专利名称：复合型人工湿地系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人工湿地，尤其涉及一种控制农业面源水体污染的复合型人工湿 地系统。
背景技术：
随着中国农村经济的发展，化肥、农药的大量使用，使得农业面源污染成为中国环 境污染的首要问题。面源污染是指大气、地面或土壤中溶解的和固体的污染物质在降雨 (或融雪)冲刷作用下，通过径流过程进入受纳水体包括河流、湖泊、水库、含水层和海湾 等，引起水体富营养化或其他形式的污染。农业面源污染产生的主要污染物如化肥、农药、 杀虫剂等，虽然一部分可被植物体吸收利用，但大部分却通过地表径流流入河流、湖泊等地 表水体，造成受纳水体的富营养化，使其丧失应有的水体功能。因此，急于寻求一种合适有效的水处理技术对农业面源污染进行处理。
发明内容
本发明要解决农业面源污染的技术问题，提供一种复合型人工湿地系统。为了解决上述技术问题，本发明复合型人工湿地系统，设在连接至少一个面源污 染受纳水体的区域内，包含人工设置的潜流湿地和表面流湿地，该潜流湿地位于各面源污 染受纳水体的近端，在该潜流湿地远离面源污染受纳水体的一端设有所述表面流湿地。优选的，所述表面流湿地的附近设有排灌站，该排灌站通过输水管线与该表面流 湿地相连通，用于抽取经人工湿地净化过的清洁水作为灌溉水源。所述排灌站运行时，面源污染受纳水体中的污水在该复合型人工湿地系统内的流 向是先经潜流湿地，再经表面流湿地后，由排灌站抽出；排灌站停止运行时，面源污染受纳 水体中的污水依靠潜流湿地附近设置的动力提升装置，实现在该复合型人工湿地系统内的 单向流动，从该面源污染受纳水体流向另一水体。优选的，所述的复合型人工湿地系统设在连接两个或两个以上具有表面水利联系 的面源污染受纳水体的区域内，包含人工设置的潜流湿地和表面流湿地，该潜流湿地位于 各面源污染受纳水体的近端，在该潜流湿地远离面源污染受纳水体的一端设有所述表面流 湿地，形成以该表面流湿地为中心，其两侧分布潜流湿地的复合型人工湿地系统。优选的，所述潜流湿地包括垂直流潜流湿地和水平流潜流湿地，该潜流湿地的分 布从面源污染受纳水体到表面流湿地依次为垂直流潜流湿地、水平流潜流湿地。所述潜流湿地的填料由三种不同粒径的滤料组成，该填料分三层，上、中、下三层 滤料的粒径依次增加。所述潜流湿地的种植植物包括美人蕉、千屈菜、石菖蒲、黄花鸢尾、旱伞草中的一 种或任意两种以上组合。优选的，所述连接至少一个面源污染受纳水体的区域的沿岸种植有沉水植物，以 构成沉水植物净化区，可起到进一步净化水质的作用。种植的沉水植物包括苦草、轮叶黑藻、伊乐藻、金鱼藻中的一种或任意两种以上组合。所述表面流湿地的种植植物包括芦苇、水葱、香蒲中的一种或任意两种以上组合。本发明复合型人工湿地系统，通过潜流湿地和表面流湿地的合理组合，对受农业 面源污染的河道水体进行有效的净化处理，处理后的清洁水为农产品生产提供洁净的水 源，从而实现水资源的循环利用，本发明不仅治理了农业面源污染，而且实现了绿色无污染 农业生产，同时还产生适宜的景观效果。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图1是本发明实施例1中复合型人工湿地系统所处的位置图；图2是本发明实施例1中复合型人工湿地系统的平面布局图；图3是本发明实施例1的垂直流潜流湿地的剖面图；图4是本发明实施例1的水平流潜流湿地的剖面图；图5是本发明实施例1的表面流湿地的剖面图；图6是本发明实施例1的鱼形岛的剖面图。图中1_构建湿地2-中北河3-垂直流潜流湿地4-水平流潜流湿地5-表面流湿 地6-沉水植物净化区7-鱼形岛31-滤料32-挡土砖墙33-种植土 34- 土工布41-外侧挡 墙42-内侧挡墙43-进水管44-出水管45-滤料46-砂浆垫层47- 土工布48-种植土 7-鱼 形岛71-木桩72-滤料73-种植土
具体实施例方式本发明提供了一种复合型人工湿地系统，设在连接至少一个面源污染受纳水体的 区域内，包含人工设置的潜流湿地和表面流湿地，该潜流湿地位于各面源污染受纳水体的 近端，在该潜流湿地远离面源污染受纳水体的一端设有表面流湿地。优选的，复合型人工湿地系统设在连接两个或两个以上具有表面水利联系的面源 污染受纳水体的区域内，包含人工设置的潜流湿地和表面流湿地，该潜流湿地位于各面源 污染受纳水体的近端，在该潜流湿地远离面源污染受纳水体的一端设有所述表面流湿地。潜流湿地的种植植物包括美人蕉、千屈菜、石菖蒲、黄花鸢尾、旱伞草中的一种或 任意两种以上组合。表面流湿地的种植植物包括芦苇、水葱、香蒲中的一种或任意两种以上 组合。表面流湿地是废水从湿地表面流过，它与自然湿地最为接近，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，但水力负荷率较小潜流湿地是污水从湿地表 面流向填料床的底部，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的根系及表层土 和填料截流等的作用，使污水处理效果和处理能力增强；另一方面由于水流在地表以下流 动，具有保温性能好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好的特点，但落干/淹水时间较 长，控制相对复杂。潜流湿地的填料由三种不同粒径的滤料组成，该填料分三层，上、中、下三层滤料 的粒径依次增加，分别为0. 5 1. 2、1. 8 2. 4、3. 0 3. 8cm,填料的总高度为0. 6 0. 9m。本发明复合型人工湿地系统对潜流湿地和表面流湿地进行合理组合，即将潜流湿地设于各面源污染受纳水体的近端，对受纳水体的污水先进行高效处理，例如潜流湿地 种植的植物输送氧气到达底部根区，在根区联合会形成很多好氧的小区，污水中的氮在微 生物作用下进行氨氮的硝化过程，简单表示如下腿:—NO2- — N03_。在远离根区的部位， NO3-由于缺氧环境而进行反硝化过程，从而使氨以气体的形式除去。潜流湿地基底材料中 的钙、镁和污水磷作用形成沉淀，以去除磷。经潜流湿地处理的水再流向表面流湿地，由表 面流湿地对其作进一步去污处理，如表面流湿地种植的芦苇对磷和氮都具有很强的吸收能 力。先经过潜流湿地的高效处理，再经表面流湿地处理，能有效克服表面流湿地的缺点，同 时还能增强用于灌溉水体的氧含量。在本发明一个优选的实施例中，表面流湿地的附近设有排灌站，该排灌站通过输 水管线与该表面流湿地相连通，用于抽取经人工湿地净化过的清洁水作为灌溉水源。通过 排灌站抽取清洁水，为污水从面源污染受纳水体流向表面流湿地提供了动力。当排灌站工 作运行时，污水的流向是从面源污染受纳水体出发，流经潜流湿地，再到表面流湿地，最后 由排灌站抽取。当排灌站停止运行时，面源污染受纳水体中的污水依靠潜流湿地附近设置 的动力提升装置，实现在该复合型人工湿地系统内的单向流动，从该面源污染受纳水体流 向另一水体。在本发明另一个优选的实施例中，潜流湿地包括垂直流潜流湿地和水平流潜流湿 地，且潜流湿地的分布从面源污染受纳水体到表面流湿地依次为垂直流潜流湿地、水平流 潜流湿地。在垂直流潜流湿地中污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和 状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地。该垂直流潜流湿地的硝化能力高于水 平流潜流湿地，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 流潜流湿地。水平流潜流湿地与自由表面流人工湿地相比，水平流潜流湿地的水力负荷和 污染负荷大，对BOD(生化需氧量)、C0D(化学需氧量)、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。水平流潜流湿地脱氮、除磷的效果不如垂直流潜流湿地。因 此，先经垂直流潜流湿地脱磷除氮防止藻类滋生，再经水平流潜流湿地除去有机物。在本发明另一个优选的实施例中，连接至少一个面源污染受纳水体的区域的沿岸 种植有沉水植物，以构成沉水植物净化区，起到进一步净化水质的作用。种植的沉水植物包 括苦草、轮叶黑藻、伊乐藻、金鱼藻中的一种或任意两种以上组合。实施例1结合实际项目案例_上海青浦现代农业园区的人工湿地处理农业面源污染来阐 述本发明复合型人工湿地系统的具体实施过程。图1所示为上海市青浦现代农业园区内复 合型人工湿地系统所处的位置图，园区内有稻田、菜地、还有精养鱼塘，存在一定的农业面 源污染，园区内地处洼地的5条相对封闭河道(中北河、蒸中河、中南河、淀中河、淀西河)， 是面源污染的受纳水体，复合型人工湿地系统位于连接中北河2和蒸中河1的河道内。如图2所示，该复合型人工湿地系统包括垂直流港流湿地3 (3个单元)、水平流潜 流湿地4(也可称生态岛，4个单元，两两串联)、以及表面流湿地5，其中，垂直流潜流湿地 3和水平流潜流湿地4的单元数目可根据实际场地大小及进水水质作变动。复合湿地系统 总面积为1044m2，其中潜流湿地600m2，水平流湿地548m2，表面流湿地342m2。垂直流潜流湿 地3的剖面图如图3所示，污水从潜流湿地表面流向填料床的底部，填料床由挡土砖墙32 围成，填料由三种不同粒径的滤料31组成，填料总高度为0. 9m，分三层平铺，上、中、下三层
5滤料粒径分别为0. 5 1. 2、1. 8 2. 4,3. 0 3. 8cm，在三层滤料31的上方铺一层种植土 33，以种植适于潜流湿地生长的水生植物，如美人蕉、千屈菜、石菖蒲、黄花鸢尾、旱伞草等， 在滤料31和素土之间铺设有土工布34。水平流潜流湿地4的剖面图如图4所示，基本构造 与垂直流潜流湿地类似，主要是布水方式的不同，水平流潜流湿地4因污水从一端水平流 过填料床，而垂直流潜流湿地3污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，在本发明的该实 施例中，水平流潜流湿地4的填料床由外侧挡墙41和内侧挡墙42隔成两间，进水管43和出 水管44分别穿过外侧挡墙41伸入填料床，该进水管43和出水管44铺放在水凝土结构上。 填料床内填有滤料45，在填料床的底部为石灰和水泥砂浆制成的砂浆垫层46，滤料45的上 面覆有种植土 48，用于种植水生植物，在滤料45和种植土 48之间、以及滤料45和砂浆垫 层46之间都铺设有土工布47。表面流湿地5的剖面图如图5所示，在表面流湿地上种植有 芦苇、水葱、香蒲等挺水植物，污水从表面流湿地表面流过，依靠芦苇等植物较强的吸收氮、 磷能力，对污水作净化处理。表面流湿地5的附近设有排灌站8，用于抽取经人工湿地净化 过的清洁水作为灌溉水源。通过排灌站8抽取清洁水，为污水从面源污染受纳水体流向表 面流湿地5的流动提供了动力。这种设置在表面流湿地附近的排灌站，不仅能将已经净化 达到I类地表水标准的清洁水用于园区内的农作物灌溉，更重要的是通过排灌站的排水作 用加大了地表水体和浅层潜流水体的流动，促进了人工湿地内的植物对污染水体的净化作 用。优选的，本发明复合型人工湿地系统在河道沿岸还种植有沉水植物(见图2)，如 苦草、轮叶黑藻、伊乐藻、金鱼藻等，构成沉水植物净化区6，起到进一步净化水质的作用。优选的，本发明复合型人工湿地系统还包括鱼形岛7 (见图2和图6)，位于水平流 潜流湿地4(生态岛)与表面流湿地5之间，鱼形岛7在有水流通过时，起到与水平流潜流 湿地4类似的功能，在本发明的该实施例中，鱼形岛7由木桩71围制成的填料床组成，填料 床中填有滤料72，滤料72上面覆种植土 73，用于种植水生植物，鱼形岛7的滤料能吸附氮 磷重金属等，水生植物生长也吸收了水体中的氮磷，同时鱼形岛上种植的植物具有美化景 观的功能，整个鱼形岛主要起到美观功能，同时兼具净化功能。上述复合型人工湿地系统水力停留时间为3. 5h，水力负荷为16. 9m3 · cf1。当排灌 站不工作时，该复合型人工湿地系统可以通过动力实现园区内河道水体的单向流动，如在 垂直流潜流湿地附近安装水泵，使该复合型人工湿地系统由蒸中河进水(见图2)，经垂直 流潜流湿地_水平流潜流湿地_表面流湿地_水平流潜流湿地_垂直流潜流湿地(动力提 升)，由中北河出水，其中还经过了沉水植物净化区，进一步净化了水质。复合型人工湿地系统对不同营养物质的去除效果受蒸中河河道水质变化的影 响，湿地系统进水水质不稳定(见表1)，进水主要水质参数变化范围为总氮ΤΝ0. 25 0. 62mg · Γ1、总磷 ΤΡ0. 10 0. 19mg · L—1、化学需氧量 C0DMn8. 1 11. Omg · Γ1。根据《地 表水环境质量标准基本项目标准限值》(GB3838-2002)，该进水水质处于III V类水。表1复合型人工湿地系统进、出水水质变化幅度(mg · Γ1) 进水水体经复合型人工湿地系统处理后，营养物质得到不同程度的降低，水体中 各项水质指标的去除率见表2。从表2可知，该复合型人工湿地系统对硝酸氮、亚硝酸氮、总 磷、叶绿素a等指标的去除率能达到50%及以上，而对CODtfa、氨氮的去除率则不高，平均只 有16. 8%和18. 9%。流经复合型人工湿地系统处理后的水体水质除CODtfa为IV类水外，其 余均达II类水质标准。比较1、3、5、7、9、11天的水质去除率和均值之间相对离散程度，发 现除了氨氮外，其他指标的去除率均在11天的与均值最为接近，可见，该复合湿地系统在 连续运行10天后，对水质的去除率趋向稳定。表2复合型人工湿地系统对各水质指标的去除率 复合型人工湿地系统能有效的去除N、P等营养物质，处理低污染负荷的农业面源 污染水体，总氮、总磷去除率可达44. 和49. 5%，出水水质比进水可提高1 2个地表水 水质等级；但对有机物质的去除率不高，仅为16. 8%;湿地系统对叶绿素a的去除效率高达 75. 8%。上述处理效果是在水力负荷为16. 9m3 · cf1，水力停留时间为3. 5h的条件下得到 的，如果污染负荷加大，水力停留时间变长，复合型人工湿地系统对污染物质的去除率将得 到提高。农业园区的湿地系统连续运行10天后对水体营养物质的去除趋向稳定。复合型人工湿地系统使灌溉用水中重金属物质含量大幅下降，出水浓度大大低于 I类地表水标准的上限，根据《温室蔬菜产地环境质量评价标准》(HJ333-2006)，处理后的水 完全符合温室蔬菜灌溉水环境质量标准，该复合型人工湿地系统的建设不仅为农业面源污 染实现了生态补偿，还可实现水资源的循环利用，具有广阔的应用前景。以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能 因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范 围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
一种复合型人工湿地系统，其特征在于，设在连接至少一个面源污染受纳水体的区域内，包含人工设置的潜流湿地和表面流湿地，该潜流湿地位于各面源污染受纳水体的近端，在该潜流湿地远离面源污染受纳水体的一端设有所述表面流湿地。
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，所述表面流湿地的附近 设有排灌站，该排灌站通过输水管线与该表面流湿地相连通，用于抽取经人工湿地净化过 的清洁水作为灌溉水源。
3.根据权利要求2所述的复合型人工湿地系统，其特征在于，所述排灌站运行时，面源 污染受纳水体中的污水在该复合型人工湿地系统内的流向是先经潜流湿地，再经表面流湿 地后，由排灌站抽出。
4.根据权利要求2所述的复合型人工湿地系统，其特征在于，所述排灌站停止运行时， 面源污染受纳水体中的污水依靠潜流湿地附近设置的动力提升装置，实现在该复合型人工 湿地系统内的单向流动，从该面源污染受纳水体流向另一水体。
5.根据权利要求1或2所述的复合型人工湿地系统，其特征在于，所述的复合型人工湿 地系统设在连接两个或两个以上具有表面水利联系的面源污染受纳水体的区域内，包含人 工设置的潜流湿地和表面流湿地，该潜流湿地位于各面源污染受纳水体的近端，在该潜流 湿地远离面源污染受纳水体的一端设有所述表面流湿地，形成以该表面流湿地为中心，其 两侧分布潜流湿地的复合型人工湿地系统。
6.根据权利要求1所述的复合型人工湿地系统，其特征在于，所述潜流湿地包括垂直 流潜流湿地和水平流潜流湿地，其分布从面源污染受纳水体到表面流湿地依次为垂直流潜 流湿地、水平流潜流湿地。
7.根据权利要求1所述的复合型人工湿地系统，其特征在于，所述连接至少一个面源 污染受纳水体的区域的沿岸种植有沉水植物，以构成沉水植物净化区。
8.根据权利要求1所述的复合型人工湿地系统，其特征在于，所述潜流湿地的种植植 物包括美人蕉、千屈菜、石菖蒲、黄花鸢尾、旱伞草中的一种或任意两种以上组合。
9.根据权利要求1所述的复合型人工湿地系统，其特征在于，所述表面流湿地的种植 植物包括芦苇、水葱、香蒲中的一种或任意两种以上组合。
10.根据权利要求7所述的复合型人工湿地系统，其特征在于，所述沉水植物包括苦 草、轮叶黑藻、伊乐藻、金鱼藻中的一种或任意两种以上组合。全文摘要
本发明公开一种复合型人工湿地系统，设在连接至少一个面源污染受纳水体的区域内，包含人工设置的潜流湿地和表面流湿地，该潜流湿地位于各面源污染受纳水体的近端，在该潜流湿地远离面源污染受纳水体的一端设有所述表面流湿地。本发明的复合型人工湿地系统，不仅治理了农业面源污染，而且实现了水资源的循环利用。
文档编号C02F3/32GK101898832SQ20091005732
公开日2010年12月1日 申请日期2009年5月26日 优先权日2009年5月26日
发明者卢子园, 季高华, 王丽卿, 范志锋, 谢平, 郑小燕 申请人:上海海洋大学;上海水生环境工程有限公司