专利名称：一种复合人工湿地的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及污水处理领域，具体涉及一种用于处理城市生活污水的复合人工湿地。
背景技术：
目前城市污水复合人工湿地处理装置主要有水平流与垂直流、垂直流与水平流、垂直流与表面流以及垂直流与垂直流等四种复合人工湿地处理床。
其中，水平流与垂直流复合人工湿地处理床按照水平流在前、垂直流在后的方式串联起来，水平流床体高80cm，床内一般填充砾石基质，垂直流床体高100cm以上，通常采用较细的基质如砂等作为渗滤介质。污水先经过水平流床处理后，自流进入垂直流床表层均匀布水，在垂直下渗的过程中得到处理，然后将垂直流床的硝化处理出水回流至水平流床完成反硝化作用。其中，水平流床中种植有泌氧能力的大型挺水植物如芦苇、香蒲、水葱、风车草、再力花和菖蒲等。在垂直流床中种植有美人蕉、再力花、月季和香根草等。
垂直流与水平流复合人工湿地处理床是按照垂直流床在前、水平流床在后的方式串联起来组成的复合系统。垂直流和水平流床体高度和填充基质同前所述，即和水平流与垂直流复合人工湿地处理床相同。污水先经过垂直流床去除大部分有机物和硝化处理后，自流进入水平流床，同时直接引入一部分未经垂直流床处理的原污水作为碳源，在水平流床完成反硝化脱氮过程。
垂直流与表面流复合人工湿地处理床是按照垂直流床在前，表面流床在后的方式串联起来组成的复合系统。表面流床体高约30cm，采用普通土壤为处理介质。污水在以土壤为介质的表面呈水平流动，并在介质层中种植有泌氧能力的大型挺水植物如芦苇、茭白、香蒲、再力花、美人蕉、菖蒲、水葱和野生稻等，利用水生植物的泌氧能力为人工湿地基质上的生物膜分解污水中的有机物质提供氧气。污水先经过垂直流床去除大部分有机质和硝化处理后，自流进入表面流床的前端与部分未经垂直流床处理的污水(作为碳源)混合，在表面流人工湿地完成反硝化脱氮过程。
垂直流与垂直流复合人工湿地处理床(复合垂直流床)由下行池和上行池组成，两池中间设有隔墙，底部连通，床体高50-60cm，采用砂石作为处理介质。污水从下行流经底部通道流向上行流，上行流和下行流上都种有植物，如芦苇、风车草、美人蕉和香根草等。
这四种现有技术存在的不足之处有水平流与垂直流复合人工湿地处理床虽然能完成一部分氮的硝化与反硝化，但因为水平流供氧条件较差导致硝化效果不是很强，且总氮去除率也不高，仅为30-45％，而且需要将硝化处理出水回流，所以既增加了动力消耗，又随着回流比的增大减少了污水处理水量，增加了处理系统占地面积，同时还降低了磷的去除率；其次，由于水平流人工湿地采用的填充基质大多为石灰石、大理石或白云石，除磷效果不高，仅为30-50％，从而影响了复合人工湿地的除磷寿命；第三，垂直流人工湿地的耗氧处理能力和硝化能力不能得到完全发挥，占地面积大。
垂直流与水平流复合人工湿地处理床的主要缺点是占地面积较大。
垂直流与表面流复合人工湿地处理床，其中表面流设计的时候必须要保障水中有充足的溶解氧以完成NH4+-N的硝化，同时又要使反硝化细菌有适宜的缺氧与好氧交替环境和充足的有机物作为碳源，以保障反硝化脱氮这一表面流人工湿地中主要脱氮途径的顺利进行；垂直流和表面流两种人工湿地系统各自对生活污水中磷的去除能力都不是很好，特别是表面流人工湿地较差，而且现行垂直流人工湿地广泛采用的砂砾石等基质对磷的吸附饱和使用寿命都较短，一般为5-8年。
复合垂直流人工湿地处理床，由于水流采取下行流流向上行流的方式，系统较容易堵塞。另一方面系统整体缺氧，充氧能力低。虽然可以采用间歇式进水从而改善这一状况，但进水中的溶解氧在下行池即已消耗至很低的水平，不能提供良好的硝化作用环境条件，不能产生大量硝酸盐作为反硝化作用的底物，使硝化-反硝化途径不畅通，因此总氮的去除率也不是十分的理想。
实用新型内容(一)要解决的技术问题本实用新型的目的是针对现有技术的不足之处，提出一种污水处理效果好而且节省占地面积的复合人工湿地。
(二)技术方案为了达到上述目的，本实用新型的复合人工湿地，包括水平流人工湿地和垂直流人工湿地，其中垂直流人工湿地在上，水平流人工湿地在下串联组成复合人工湿地；其中，垂直流人工湿地包括床体和布水管，床体包括混合基质层，布水管分布在混合基质层表面以下；垂直流人工湿地的底部连接水平流人工湿地的表层。
上述的复合人工湿地，一种优选的方案是所述布水管分布在垂直流人工湿地混合基质表面以下5-10cm处，其包括与所述床体的纵向一致的若干条布水支管和与布水支管垂直的布水主管，布水主管分布在床体的中间，其长度与床体长度相当，其中一端密封，另一端与污水进水管连通，布水支管固定连接在布水主管的两旁，末端密封，布水支管向下部位开有出水孔。
上述的复合人工湿地，一种优选的方案是还包括污水碳源加入管，呈“”形，一端直接与污水管连接，并在污水管上设有阀门水表，另一端沿着池壁插入混合基质层。
上述的复合人工湿地，一种优选的方案是还包括开设在垂直流人工湿地底部两侧壁的通风管，以及用于控制通风管的空气对流开关。
上述的复合人工湿地，一种优选的方案是所述水平流人工湿地为长方形，长宽比为2∶1，沿着长度方向分为正方形的前后两个子床，两个子床之间设有多孔墙。垂直流人工湿地就是建在前一个子床之上。
上述的复合人工湿地，一种优选的方案是所述混合基质层厚70-100cm，由体积比为4～19∶1的高炉渣和草炭混合物组成。
上述的复合人工湿地，一种优选的方案是所述水平流人工湿地底部填充有砾石层，厚度为10-20cm，其中砾石的直径为3-5cm，砾石层上填充煤渣基质层，厚度为50-80cm。
上述的复合人工湿地，一种优选的方案是在垂直流人工湿地上种植的植物选自风车草、再力草、美人蕉、香根草、玫瑰、月季、万寿菊等中的一种或多种；在水平流人工湿地上种植的植物选自美人蕉、再力草、福贵竹、水蕹菜、西洋菜、梨蒿、慈茹等中的一种或多种。
上述的复合人工湿地，一种优选的方案是在当水平流人工湿地的HRT为1-2d时，作为碳源的污水与垂直流人工湿地硝化出水的适宜比例为1∶3～1∶6之间。
(三)有益效果采用本实用新型的优点有(1)对城市污水中COD、BOD5、NH4+-N和TN的去除率分别达到75～85％、70～80％、70-90％和50-60％以上，处理出水中COD和BOD5的浓度分别小于60和20mg/L，达到城市污水处理厂一级排放标准。
(2)对城市污水中TP(总磷)的去除率达到80-85％以上，处理出水中的TP浓度小于1.0mg/L，达到城市污水处理厂一级排放标准，并且磷的使用寿命达到10年以上。
(3)在垂直流底部池壁两边开了两个通气孔，这样有利于垂直流床上下空气对流，从而使污水经过垂直流床时的硝化作用加强，为水平流床的反硝化作用提供了足够的底物-硝酸盐态氮。
(4)为了进一步提高总氮的去除效果，将一部分污水直接加入水平流人工湿地，利用水平流床的缺氧与好氧交替条件和污水中有机物(BOD)作为碳源，将来自垂直流床处理出水中的硝酸盐态氮还原成N2O和N2。
(5)将垂直流床叠放在水平流床之上，节省了占地面积，同时也降低基建投资和处理成本。
图1为复合人工湿地水平流床结构图；图2为垂直流人工湿地结构图；图3为水平流人工湿地垂直流床结构图。
图中1-沉淀池、2-水泵、3-高位水箱、4-污水管、5-阀门水表、6-布水主管、7-布水支管、8-污水碳源加入管、9-混合基质层、10-多孔墙、11-砾石层、12-煤渣基质层、13-空气对流开关、14-水平流床出水管、15-水平流床出水集水池具体实施方式
以下结合附图说明本实用新型。实施例仅用于说明本实用新型，但不限制本实用新型的范围。
参照图3，在本实施例中，将水平流床按长度方向分为前后两个子床，前后两个子床由多孔墙相通，在前一个子床上建造垂直流床，按照垂直流床在上，水平流床在下和在后的顺序组成一体化复合人工湿地处理床，充分利用垂直流床完成对耗氧有机物的大部分去除和对生活污水的完全硝化，并利用水平流床进一步完成对NH4+-N、COD和BOD5的去除，并通过反硝化作用和水生植物的摄取作用来完成对NO3--N的去除。
然后，在垂直流床中填充高炉渣和草炭混合基质，以达到较高的总磷去除率和较长的磷饱和使用寿命等目的。另一方面，垂直流床底部池壁两边各装一个开关，灌水时关闭，不灌水时打开，以保持垂直流床良好的空气对流，使垂直流床中有充足的空气，从而使污水的硝化作用得到了加强。另外，垂直流床在上，直接与在底部的水平流床相连接，这样节省了占地面积。
然后，将部分未经处理的污水直接引入水平流人工湿地，在水平流人工湿地的缺氧条件下，利用生活污水中的有机物(BOD)作为碳源而完成反硝化脱氮过程。
可见，本实用新型的复合人工湿地处理床，由于将垂直流人工湿地和水平流人工湿地重叠起来，垂直流人工湿地在上直接连接底部水平流人工湿地，因此城市污水会首先进入沉淀池去除部分SS后，再经水泵提升至高位水箱，然后自流至垂直流人工湿地均匀布水，经垂直流床体处理后，去除大部分SS(悬浮物)、COD(化学需氧量)、BOD5，并进行废水的硝化作用，接着流向底部的水平流人工湿地以及后面的水平流人工湿地，利用水平流人工湿地完成对有机物的大部分去除，并通过反硝化作用和水生植物等的吸收完成对氮的大部分去除，其中，反硝化作用需要将沉淀池的部分出水直接引入水平流人工湿地作为碳源。垂直流人工湿地填充高炉渣和草炭混合基质，并单一或混合地种植植物，例如风车草、再力草、美人蕉、香根草、玫瑰、月季、万寿菊等；而在水平流人工湿地填充煤渣基质，也单一或混合地种植植物，例如美人蕉、再力草、福贵竹、水蕹菜、西洋菜、梨蒿、慈茹等。
在本实用新型中，可以在去除有机物和脱氮的同时完成对废水中磷的去除，具体做法是在垂直流人工湿地中填充对磷具有很强固定能力的高炉渣和草炭混合基质，由此可以去除废水中绝大部分磷；并在水平流人工湿地中填充的煤渣基质，由此可以去除大部分剩余的磷；此外，垂直流人工湿地中种植的风车草和美人蕉等植物的摄取作用可去除废水中的部分磷。
具体实施时，参照图1、图2和图3，本实用新型的复合人工湿地由沉淀池、垂直流人工湿地和水平流人工湿地组成，按垂直流人工湿地在上，水平流人工湿地在下和在后的顺序组成一体化复合人工湿地。
种植方面，在垂直流人工湿地的床体内填充具有较好除磷效果的混合基质，并种植风车草。水平流人工湿地床体填充煤渣，并种植美人蕉。
连接方面，沉淀池、垂直流人工湿地、水平流人工湿地等单元结构是由管道连接而成的。
其中，垂直流床由床体和布水管组成，床体的床壁用不渗漏材料做成，床壁为水泥抹面的砖结构，底部为混凝土结构。床体为混合基质层，厚度为85cm，填充高炉渣和草炭混合基质。布水管分布在混合基质层表面以下5-10cm处，垂直流床的底部就是水平流床的表层，填充的基质为煤渣基质，并在垂直流床体中种植深根的有利于硝化作用的植物，例如风车草。
布水管方面，分布在垂直流人工湿地混合基质表面以下，包括与床体的纵向一致的若干条布水支管和与布水支管垂直的布水主管，例如本实施例中的垂直流床的布水管呈“王”字形，分布在混合基质表面以下5-10cm处。该布水管由布水主管6和多条布水支管7组成。布水主管6分布在床体的中间，其长度与床体长度相当，其中一端密封，另一端与污水进水管4相连接；布水支管7固定连接在布水主管6的两旁，末端密封，其长度为床体宽度的一半，布水支管7向下部位开有出水孔用于布水。污水进水管4上设有阀门水表5，以控制污水的进水速度。
污水碳源加入管8为“”形管，一端直接与污水管4连接，并在污水管4上设有阀门水表5，另一端沿着池壁插入垂直流床混合基质层9底部以下。
垂直流床底部两侧池壁各开有一个通风管，并设有空气对流开关13。垂直流床灌水时，关闭空气对流开关13；不灌水时打开空气对流开关13，以利于垂直流床通风对流。
水平流床的墙体和底部用不渗漏材料做成，床壁为水泥抹面的砖结构，底部为混凝土结构。水平流床为长方形，在本实施例中长宽比为2∶1，沿着长度方向分为正方形的前后两格，两格之间设有多孔墙10，污水通过多孔墙10由前格流入后格。水平流床底部的砾石层11厚约15cm，填充砾石的直径为3-5cm，然后在其上填充70cm厚的煤渣基质层12。
参照图3，使用本实用新型时，城市污水首先经过沉淀池1除去污水中的砂粒和悬浮颗粒物质，然后用水泵2提升进入高位水箱3，再沿着污水管4进入布水主管6，布水主管6前设有阀门水表5。布水支管7直接放置在垂直流床混合基质的表面，污水从布水支管7上均匀开设的出水孔投配在垂直流床混合基质层9上。污水经过混合基质层9垂直向下渗滤，由基质的过滤截留和吸附作用以及植物根系的摄取作用去除大部分耗氧有机物和TP，以及完成对它们的完全硝化处理。
垂直流人工湿地的处理出水利用垂直流人工湿地与水平流人工湿地之间的落差自流进入水平流人工湿地。污水经过水平流人工湿地后，利用水平流人工湿地煤渣基质的过滤截留和吸附作用去除污水中剩余的COD、BOD5和TP。同时，从高水位箱引入一部分污水通过污水碳源加入管8直接加到水平流人工湿地作为碳源，与垂直流床的硝化出水在水平流床的煤渣基质层12混合，然后通过水平流床的多孔墙10流入另一格水平流床，再次通过煤渣基质层12的过滤截留和植物吸收作用，分别经过2/3天-2天停留时间和反硝化脱氮过程后再经过水平流床出水管14排放到水平流床出水集水池15。
具体试验时，日处理水量为0.8-2.4m3/d；格栅采用2cm×2cm铁丝网，直立于化粪池出水口与地下引水管相接的检查井中；沉淀池的尺寸为2.0m×1.8m×2.0m，有效水深1.0m，有效容积3.6m3，砖结构水泥抹面。
垂直流人工湿地设计尺寸长×宽×高为2m×1.0m×0.85m，分两格，砖结构水泥抹面；单池实用尺寸长×宽1.0m×1.0m×0.85m，其中，混合基质层厚85cm，由高炉渣和草炭混合组成。
水平流人工湿地的设计尺寸长×宽×高为2m×2m×0.80m，分为处理和对照两个部分，每个部分又分为前后两个子床。水平流床底部先填充15cm厚砾石作为垫层，然后再填充65cm厚的煤渣基质。经垂直流床处理过的污水从上自流而下进入前一个水平流子床，然后再通过多孔墙连接后一个水平流子床。
运行方式采用的HRT(水力停留时间)为16h，1d，2d。整个系统分两部分，一部分作对照，另一部分垂直流床上种风车草，相应的水平流床上种植美人蕉。
处理效果(mg/L，％)如表1、表2、表3和表4所示，其中表1为城市污水经本复合人工湿地处理后，污水中的COD浓度变化情况；表2为城市污水经本复合人工湿地处理后，污水中的BOD5浓度变化情况；表3为城市污水经本复合人工湿地处理后，污水中的NH4+-N浓度变化情况；表4为城市污水经本复合人工湿地处理后，污水中的TP浓度变化情况；
表5为城市污水经本复合人工湿地处理后，污水中TN浓度变化情况；表6为在不同污水和硝化处理出水之比条件下，城市污水经本复合人工湿地处理后，污水中TN(总氮)浓度变化情况。
表1COD浓度变化情况
表1BOD5浓度变化情况
表3NH4+-N浓度变化情况
表4TP浓度变化情况
表5TN浓度变化情况
表6
表6可以看出，采用本实用新型的好处是(1)由于利用垂直流人工湿地去除部分TN、TP、COD、BOD5、SS和废水的完全硝化，再利用水平流人工湿地完成COD、BOD5、SS和TP的部分去除功能以及废水的反硝化作用。污水经垂直流人工湿地硝化后进入水平流人工湿地在水平流人工湿地的缺氧环境条件下，利用污水中有机物(BOD)和床体积累的有机质以及动植物的残体作为碳源完成反硝化脱氮作用，同时也增加了水平流人工湿地对BOD5和COD的去除能力。垂直流与水平流一体化复合人工湿地不需要回流，从而降低了处理成本。本复合人工湿地对城市污水中COD、BOD5、 NH4+-N和TN的去除率分别达到75～85％、70～80％、70-90％和50-60％以上，处理出水中COD和BOD5的浓度分别小于60和20mg/L，基本上达到城市污水处理厂一级排放标准。
(2)利用垂直流人工湿地填充的高炉渣和草炭混合基质完成污水中绝大部分磷的去除功能；利用水平流人工湿地中煤渣和砾石基质对磷的固定作用完成对污水中磷的部分去除功能，同时利用垂直流和水平流人工湿地中栽种的风车草和美人蕉的植物摄取作用去除部分磷，从而可使复合人工湿地对城市污水中TP的去除率达到80-85％以上，处理出水中的TP浓度小于1mg/L，基本达到了城市污水处理厂一级排放标准，并且本发明创造技术对磷的使用寿命达到10年以上。
(3)在垂直流底部池壁两边开了两个通气孔，这样有利于垂直流床上下空气对流，从而使污水经过垂直流床时的硝化作用加强，为水平流床的反硝化作用提供了足够的底物-硝酸盐态氮。
(4)为了进一步提高总氮的去除效果，将一部分污水直接加入水平流人工湿地，利用水平流床的缺氧与好氧交替条件和污水中有机物(BOD)作为碳源，将来自垂直流床处理出水中的硝酸盐态氮还原成N2O和N2。
(5)将垂直流床叠放在水平流床之上，节省了占地面积，同时也降低基建投资和处理成本。
权利要求1.一种复合人工湿地，包括水平流人工湿地和垂直流人工湿地，其特征在于垂直流人工湿地在上，水平流人工湿地在下串联组成复合人工湿地；其中，垂直流人工湿地包括床体和布水管，床体包括混合基质层(9)，布水管分布在混合基质层表面以下；垂直流人工湿地的底部连接水平流人工湿地的表层。
2.如权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于所述布水管分布在垂直流人工湿地混合基质表面以下5-10cm处，其包括与所述床体的纵向一致的若干条布水支管(7)和与布水支管(7)垂直的布水主管(6)，布水主管(6)分布在床体的中间，其长度与床体长度相当，其中一端密封，另一端与污水进水管(4)连通，布水支管(7)固定连接在布水主管的两旁，末端密封，布水支管向下部位开有出水孔。
3.如权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于还包括污水碳源加入管(8)，呈∏形，一端直接与污水管(4)连接，并在污水管(4)上设有阀门水表(5)，另一端沿着池壁插入混合基质层(9)。
4.如权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于还包括开设在垂直流人工湿地底部两侧壁的通风管，以及用于控制通风管的空气对流开关(13)。
5.如权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于所述水平流人工湿地为长方形，长宽比为2∶1，沿着长度方向分为正方形的前后两个子床，两个子床之间设有多孔墙(10)。
6.如权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于所述混合基质层(9)厚70-100cm。
7.如权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于所述水平流人工湿地底部填充有砾石层(11)，厚度为10-20cm，其中砾石的直径为3-5cm，砾石层上填充煤渣基质层(12)，厚度为50-80cm。
8.如权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于在垂直流人工湿地上种植的植物选自风车草、再力草、美人蕉、香根草、玫瑰、月季、万寿菊等中的一种或多种；在水平流人工湿地上种植的植物选自美人蕉、再力草、福贵竹、水蕹菜、西洋菜、梨蒿、慈茹等中的一种或多种。
9.如权利要求1所述的复合人工湿地，其特征在于在当水平流人工湿地的HRT为1-2d时，作为碳源的污水与垂直流人工湿地硝化出水的适宜比例为1∶3～1∶6之间。
专利摘要本实用新型涉及污水处理领域。本实用新型提出一种复合人工湿地，包括水平流人工湿地和垂直流人工湿地，其中垂直流人工湿地在上，水平流人工湿地在下串联组成复合人工湿地；其中，垂直流人工湿地包括床体和布水管，床体包括混合基质层，布水管分布在混合基质层表面以下；垂直流人工湿地的底部连接水平流人工湿地的表层。采用本实用新型进行污水处理，各项指标均能达到一级水平，同时减少占地面积。
文档编号C02F3/32GK2905775SQ200620022790
公开日2007年5月30日 申请日期2006年2月27日 优先权日2006年2月27日
发明者崔理华 申请人:华南农业大学