强化处理富营养化水体的复合流人工湿地系统的制作方法

本发明涉及强化处理富营养化水体的复合流人工湿地系统，属环境保护技术领域。

背景技术：

近年来，由于经济的发展及居民生活水平的提高，大量未经适当处理的污水排入河道，湖泊等水体，导致我国的河流富营养化现象日趋严重。富营养化水体一般具有低碳氮比（一般小于3）和磷浓度低（一般小于1mg/l）的特点，并且氮主要以硝态氮的形式存在，这为水体的脱氮除磷带来困难。

人工湿地污水处理技术因具有建设与运行费用低，维护管理方便，处理效果稳定而被广泛应用于污水处理领域。传统的水平潜流，垂直潜流以及复合流人工湿地对富营养化水体脱氮除磷起到一定的作用，但仍存在许多缺陷。如：由于富营养化水体有机物含量相对较低，传统人工湿地的脱氮能力严重受限；磷浓度较低的特点使磷的去除较为困难。

因此，随着国家对水环境要求的不断提高以及人工湿地污水处理技术的不断深入的研究，针对富营养化水体中低碳氮比以及低浓度磷处理难度较高的情况，开发强化脱氮除磷的新型多级复合流人工湿地系统，已成为富营养化水体深度脱氮除磷的必然途径。

另外，现有人工湿地的底面均设计为水平面，易于出现堵塞问题，这是人工湿地寿命缩短的重要因素。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种强化处理富营养化水体的复合流人工湿地系统，这种系统对氮磷的除去能力强，且不易堵塞。

本发明的技术方案为：

一种强化处理富营养化水体的复合流人工湿地系统，其包括池体，所述池体沿水流方向依次分隔为第一单元、第二单元和第三单元，各所述单元的底部均设有布水层，各所述单元的后端均设有溢流堰，所述第一单元和第二单元的溢流堰出水分别接入第二单元和第三单元的布水层，系统进水接入所述第一单元的布水层，所述第三单元的溢流出水接入位于第三单元后面的出水槽，所述出水槽设有系统出水管，所述布水层填充有颗粒填充物，布水层的颗粒填充物之间留有构成布水通道的缝隙，各所述单元的布水层上面均设有主填料层，各所述主填料层的上面均设有表层，所述第一单元的主填料层和第三单元的主填料层均采用无机颗粒层，所述第二单元的主填料层包括有机滤料层和位于所述有机滤料层上面的无机颗粒层。

所述有机滤料层可以由秸秆碎段和腐殖土的混合物构成，也可以由上下相间分布的秸秆碎段层和腐殖土层构成，所述相间分布的秸秆碎段层和腐殖土层中，至少所述秸秆碎段层或所述腐殖土层的数量为多层，优选所述秸秆碎段层或所述腐殖土层均为多层。所述有机滤料层中的秸秆碎段和腐殖土的质量比优选为10:4-5，所述秸秆段优选为30-80mm长的芦苇杆段。

各单元的所述表层均可以采用细沙层。

第一单元的所述无机颗粒层和第二单元的所述无机颗粒层均可以采用火山岩颗粒层。

第三单元的所述无机颗粒层可以采用砾石和粉煤灰的混合物层，所述砾石和粉煤灰的质量比优选为10:8-12，所述砾石的粒径优选为30-50mm。

优选的，所述第一单元和第三单元内均种植有芦苇，所述第二单元内种植有香蒲。

优选的，所述池体的底面为前高后低的纵向倾斜面。

各单元的底部均可以设有纵向延伸的中央凸起，所述中央凸起优选位于左右方向上的中央部位，其横截面可以呈中部向上的三角形或类似于三角形的形状。

所述第一单元和第二单元的侧壁上部均可以设有侧向溢流管，溢流管位于所在单元纵向上的后部，所述侧向溢流管的溢流高度高于所在单元的溢流堰的溢流高度。

各单元的侧壁底部可以均设有侧向放空管，所述放空管位于所在单元纵向上的后部，所述放空管穿过所在单元的侧壁，其里端位于所在单元的布水层，外端延伸在所在单元的侧壁外或者构成所在单元的侧壁上的出水口，所述侧向放空管上可以设有放空控制阀。

所述第一单元的底部优选设有纵向延伸的穿孔花管，所述穿孔花管的前端通过管道连接冲洗水泵，后端端口封闭，所述冲洗水泵可以安装的所述第一单元前方的地面上，所述冲洗水泵的进水段可以连接冲洗水源，例如冲洗水进水管道或冲洗水槽，可以采用经过本系统处理后的水作为冲洗水源，例如，将冲洗水泵的进水端接入所述的出水槽。

所述系统进水接入所述第一单元的布水层的方式为：系统进水管的未端经第一单元前端的第一导水廊道连接所述第一单元的布水层的前端，所述第一单元和第二单元的溢流堰出水分别接入第二单元和第三单元的布水层的方式为：所述第一单元的溢流出水经位于第二单元前端的第二导水廊道连接所述第二单元的布水层的前端，所述第二单元的溢流出水经位于第三单元前端的第三导水廊道连接所述第三单元的布水层的前端。

各导水廊道优选为：所述第一导水廊道由所述池体的前端内壁和所述第一单元的前端板之间所留的间隙构成，所述第二导水廊道由所三导水廊道由所述第二单元的后端板与第三单元的前端板之间所留的间隙构成，各单元的后端板的顶部构成该单元的溢流堰，底部连接池体的底面，各单元的前端板的底边与所述池体的底面之间留有构成水流通道的间隙。第一单元的前端板的顶部高于系统进水管的高度，第二单元的前端板和第三单元的前端板的顶部高度分别高于第一单元的溢流堰高度和第二单元的溢流堰高度。

各单元的所述溢流堰均可以采用三角堰结构。。

本发明的有益效果为：

提高碳氮比，强化人工湿地系统的脱氮效果；

通过选择高效除磷填料，强化人工湿地的除磷效果；

水流为上向流，减少水流短路的可能性，进水中所含的固体悬浮物沉积于底层，降低了堵塞风险；

相对于传统垂直潜流人工湿地，本方案不需布水管道，节省造价，各处理单元底部具有一定坡度，放空时有利于排除底部沉积物；

系统长期处于饱和状态，有利于保持缺氧环境，利于脱氮；

针对不同植物特点，于第一处理单元栽种芦苇，充分利用芦苇根系泌氧能力强的特点；

第二处理单元主要为反硝化区，栽种泌氧能力有限的香蒲，避免或减小对反硝化的影响；

第二处理单元掺假一定量腐殖土，腐殖土中含有大量微生物，缩短了系统启动时间；

第三处理单元为碎石和粉煤灰，保证水流通常的前提下强化除磷效果。

附图说明

图1是本发明的纵向剖视示意图；

图2是本发明的俯视透视示意图；

图3是本发明的横向剖视示意图。

具体实施方式

参见图1-3，本发明的目的是通过优化人工湿地的结构、水流方向以及填料配置，以提高碳氮比，扩大系统的缺氧区，强化人工湿地对氮磷的去除效果。

通过隔板设置，将构成湿地的池体分为三个处理单元，即沿水流方向依次为第一单元、第二单元和第三单元，各单元的优化体积比为1:2:1，池体总体上长方体，底面具有一定坡度，约为1%，各单元填料表层高程沿水流方向依次降低5-10cm。各单元的底部具有能够形成一定横向坡度的三角形凸起20，角度为10°-20°，单元底部较低的一端（后端）两侧均布置放空管14，兼做排泥管，底部填充20-30cm厚的砾石层作为布水层3，粒径约为30-50mm。

第一单元及第二单元的后部布置溢流管16，第一单元主填料层4采用火山岩填料，厚度约为60-80cm，粒径为8-16mm，表层5为覆盖在主填料层上约15cm厚的细砂层，粒径约为0-4mm，并于细砂层上栽种芦苇6，种植密度为20株/m²。

需处理水体最先流经第一单元，固体悬浮物在第一单元底部积累最多，最易导致系统堵塞，因此，在第一单元底部布置管径为3cm的pvc穿孔花管19，周边开孔，孔径约3mm，穿孔花管通过相同管径的竖管与冲洗水泵18相连，当第一单元前部导流渠水位明显升高时，开启冲洗水泵18，对单元底部进行冲洗，并同时开启单元底部放空管，排除积累的固体悬浮物。

第二单元的有机填料层7采用芦苇秸秆，或者腐殖土，优选交替采用秸秆和腐殖土，填充厚度约为50cm，事先将芦苇进行自然风干处理并剪碎至长度约为5cm，腐殖土中含有大量微生物，包括硝化细菌，反硝化细菌等，可缩短系统达到稳定高效处理的时间，另外系统运行初期，腐殖土中所含有机质可被反硝化细菌利用，强化反硝化脱氮效果，有机填料层7的上面为火山岩层17，厚度约为20cm，粒径约为8-16mm，表层8为覆盖15cm厚的细砂，并栽种香蒲9，种植密度为20株/m²。

第三单元的主填料层10采用砾石或粉煤灰，或分层交替采用砾石和粉煤灰，填充厚度为60-80cm，砾石粒径约为2cm，交替采用两种填料时，两者的体积比约为1:1，表层11为15cm厚的细砂层，并栽种芦苇6，种植密度为20株/m²。

富营养化水体由进水管1进入系统，通过导流廊道2进入第一单元底部，以此流经砾石层3、火山岩层4和细砂层5，经过溢流三角堰15进入第二单元，火山岩具有较高的比表面积，持有较高的生物量，并且芦苇具有较强的泌氧能力，两者的组合强化了该单元对氨氮的去除能力。

由于火山岩对磷的吸附作用，水体中磷含量也得到一定削减，水体流经第一单元后，氨氮得到有效去除，磷含量得到一定程度削减。第一单元中氨氮的硝化作用及有机物的降解消耗一定量的溶解氧，使进入系统的富营养化水体溶解氧得到一定的降低，为第二单元的反硝化作用形成了有利的缺氧环境。

水体由第二单元底部向上流动，依次流经芦苇杆层7、火山岩层17和细砂层8，芦苇杆中的纤维素或半纤维素在微生物作用下被分解，为系统中反硝化细菌提供碳源，作为反硝化作用的电子受体；芦苇杆为中空结构，有利于反硝化菌等微生物的附着生长。表层栽种的香蒲9根系巨大的比表面积也可为植物提供附着场所，并且香蒲根系分泌的有机酸等有机物可为反硝化菌提供一定的碳源。水体流经第二单元后，总氮得到有效去除。

水体由第三单元的底部向上流经砾石层/粉煤灰层10，由于粉煤灰具有较强的磷吸附能力，因此使水体中的磷得到大幅削减，表层所种植芦苇6可改善出水溶解氧环境。

可通过泵入实际富营养化水体考察本专利在实际中的应用，确定运行参数及处理能力，并优化外碳源填料芦苇杆以及除磷填料粉煤灰的配比。

池体的底部可以设置防渗层，所述防渗层可以采用任意适宜的现有技术和其他可能的技术。作为一个优选的实施例，所述防渗层可以自基面起由里到外依次为膨润土垫层、hdpe土工膜、膨润土保护层、细沙保护层和涤纶无纺土工布层，通过将涤纶无纺土工布设置与细沙保护层的上面，有助于提供对土工膜的整体保护效果，利用涤纶无纺土工布的整体性和韧性，支承、匀化和缓冲来自上方的外力/外物，同时隔离杂质，减少细沙保护层的污染以及生化反应，这种土工布的上面可以直接铺设砾石层、填料层和集水管道，膨润土保护层的设置有利于防止实际实施中细沙中较大颗粒或尖锐异物对土工膜的损坏。土工膜之间的接缝处优选采用堆焊焊接，且位于上层的土工膜焊接边缘为折叠边，将上层土工膜搭接在下层土工膜上时，留出一定的折叠富余量，将富余部分向上翻起并折叠在本土工膜的主体部分上，形成折叠后的边缘，在折叠后的边缘处进行与下层土工膜之间的堆焊，这种焊接方式不仅方便易行，而且在实际中能够有效地保证焊接区域的强度，且不存在边缘破损。

池体内可以设置若干集排气立管，所述集排气立管的侧壁上分布有若干集气通孔，外面包裹有一层或多层非金属丝网，例如尼龙丝网，所述集排气立管的下端延伸池体的底部，上端露在外面，池内因生化反应形成的二氧化碳和氮气等气体可以在内部压力作用下自动进入集排气立管并排出，包裹在外面的丝网网孔能够阻挡颗粒物进入立管，由此允许立管上采用相对较大的集气通孔，有助于防止通孔堵塞，延长使用寿命。

各单元的底部、中部和上部可以设有在线温度检测仪和/或压力检测仪，所述在线温度检测仪/或压力检测仪的输出接入现场控制柜，通过现场控制柜的显示器进行显示，以便于了解和判断池体内部的生化反应状况，例如，温度是影响菌群活性的一个重要环境因素，而压力则提示池内透水透气性能以及由此可能存在的生化反应问题，现场控制柜内可以依据需要设置相关的数据处理电路或装置，将温度/压力检测仪的输出接入相关数据处理电路或装置，以进行所需的显示处理和其他处理，例如，数据处理电路或装置可以设有报警输出，在检测的温度/压力数据符合报警条件时，通过报警输出连接的报警指示灯和/或报警蜂鸣器进行报警。

所述池体的上面可以设有纵向和/或横向的人行桥，所述人行桥的两端固定安装在池壁或地面上，由此，管理和检修人员可以走到桥上进行近距离查看和检修作业。

本发明具有下列特点：

利用用火山岩具有较大比表面积的特点，以及硝化细菌的硝化作用，充分利用进水中的溶解氧，使氨氮得到有效去除。

以芦苇杆和腐殖土为外碳源填料，为反硝化细菌提供了外碳源和生长的附着场所，且通过腐殖土和芦苇杆的合理配比以及对水中有机污染物的截留，利用秸秆、腐殖土和有机污染物的特点，使各时期不同碳源的分解释放能够相互协调，此消彼长，形成长期稳定的碳供应量，由此强化了系统脱氮效果并保证了良好的长期使用效果。

通过选择不同的植物，在第一单元和第三单元栽种泌氧效果较强的芦苇，利于硝化作用，在第二单元栽种香蒲，泌氧作用对反硝化作用的副作用较小，两种植物的根系均为微生物的生长提供附着场所，根系分泌的有机酸等有机物促进了反硝化作用。

人工湿地水流方向的控制和底部坡度的设置，有利于进水中的固体悬浮物沉积于系统底部，并在放空冲洗时由放空管排除，降低了系统堵塞风险。

人工湿地长期处于饱和状态，有利于缺氧环境的保持，促进反硝化作用进行。

砾石和粉煤灰作为第三单元的主填料，强化了系统的除磷效果，特别是可以根据实验，选择优化的砾石粒径和两者的配比（例如本发明公开的优选参数下），保证水流的顺畅，并利用砾石表面形状形成的水流组织，使得粉煤灰在砾石间隙中，在水流带动下形成类似于流化床的微状态，更为有效地保证了除磷效果；

水流为上向流，减少水流短路的可能性，进水中所含的固体悬浮物沉积于底层，降低了堵塞风险；

相对于传统垂直潜流人工湿地，不需布水管道，节省造价；

分单元设置，有利于在不同单元维持不同的净化条件，第二处理单元主要为反硝化区，填充一定量的腐殖土，腐殖土中含有大量微生物，缩短了系统启动时间，栽种泌氧能力有限的香蒲，第三处理单元填充为碎石和粉煤灰，保证水流通常的前提下强化除磷效果。

本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。