用于农田及村落低污染水净化处理的复合人工湿地的制作方法

文档序号:4883418阅读:183来源:国知局
专利名称:用于农田及村落低污染水净化处理的复合人工湿地的制作方法
技术领域
本发明涉及环境保护,特别是涉及一种用于农田及村落低污染水浄化处理的复合人工湿地。
背景技术
随着社会经济的不断快速发展和环境问题日益严重,我国城市污水的处理率不断提高,且环保部门对污水处理厂的排放标准也越来越严格。另一方面,在我国广大农村地区,来自农田和村落面源的低污染水具有分布面广且分散不易用管道进行收集后集中处理、水量大、波动性强、可生化性差、污染物浓度低的特点,不可能采用针对城市污水的处理技术进行处理。我国耕地面积仅约占世界7%,但化肥使用量已占到全世界的三分之一,而且肥料利用率低(以氮肥为例,利用率仅约35%),来自农田的低污染水问题十分严重。此夕卜,我国村落面源污染问题也基本处于难以治理的状态。农田面源和村落面源的低污染水问题越来越成为我国水污染防治及湖库富营养化控制的突出问题和难点。生态砾石床专利技术是由日本开发的(日本专利特开平04-334594,日本专利特开2001-259669),是根据河床生物膜净化河水的原理,在河道旁建设一定长宽比及经过防渗处理的砾石槽,填充一定深度的砾石填料层,在表层土壤种植植物的生态系统。河水引入人工填充的砾石床处理,可使水与生物膜的接触面积增大数十倍甚至上百倍(根据砾石层的厚度而异),在物理、化学、生物共同作用下,通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等来实现河水水质净化。该技术处理水量大,效果好,目前日本、韩国及一些欧美国家都有处理河水的工程实例。从处理水量和效果来看,该技术适合于农田村落低污染水治理。但该专利技术主要处理河水中的有机污染物(BOD)和悬浮物(SS)。与河水不同,农田及村落低污染水具有无机SS含量及氮磷含量高的特点,直接由生态砾石床处理将很容易引起堵塞,而且对氮磷污染物处理效果十分有限。

发明内容
本发明的目的,在于针对农田及村落面源低污染水的处理难题,提供一种由浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床构成的用于农田及村落低污染水净化处理的复合人工湿地。本发明是通过以下技术方案实现的:一种用于农田及村落低污染水净化处理的复合人工湿地,包括沿水流方向顺序设置的浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床;所述浮水植物稳定塘的前部设有进水池,后端设有溢流堰,所述浮水植物稳定塘的出水经溢流堰自由跌落至沉水植物氧化塘;所述挺水/湿生植物生态砾石床的前部设有进水调节池,后部设有出水调节池,沉水植物氧化塘的出水经所述进水调节池流入挺水/湿生植物生态砾石床本体,再经所述出水调节池流出;所述浮水植物稳定塘内种植浮水植物,所述沉水植物氧化塘内种植沉水植物,所述挺水/湿生植物生态砾石床内种植挺水/湿生植物。
所述浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床均为正方形或沿水流方向的长方形,长宽比为3:1至1: 1,其深度分别为2-3m、2-3m和l-2m。
所述浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床的面积比为10: (30-40): (50-60)。根据低污染水的水质水量状况调整。
所述浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床的底部以碾压粘土或三合土进行防渗处理,沉水植物氧化塘的底部再铺设一层砂壤土,所述沉水植物种植在砂壤土上。
所述浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床的墙体以浆砌毛石砌筑,并以水泥砂浆做防渗处理。
所述浮水植物稳定塘的进水池与浮水植物稳定塘本体之间用穿孔墙隔离,进水池的水从穿孔墙流入浮水植物稳定塘本体,可使水流均匀地分布到整个进水断面上,从而尽可能减少对浮水植物稳定塘中水的扰动、促进悬浮物沉淀。
所述浮水植物稳定塘的溢流堰为锯齿状溢流堰,该溢流堰控制浮水植物稳定塘的出水跌落到沉水植物氧化塘的水位高差为IOcm。
所述挺水/湿生植物生态砾石床的进水调节池与沉水植物氧化塘之间设有水流连通口,该水流连通口设置在离地表Im深处。
所述挺水/湿生植物生态砾石床的进水调节池和出水调节池与挺水/湿生植物生态砾石床本体之间分别以穿孔墙相通。该穿孔墙使得进水调节池中的水均匀地分布到整个进水断面上,有利于减少短路,提高污染物的去除效能。
所述挺水/湿生植物生态砾石床本体下部填充有厚度为80-170cm的对氮磷具有富集作用的填料层,在填料层上部覆盖有厚度为20-30cm的土壤层;所述挺水或湿生植物种植在该土壤层上,挺水或湿生植物种植的根系向下伸展至填料层内。
所述填料层和土壤层之间设有隔离网,该隔离网的孔径为0.3-0.Scm0以阻止土壤粒子进入到活性基质中,而又不阻止挺水或湿生植物的根系以及土壤动物、空气和水的通过。
所述挺水/湿生植物生态砾石床的出水调节池与挺水/湿生植物生态砾石床本体之间的穿孔墙的最上部穿孔设在所述隔离网下方IOcm处,出水调节池的出水口与上述穿孔平行,使挺水/湿生植物生态砾石床中的水面位于填料层上表面以下IOcm处,即土壤层下存在着未浸入水中的填料层部分,厚10cm。
所述出水调节池的底部设置有冲洗用水管,该冲洗用水管的内端伸入挺水/湿生植物生态砾石床中,外端暴露于出水调节池外侧墙体外,暴露在外的一端以螺旋堵头封堵。当需要对生态砾石床体进行清洗时,可打开螺旋堵头,将淤积物冲出。因此,本专利的生态砾石床可通过定期清洗来防治堵塞,保障持久稳定运行。
所述浮水植物包括莼菜、浮萍和/或荇菜;所述沉水植物包括苦草、狐尾藻和/或海菜花;所述挺水/湿生植物包括水芹、薄荷、空心菜和/或茭白。
所述填料层的填料由天然沸石、方解石和活性氧化铝按照(7-9): (1-2): (0-1)的配比混配而成。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、农田村落低污染水首先进入浮水植物稳定塘,低污染水在浮水植物稳定塘中流速大幅度降低,通过沉降作用可有效去除其中的大部分悬浮物和总磷。通过浮水植物对氮磷的吸收、浮水植物根系与微生物构成的生物膜系统对有机态污染物的分解作用也可以去除低污染水中的氮磷及C0D。浮水植物的另一作用是控制稳定塘中藻类的繁殖,提高水的透明度,从而有利于沉水植物氧化塘中沉水植物的生长繁殖。2、在本发明的沉水植物氧化塘中,除沉水植物对水中氮磷营养盐进一步吸收去除夕卜,还为生态砾石床的脱氮作用创造条件。脱氮作用要求碳源和硝态氮的存在。本发明利用沉水植物氧化塘,由沉水植物及其周丛生物向水中补充活性有机碳,同时通过生物氧化作用使硝化过程得以顺利进行。3、本发明的生态砾石床由于表土的覆盖,床中为厌氧条件,脱氮菌利用沉水植物氧化塘排出的低污染水中活性有机碳,在厌氧条件下将硝态氮转化为氮气或其它含氮气体而从水中去除。本发明由于在生态砾石床中填充对氮磷具有富集作用的填料,一方面可通过吸附净化作用对氮磷进行进一步去除,另一方面氮磷富集后可促进挺水/湿生经济植物的生长,再者吸附填料有效提高了复合湿地对低污染水中营养盐的抗冲击负荷。4、低污染水在整个装置内实现自流,并且完全依靠复合人工湿地的自然净化能力,无能耗、无药耗、运行管理简便、运行成本低。

5、本发明由于种植经济植物,可以产生明显经济效益,易于被用户接收和推广。本发明中植物的营养物质来源于低污染水,因此装置不仅对低污染水具有净化效果,而且实现了低污染水中营养污染物质的资源化。


图1为本发明的结构示意图,图中所示:101.浮水植物稳定塘;102.沉水植物氧化塘;103.挺水/湿生植物生态砾石床;1.墙体;2.进水池;3.穿孔墙;4.进水口 ;5.水位;6.浮水植物;7.溢流堰;8.沉水植物;9.沙壤土 ;10.进水调节池;11.土壤层;12.挺水/湿生植物;13.隔离网;14.填料层;15.冲洗用水管;16.堵头;17.出水调节池;18.出水口。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示,本实施例依水流方向包括:浮水植物稳定塘101、沉水植物氧化塘102和挺水/湿生植物生态碌石床103,浮水植物稳定塘101位于进水口端,以进水池2与进水口 4相连接,浮水植物稳定塘101的出水口为溢流堰7,与沉水植物氧化塘102相连接,两者之间水位高差为10cm。经过浮水植物稳定塘101后的出水经溢流堰7自由跌落至沉水植物氧化塘102,沉水植物氧化塘102的出水口又与挺水/湿生植物生态砾石床103的进水调节池10相联接,低污染水经过浮水植物稳定塘101、沉水植物氧化塘102和挺水/湿生植物生态砾石床103处理后,经出水调节池17排出。本实施例中的浮水植物稳定塘101、沉水植物氧化塘102和挺水/湿生植物生态砾石床103为沿水流方向的长方形,长宽比为1.5: 1,其深度分别为2.2m、2m和1.3m。
本实施例中的浮水植物稳定塘101、沉水植物氧化塘102和挺水/湿生植物生态砾石床103的面积比为10: 35: 55。
本实施例中的浮水植物稳定塘101、沉水植物氧化塘102和挺水/湿生植物生态砾石床103的底部以碾压粘土进行防渗处理,沉水植物氧化塘102的底部再填充20cm厚的砂壤土 9,作为沉水植物根系的支撑与生长基质。
本实施例中的浮水植物稳定塘101、沉水植物氧化塘102和挺水/湿生植物生态砾石床103的墙体I以浆砌毛石砌筑,并以水泥砂浆做墙体I的防渗处理。
本实施例中的浮水植物稳定塘101的进水池2采用穿孔墙3形式与本体相连,使水流均匀地分布到整个进水断面上,从而尽可能减少对浮水植物稳定塘101中水的扰动、促进悬浮物沉淀。
本实施例中的浮水植物稳定塘101的出水口溢流堰7为锯齿状,是在墙体上部建成锯齿状,高10cm。浮水植物稳定塘101的出水跌落到沉水植物氧化塘102中,水位高差为IOcm0
本实施例中的挺水/湿生植物生态砾石床103的进水调节池10在离地表Im深处与沉水植物氧化塘102相通,沉水植物氧化塘102的出水经过该通道进入挺水/湿生植物生态碌石床103的进水调节池10。
本实施例中的沉水植物氧化塘102的底部铺有20cm厚的砂壤土 9,并种植沉水植物8。
本实施例中的挺水/湿生植物生态砾石床103的进水调节池10与挺水/湿生植物生态砾石床103本体之间以穿孔墙相通,该穿孔墙使得进水调节池10中的水均匀地分布到整个进水断面上,有利于减少短路,提高污染物的去除效能。
本实施例中的挺水/湿生植物生态碌石床103的床体内填充厚度为IlOcm的对氮磷具有富集作用的填料层14,在填料层14上部覆盖厚度为20cm的土壤层11,土壤层11种植根系发达的挺水或湿生植物12,挺水或湿生植物12的根系向下伸展,达到填料层14内。
本发明中的填料14由天然沸石、方解石`和活性氧化铝配比而成。其比例为8: 1.5: 0.5。
本实施例中的挺水/湿生植物生态砾石床103的床体内,填料层14和土壤层11以隔离网(尼龙网)13分开,孔径为0.5cm,以阻止土壤粒子进入到活性基质中,而又不阻止挺水或湿生植物的根系以及土壤动物、空气和水的通过。
本实施例中的挺水/湿生植物生态砾石床103的床体内,水面设置在填料层14之中,即土壤层下存在未浸入水中的填料层部分,厚10cm。
本实施例中的挺水/湿生植物生态砾石床103本体与出水调节池17之间以穿孔墙相隔。
本实施例中的出水调节池17的外侧设有出水口 18。
本实施例中的出水调节池17的底部设置有冲洗用水管15,冲洗用水管15横跨出水调节池17底部,并且一端伸入生态砾石床103本体内,另一端暴露于出水调节池17的外侧墙体外,暴露在外的一端平时以螺旋堵头16封堵,当需要对生态砾石床体进行清洗时,可打开螺旋堵头16,将淤积物冲出。因此,本专利的生态砾石床可通过定期清洗来防治堵塞,保障持久稳定运7TT。本实施例中的浮水植物稳定塘内种植莼菜。本实施例中的沉水植物氧化塘内种植苦草。本实施例中的生态砾石床内种植茭白。下面提供本发明的一个具体实施例:位于洱海缓冲带的云南大理市上关镇,用于农田和村落复合型低污染水的净化处理。如图1所示,农田和村落复合型低污染水流入进水池2,并通过穿孔墙3进入浮水植物稳定塘101,使水流均匀地分布到整个进水断面上,从而尽可能减少对浮水植物稳定塘101中水的扰动、促进低污染水中悬浮物的沉淀,除去大量泥沙等悬浮物,以及其中含有的磷。通过莼菜对低污染水中氮磷的吸收、莼菜根系与微生物构成的生物膜系统对有机态污染物的分解作用也可以去除低污染水中的氮磷及C0D。由于低污染水进入浮水植物稳定塘101时氮磷浓度尚高,莼菜的另一作用是控制稳定塘中藻类的繁殖,提高水的透明度,从而有利于沉水植物氧化塘102中苦草的生长繁殖。浮水植物稳定塘101的出水口为锯齿状溢流堰7,锯齿状溢流堰7同时也是沉水植物氧化塘102的进水口。 锯齿状溢流堰7的设置使得整个墙体横断面为过水断面,过水阻力小,而且低污染水在浮水植物稳定塘101和沉水植物氧化塘102内走水均匀。沉水植物氧化塘中,除苦草对水中氮磷营养盐进一步吸收去除外,由苦草及其周丛生物向水中补充活性有机碳,同时苦草及其周丛生物的光合放氧作用使得沉水植物氧化塘102内处于氧化状态,通过生物氧化作用使氮转化为硝化氮,为生态砾石床103的脱氮作用创造条件。生态砾石床103的进水调节池10离地表Im深处与沉水植物氧化塘102相通,因此沉水植物氧化塘102和生态砾石床103的水位相同。沉水植物氧化塘102的出水经过该通道进入生态砾石床103的进水调节池10后,再通过穿孔墙布水,使得进水调节池10中的水均匀地分布到整个进水断面上,有利于减少短路,提高污染物的去除效能。在生态砾石床103的床体中,由于土壤层11的覆盖,床中为厌氧条件,脱氮菌利用沉水植物氧化塘102排出的低污染水中的活性有机碳,在厌氧条件下将硝态氮转化为氮气或其它含氮气体而从水中去除。由于在生态砾石床中填充了天然沸石/方解石/活性氧化铝配比而成的填料层14,一方面可通过吸附净化作用对氮磷进行进一步去除,另一方面氮磷富集后可促进挺水/湿生经济植物12的生长,再者吸附填料有效提高了复合湿地工艺装置对低污染水中营养盐(尤其是氨氮和溶解性磷)的抗冲击负荷。由于种植的莼菜、苦草和茭白均为经济植物,可以产生明显经济效益,而且通过不断收割,也不断将营养盐带出装置之外。生态砾石床103床体中的土壤层11虽不与低污染水直接接触,但在水质净化过程中也发挥着重要的作用,主要表现在:1)为茭白提供生长支撑;2)对整个装置起到保温效果,有利于冬季水质净化效果的发挥;3)将污水面覆盖起来,有利于景观改善。4)为填料层14提供生物“源”。经过半年的检测,本实施例实施的洱海缓冲带农田村落低污染水在处理前总氮1.0-8.5mg/L,总磷0.1-0.3mg/L。通过该装置的运行,低污染水总氮的去除率达到50-80%,总磷去除率可达到70-90%。
权利要求
1.一种用于农田及村落低污染水净化处理的复合人工湿地,其特征在于:包括沿水流方向顺序设置的浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床;所述浮水植物稳定塘的前部设有进水池,后端设有溢流堰,所述浮水植物稳定塘的出水经溢流堰自由跌落至沉水植物氧化塘;所述挺水/湿生植物生态砾石床的前部设有进水调节池,后部设有出水调节池,沉水植物氧化塘的出水经所述进水调节池流入挺水/湿生植物生态砾石床本体,再经所述出水调节池流出;所述浮水植物稳定塘内种植浮水植物,所述沉水植物氧化塘内种植沉水植物,所述挺水/湿生植物生态砾石床内种植挺水/湿生植物。
2.根据权利要求1所述的复合人工湿地,其特征是,所述浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床均为正方形或沿水流方向的长方形,长宽比为3: I至I: 1,其深度分别为2-3m、2-3m和l-2m。
3.根据权利要求1所述的复合人工湿地,其特征是,所述浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床的面积比为10: (30-40): (50-60)。
4.根据权利要求1所述的复合人工湿地,其特征是,所述浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床的底部以碾压粘土或三合土进行防渗处理,沉水植物氧化塘的底部再铺设一层砂壤土,所述沉水植物种植在砂壤土上。
5.根据权利要求1所述的复合人工湿地,其特征是,所述浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床的墙体以浆砌毛石砌筑,并以水泥砂浆做防渗处理。
6.根据权利要求1所述的复合人工湿地,其特征是,所述浮水植物稳定塘的进水池与浮水植物稳定塘本体之间用穿孔墙隔离,进水池的水从穿孔墙流入浮水植物稳定塘本体。
7.根据权利要求1所述的复合人工湿地,其特征是,所述浮水植物稳定塘的溢流堰为锯齿状溢流堰,该溢流堰控制浮水植物稳定塘的出水跌落到沉水植物氧化塘的水位高差为IOcm0
8.根据权利要求1所述的复合人工湿地,其特征是,所述挺水/湿生植物生态砾石床的进水调节池与沉水植物氧化塘之间设有水流连通口,该水流连通口设置在离地表Im深处。
9.根据权利要求1所述的复合人工湿地,其特征是,所述挺水/湿生植物生态砾石床的进水调节池和出水调节池与挺水/湿生植物生态砾石床本体之间分别以穿孔墙相通。
10.根据权利要求1所述的复合人工湿地,其特征是,所述挺水/湿生植物生态砾石床本体下部填充有厚度为80-170cm的对氮磷具有富集作用的填料层,在填料层上部覆盖有厚度为20-30cm的土壤层;所述挺水或湿生植物种植在该土壤层上,挺水或湿生植物种植的根系向下伸展至填料层内。
11.根据权利要求10所述的复合人工湿地,其特征是,所述填料层和土壤层之间设有隔离网,该隔离网的孔径为0.3-0.8cm。
12.根据权利要求11所述的复合人工湿地,其特征是,所述挺水/湿生植物生态砾石床的出水调节池与挺水/湿生植物生态砾石床本体之间的穿孔墙的最上部穿孔设在所述隔离网下方IOcm处,出水调节池的出水口与上述穿孔平行,使挺水/湿生植物生态砾石床中的水面位于填料层上表面以下IOcm处,即土壤层下存在着未浸入水中的填料层部分,厚IOcm0
13.根据权利要求1所述的复合 人工湿地,其特征是,所述出水调节池的底部设置有冲洗用水管,该冲洗用水管的内端伸入挺水/湿生植物生态砾石床中,外端暴露于出水调节池外侧墙体外,暴露在外的一端以螺旋堵头封堵。
14.根据权利要求1所述的复合人工湿地,其特征是,所述浮水植物包括莼菜、浮萍和/或荇菜;所述沉水植物包括苦草、狐尾藻和/或海菜花;所述挺水/湿生植物包括水芹、薄荷、空心菜和/或茭白。
15.根据权利要求10所述的复合人工湿地,其特征是,所述填料层的填料由天然沸石、方解石和活性氧化铝按照(7-9): (1-2) : (0-1)的配比混配而成。
全文摘要
一种用于农田及村落低污染水净化处理的复合人工湿地,包括沿水流方向顺序设置的浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床;浮水植物稳定塘内种植浮水植物,沉水植物氧化塘内种植沉水植物,挺水/湿生植物生态砾石床内种植挺水/湿生植物。本发明采用生态工程处理方式,运行成本低;对农田村落低污染水中总氮,总磷去除率分别可达到50%以上和60%以上。本发明在浮水植物稳定塘、沉水植物氧化塘和挺水/湿生植物生态砾石床中种植的浮水植物、沉水植物和挺水/湿生植物均为水生经济植物,可以产生经济效益,易于在农村地区推广。
文档编号C02F3/32GK103159324SQ201310095639
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者吴德意, 谢强, 王哲, 李春杰, 孔海南 申请人:上海交通大学
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