕉、再力草、福貴竹、水蕹菜、西洋菜、梨蒿、慈茹等。
在本實用新型中，可以在去除有機物和脫氮的同時完成對廢水中磷的去除，具體做法是在垂直流人工溼地中填充對磷具有很強固定能力的高爐渣和草炭混合基質，由此可以去除廢水中絕大部分磷；並在水平流人工溼地中填充的煤渣基質，由此可以去除大部分剩餘的磷；此外，垂直流人工溼地中種植的風車草和美人蕉等植物的攝取作用可去除廢水中的部分磷。
具體實施時，參照圖1、圖2和圖3，本實用新型的複合人工溼地由沉澱池、垂直流人工溼地和水平流人工溼地組成，按垂直流人工溼地在上，水平流人工溼地在下和在後的順序組成一體化複合人工溼地。
種植方面，在垂直流人工溼地的床體內填充具有較好除磷效果的混合基質，並種植風車草。水平流人工溼地床體填充煤渣，並種植美人蕉。
連接方面，沉澱池、垂直流人工溼地、水平流人工溼地等單元結構是由管道連接而成的。
其中，垂直流床由床體和布水管組成，床體的床壁用不滲漏材料做成，床壁為水泥抹面的磚結構，底部為混凝土結構。床體為混合基質層，厚度為85cm，填充高爐渣和草炭混合基質。布水管分布在混合基質層表面以下5-10cm處，垂直流床的底部就是水平流床的表層，填充的基質為煤渣基質，並在垂直流床體中種植深根的有利於硝化作用的植物，例如風車草。
布水管方面，分布在垂直流人工溼地混合基質表面以下，包括與床體的縱向一致的若干條布水支管和與布水支管垂直的布水主管，例如本實施例中的垂直流床的布水管呈「王」字形，分布在混合基質表面以下5-10cm處。該布水管由布水主管6和多條布水支管7組成。布水主管6分布在床體的中間，其長度與床體長度相當，其中一端密封，另一端與汙水進水管4相連接；布水支管7固定連接在布水主管6的兩旁，末端密封，其長度為床體寬度的一半，布水支管7向下部位開有出水孔用於布水。汙水進水管4上設有閥門水錶5，以控制汙水的進水速度。
汙水碳源加入管8為「」形管，一端直接與汙水管4連接，並在汙水管4上設有閥門水錶5，另一端沿著池壁插入垂直流床混合基質層9底部以下。
垂直流床底部兩側池壁各開有一個通風管，並設有空氣對流開關13。垂直流床灌水時，關閉空氣對流開關13；不灌水時打開空氣對流開關13，以利於垂直流床通風對流。
水平流床的牆體和底部用不滲漏材料做成，床壁為水泥抹面的磚結構，底部為混凝土結構。水平流床為長方形，在本實施例中長寬比為2∶1，沿著長度方向分為正方形的前後兩格，兩格之間設有多孔牆10，汙水通過多孔牆10由前格流入後格。水平流床底部的礫石層11厚約15cm，填充礫石的直徑為3-5cm，然後在其上填充70cm厚的煤渣基質層12。
參照圖3，使用本實用新型時，城市汙水首先經過沉澱池1除去汙水中的砂粒和懸浮顆粒物質，然後用水泵2提升進入高位水箱3，再沿著汙水管4進入布水主管6，布水主管6前設有閥門水錶5。布水支管7直接放置在垂直流床混合基質的表面，汙水從布水支管7上均勻開設的出水孔投配在垂直流床混合基質層9上。汙水經過混合基質層9垂直向下滲濾，由基質的過濾截留和吸附作用以及植物根系的攝取作用去除大部分耗氧有機物和TP，以及完成對它們的完全硝化處理。
垂直流人工溼地的處理出水利用垂直流人工溼地與水平流人工溼地之間的落差自流進入水平流人工溼地。汙水經過水平流人工溼地後，利用水平流人工溼地煤渣基質的過濾截留和吸附作用去除汙水中剩餘的COD、BOD5和TP。同時，從高水位箱引入一部分汙水通過汙水碳源加入管8直接加到水平流人工溼地作為碳源，與垂直流床的硝化出水在水平流床的煤渣基質層12混合，然後通過水平流床的多孔牆10流入另一格水平流床，再次通過煤渣基質層12的過濾截留和植物吸收作用，分別經過2/3天-2天停留時間和反硝化脫氮過程後再經過水平流床出水管14排放到水平流床出水集水池15。
具體試驗時，日處理水量為0.8-2.4m3/d；格柵採用2cm×2cm鐵絲網，直立於化糞池出水口與地下引水管相接的檢查井中；沉澱池的尺寸為2.0m×1.8m×2.0m，有效水深1.0m，有效容積3.6m3，磚結構水泥抹面。
垂直流人工溼地設計尺寸長×寬×高為2m×1.0m×0.85m，分兩格，磚結構水泥抹面；單池實用尺寸長×寬1.0m×1.0m×0.85m，其中，混合基質層厚85cm，由高爐渣和草炭混合組成。
水平流人工溼地的設計尺寸長×寬×高為2m×2m×0.80m，分為處理和對照兩個部分，每個部分又分為前後兩個子床。水平流床底部先填充15cm厚礫石作為墊層，然後再填充65cm厚的煤渣基質。經垂直流床處理過的汙水從上自流而下進入前一個水平流子床，然後再通過多孔牆連接後一個水平流子床。
運行方式採用的HRT(水力停留時間)為16h，1d，2d。整個系統分兩部分，一部分作對照，另一部分垂直流床上種風車草，相應的水平流床上種植美人蕉。
處理效果(mg/L，％)如表1、表2、表3和表4所示，其中表1為城市汙水經本複合人工溼地處理後，汙水中的COD濃度變化情況；表2為城市汙水經本複合人工溼地處理後，汙水中的BOD5濃度變化情況；表3為城市汙水經本複合人工溼地處理後，汙水中的NH4+-N濃度變化情況；表4為城市汙水經本複合人工溼地處理後，汙水中的TP濃度變化情況；
表5為城市汙水經本複合人工溼地處理後，汙水中TN濃度變化情況；表6為在不同汙水和硝化處理出水之比條件下，城市汙水經本複合人工溼地處理後，汙水中TN(總氮)濃度變化情況。
表1COD濃度變化情況

表1BOD5濃度變化情況

表3NH4+-N濃度變化情況

表4TP濃度變化情況

表5TN濃度變化情況

表6

表6可以看出，採用本實用新型的好處是(1)由於利用垂直流人工溼地去除部分TN、TP、COD、BOD5、SS和廢水的完全硝化，再利用水平流人工溼地完成COD、BOD5、SS和TP的部分去除功能以及廢水的反硝化作用。汙水經垂直流人工溼地硝化後進入水平流人工溼地在水平流人工溼地的缺氧環境條件下，利用汙水中有機物(BOD)和床體積累的有機質以及動植物的殘體作為碳源完成反硝化脫氮作用，同時也增加了水平流人工溼地對BOD5和COD的去除能力。垂直流與水平流一體化複合人工溼地不需要回流，從而降低了處理成本。本複合人工溼地對城市汙水中COD、BOD5、 NH4+-N和TN的去除率分別達到75～85％、70～80％、70-90％和50-60％以上，處理出水中COD和BOD5的濃度分別小於60和20mg/L，基本上達到城市汙水處理廠一級排放標準。
(2)利用垂直流人工溼地填充的高爐渣和草炭混合基質完成汙水中絕大部分磷的去除功能；利用水平流人工溼地中煤渣和礫石基質對磷的固定作用完成對汙水中磷的部分去除功能，同時利用垂直流和水平流人工溼地中栽種的風車草和美人蕉的植物攝取作用去除部分磷，從而可使複合人工溼地對城市汙水中TP的去除率達到80-85％以上，處理出水中的TP濃度小於1mg/L，基本達到了城市汙水處理廠一級排放標準，並且本發明創造技術對磷的使用壽命達到10年以上。
(3)在垂直流底部池壁兩邊開了兩個通氣孔，這樣有利於垂直流床上下空氣對流，從而使汙水經過垂直流床時的硝化作用加強，為水平流床的反硝化作用提供了足夠的底物-硝酸鹽態氮。
(4)為了進一步提高總氮的去除效果，將一部分汙水直接加入水平流人工溼地，利用水平流床的缺氧與好氧交替條件和汙水中有機物(BOD)作為碳源，將來自垂直流床處理出水中的硝酸鹽態氮還原成N2O和N2。
(5)將垂直流床疊放在水平流床之上，節省了佔地面積，同時也降低基建投資和處理成本。
權利要求1.一種複合人工溼地，包括水平流人工溼地和垂直流人工溼地，其特徵在於垂直流人工溼地在上，水平流人工溼地在下串聯組成複合人工溼地；其中，垂直流人工溼地包括床體和布水管，床體包括混合基質層(9)，布水管分布在混合基質層表面以下；垂直流人工溼地的底部連接水平流人工溼地的表層。
2.如權利要求1所述的複合人工溼地，其特徵在於所述布水管分布在垂直流人工溼地混合基質表面以下5-10cm處，其包括與所述床體的縱向一致的若干條布水支管(7)和與布水支管(7)垂直的布水主管(6)，布水主管(6)分布在床體的中間，其長度與床體長度相當，其中一端密封，另一端與汙水進水管(4)連通，布水支管(7)固定連接在布水主管的兩旁，末端密封，布水支管向下部位開有出水孔。
3.如權利要求1所述的複合人工溼地，其特徵在於還包括汙水碳源加入管(8)，呈∏形，一端直接與汙水管(4)連接，並在汙水管(4)上設有閥門水錶(5)，另一端沿著池壁插入混合基質層(9)。
4.如權利要求1所述的複合人工溼地，其特徵在於還包括開設在垂直流人工溼地底部兩側壁的通風管，以及用於控制通風管的空氣對流開關(13)。
5.如權利要求1所述的複合人工溼地，其特徵在於所述水平流人工溼地為長方形，長寬比為2∶1，沿著長度方向分為正方形的前後兩個子床，兩個子床之間設有多孔牆(10)。
6.如權利要求1所述的複合人工溼地，其特徵在於所述混合基質層(9)厚70-100cm。
7.如權利要求1所述的複合人工溼地，其特徵在於所述水平流人工溼地底部填充有礫石層(11)，厚度為10-20cm，其中礫石的直徑為3-5cm，礫石層上填充煤渣基質層(12)，厚度為50-80cm。
8.如權利要求1所述的複合人工溼地，其特徵在於在垂直流人工溼地上種植的植物選自風車草、再力草、美人蕉、香根草、玫瑰、月季、萬壽菊等中的一種或多種；在水平流人工溼地上種植的植物選自美人蕉、再力草、福貴竹、水蕹菜、西洋菜、梨蒿、慈茹等中的一種或多種。
9.如權利要求1所述的複合人工溼地，其特徵在於在當水平流人工溼地的HRT為1-2d時，作為碳源的汙水與垂直流人工溼地硝化出水的適宜比例為1∶3～1∶6之間。
專利摘要本實用新型涉及汙水處理領域。本實用新型提出一種複合人工溼地，包括水平流人工溼地和垂直流人工溼地，其中垂直流人工溼地在上，水平流人工溼地在下串聯組成複合人工溼地；其中，垂直流人工溼地包括床體和布水管，床體包括混合基質層，布水管分布在混合基質層表面以下；垂直流人工溼地的底部連接水平流人工溼地的表層。採用本實用新型進行汙水處理，各項指標均能達到一級水平，同時減少佔地面積。
文檔編號C02F3/32GK2905775SQ200620022790
公開日2007年5月30日 申請日期2006年2月27日 優先權日2006年2月27日
發明者崔理華 申請人:華南農業大學