专利名称：一种利用人工湿地处理生活污水的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生活污水处理方法及其装置，尤其是一种利用人工湿地处理生活污水的方法及其装置。
背景技术：
人工湿地是上世纪七、八十年代发展起来的新型废水处理工艺，因其具有高效率、低投资、低运转费用、低维持技术，以及对氮、磷的去除效果好等优点，在全世界范围内得到了越来越广泛的应用。
一般来说人工湿地主要由人工基质、水生植物和微生物组成。在人工湿地系统中，污染物主要通过填料—微生物—植物复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水的高效净化。同时，通过营养物质和水分的生物地球化学循环，促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化和无害化。
根据湿地中水流方式的不同，人工湿地主要分为三种类型表面流式，潜流式和垂直流式。
表面流人工湿地和自然湿地类似，水深相对较浅，一般在0.2～0.4m，废水从湿地表面流过。这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但占地面积较大，水力负荷率较小，去污能力有限。自由表面流人工湿地中氧主要靠水体表面扩散、植物根系的传输和植物的光合作用提供，但传输能力十分有限。这种类型的湿地系统的运行受气候影响较大，夏季有孳生蚊蝇的现象。
潜流湿地由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设有防渗层以防止地下水污染，污水在填料的空隙中流动，无自由水面存在。与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷大和污染负荷大，对BOD、COD、SS、重金属等污染指标的去除效果好，且很少有恶臭和孳生蚊蝇现象，冬季也有很好的保温效果，然而潜流湿地中的氧气主要依靠植物根系的供给，因此这种类型湿地的硝化作用不够理想。目前，水平潜流人工湿地已被美国、日本、澳大利亚、德国、瑞典、英国、荷兰和挪威等国家广泛使用。
垂直流湿地中，污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。垂直潜流人工湿地的硝化能力高于水平潜流湿地，可用于处理氨氮含量较高的污水。其缺点是对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统，落干/淹水时间较长，控制相对复杂，夏季有孳生蚊蝇的现象。
本申请人提出了一种新的人工湿地污水处理工艺和装置，此装置具有较好的脱氮效果，可供推广使用。
发明内容
本发明的目的是针对现有的单一模式的人工湿地处理生活污水存在的或者硝化作用不佳，或者反硝化作用不足的问题，提供一种利用人工湿地处理生活污水的方法及其装置。
本发明的技术方案是一种利用人工湿地处理生活污水的方法，它包括以下步骤首先将生活污水经过格栅和沉淀池进行预处理，去除其中的漂浮物和可沉降悬浮物；然后将经过预处理的生活污水引入第一级复合垂直流人工湿地中，使其经过垂直隔板一侧的由表面种植有挺水植物的布水防臭层和由青石子处理区组成的下行流区，通过垂直隔板下部的通道进入垂直隔板另一侧的由粗砂石粉处理区和自由水体区组成的上行区中，在自由水体区中种植沉水植物，同时在自由水体区的设定液面高度处设置出水孔；第三，将经过复合垂直流人工湿地中处理后的位于上行区中的自由水体区中的生活污水从排水口排入一与复合垂直流人工湿地相邻的、设置有若干垂直折流板、且种植有挺水植物的垂直折流潜流式人工湿地中，使生活污水得到进一步的处理，然后由设在湿地末端底部的穿孔集水管收集并由与之相连的排水管排出。
一种处理生活污水的装置，包括由格栅、沉淀池组成的预处理装置和人工湿地，其特征是所述的人工湿地由一复合垂直流人工湿地12和一与其相邻的垂直折流潜流式人工湿地13组成，所述的复合垂直流人工湿地12通过垂直隔板6分隔成生活污水下行区和生活污水上行区，生活污水下行区由大颗粒布水防臭层1和青石子处理区2组成并种植有挺水植物11；生活污水上行区依次由位于底部的青石子处理区2、粗砂石粉处理区3、自由水体区5组成，生活污水下行区和生活污水上行区中的青石子处理区2在隔板6的下部贯通并形成生活污水通道，在自由水体区5种植有沉水植物4，在自由水体区5的设定液面高度处设有排水口14，排水管14的出水口高于相邻的垂直折流潜流式人工湿地13的表面；在所述的垂直折流潜流式人工湿地13中种植有挺水植物11，并设有若干分别与池顶或池底垂直相连的隔板6，所述的隔板6将其中的青石子处理区2分隔成下行垂直潜流区和上行垂直潜流区，在靠近排水口10的下行垂直潜流区或上行垂直潜流区中安装有穿孔集水管9，该穿孔集水管9与排水管10相连，排水口16的高度可控制潜流湿地内的水深。
在所述的复合垂直流人工湿地12和垂直折流潜流式人工湿地13的底部均安装有相应的排空管8和支座7。
本发明所述的挺水植物可为芦苇，茭草，风车草，美人蕉和菖蒲，所述的沉水植物春夏秋季可为轮叶黑藻、狐尾藻、马来眼子菜、篦齿眼子菜、苦草，冬季可为伊乐藻和菹草。
本发明的生活污水处理装置主要由格栅、初沉池、湿地处理系统三大部分组成，具体处理流程如图1所示其中格栅主要是去除大体积的漂浮物，以免对后续处理造成影响。
初沉池主要去除砂子等无机颗粒以及可沉降悬浮物。
人工湿地处理单元该单元是整个发明的核心，下面为该单元的详细说明。该单元由垂直流湿地和潜流湿地两部分组成，如图2(以垂直流和潜流湿地均为地上式为例)所示。
垂直流湿地为复合垂直流湿地，即该湿地由中间隔板被均分为下行流区和上行流区，污水首先从上至下流经下行流区，然后通过中间隔板下部的穿孔墙进入上行流区，在该区域内由下至上作上升流运动。下行流区填料厚度为70cm，共分为两层上层填料为超高区，厚度为10cm，粒径为3-5cm，该填料层主要起由两个作用1)将污水均匀的分配到湿地系统中，2)将进水的液面控制在该区的底部，可以减少因原污水的臭味给周围环境造成的影响，同时在夏天可以减少蚊蝇的孳生。下层厚度为60cm，该层为处理区，填料粒径为1-2cm，该区填料均为建筑用青石子。该区所种植物可以为芦苇、茭草、菖蒲等水生植物，这些植物一方面可以吸收水体中的氮磷以及COD等污染物，另一方面，可以向湿地系统提供氧气，从而保证污染物的降解转化；上行流区分为三层下层厚度为10cm，填料为粒径1-2cm的青石子，中层厚度为20cm，填料为粗砂和青石粉的混合物，二者之间的混合比例为(1-2)∶1，上层为自由水体区，该区域高度为30cm，上行流池所选用植物为沉水植物，将沉水植物栽种在中层填料中，沉水植物的根系可以吸收氮磷和COD等污染物，同时可以向填料层供氧，沉水植物的整个植株都浸没在水中，在吸收氮、磷和COD等污染物的同时可以通过光合作用向水体供氧。沉水植物的选择可参考表1。
表1可供选用的沉水植物表
其中轮叶黑藻、狐尾藻、马来眼子菜、篦齿眼子菜、苦草的生长期一般为春、夏、秋三季，而伊乐藻和菹草属耐低温植物，可以越冬生存。因此沉水植物采用套种的方式，即其中既包括春、夏、秋三季生长的植物也包括越冬植物，这样可使全年都有植物生长，更有利于保证系统的处理效果。经垂直流湿地处理的污水由上行流区的池壁一侧的溢流堰进入潜流湿地。复合垂直流湿地一般为地上式，在上行池的底部贴近地面处设置排空管，在维护时，将该池放空，该池采用砖混结构建造。
潜流人工湿地采用垂直折流构造，即通过隔板将潜流湿地分为若干格，相邻隔板的上沿和下沿分交替设有过水孔，污水在过水孔中流过，这样可使污水在整个潜流湿地中作上下折流，有利于充分发挥整个湿地填料的作用以提高处理效果。潜流湿地的总深度为70-80cm，其中上层20cm为土壤层，作为植物的种植层，同时可以去除一部分污染物，下层50-60cm为处理区，填料选用青石子，粒径为1-2cm。潜流湿地中所选用的植物可以是芦苇、茭草、菖蒲等。潜流湿地的出水方式有两种1)在靠近湿地末端的池底敷设穿孔管，穿孔管的中间部分安装三通，由三通连接出水管沿池底穿池壁而出，在出水管的另一端安装出口向上的90度弯头，上接竖直可伸缩管，通过该伸缩管调节湿地中的水深；2)直接在池壁的不同高度安装出水管并安装球阀，可以通过不同高度球阀的开闭调节湿地中的水深。在整个湿地底部，沿着池长方向靠池壁敷设穿孔管，穿孔管穿过所有隔板(做好防渗)和末端池壁到池外，用球阀控制开闭，在维护时打开球阀，排空湿地，正常运行时关闭球阀。潜流湿地可以是地上式，半地下式和地下式，采用砖混构造，地面具有2-3％的倾向出水端的坡度。潜流湿地的进水端高程应比复合垂直流出水端低至少20cm，保证复合垂直流的出水能够顺利进入潜流湿地中。
在湿地单元中，主要污染物是的去除途径如下1)COD的去除。在整个湿地单元中COD可以被植物吸收利用，同时可以被湿地系统中异养微生物作为碳源和能源利用。
2)含氮化合物的去除。在垂直流湿地的下行流池中以及上行流的填料区，靠近植物根系部分，有机氮和氨氮以及亚硝氮可以被氧化为硝态氮，而在远离根系的缺氧和厌氧区，原水中携带的以及氧化生成的硝态氮被还原成氮气去除；在上行流的自由水体区，主要发生有机氮、氨氮和亚硝氮的氧化反应；在整个潜流湿地中可以通过硝化反硝化脱氮；氨氮和硝氮一部分可以被植物和微生物利用。
3)含磷化合物的去除。有机磷可以被微生物无机化，无机磷在在整池中可以和青石子以及石粉生成磷酸盐沉淀被去除，同时在整池中被植物和微生物利用。
本发明具有以下优点1、对现有的复合垂直流湿地进行了改进，在上行流池的自由水体区种植沉水植物，能够有效改善该区域溶解氧的含量，从而有利于硝化反应的进行，详见附表7-9所示的试验结果。
2、对现有的潜流式人工湿地进行了改造，在其中添加了折板，增加了水流的曲折性，有利于污染物去除效率的提高。
3、将上述两种湿地进行串连达到良好的污染物去除效果。详见附表1-6所示的污染物去除效果对照表。
图1是本发明的生活污水处理工艺流程示意图。
图2是本发明的人工湿地的结构示意图。
图3是组成本发明的复合垂直流湿地的结构示意图。
图4是组成本发明的垂直折流潜流潜地的结构示意图。
具体实施例方式
下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本实施例的工艺流程如图1所示。
一种利用人工湿地处理生活污水的方法，它包括以下步骤首先将生活污水经过格栅和沉淀池进行预处理，去除其中的漂浮物和可沉降悬浮物；然后将经过预处理的生活污水引入第一级复合垂直流人工湿地中，使其经过垂直隔板一侧的由表面种植有挺水植物的布水防臭层和由青石子处理区组成的下行流区，通过垂直隔板下部的通道进入垂直隔板另一侧的由粗砂石粉处理区和自由水体区组成的上行区中，在自由水体区中种植沉水植物，同时在自由水体区的设定液面高度位置处设有出水口；第三，将经过复合垂直流人工湿地中处理后的位于上行区中的自由水体区中的生活污水从排水管排入一与复合垂直流人工湿地相邻的、设置有若干垂直折流板、且种植有挺水植物的垂直折流潜流式人工湿地中，使生活污水得到进一步的处理，然后由设在湿地末端底部的穿孔集水管收集并由与之相连的排水管排出。
本实施例的生活处理装置，包括由格栅、沉淀池组成的预处理装置和人工湿地，其中的格栅、沉淀池与现有技术相同，其中的人工湿地由一复合垂直流人工湿地12(如图3)和一与其相邻的垂直折流潜流式人工湿地13(如图4)组成，所述的复合垂直流人工湿地12通过垂直隔板6分隔成生活污水下行区和生活污水上行区，生活污水下行区由大颗粒布水防臭层1和青石子处理区2组成并种植有挺水植物11；生活污水上行区依次由位于底部的青石子处理区2、粗砂石粉处理区3、自由水体区5组成，生活污水下行区和生活污水上行区中的青石子处理区2在隔板6的下部贯通并形成生活污水通道，在自由水体区5种植有沉水植物4，在自由水体区5的设定液压高度处安装有排水管14，排水管14的出水口高于相邻的垂直折流潜流式人工湿地13的表面；在所述的垂直折流潜流式人工湿地13中种植有挺水植物11，并设有若干分别与池顶或池底垂直相连的隔板6，所述的隔板6将其中的青石子处理区2分隔成下行垂直潜流区和上行垂直潜流区，在靠近湿地末端底部的位置安装有穿孔集水管9，该穿孔集水管9与排水管10相连，排水口16的高度可用于控制潜流湿地内的水深，如图2所示。
上述的挺水植物可为芦苇，茭草，风车草，美人蕉和菖蒲中的一种或几种的组合，所述的沉水植物春夏秋季可为轮叶黑藻、狐尾藻、马来眼子菜、篦齿眼子菜、苦草中的一种或几种的组合，冬季可为伊乐藻和菹草中的一种或其组合。
下面结合一具体的制作例对本发明作更进一步的说明，所提供的尺寸仅供参考，它并不构成对本发明保护内容的限定。如图2，本发明的人工湿地由两级组成，第一级为复合垂直流湿地12，第二级为垂直折流潜流式人工湿地13。两级湿地均采用厚度为5mm PVC板加工。其中，复合垂直流湿地12分为两格，每格的尺寸为L×W×H＝500×500×500(mm)，下部连通通过过水缝联通，过水缝隙宽度为50mm。复合垂直流湿地中的左半池为下行池，该池内水自上而下流动；右侧为上行流池，水自下而上流动，在该池的池壁距池底400mm处开均匀排水管14，水由排水管14上的出水孔溢流入表面穿孔的第二级湿地即垂直折流潜流式人工湿地13表面的布水槽，由该槽均匀分布流入第二级湿地即垂直折流潜流式人工湿地13。下行池底设排空管8，池子维护时，可将池水放空；垂直折流潜流式人工湿地13尺寸为L×W×H＝1500×500×500(mm)，全池由4块与底面垂直的隔板6分割成5格，其中第1和3号隔板下沿开过水缝，缝高为50mm，上沿和池顶平齐，第2和4块板高为350mm，下沿和池底焊接密封，第2、4和5格池底设排空管8，功能同上。池子末端设穿孔集水管9，出水口16高度距池底为400mm，水在该池的隔板6之间垂直折流。
垂直折流潜流式人工湿地13所用的填料全部为青石子。其中复合垂直流湿地12的下行流池填料分两层，上层高度为100mm，填料粒径d＝30～50mm；下层高度为400mm，填料粒径d＝5～10mm；上行流池填料也分为两层，下层高度为100mm，填料粒径d＝5～10mm，上层高度为150mm填料粒径d＝0.1～5mm，填料层上方为150mm的自由水体。下行流池填料高度超出下行流池自由水面100mm。
湿地中的植物主要包括两大类挺水植物和沉水植物。在复合垂直流湿地12的下行流池和垂直折流潜流式人工湿地13栽种芦苇，而在复合垂直流的上行流区主要栽种沉水植物，所述的沉水植物春夏秋季为轮叶黑藻、狐尾藻、马来眼子菜、篦齿眼子菜、苦草，冬季为伊乐藻和菹草。
以下是本发明的一具体实验过程，从其中的实验数据可看出，本发明与现有技术相比，具有明显的进步。
试验用水为人工模拟废水，配水主要成分为NH4Cl、KH2PO4和C6H12O6由于本试验的人工配水中所用氮化物仅为NH4+-N，在湿地系统中微生物的作用下，主要被转化为NO2--N和NO3--N，所以认为湿地水体中的TN主要包含有NH4+-N、NO2--N和NO3--N，所以本试验中TN＝NH4+-N+NO2--N+NO3--N，采用蠕动泵控制流量，HRT＝4.5d。试验时间为25天，期间共取样十次，测定进出水CODCr、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和PO43--P，随机三次测定复合垂直流湿地上行流区DO和NO2--N、NO3--N，之后将垂直流湿地上行流区中的沉水植物全部移出，三次测定DO和NO2--N、NO3--N。试验数据见下表表1、NH4+-N去除效果
表2、出水NO2--N含量
表3、出水NO3--N含量
表4、TN去除效果
表5、PO43--P去除效果
表6、CODCr去除效果
表7、复合垂直流湿地上行流区DO
表8、复合垂直流湿地上行流区NO2--N
表9、复合垂直流湿地上行流区NO3--N
权利要求
1.一种利用人工湿地处理生活污水的方法，它包括以下步骤首先将生活污水经过格栅和沉淀池进行预处理，去除其中的漂浮物和可沉降悬浮物；然后将经过预处理的生活污水引入第一级复合垂直流人工湿地中，使其经过垂直隔板一侧的由种植有挺水植物的布水防臭层和由青石子处理区组成的下行流区，通过垂直隔板下部的通道进入垂直隔板另一侧的由粗砂石粉处理区和自由水体区组成的上行区中，在自由水体区中种植沉水植物，同时在自由水体区的设定液面高度处设置出水口；接着使经过复合垂直流人工湿地处理后的位于上行区中的自由水体区中的生活污由出水口进入穿孔布水槽，由布水槽均匀分布排入一与复合垂直流人工湿地相邻的、设置有若干垂直折流板、且种植有挺水植物的垂直折流潜流式人工湿地中，使生活污水得到进一步的处理，然后由设在湿地末端，位于底部的穿孔集水管收集，并由与之相连的排水管排出。
2.一种处理生活污水的装置，包括由格栅、沉淀池组成的预处理装置和人工湿地，其特征是所述的人工湿地由一复合垂直流人工湿地(12)和一与其相邻的垂直折流潜流式人工湿地(13)组成，所述的复合垂直流人工湿地(12)通过垂直隔板(6)分隔成生活污水下行区和生活污水上行区，生活污水下行区由大颗粒布水防臭层(1)和青石子处理区(2)组成并种植有挺水植物(11)；生活污水上行区依次由位于底部的青石子处理区(2)、粗砂石粉处理区(3)、自由水体区(5)组成，生活污水下行区和生活污水上行区中的青石子处理区(2)在隔板(6)的下部贯通并形成生活污水通道，在自由水体区(5)种植有沉水植物(4)，在自由水体区(5)的设定液面高度处设有出水口(14)，水由出水口(14)溢流进入穿孔布水槽(15)，由穿孔布水槽(15)均匀的分布到潜流式人工湿地(13)的进水端；在所述的垂直折流潜流式人工湿地(13)中种植有挺水植物(11)，并设有若干分别与池顶或池底垂直相连的隔板(6)，所述的隔板(6)将其中的青石子处理区(2)分隔成下行垂直潜流区和上行垂直潜流区，在靠近靠近湿地末端底部的地方安装有穿孔集水管(9)，该穿孔集水管(9)与排水管(10)相连，排水口(16)的高度可用于控制湿地内水深。
3.根据权利要求2所述的处理生活污水处理用人工湿地，其特征是在所述的复合垂直流人工湿地(12)和垂直折流潜流式人工湿地(13)的底部均安装有相应的排空管(8)和支座(7)。
4.根据权利要求2所述的处理生活污水处理用人工湿地，其特征是所述的挺水植物为芦苇、茭草、风车草、美人蕉和菖蒲；所述的沉水植物春夏秋季为轮叶黑藻、狐尾藻、马来眼子菜、篦齿眼子菜、苦草，冬季为伊乐藻和菹草。
全文摘要
本发明涉及一种采用复合垂直流—垂直折流潜流式湿地工艺处理生活污水的工艺及其装置。整个工艺主要由预处理和人工湿地系统两大部分组成。其中的预处理主要去除原生活污水中的漂浮物和可沉降悬浮物；人工湿地系统由复合垂直流和垂直折流潜流式湿地串连而成。上述工艺和装置具有对生活污水中的COD、氮磷去除效率高的特点。
文档编号C02F3/32GK1872738SQ200610085788
公开日2006年12月6日 申请日期2006年6月30日 优先权日2006年6月30日
发明者郑正, 帖靖玺, 李培培, 周培国, 钟云, 彭晓成, 罗兴章, 王艳锦, 李继红, 李军状, 孟卓 申请人:南京大学