一种垂直流人工湿地基质结构系统的制作方法

本发明涉及一种人工湿地基质结构系统，特别涉及一种垂直流型人工湿地处理系统，具体涉及一种利用泥鳅土壤层和砂石基质层相结合构成的人工湿地基质结构，属于污水治理环境领域。

背景技术：

人工湿地污水处理系统源于对天然湿地的模拟，是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，来实现对污水的净化，由填料床和其他种植的植物组成。湿地植物与在水中、填料中生存的动物、微生物形成一个独特的动植物生态环境，污水流经床体表面和床体填料缝隙时，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等作用，实现对污水的高效净化处理。

人工湿地系统目前常用于农村生活污水的处理。人工湿地主要依靠填料上生长的微生物膜和植物根茎不断繁殖迸行新陈代谢来处理污水的，则必然产生一些代谢产物、腐烂的植物根系，再加上污水中的一些悬浮物，不断堵塞填料孔隙，影响湿地长期运行的稳定性，甚至使湿地系统失去其应有的功能。针对人工湿地填料堵塞的问题，常见的解决途径为选取性能更佳的填料进行替换。张翔凌研究发现，与砾石相比生物陶瓷、钢渣、沸石和蛭石不容易发生堵塞，透水性能较好。虽然新型填料在一定程度上可以减轻人工湿地堵塞现状，但仍存在效果不明显和成本较高的缺点。

造成人工湿地堵塞的因素是多方面的。有机负荷过高是堵塞的主要影响因素；当垂直流人工湿地用来治理含较多不易降解的ss成分时，堵塞容易发生；过多地种植植物和维护不及时也是造成堵塞的原因；有时厌氧条件加速了系统的堵塞；由于污水中连续的营养供应，系统内产生的生物量不断增加也是造成堵塞的一个因素。

引起人工湿地基质堵塞的因素较多，相应的预防措施和恢复对策也很多，但是效果差别很大，往往治标不治本。主要因为人工湿地是一个“黑箱”系统，各影响因素的重要程度没有得到量化。

中国专利(cn106115928a)公开了一种垂直流人工湿地基质结构系统，包括防渗结构和两个以上的人工湿地基质结构单元，每个人工湿地基质结构单元包括吸附净化模块、防堵塞模块和生态种植层；各个人工湿地基质结构单元在垂直方向上呈梯次落差设置；水流在人工湿地基质结构单元中呈蛇形流动；每个人工湿地基质结构单元中的水流，上下垂直流动；该人工湿地基质结构系统能有效解决常规湿地基质单一和易堵塞的问题，提高湿地运行效率和净化效果。但是该结构系统设置复杂，且采用的基质填料需要经过特殊处理，成本较高。

技术实现要素：

针对现有的垂直流人工湿地存在易堵塞、净化效率低、成本高的问题，本发明的目的是在于提供一种能有效防止基质堵塞，提高污水净化效率，且能产生经济效率，降低成本的垂直流人工湿地基质结构系统。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种垂直流人工湿地基质结构系统，该垂直流人工湿地基质结构系统由上至下依次为水生植物层、泥鳅土壤层、碎石层、砂石层和细沙层；

所述泥鳅土壤层厚度为250～350mm；

所述碎石层厚度为250～350mm，碎石粒度为20～30mm；

所述砂石层厚度为250～350mm，砂石粒度为5～10mm；

所述细砂层厚度为250～350mm，细砂石粒度为0.1～0.25mm。

本发明的技术方案中首次利用生物结合砂石基质来设置一种不易堵塞、过滤效果好的人工湿地基质结构。通过在土壤层种植水生植物和养殖泥鳅，利用水生植物和泥鳅来分解有机质，提高人工湿地基质的水力传导性能以及对水体的净化能力，同时利用泥鳅在水生植物根系和土壤中的来回穿梭的生活习性来增加基质上层的孔隙率，有效防止人工湿地基质堵塞。而特殊层次结构的砂石基质，大大不但提高了过滤净化效率，而且能有效防止堵塞。

本发明的砂石基质具有特殊的层次结构，其由上至下，根据水流方向，沙石粒度依次减小。上层碎石层粒径为20～30mm，主要用来阻隔和过滤污水中体积较大的物质，为后续的净化做准备，而粒径较小的砂石层(5～10mm)和细砂石层(0.1～0.25mm)相结合使用，主要用来附着和固定污水中的污染物，利用微生物的新陈代谢作用净化污水。砂石基质层粒径从上至下依次减小，为反级配基质系统，不但可以在一定程度上减轻堵塞现象的产生，而且对污水起到层层净化作用，最终实现达标排放，提高净化效率。

优选的方案，所述泥鳅土壤层与碎石层之间设有网孔径为2mm过滤筛网。过滤筛网是介于泥鳅土壤层和砂石层之间的金属滤网，主要是用来阻隔泥鳅及土壤等进入下面砂石层。过滤筛网可以直接购买。

优选的方案，所述泥鳅土壤层中种植有分解和吸收氮磷污染物的水生植物；较优选的水生植物包括美人蕉、菖蒲、水芹菜中至少一种。选用的水生生物具有较高的分解吸收水中有机质的作用，与养殖的泥鳅搭配，两者起到相互促进作用，泥鳅可以改善土壤结构，提供植物所需养分，植物为泥鳅提供良好的生长环境。两者通过对土壤中有机质的分解作用，可以在一定程度上防止人工湿地的堵塞问题。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：

1)本发明的垂直流人工湿地基质结构系统将包括水生植物和泥鳅的生物层和特殊结构的砂石层联合使用，能有效解决垂直潜流型人工湿地易堵塞问题，增加人工湿地系统的使用寿命。

2)本发明的垂直流人工湿地基质结构系统能提高人工湿地对污水的净化能力。

3)本发明的垂直流人工湿地基质结构系统结构设置简单，有利于推广应用。

4)本发明的垂直流人工湿地基质结构系统具有较高的副产值，可以降低整个系统的使用成本。

附图说明

【图1】为本发明的垂直流人工湿地基质结构系统结构简图；

【图2】为人工湿地基质结构系统对污水净化效率随时间变化曲线；

其中，1为水生植物层，2为泥鳅土壤层，3为过滤筛网，4为碎石层，5为砂石层，6为细砂层，n1为进水口，n2为出水口。

具体实施方式

以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护范围。

实施例1

垂直流型人工湿地进水预处理方法，包括以下步骤：

步骤1，该人工湿地处理系统从上至下主要由泥鳅土壤层和基质层构成；

步骤2，泥鳅土壤层中种植有水生植物层，水生植物层一般采用对氮磷污染物有较高吸收能力的水生植物，常见的植物类型有美人蕉、菖蒲、水芹菜等等；

步骤3，根据项目所在地的进水水质，对泥鳅进行驯化，选择能够适用该项目生存环境的泥鳅品种；

步骤4，基质结构从上至下依次为300mm厚的泥鳅土壤层、孔径为2mm物理过滤筛、300mm厚的碎石层(粒径为20～30mm)、300mm厚的砂石层(粒径为5～10mm)、300mm厚的细沙层(0.1～0.25mm)；

步骤5，待处理的污水经过此系统的层层过滤，出水水质能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级a标准，养殖的泥鳅可以定期打捞，产生部分经济效益。

为验证垂直流人工湿地基质系统的出水效果，进行三组实验对照。实验组为按实施例1设置的基质结构系统；对照组1为不放养驯化泥鳅，其他条件与实验组相同的基质结构系统；对照组2中的基质顺序从上之下依次为300mm厚的细沙层(0.1～0.25mm)、300mm厚的砂石层(粒径为5～10mm)、300mm厚的碎石层(粒径为20～30mm)，其他条件与实验组相同，评判标准为城镇污水处理厂排放标准，具体对比情况见下表所示。

实验结果表明，按实施例1设置的垂直流人工湿地基质结构系统，其出水可达《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级a标准；而不放养驯化泥鳅的对照组1和基质顺序不按实施例1铺设的对照组2，其出水水质只能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级b标准，出水效果较差。

表1污水处理效率

常见潜流人工湿地一般会在运行后的2年内去除效率明显下降，一般为建成后去除率的50％左右，在3至5年内基本完全堵塞，必须对基质进行清理和更换才能继续使用。而按实施例1设置的垂直流人工湿地基质结构系统可以有效解决堵塞问题。实验数据表明，采用实施例1的人工湿地结构系统，各污染物的去除率在2年内基本变化不大，仍在75％以上。由此可见，新型人工湿地基质结构系统可以有效缓解堵塞问题的产生，具体实验数据见下图2所示(x轴表示不同月份，y轴表示相应去除率)。