专利名称：北方低温地区复合型人工湿地水质净化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种污水处理系统，特别涉及一种对北方低温地区河道受污染源水进行净化处理的复合型人工湿地系统。
背景技术：
由于城市人口增长和经济快速发展，城市对水的需求量也逐渐增加。在我国，大部分城市供水依靠水库蓄水，尤其是北方干旱地区，水资源匮乏，水库成为城市供水系统不可或缺的重要水源。然而，随着社会经济的高速发展，河流污染日益严重，出现有水皆污的局面，河流成了沿河城市的排污沟，加之干旱缺水，入库水源水质恶化严重，水库作为城市饮用水水源功能日益退化，城市供水安全保障受到严重威胁。净化河流(水库)水质、恢复流域生态已经成为当前水生态环境综合治理的重要任务，也是水库饮用水功能保障的重要举措。
自然湿地作为一种宝贵的资源，不仅具有重要的生态功能，同时，以其水质净化功能而被喻为“地球之肾”而得到高度重视，人工湿地是自然湿地在水质净化方面的功能强化，即具较强的水质净化功能、又有良好的生态效果，自20世纪70年代在德国研究应用以来，作为一种新型的水质净化工艺而成为各国的研究热点。人工湿地水质净化系统水质净化效果好、工程投资省、运行费低、管理简单，是一种较为理想的污水处理技术，已在生活污水、工业废水、城市暴雨径流和农业废水等处理与管理方面得到推广应用和试验。但在北方低温地区利用人工湿地净化处理河道(或入库)受污染源水尚为少见。
发明内容
本发明充分利用水库或河道的天然地形，构建复合型人工湿地系统，对水库或河道的受污染源水进行净化处理，可作为城市供水的前处理工艺，也可作为河道或水库水生态环境治理的重要手段，后者以在河道控制段或水库入库段择址建设复合型人工湿地系统净化基流重污染来水为宜。
本发明的技术方案是，提供一种复合型人工湿地系统，由稳定塘子系统、潜流湿地子系统和退水塘子系统三部分串联组成其中，稳定塘子系统可充分结合当地条件由天然水湾、壅水河段或河滩地开挖形成，稳定塘的库容应满足进入稳定塘的水流能够在塘内停留6～8天、水深一般大于2m；稳定塘的首部布设分流透水堤，使上游来水均匀分布进入稳定塘；在稳定塘中部设置柔性隔墙，把塘分为前置库和净化区，水流从柔性隔墙顶部过流，柔性隔墙顶部低于水面10～30cm或多年平均冰厚。前置库主要用于沉淀和滞蓄污染物、并令表层得到曝气充氧和生物分解净化的表层水翻越柔性隔墙顶部进入净化区进行进一步净化。稳定塘周边由浅到深分别布设挺水植物带和沉水植物带，挺水植物带以芦苇为佳，种植水深小于50cm；沉水植物带种植黑藻、眼子菜、穿叶眼子菜等沉水植物，种植水深为50～100cm(沉水植物带也可自然繁殖，新开挖稳定塘第二年才能自然成长)。
潜流湿地子系统布置在稳定塘下游和退水塘之间，稳定塘出水自流或通过水泵提升进入潜流湿地子系统。所述潜流湿地子系统采取模块化设计模式，由砂滤模块、湿地模块及曝气配水井组合构成，具有布置灵活、串并联自由运用的优点。本发明优选的组合模式是由两个并联砂滤模块、三级曝气配水井和三级串联的湿地单元构成，每一曝气配水井控制一级湿地单元，每级湿地单元并联2个湿地模块，相邻两级湿地单元间水位落差为40～80cm，依次递减，各级湿地单元又可通过曝气配水井进行串联或并联灵活运用。
所述砂滤模块即为砂滤单元，包含中央配水渠和两侧对称的多级砂滤区，砂滤单元宽约17.6m，深1～2m，每个砂滤单元由三级钢筋石笼、两级粒径不同(粒径分别为10～20mm，5～10mm)的砂石过滤区及卵石集水区构成，水流由中央配水渠向两侧水平分水，经砂石过滤区过滤后由两侧埋设的集水花管汇聚排出，再进入下一级处理，砂滤模块长度根据所需过水量计算。
所述湿地模块可视为一个独立的水平潜流湿地床，由卵石布水区(内含布水花管)、湿地床填料(10～30mm碎石料或其它填料)、卵石集水区(内含集水花管)、退水水位调节井及所种植的芦苇构成。每个湿地模块湿地床深1～2m、长宽比约2∶1～1∶2、底坡0.2％，每一湿地模块内要求水流停留时间4～8小时。
所述曝气配水井由进水调节室、曝气室和退水调节室构成，进水调节室通过叠梁调控水位并由可调流量堰调节进入曝气室的水流流量；曝气室长2m、宽2m、深3m，内装有曝气设备，起曝气充氧作用，要求曝气量为1.5m3/min；退水调节室设三个连通通道，分别为与上级湿地单元退水连接的退水口、与曝气室连接的底孔闸门、与总退水管连接的水位调节管；上级湿地单元退水可由水位调节管直接排出，也可通过底孔闸门进入曝气室进行下一级串联处理。
退水塘子系统布设于潜流湿地子系统下游，根据地形由退水明渠和若干串联生物塘构成，水深0.8～1.5m，种植芦苇和沉水植物，形成表流湿地塘，有利于提高生态效果和进一步净化水质，特别有利于冬季潜流湿地退水的复氧、滞蓄和净化。
本发明依据现有地形条件来构建由稳定塘、潜流湿地和退水塘组成的复合型人工湿地系统，工程措施和生态措施有机结合，对受污染来水进行多重净化，既达到了净化水质的目的，同时也改善了河流、水库的生态环境，基建投资省、处理效果好、管理简单、运行费用低，一次投资，常年受益，具有显著的经济效益和生态效益。
四
图1为复合型人工湿地系统总体布置示意2为图1中的潜流湿地子系统放大3为砂滤单元断面4为潜流湿地床断面5为曝气配水井结构6为复合型人工湿地系统工艺流程示意1、图2中，1为河道主槽，2为河道壅水溢流坝，3为引水渠，4为分流透水堤，5为柔性隔墙，6为前置库，7为净化区，8为溢流坝，9为沉水植物带，10为挺水植物带，11为潜流湿地引水暗涵，12为砂滤单元，13至15为一、二、三级曝气配水井，16至18为一、二、三级湿地单元，19为退水塘，20为水面；图3中，30为中央配水渠，31为一级钢筋石笼，32为二级钢筋石笼，33为三级钢筋石笼，34为一级砂石过滤区，35为二级砂石过滤区，36为集水区，37为集水花管；图4中，40为布水区，41为湿地填料，42为集水区，43为布水花管，44为集水花管，45为芦苇，46为无纺布。
图5中，50为进水调节室，51为曝气室，52为退水调节室，53为可调三角堰，54为木叠梁，55为曝气管，56为底孔闸门，57为退水调节管，58进水，59为上级湿地单元出水，60为进下级湿地单元，61为退水。
五具体实施例方式
如附图1所示，在河道主槽1修建一壅水溢流坝2(可直接引水者可不需筑坝)，将河道水位抬高，在溢流坝上游修一引水渠3引水入稳定塘。用于河道或水库水质改善目的的，宜在关键控制部位设置壅水溢流坝尽量将重污染基流全量导入稳定塘进行净化(例如水库入库段)；用于区域供水前处理目的的，可根据条件直接引设计流量水源。稳定塘的库容应满足进入稳定塘的水流能够在塘内停留6～8天，形状以长条型为佳，可使水流分布尽量均匀而少死水区。稳定塘的首部布设分流透水堤4(以粒径50～200mm卵石或块石堆筑至高出设计水面300mm即可)，使上游来水均匀分布进入稳定塘。在稳定塘中部设置柔性隔墙5，把塘分为前置库6和净化区7，柔性隔墙可由PVC涂塑布、上部塑料泡沫浮漂、底部尼龙绳网石笼制作，水流从柔性隔墙顶部过流，柔性隔墙顶部低于水面10～30cm或多年平均冰厚。前置库主要用于沉淀和滞蓄污染物、并令表层得到曝气充氧和生物分解净化的表层水翻越柔性隔墙顶部进入净化区进行进一步净化。稳定塘周边由浅到深分别布设挺水植物带10和沉水植物带9，利用水生植物对水中污染物的吸收转化功能，来净化受污染源水，挺水植物带以芦苇为佳，种植水深小于50cm；沉水植物带种植水深为50～100cm(沉水植物带也可自然繁殖，新开挖稳定塘沉水植物得第二年才能自然成长)，种植生长期应确保水位稳定，避免风浪淘刷，风浪冲刷严重部位应待冲刷平衡后再种植。
稳定塘子系统的功能主要为作为人工潜流湿地的预处理工艺。充分利用稳定塘的滞蓄库容和净化功能，使受污染来水在塘中滞蓄一段时间，来水中所含泥沙及污染物将得到充分沉淀和分解，最大限度地去除影响人工湿地长期稳定运行的悬浮物，并借助塘中多种生物净化分解污染物，减轻人工潜流湿地的污染负荷。
潜流湿地子系统布置在稳定塘下游和退水塘之间，稳定塘出水自流或通过水泵提升进入潜流湿地子系统。所述潜流湿地子系统采取模块化设计模式，可由砂滤模块、湿地模块及曝气配水井组合配置。
所述砂滤模块的作用是利用砂滤层最大可能地去除悬浮物质，使水中悬浮物的含量小于20mg/l，防止湿地堵塞，同时也有一定的净化降解效果。每个砂滤模块即为一个砂滤单元12，包含中央配水渠30和两侧对称的多级砂滤区，总宽约17.6m，深1～2m，每个砂滤单元由三级钢筋石笼31～33、两级粒径不同34、35(粒径分别为10～20mm，5～10mm)的砂石过滤区及卵石集水区36构成，钢筋石笼内装粒径40～80mm的卵石，起固定框架及二次均匀配水作用，便于定期清洗砂石过滤料，水流由中央配水渠向两侧砂滤单元水平分水，经砂石过滤区过滤后由两侧埋设的集水花管37汇聚排出，再进入下一级处理，砂滤模块长度根据所需过水量计算。
所述湿地模块的作用是充分利用填料和植物的特性，降解有机营养物质，脱氮除磷。每个湿地模块可视为一个独立的水平潜流湿地床，由卵石布水区40(内含布水花管43)、湿地填料41(10～30mm碎石料或其它填料)、卵石集水区42(内含集水花管44)、退水水位调节井及所种植的芦苇构成。湿地床深1～2m、长宽比约2∶1～1∶2、底坡0.2％，每一湿地模块内要求水流停留时间4～8小时。
所述曝气配水井由进水调节室50、曝气室51和退水调节室52构成，进水调节室通过木叠梁54调控水位并由可调三角堰53调节进入曝气室的水流流量；曝气室长2m、宽2m、深3m，内装有曝气设备，起曝气充氧作用，要求曝气量为1.5m3/min；退水调节室设三个连通通道，分别为与上级湿地单元退水连接的退水口、与曝气室连接的底孔闸门56、与总退水管连接的退水调节管57；上级湿地单元退水可由退水调节管直接排出，也可通过底孔闸门进入曝气室进行下一级串联处理。
潜流湿地子系统可由砂滤模块、湿地模块及曝气配水井组合构成，具有布置灵活、串并联自由运用的优点。一般组合模式如附图2，由两个并联砂滤模块、三级曝气配水井和三级串联的湿地单元构成，每一曝气配水井控制一级湿地单元，每级湿地单元可并联2个湿地模块，相邻两级湿地单元间水位落差为30～50cm，依次递减，各级湿地单元又可通过曝气配水井进行串联或并联灵活运用。其工艺流程(见附图6)一般为稳定塘来水分别进入两个并联砂滤模块的配水渠，经砂石过滤料劫除过滤悬浮物，出水汇聚后由输水管道串联接入各级曝气配水井的进水调节室，砂滤模块来水进入各级湿地单元的水量由进水调节室内的叠梁和可调三角堰联合控制。采用并联运行时，砂滤模块来水分别进入各个曝气配水井的曝气室，经曝气后由输水管和布水花管分配到对应湿地模块进行净化处理，处理后水流由集水花管收集汇入退水调节室，再导入下级曝气配水井的退水调节室，经退水调节管直接排入总退水管；采用串联运行时，则将潜流湿地作为一个多级处理过程，砂滤模块来水大部分直接进入一级曝气配水井的曝气室及一级湿地单元，经一级湿地单元处理后再经二级曝气配水井的底孔闸门进入二级曝气配水井曝气室，并同时从进水调节室汇入部分源水经曝气后输入二级湿地单元再行处理，直至满足出水水质要求才排入总退水管。
各砂滤模块、湿地模块间可由土堤或其它结构分割，要求相互间不透水、结构稳定、具抗冰冻破坏能力，湿地床及砂滤池填料由无纺布与基础及边坡隔离，必要时需做防渗处理。
湿地床首部布水区装填粒径40～80mm的卵石，其中埋设布水花管，埋深0.5～1m；湿地床末端集水区同样装填粒径40～80mm的卵石，其中埋设集水花管、埋深距底0.5m。湿地植物以芦苇为主，其生长较快，可大量吸收水中营养物质，其根深可达0.6～1m左右，能建立较好的空气与水环境交换过程。
退水塘子系统布设于潜流湿地子系统下游，根据地形由退水明渠和若干串联生物塘构成，水深0.8～1.5m，种植芦苇和沉水植物，形成表流湿地塘，有利于提高生态效果和进一步净化水质，特别有利于冬季潜流湿地退水的复氧、滞蓄和净化。
权利要求
1.一种复合型人工湿地系统，其特征在于，由稳定塘子系统、潜流湿地子系统和退水塘子系统三部分串联组成；其中，稳定塘子系统结合当地条件由天然水湾、壅水河段或河滩地开挖形成，稳定塘的库容应满足进入稳定塘的水流能够在塘内停留6～8天，水深大于2m；稳定塘的首部布设分流透水堤，使上游来水均匀分布进入稳定塘；在稳定塘中部设置柔性隔墙，把塘分为前置库和净化区，水流从柔性隔墙顶部过流，柔性隔墙顶部低于水面10～30cm或低于多年平均冰厚。前置库主要用于沉淀和滞蓄污染物、并令表层得到曝气充氧和生物分解净化的表层水翻越柔性隔墙顶部进入净化区进行进一步净化。稳定塘周边由浅到深分别布设挺水植物带和沉水植物带，挺水植物带种植水深小于50cm，沉水植物带种植水深为50～100cm。潜流湿地子系统布置在稳定塘下游和退水塘之间，稳定塘出水自流或通过水泵提升进入潜流湿地子系统。潜流湿地子系统由两个并联砂滤模块、三级曝气配水井和三级湿地单元构成，每一曝气配水井控制一级湿地单元，每级湿地单元并联2个湿地模块，相邻两级湿地单元间水位落差为40～80cm，依次递减。所述砂滤模块即为砂滤单元，包含中央配水渠和两侧对称的多级砂滤区，砂滤单元宽约17.6m，深1～2m，每个砂滤单元由三级钢筋石笼、两级粒径分别为10～20mm和5～10mm的砂石过滤区及卵石集水区构成，水流由中央配水渠向两侧水平分水，经砂石过滤区过滤后由两侧埋设的集水花管汇聚排出，再进入下一级处理，砂滤模块长度根据所需过水量确定。所述湿地模块就是一个独立的水平潜流湿地床，由卵石布水区、湿地床填料、卵石集水区、退水水位调节井及所种植的芦苇构成，所述湿地床填料是粒径10～30mm碎石料或其它填料。每个湿地单元的湿地床深1～2m，长宽比约2∶1～1∶2，底坡0.2％，每一湿地模块内要求水流停留时间4～8小时。所述曝气配水井由进水调节室、曝气室和退水调节室构成，进水调节室通过叠梁调控水位并由可调流量堰调节进入曝气室的水流流量；曝气室长2m，宽2m，深3m，内装有曝气设备；退水调节室设有三个连通通道，分别是与上级湿地单元退水连接的退水口、与曝气室连接的底孔闸门、与总退水管连接的水位调节管；上级湿地单元退水由水位调节管直接排出，或通过底孔闸门进入曝气室进行下一级串联处理。退水塘子系统布设于潜流湿地子系统下游，根据地形由退水明渠和若干串联生物塘构成，水深0.8～1.5m，种植芦苇和沉水植物，形成表流湿地塘。
2.根据权利要求1所述的复合型人工湿地系统，其特征在于，所述柔性隔墙由PVC涂塑布、上部塑料泡沫浮漂和底部尼龙绳网石笼制成。
全文摘要
本发明涉及一种北方低温地区复合型人工湿地水质净化系统，由稳定塘子系统、潜流湿地子系统和退水塘子系统三部分串联组成；稳定塘中部设置柔性隔墙，把塘分为前置库和净化区，稳定塘周边布设挺水植物带和沉水植物带；潜流湿地子系统由砂滤模块、湿地模块及曝气配水井组合构成，砂滤模块包含中央配水渠和两侧对称的多级砂滤区；湿地模块由卵石布水区、湿地床填料、卵石集水区、退水水位调节井构成；曝气配水井由进水调节室、曝气室和退水调节室构成；退水塘子系统根据地形由退水明渠和若干串联生物塘构成。本发明工程措施和生态措施有机结合，对受污染来水进行多重净化，投资省、效果好，具有显著的经济效益和生态效益。
文档编号C02F3/02GK101081713SQ20071013066
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者李其军, 刘培斌, 段伟, 黄炳彬, 智泓, 关卓今, 刘操 申请人:北京市水利科学研究所