本发明属于环境工程领域，特别是指一种用于污水处理的人工湿地装置及其使用方法。
背景技术：
目前我国应用的人工湿地大多分为表面流湿地和潜流湿地两类，上述类型人工湿地普遍存在占地面积大、容易堵塞等问题，因而，如何改进人工湿地结构，提高其复氧效果促进其处理效率，成为人们广泛关注的问题。目前，改进人工湿地复氧效率的常用方法往往是通过设置电力曝气机得以实现，这种方法耗电耗能且投入较大，因而需要开发新型的人工湿地处理工艺。
技术实现要素：
本发明针对现有人工湿地工艺复氧能力的不足，提出了一种无剩余污泥产生。装置运行过程中不会产生剩余污泥，日常维护简单处理效果好的新型用于污水处理的人工湿地装置及其使用方法。
实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于污水处理的人工湿地装置，其特征是：包括有处理人工湿地单元和终端强化除磷人工湿地单元，其中处理人工湿地单元至少有三级，所述处理人工湿地单元包括有隔板、人工湿地填料、水力风机、进水区、曝气管、出水泵、低液位感应器、出水区、进气管、溢流管、高液位感应器和出水管，所述隔板设置在人工湿地填料的前后两侧，且与人工湿地填料的前后两侧之间均隔开设置，人工湿地填料前侧与隔板之间的空间构成进水区，人工湿地填料后侧与隔板之间的空间构成出水区，所述曝气管的端部位于人工湿地填料的底部，出水泵上连接出水管，最前端的处理人工湿地单元为一级处理人工湿地单元，一级处理人工湿地单元的出水管与下一级处理人工湿地单元的进水区贯通设置，最后一级处理人工湿地单元的出水管与终端强化除磷人工湿地单元的进水区贯通设置，所述终端强化除磷人工湿地单元包括有人工湿地填料、水力风机、进水区、曝气管、进气管和系统总出水管，其中终端强化除磷人工湿地单元的曝气管设置在终端强化除磷人工湿地单元的人工湿地填料的底部，系统总出水管设置在终端强化除磷人工湿地单元的人工湿地填料的中部。
本发明进一步设置是：所述一级处理人工湿地单元后的处理人工湿地单元的出水泵后还连接有回流管，该回流管的出口部位于上一级处理人工湿地单元的人工湿地填料的顶部。
本发明再进一步设置是：所述处理人工湿地单元的水力风机位于进水区上，水力风机连接曝气管和进气管，水力风机运转实现空气由进气管进入曝气管，所述低液位感应器和高液位感应器设置在出水区，低液位感应器和高液位感应器分别控制出水泵，隔板把各处理人工湿地单元隔开设置，所述前一级处理人工湿地单元出水管的出口位于下一级处理人工湿地单元进水区的水力风机上方，从而可实现污水流动推动水力风机运转。
本发明再进一步设置是：单个处理人工湿地单元的有效排水体积指该处理人工湿地单元内所排放的高液位感应器和低液位感应器之间的蓄水量，单个处理人工湿地单元的有效排水体积是该级处理人工湿地单元总蓄水体积的70%-100%，一级处理人工湿地单元之后的单个处理人工湿地单元的有效排水体积是上一级处理人工湿地单元有效排水体积的2.1-2.3倍，一级处理人工湿地单元之后的单个处理人工湿地单元的出水泵的排水流量设定为上一级处理人工湿地单元的出水泵流量的2-3倍，回流管的回流量设定为与上一级处理人工湿地单元出水管的排水流量一致且出水管的排水量为上一级处理人工湿地单元出水泵流量的1-2倍。
本发明再进一步设置是：所述的处理人工湿地单元的人工湿地填料为沸石、页岩、砾石、陶粒或砖头中的一种或几种，一级处理人工湿地单元内的人工湿地填料的粒径为5-8cm，一级处理人工湿地单元后的处理人工湿地单元的人工湿地填料的粒径为3-5cm，再之后的处理人工湿地单元的人工湿地填料的粒径为1-3cm，终端强化除磷人工湿地单元内所放置的人工湿地填料为石灰石、贝壳、珊瑚石、页岩陶粒或水化硅酸钙中的一种或几种，其粒径为1-3cm，处理人工湿地单元和终端强化除磷人工湿地单元的表面种植植物。
本发明使用方法的技术方案是：污水首先通过进入一级处理人工湿地单元的进水区，进水区有效宽度为30-50cm，长度与一级处理人工湿地单元的宽度一致，然后污水进入一级处理人工湿地单元的人工湿地填料区，污水进入时带动水力风机运行，水力风机连接曝气管和进气管，空气由进气管进入然后从曝气管排出，对人工湿地填料区充氧的作用，污水经过人工湿地填料区后进入出水区，在出水区中设置出水泵、出水管、低液位感应器和高液位感应器，当一级处理人工湿地单元中的液位达到高液位感应器时启动出水泵排水，当达到低液位感应器时候关闭出水泵，一级处理人工湿地单元与下级人工湿地单元通过隔板隔离保持相互独立，一级处理人工湿地单元的出水管与出水泵相连并穿过隔板，出口在处理人工湿地单元的进水区，一级处理人工湿地单元的出水由出水泵排入下级人工湿地单元的进水区，一级处理人工湿地单元后的处理人工湿地单元依次按照上述方式工作，然后最后一级处理人工湿地单元的出水管排水给终端强化除磷人工湿地单元的进水区，污水在强化除磷人工湿地单元中的停留时间为4-12h，最后经终端强化除磷人工湿地单元内放置系统总出水管排出。
本发明使用方法进一步技术方案是：所述一级处理人工湿地单元后的处理人工湿地单元的出水泵后还连接有回流管，该回流管的出口部位于上一级处理人工湿地单元的人工湿地填料的顶部，污水通过回流管同时流向上一级处理人工湿地单元的人工湿地填料的顶部，所述终端强化除磷人工湿地单元进水区的污水进入时带动终端强化除磷人工湿地单元的水力风机运行，水力风机连接曝气管和进气管，空气由进气管进入然后从曝气管排出，对终端强化除磷人工湿地单元的人工湿地填料区充氧的作用。
本发明装置和方法的优点在于：
1.装置运行简单、维护方便。系统主体机械设备仅为几台出水泵，没有额外的动力设备，使用方法简单。
2.运行成本低。系统仅有几台设备，因而所需电费较省，运行成本低。
3.处理效果好，通过无动力水力曝气设备的充氧作用，及人工湿地干湿交替运行时自然复氧的控制方式，可以使得装置具有良好的充氧能力，大大促进装置的运行效能，出水水质较好。
4.景观效果好，人工湿地装置表面种植景观植物，外观效果较好。
5.无剩余污泥产生。装置运行过程中不会产生剩余污泥，日常维护简单。
附图说明
附图1为本发明实施例的装置示意图。
图中:a为处理人工湿地单元、a2为水力风机、a3为进水区、a4为曝气管、a5为出水泵、a6为低液位感应器、a7为出水区、a8为隔板、a9为进气管、a10为出水管、a11为回流管、a12为溢流管、a13为高液位感应器、a14为人工湿地填料、b为终端强化除磷人工湿地单元、b2为水力风机、b3为进水区、b4为曝气管、b8为隔板、b9为进气管、b14为人工湿地填料、b15为系统总出水管。
具体实施方式
如图1所示，一种用于污水处理的人工湿地装置，包括有处理人工湿地单元a和终端强化除磷人工湿地单元b，其中处理人工湿地单元a至少有三级，所述处理人工湿地单元a包括有隔板a8、人工湿地填料a14、水力风机a2、进水区a3、曝气管a4、出水泵a5、低液位感应器a6、出水区a7、进气管a9、溢流管a12、高液位感应器a13和出水管a10，所述隔板a8设置在人工湿地填料a14的前后两侧，且与人工湿地填料a14的前后两侧之间均隔开设置，人工湿地填料a14前侧与隔板a8之间的空间构成进水区a3，人工湿地填料a14后侧与隔板a8之间的空间构成出水区a7，所述曝气管a4的端部位于人工湿地填料a14的底部，出水泵a5上连接出水管a10，最前端的处理人工湿地单元a为一级处理人工湿地单元a，一级处理人工湿地单元a的出水管a10与下一级处理人工湿地单元a的进水区a14贯通设置，最后一级处理人工湿地单元a的出水管a10与终端强化除磷人工湿地单元b的进水区b3贯通设置，所述终端强化除磷人工湿地单元b包括有人工湿地填料b14、水力风机b2、进水区b3、曝气管b4、进气管b9和系统总出水管b15，其中终端强化除磷人工湿地单元b的曝气管b4设置在终端强化除磷人工湿地单元b的人工湿地填料b14的底部，系统总出水管b15设置在终端强化除磷人工湿地单元b的人工湿地填料b14的中部。
本发明实施例中，所述一级处理人工湿地单元a后的处理人工湿地单元a的出水泵a5后还连接有回流管a11，该回流管a11的出口部位于上一级处理人工湿地单元a的人工湿地填料a14的顶部。所述处理人工湿地单元a的水力风机a2位于进水区a3上，水力风机a2连接曝气管a4和进气管a9，水力风机a2运转实现空气由进气管a9进入曝气管a4，所述低液位感应器a6和高液位感应器a13设置在出水区a3，低液位感应器a6和高液位感应器a13分别控制出水泵a5，隔板a8把各处理人工湿地单元a隔开设置，所述前一级处理人工湿地单元a出水管a10的出口位于下一级处理人工湿地单元a进水区a3的水力风机a2上方，从而可实现污水流动推动水力风机运转。在本发明实施例中，单个处理人工湿地单元a的有效排水体积指该处理人工湿地单元a内所排放的高液位感应器a13和低液位感应器a6之间的蓄水量，单个处理人工湿地单元a的有效排水体积是该级处理人工湿地单元a总蓄水体积的70%-100%，一级处理人工湿地单元a之后的单个处理人工湿地单元a的有效排水体积是上一级处理人工湿地单元a有效排水体积的2.1-2.3倍，一级处理人工湿地单元a之后的单个处理人工湿地单元a的出水泵a5的排水流量设定为上一级处理人工湿地单元a的出水泵a5流量的2-3倍，回流管a11的回流量设定为与上一级处理人工湿地单元a出水管a10的排水流量一致且出水管a10的排水量为上一级处理人工湿地单元a出水泵a5流量的1-2倍。
在本发明实施例中个，所述的处理人工湿地单元a的人工湿地填料a14为沸石、页岩、砾石、陶粒或砖头中的一种或几种，一级处理人工湿地单元a内的人工湿地填料a14的粒径为5-8cm，一级处理人工湿地单元a后的处理人工湿地单元a的人工湿地填料a14的粒径为3-5cm，再之后的处理人工湿地单元a的人工湿地填料a14的粒径为1-3cm，终端强化除磷人工湿地单元b内所放置的人工湿地填料b14为石灰石、贝壳、珊瑚石、页岩陶粒或水化硅酸钙中的一种或几种，其粒径为1-3cm，处理人工湿地单元a和终端强化除磷人工湿地单元b的表面种植植物。
本发明使用方法的实施例是：污水首先通过进入一级处理人工湿地单元a的进水区a3，进水区a3有效宽度为30-50cm，长度与一级处理人工湿地单元a的宽度一致，然后污水进入一级处理人工湿地单元a的人工湿地填料a14区，污水进入时带动水力风机a2运行，水力风机a2连接曝气管a4和进气管a9，空气由进气管a9进入然后从曝气管a4排出，对人工湿地填料a14区充氧的作用，污水经过人工湿地填料a14区后进入出水区a7，在出水区a7中设置出水泵a5、出水管a10、低液位感应器a6和高液位感应器a13，当一级处理人工湿地单元a中的液位达到高液位感应器a13时启动出水泵a5排水，当达到低液位感应器a6时候关闭出水泵，一级处理人工湿地单元a与下级人工湿地单元a通过隔板a8隔离保持相互独立，一级处理人工湿地单元a的出水管a10与出水泵a5相连并穿过隔板，出口在处理人工湿地单元a的进水a3区，一级处理人工湿地单元a的出水由出水泵a5排入下级人工湿地单元a的进水区a3，一级处理人工湿地单元a后的处理人工湿地单元a依次按照上述方式工作，然后最后一级处理人工湿地单元a的出水管a10排水给终端强化除磷人工湿地单元b的进水区b3，污水在强化除磷人工湿地单元b中的停留时间为4-12h，最后经终端强化除磷人工湿地单元b内放置系统总出水管b15排出。
在本发明实施例中，所述一级处理人工湿地单元a后的处理人工湿地单元a的出水泵a5后还连接有回流管a11，该回流管a11的出口部位于上一级处理人工湿地单元a的人工湿地填料a14的顶部，污水通过回流管a11同时流向上一级处理人工湿地单元a的人工湿地填料a14的顶部，所述终端强化除磷人工湿地单元b进水区b3的污水进入时带动终端强化除磷人工湿地单元b的水力风机b2运行，水力风机b2连接曝气管b4和进气管b9，空气由进气管b9进入然后从曝气管b4排出，对终端强化除磷人工湿地单元b的人工湿地填料b14区充氧的作用。
本装置和方法的一个具体使用实施例如下：
在温州市某住宅小区采用本工艺方法处理污水，小区人口合计1000人，每日产生污水100m3，收集的污水平均浓度cod为350mg/l，氨氮为40mg/l,总磷为5mg/l。
在该小区绿地中建有有效占地面积共213m2、有效深度为2.0m、总高为2.5m的长方形人工湿地，人工湿地放置填料后的孔隙率为50%,人工湿地四周池壁由钢筋混凝土材质构成，其中第一级处理人工湿地单元a污水有效停留时间为6h，占地面积为25m2，第二级处理人工湿地单元a占地面积为52.5m2，第三级处理人工湿地单元a占地面积为110.5m2，终端强化除磷人工湿地单元b的面积为25m2。
其中污水由dn100pvc管收集进入一级处理人工湿地单元a的进水区a3，dn100pvc的管底距离地面为20cm，一级处理人工湿地单元a进水区a3由开孔直径为10mm、开孔间隔为100mm、墙厚为240mm的多孔砖墙隔离形成，进水区a3长5m，宽度为300mm，在一级处理人工湿地单元a进水区a3内部，设有dn25的不锈钢曝气管a4和不锈钢进气管a9，不锈钢曝气管a4伸入长度为4.4m的处理人工湿地单元a内部底部，且不锈钢曝气管a4按1m的间距设置布气横管，布气横管为dn25的不锈钢管，且在横管上按照200mm的间隔开直径为15mm的曝气孔，其中在曝气管a4上部距离地面约30cm处设置有水力风机a2，水力风机a2由不锈钢制成，水力风机a2的叶轮位于dn100的出水管a10下方，风机叶轮片长度为5cm，叶轮片共4片，在污水的冲击下，水力风机a2的叶轮片会进行旋转并推动风机，使得风机压缩空气使其对处理人工湿地单元a内部进行鼓气，促进其处理效果。在处理人工湿地单元a四周池壁及多孔砖墙围成的区域内，放置粒径为3-5cm的砾石填料，填充砾石填料后，湿地内部的平均孔隙率为50%左右，湿地表面种植密度为6-8株/m2的美人蕉。在处理人工湿地单元a尾端，设置出水区a7，出水区a7由开孔直径为10mm、开孔间隔为100mm、墙厚为240mm的多孔砖墙制隔板与处理人工湿地单元a池壁隔离形成，出水区a7长5m，宽度为300mm，出水区a7内放置功率为0.35kw的潜水出水泵a5，出水泵a5通过在出水区a7设置的高液位感应器a13和低液位感应器a6控制其启动和关闭，高液位感应器a13设置在出水区a7距离地面35cm处，低液位感应器a6设置在出水区a7距离湿地底部约15cm处，当处理人工湿地单元a中污水水位达到高液位感应器a13处时，出水泵a5启动排水，当水位液位降低至低液位感应器a6时，出水泵a5停止排水，有效排水水位高度为2.0m，并通过阀门控制，调节出水泵a5的流量为40m3/h,一级处理人工湿地单元a出水泵a5连接dn50pvc出水管a10，出水管a10管底距离地面为20cm，出水管a10开口处在二级处理人工湿地单元a的进水区a3内，且在二级处理人工湿地单元a水力风机a2的上方，出水能推动水力风机a2转动。
一级处理人工湿地单元a出水进入二级处理人工湿地单元a，二级处理人工湿地单元a及三级处理人工湿地单元a的隔板a8、水力风机a2、进水区a3、曝气管a4、低液位感应器a6、出水区a7、进气管a9、溢流管a12、高液位感应器a13等结构与功能的设置与一级处理人工湿地单元a地类似，区别在于湿地规模、出水方式和填料粒径。其中二级处理人工湿地单元a和三级处理人工湿地单元a的宽度均为5m，长度分别为10.5m和22.1m，二级处理人工湿地单元a和三级处理人工湿地单元a的进水区a3及出水区a7宽度均为30cm；二级处理人工湿地单元a中填充直径为2-3cm的砾石，三级处理人工湿地单元a中填充直径为1-2cm的砾石；二级处理人工湿地单元a及三级处理人工湿地单元a的出水泵a5均连接dn50pvc回流及出水系统管网，其中二级处理人工湿地单元a出水泵a5连接的回流管a11伸入到一级处理人工湿地单元a上部填料层中，回流管a11管底距离一级处理人工湿地单元a填料顶部为20cm，回流管a11管底按照间隔15cm开直径为2mm的孔，使得回流污水能够通过回流管a11均匀分布在一级处理人工湿地单元a的填料内部，二级处理人工湿地单元a的出水管a10伸入到三级处理人工湿地单元a的进水区a3内，三级处理人工湿地单元a的回流管a11和出水管a10设置与二级处理人工湿地单元a类似，三级处理人工湿地单元a的出水管a10进入终端强化除磷人工湿地单元b，三级处理人工湿地单元a的回流管a11进入二级处理人工湿地单元a，回流管a11按照间隔15cm开直径为2mm的孔，三级处理人工湿地单元a的出水管a10进入终端强化处理人工湿地单元b的进水区b3；二级处理人工湿地单元a的出水泵a5功率为0.7kw，通过阀门调节控制，二级处理人工湿地单元a的回流管a11流量为40m3/h,出水管a10流量为80m3/h，三级处理人工湿地单元a的出水泵a5功率为1.5kw，通过阀门调节控制，三级处理人工湿地单元a的回流管a11流量为40m3/h,出水管a10流量为160m3/h。
终端强化除磷人工湿地单元b宽度为5m，长度为5m，终端强化除磷人工湿地单元b的水力风机b2、进水区b3、曝气管b4和进气管b9的物理结构与上述处理人工湿地类似，终端强化除磷人工湿地单元b内填充的是石灰石质强化除磷填料，填料的粒径为1-2cm，在终端强化除磷人工湿地单元b距离顶部上层30cm处，设置dn100的pvc系统排水总管b15，排水总管b15底部按照间隔15cm开直径为2mm的孔，用于排除处理后的出水。
该小区污水经过上述污水处理设施处理后，出水达到了《城市杂用水水质标准》（gb/t18920-2002）中的规定值，可回用于绿化、冲厕、景观等用途，有效实现了水资源的回用。