强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，有效解决低BOD5/NO3-、溶解氧、基质堵塞等影响冬季湿地脱氮效果的问题，方法是，基质床体的进水端内面设置的布水板与进水端内面间构成布水间，出水端内面设置的收水板与出水端内面间构成收水间，布水板与收水板之间基质床体内的前段和中段有多道取样管，每个取样管上开有通气孔，基质床体内后段有玉米芯层，布水板和收水板上均布有通水孔，布水板和收水板之间的基质床体内由上至下填充有砂石层、沸石层、砾石铁屑层，基质床体进水端的端面上装有进水管，出水端的端面有调节水位的出水管，湿地系统表面覆盖有薄膜，本发明维护简单，基质堵塞频率低，脱氮率不低于40%，运行费用低。
【专利说明】强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及污水处理系统，特别是一种强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统。
【背景技术】
[0002]世界上水源被污染是普遍存在的问题，尤其我国是世界上水资源严重短缺的国家之一，人均水资源占有量少，而水污染却很严重。近年来，由于不断加强污水处理厂建设，使污水直接排放的问题得到一定程度遏制，但是污水处理厂即使执行最严格的排放标准，其出水指标与地表水环境质量标准仍存在一定的差距。河流作为各种处理后废水的收纳水体，经常也受到有机物及氮磷的污染，但相对污染较轻，被称为微污染水体。虽然此类水体污染并不严重，但大多数河流生态环境质量较差，无法满足水环境功能要求，尤其在北方，由于大部分地区河流缺乏天然径流、水资源严重短缺，导致天然水体纳污能力非常有限，保障及维持地表水环境功能区划要求具有相当大难度。
[0003]目前，国内外学者已经研究出一些技术手段对污染河流微污染水体进行净化。(I)常用的物理净化方法包括河道曝气、引水稀释和底泥疏竣。这类方法需要消耗较高的能量才能达到曝气、疏浚、冲污等预期效果，并且没有从根本上去除污染物，治标不治本。(2)化学净化法有化学除藻、絮凝沉淀和重金属的化学固定等。此类方法也没有将氮、磷或重金属从水体中清除，并且由于化学试剂的应用，容易导致二次污染。另外，针对流量极大的河水而言，投加的药量也很大，经济性较差。(3)生物净化法常用的有投菌法、生物膜法及曝气充氧法。总的来说，生物净化具有处理效果好、投资省、能耗低且能够恢复或增强水体的自净能力的优点，但投菌法中应用的高效微生物的选育需要较长时间，净化效果持续时间短，且易受外部条件的制约；生物膜法和曝气充氧法投入的资金都较大，在资金有限的前提下，不宜大规模采用。(4)生态技术主要有植物净化技术、土地处理技术、稳定塘技术及人工湿地净化技术。生态治理措施具有治理效果好、能耗低、运行费用低、维护简单的优点，尤其是人工湿地净化法，还具有一定的生态效益和经济效益。
[0004]人工湿地技术虽在南方广泛应用，但在北方推广应用受到很大限制，主要原因有:(O北方寒冷的气候条件抑制了微生物活性，导致去除效果差；(2)冬季植物枯萎或死亡，光合作用复氧能力减弱，基质床内溶解氧不足；(3)河流收纳的处理后废水，B0D5/N03_较低，可生化性较差，限制了人工湿地的处理效果；(4)冬季微生物活性受限，加速了基质床堵塞频率。
[0005]虽然认识到B0D5/N03_、溶解氧、基质堵塞问题影响冬季湿地脱氮效果，但目前国内外尚无得到公认的解决技术方案。
【发明内容】
[0006]针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，可有效解决低bod5/no3_、溶解氧、基质堵塞等影响冬季湿地脱氮效果的问题。
[0007]本发明解决的技术方案是，该系统包括布水板、基质床体和收水板，基质床体沿长向的进水端内面设置有向上平行于基质床体端面的布水板，布水板与进水端内面间构成布水间，基质床体沿长向的出水端内面设置有向上平行于基质床体端面的收水板，收水板与出水端内面间构成收水间，布水板与收水板之间构成的基质床体内的前段和中段垂直向上放置有多道通气的取样管，每个取样管上开有通气孔，基质床体内后段垂直向上放置有平行于收水板内面作为纤维素碳源的玉米芯层(所述的前段、中段、后段是以进水端为前、出水端为后定义的)，布水板和收水板结构相同，布水板和收水板上均布有通水孔，布水板和收水板之间的基质床体内由上至下依次填充有砂石层、沸石层、砾石铁屑层，砂石层和沸石层之间、沸石层和砾石铁屑层之间均设置有用于防止基质层坍塌或下渗的土工透水布，基质床体进水端的端面上装有进水管，出水端的端面自上至下设置有用于调节水位的第一出水管、第二出水管、第三出水管，湿地系统表面覆盖有薄膜，与调节水位的出水管构成床体内水的保温结构，通过布水板上的通水孔，水体均匀的在基质床体中曲折流动，同玉米芯层充分接触，提高水体的B0D5/N03_，通过第一出水管、第二出水管、第三出水管调节基质床体内的水位,将水位调节同基质床体表面覆盖薄膜措施相结合,保证基质床体内的水温,进而强化水平潜流湿地系统的冬季脱氮效果，取样管的布设密度由进水端至出水端依次降低，基质床体如端复氧能力闻于后端，使富氧水体主要集中在基质床体如端，为基质床体如端好氧硝化作用和末端厌氧反硝化作用创造条件，有利湿地对氮的去除效果，益于基质床体前端硝化作用和末端反硝化作用的进行。
[0008]本发明是针对湿地在北方推广受限而提供的一种结构设计合理、复氧措施和保温措施得当的水平潜流湿地系统，该系统的基质配置与分布可以显著提高冬季水平潜流湿地系统的脱氮能力，并且维护简单，基质堵塞频率低，可以强化冬季湿地床的脱氮能力，脱氮率不低于40%，并且维护简单，运行费用低，有效解决水污染问题，经济和社会效益巨大。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明的剖面结构主视图。
[0010]图2为本发明的布水板(或收水板)的结构主视图。
[0011]图3为本发明的基质床体底面结构剖面主视图。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明。
[0013]由图1所示，本发明包括布水板、基质床体和收水板，基质床体沿长向的进水端内面设置有向上平行于基质床体端面的布水板3，布水板与进水端内面间构成布水间13，基质床体沿长向的出水端内面设置有向上平行于基质床体端面的收水板11，收水板与出水端内面间构成收水间14，布水板与收水板之间构成的基质床体内的前段和中段垂直向上放置有多道通气的取样管4，每个取样管上开有通气孔5，基质床体内后段垂直向上放置有平行于收水板内面作为纤维素碳源的玉米芯层9 (所述的前段、中段、后段是以进水端为前、出水端为后定义的)，布水板和收水板结构相同，布水板和收水板上均布有通水孔3-1，布水板和收水板之间的基质床体内由上至下依次填充有砂石层6、沸石层7、砾石铁屑层8，砂石层6和沸石层7之间、沸石层7和砾石铁屑层8之间均设置有用于防止基质层坍塌或下渗的土工透水布10，基质床体进水端的端面上装有进水管2，出水端的端面自上至下设置有用于调节水位的第一出水管12-1、第二出水管12-2、第三出水管12-3，湿地系统表面覆盖有薄膜，与调节水位的出水管构成床体内水的保温结构，通过布水板上的通水孔，水体均匀的在基质床体中曲折流动，同玉米芯层9充分接触，提高水体的BOD5/N(V，通过第一出水管12-1、第二出水管12-2、第三出水管12-3调节基质床体内的水位，将水位调节同基质床体表面覆盖薄膜措施相结合，保证基质床体内的水温，进而强化水平潜流湿地系统的冬季脱氮效果，取样管的布设密度由进水端至出水端依次降低，基质床体前端复氧能力高于后端，使富氧水体主要集中在基质床体前端，为基质床体前端好氧硝化作用和末端厌氧反硝化作用创造条件，有利湿地对氮的去除效果，益于基质床体前端硝化作用和末端反硝化作用的进行。
[0014]所述的基质床体是由砖砌筑成的长方形的周边墙体1-1和周边墙体底部的底面1-2构成，基质床体长宽比为2: 1，高1.2米，底面是由自下向上的夯实20cm厚的素土层1-2-3、1.5mm厚的高密度聚乙烯防渗布层1_2_2和夯实1cm厚的粘土层1_2_1构成的复合结构。
[0015]所述的取样管4是由PVC制成的直径1.5cm的圆形空心管,空心管上每间隔8.0cm开有0.3cm的通气孔5。
[0016]所述的玉米芯层9，玉米芯的粒径为0.5-3cm,在基质床体中后段竖向放置，铺设厚度1.(Γ3.0cm,高度80cm，宽度与基质床体的宽度相同。
[0017]所述的砂石层厚度为20cm、沸石层厚度为40cm、碌石铁屑层厚度为30cm,砂石粒径0.5?1.0cm、沸石粒径1.0^2.0cm、石乐石粒径2.0^4.0cm,铁屑粒径0.5?1.0cm,铁屑与石乐石的体积比1: 8?10。
[0018]所述的土工透水布为厚度1.5mm的涤纶布；所述的薄膜为厚度0.2mm的TPU防水透气膜。
[0019]所述的布水板3、收水板11的顶部低于长向两端的基质床体的上沿，取样管4的上顶部高于基质床体的上沿，取样管最上部的通气孔要低于砂石层6的上平面，玉米芯层9的顶部要高于砂石层6的上平面，以保证使用效果。
[0020]所述的砂石层表面可覆盖有砂土，并种植有芦苇、香蒲或黄花鸢尾等植物。
[0021 ] 由上述可知，本发明由布水板、基质床体、收水板以及复氧结构和保温结构共同构成强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统。
[0022]所述的复氧结构(措施)为通气取样管和水位调节相结合，通气取样管纵向放置密度由大到小，水位根据基质床体内水中溶解氧浓度而调节；
所述保温结构(措施)为覆盖薄膜和水位调节相结合的方式，薄膜为厚度0.2mm的TPU透气薄膜，水位根据基质床体内水温而调节。
[0023]通气取样管材质为PVC，耐酸碱、耐腐蚀。通气取样管不规则布设、布设密度沿基质床体纵向由大到小，基质床体如端复氧能力闻于后端，使得富氧水体主要集中在基质床体前端，为基质床体前端好氧硝化作用和末端厌氧反硝化作用创造了适宜条件，有利湿地对氮的去除效果。
[0024]纤维素碳源选用玉米芯，材料具备来源广泛、价格低廉、供碳能力强、不易堵塞基质床等优点。玉米芯在基质床体中后段竖向放置，水体水平曲折流动过程中同玉米芯充分接触，玉米芯浸出物的释放，提高废水的可生化性(BOD5MV),为反硝化作用创造有利条件，进而促进湿地对氮的去除效果。
[0025]将铁屑等工业废弃物应用于水平潜流湿地构建当中，综合运用电化学原理(铁屑/碳组成的内电解技术)提高微污染水体的可生化性，在微生物、植物、基质的共同作用下，实现对微污染水体的强化净化。
[0026]并经实际试验，取得了非常满意的有益技术效果，其技术优势主要在于:
通气取样管的不规则合理布设，在达到去污效果的同时，避免了曝气系统的动力消耗，节约运行成本，吨水处理费用不高于0.05元，而常规污水处理成本不低于0.4元/吨，污水处理费用仅是原处理费用的1/8，经济效果非常巨大；
工业废弃物、农作废弃物等材料应用于湿地构建当中，不但为废弃物处置提供场所，而且提高了废水可生化性，微污染水体的B0D5/N03_由起初的1.0左右可提升至2.0以上，进而促进湿地的去污效果；
薄膜覆盖、水位调节(降水位利用地热保温)等不同保温措施同复氧措施的有机结合在解决保温(阻隔基质床体同外界的气体交换)和复氧矛盾的同时，湿地床内的水温可保持在10°C以上，溶解氧浓度不低于2mg/L，保证冬季该湿地系统的脱氮率不低于40%，正常情况下水平潜流湿地对TN的去除率仅维持在20%左右，本发明脱氮率远高于现有技术，并经实际应用得到了充分证明。
[0027]例I
如在辽宁某河口湿地工程采用本发明所述技术对湿地周边生活污水和部分工业废水进行处理，工程由污水预处理区、水平潜流湿地处理区(主体工艺)、表流湿地景观区组成，水平潜流湿地共铺设三种基质，种植层0.3m、小粒径砾石层0.5m、大粒径砾石层0.4m。水平潜流湿地配水采用PVC管道多点进水，有高、中、低三个水位，通过开启三个水位阀门进行水量调节。为保证湿地系统冬季正常运行，现场人员通过覆盖塑料膜、草帘子等材料对湿地系统进行保温，湿地系统内水温可维持在1(T15°C，出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002) —级标准的A标准。
[0028]例2:
再如，在山西某河滩湿地工程采用本发明所述技术对上游河水、周边工业废水及生活污水进行处理，湿地主体处理工艺为“预处理沉淀池+表面流湿地+垂直流湿地”，垂直流湿地床内铺设1.5m厚不同规格的碎石填层，共分五层，从上到下，碎石粒径由小到大(3mnT 100_)，通过基质层内的微生物吸收净化水质。表面层覆有砂土,其上种植有芦苇、香蒲、黄花鸢尾等植物。垂直流湿地中均匀布设有导气管，单根导气管总长1.8m，管壁上间隔30cm均匀开通气孔(孔径约5_)。冬季芦苇等植物收割后，将植物秸杆、透气薄膜覆盖在潜流湿地表面，由于冬季处理水量小、水力停留时间长，冬季湿地对C0D、氨氮的处理效率同其他季节相差不大，湿地出水主要污染物浓度达到地表水IV类水质标准。
[0029]由上述资料可以清楚的看出，本发明可以强化冬季湿地床的脱氮能力，脱氮率不低于40%，并且维护简单，运行费用低，具有很强的实用性，是治理水污染上的一大创新，经济和社会效益巨大。
【权利要求】
1.一种强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，包括布水板、基质床体和收水板，其特征在于，基质床体沿长向的进水端内面设置有向上平行于基质床体端面的布水板(3),布水板与进水端内面间构成布水间(13)，基质床体沿长向的出水端内面设置有向上平行于基质床体端面的收水板(11)，收水板与出水端内面间构成收水间(14)，布水板与收水板之间构成的基质床体内的前段和中段垂直向上放置有多道通气的取样管(4)，每个取样管上开有通气孔(5)，基质床体内后段垂直向上放置有平行于收水板内面作为纤维素碳源的玉米芯层(9),布水板和收水板结构相同，布水板和收水板上均布有通水孔(3-1),布水板和收水板之间的基质床体内由上至下依次填充有砂石层(6)、沸石层(7)、砾石铁屑层(8)，砂石层(6)和沸石层(7)之间、沸石层(7)和砾石铁屑层(8)之间均设置有用于防止基质层坍塌或下渗的土工透水布(10)，基质床体进水端的端面上装有进水管(2)，出水端的端面自上至下设置有用于调节水位的第一出水管(12-1)、第二出水管(12-2)、第三出水管(12-3)，湿地系统表面覆盖有薄膜，与调节水位的出水管构成床体内水的保温结构，通过布水板上的通水孔，水体均匀的在基质床体中曲折流动，同玉米芯层(9)充分接触，提高水体的B0D5/N03_，通过第一出水管(12-1)、第二出水管(12-2)、第三出水管(12-3)调节基质床体内的水位，将水位调节同基质床体表面覆盖薄膜措施相结合，保证基质床体内的水温，进而强化水平潜流湿地系统的冬季脱氮效果，取样管的布设密度由进水端至出水端依次降低，基质床体如端复氧能力闻于后端，使富氧水体主要集中在基质床体如端，为基质床体iu端好氧硝化作用和末端厌氧反硝化作用创造条件，有利湿地对氮的去除效果，益于基质床体前端硝化作用和末端反硝化作用的进行。
2.根据权利要求1所述的强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，其特征在于，所述的基质床体是由砖砌筑成的长方形的周边墙体(1-1)和周边墙体底部的底面(1-2)构成，基质床体长宽比为2: 1，高1.2米，底面是由自下向上的夯实20cm厚的素土层(1-2-3)、1.5mm厚的高密度聚乙烯防渗布层(1_2_2)和夯实1cm厚的粘土层(1_2_1)构成的复合结构。
3.根据权利要求1所述的强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，其特征在于，所述的取样管(4)是由PVC制成的直径1.5cm的圆形空心管，空心管上每间隔0.8cm开有0.3cm的通气孔(5)。
4.根据权利要求1所述的强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，其特征在于，所述的玉米芯层(9)，玉米芯的粒径为0.5-3cm,在基质床体中后段竖向放置，铺设厚度1.(Γ3.0cm,高度80cm，宽度与基质床体的宽度相同。
5.根据权利要求1所述的强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，其特征在于，所述的砂石层厚度为20cm、沸石层厚度为40cm、碌石铁屑层厚度为30cm,砂石粒径0.5?1.0cm、沸石粒径1.0^2.0cm、石乐石粒径2.0^4.0cm,铁屑粒径0.5?1.0cm,铁屑与石乐石的体积比1: 8?10。
6.根据权利要求1所述的强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，其特征在于，所述的土工透水布为厚度1.5mm的涤纶布。
7.根据权利要求1所述的强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，其特征在于，所述的薄膜为厚度0.2mm的TPU防水透气膜。
8.根据权利要求1所述的强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，其特征在于，所述的布水板(3)、收水板(11)的顶部低于长向两端的基质床体的上沿，取样管(4)的上顶部高于基质床体的上沿，取样管最上部的通气孔要低于砂石层(6)的上平面，玉米芯层(9)的顶部要高于砂石层(6)的上平面。
9.根据权利要求1所述的强化冬季微污染水体脱氮的水平潜流湿地系统，其特征在于，所述的砂石层表面覆盖有砂土，并种植有芦苇、香蒲或黄花鸢尾植物。
【文档编号】C02F3/30GK104326574SQ201410683823
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】于鲁冀, 陈涛, 柏义生, 范鹏宇, 晋凯迪, 章显 申请人:郑州大学