专利名称：一种使用人工湿地净化污水的系统和净化自来水厂污染源水的系统方法
技术领域：
本发明涉及一种复合的使用人工湿地净化污水的系统，以及一种使用人工湿地净化自来水厂污染源水的系统方法。
背景技术：
近年来，由于区域水环境污染日益严重，水源地水质恶化，水源生态系统退化，自来水厂的现有常规处理工艺往往难以适应当前源水污染状况。因此，寻找一种简易、高效的污染源水预处理净化技术就十分必要。人工湿地技术作为一种新型生态污水处理技术，具有投资省、运行简便、处理效果稳定、出水水质好、生态风险小等特点，广泛应用于水污染控制领域，特别是污水处理领域，有望在源水净化中获得应用。然而，传统的人工湿地技术其填料介质更新较难、容易发生堵塞、单位面积/体积造价相对较高，不宜在水源地污染净化中开展规模性的工程应用。经过科技查新，从检出文献看，国内采用人工湿地技术处理各种废水及原水的研究已经较多。研究内容涉及湿地植物根孔防治污染的功能及效果分析(生态学报，2000， 20 (5) =869-874)，湿地跌水曝气参数研究(环境保护科学，2008, 34 (5) :39-41)，湿地技术的应用研究(环境工程学报，2008，2 (11) :1447-1450 ；供水技术，2009，3 (2) :44-46;中国给水排水，2009，25 (5) :48-51)。关于多级人工湿地结构的文献报道了多级串联湿地(中国给水排水，2007，23(1) :88-91，96;生态环境学报，2009，18(1) :79_82)，阶式湿地(环境污染治理技术与设备，2005，6 (9) :54-57)。华南师范大学的专利涉及由上而下重叠形成的阶梯状多级人工湿地床(公开(公告)号CN1390787.公开(公告)日2003. 01. 15)。国外一般采用自然湿地技术处理废水，人工湿地技术应用于水处理和污染源水净化方面的研究较少。研究内容涉及人工湿地技术用于去除饮用水中的氮(Ecological Engineering, 2000，14 (1-2) :33-47)，人工湿地植物根净化地表水和废水(Water Science & Technology, 1996,33(4-5) :309-313)，废水处理和水回用(Recycling the Resource-Proceedings of the SecondInternational Conference on Ecological Engineering for Wastewater Treatment, 5-6 :367-369,1996),雨水处理(Proceedings of the Sixth InternationalConference on Urban Storm Drainage,第 1 卷禾口第 2 卷1068-1073,1993)。关于湿地结构的文献报道如韩国专利涉及倾斜多阶人工湿地、排水沟类型的无动力人造湿地(专利号KR2006112754-A ;KR651054-B1 ；专利号 KR2005093597-A ；KR561171-B1)。综上所述，国内外文献中均未见有采用人造根孔和自然根孔相结合的方法构建湿地净化系统及其工程应用的报道。国内外文献报道了多级阶式湿地，通过各级之间的水位差实现水和土壤充分接触净化，但未见有采取由沟壕和植物床镶嵌组合的阶式湿地进行多级串联和并联相结合的湿地形式。
发明内容
为了克服现有的人工湿地技术其填料介质更新较难、容易发生堵塞、单位面积/ 体积造价相对较高，不宜在水源地污染净化中开展规模性的工程应用的不足，本发明提供一种以植物床-沟壕-根孔结构系统为核心的人工湿地净化污水的系统，以及一种使用人工湿地净化自来水厂污染源水的系统方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是对微污染的水源地，在自来水厂进水口之前构建规模性的生态型水质净化湿地系统，系统由预处理区、水位提升和曝气充氧区、湿地根孔生态净化区、深度净化区和达标引水区等多个功能区组成；在所述湿地根孔生态净化区中采用人工构筑湿地根孔的方法构建人造根孔与自然根孔相结合的净化系统；湿地根孔生态净化区采取由沟壕和植物床镶嵌组合的多级阶式湿地进行串联和并联相结合的形式；整个生态型水质净化湿地系统由预处理塘系统、水位提升和曝气充氧系统、湿地根孔生态净化系统、湖区深度净化系统、达标引水系统等多个子系统耦合组成梯级“汇”净化系统(“汇”是相对于源水污染治理的“源”控制和“迁移途径”控制而言的末端控制环节)。 生态型水质净化湿地系统通过人造根孔和自然根孔之间的过渡和湿地根孔的不断更新，实现湿地基质填料介质的自我更新，以水力调控为枢纽，通过调节来适应微污染水源的供水， 从而为区域供水安全提供保障。本发明的有益效果是，在自来水厂之前构筑水源净化的多重屏障，有效地解决了传统人工湿地填料介质更新较难、容易发生堵塞、单位面积/体积造价相对较高的不足，适宜在水源地污染净化中开展规模性的工程应用；人工湿地保持了原来的城市绿地规划和功能，并且水塘、沟壕、湿地、湖泊等增加了城市景观，形成绿草百花争艳、沟壕纵横交错、湖水碧波荡漾的湿地公园，发挥着净化原水水质、贮水缓冲应急、绿地清新空气、为很多物种提供栖息地、改善生物多样性、景观美化、形成市民休闲场地、提升区域宜居舒适度等多重生态服务功能。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是本发明的工艺流程示意图。图2是本发明的一个实施例的工程应用的总体平面图。图3是本发明的另一个实施例的湿地植物床一沟壕一根孔结构系统和闸口控制的剖面构造示意图。图4是本发明的又一个实施例的湿地植物床一沟壕一根孔结构系统和卡口设置的平面示意图。图5是本发明的又一个实施例的湿地植物床一沟壕一根孔结构系统和卡口设置的剖面构造示意图。图6是本发明的又一个实施例的卡口设置和砾石床的平面示意图。图7是本发明的又一个实施例的卡口设置和砾石床的剖面构造示意图。附图中主要标记符号1预处理区，2水位提升和曝气充氧区，3湿地根孔生态净化区，4深度净化区，5达标引水区，6北郊河，7新塍塘，8义庄河，9320国道，10东升西路，11昌盛路，12桥，13义庄河闸6mX 1，14双水源闸4mX 1，15北郊河闸4mX 1，16泵站边闸6mX 1，17溢流堰边闸6mX 1， 18东升桥闸6mX 2，19北亭湖闸6mX 1，20亭子桥闸，21预处理塘，22顶管接收池，23沉淀池，24雁泾港，25清冽湖，沈北亭湖，27南亭湖，观泵站，29溢流堰，30管理房，31水位监测点，32水质监测点，33摄像机，34大沟，35小沟，36湿地植物床，37闸口，38卡口，39堵头， 40砾石床。
具体实施例方式在具体实施例之前首先对本发明实施方式的总体情况进行阐述。本发明提供一种使用人工湿地净化污水的系统，以及一种使用人工湿地净化自来水厂污染源水的系统方法，针对微污染的水源地，在自来水厂进水口之前构建规模性的生态型水质净化湿地系统，该系统包括预处理区、水位提升和曝气充氧区、湿地根孔生态净化区、深度净化区和达标引水区，采用水力调控等手段驱使水流逐次通过各功能区，以实现分区分步净化的目标。人工湿地的各主要功能区及其功能如下①预处理区由深水区和浅水区组成串联的塘系统。水流进入预处理区后，由于过水面积突然扩大，水流流速降低，起到了沉砂和缓冲作用，悬浮性固体颗粒物(SQ和油脂都可以减少，并阻挡垃圾和漂浮物进入湿地。②水位提升和曝气充氧区通过水泵提升水位和两级跌水曝气，把水提升达到湿地处理的功能水位，同时曝气使污染源水的溶解氧浓度提高，部分氨氮挥发，使湿地水位每日经历两次提升和下落，增加湿地孔隙中水和空气与土壤介质的界面流动，增强净化效能， 为其他功能区的进一步净化提供条件。③湿地根孔生态净化区本区由湿地植物床系统和大小沟壕系统进行多级串联和并联组合而成。主要利用湿地植物、土壤根孔和土壤基质，在湿地区水位变幅作用下，通过土壤吸附、截留、交替氧化还原、微生物降解等措施，为多种生物提供了栖息繁育地从而培育生物多样性，使水质进一步净化，氨氮等明显去除。④深度净化区由浅水区和深水区组成串联的湖系统。利用大面积水体使固体悬浮物沉降，水质进一步得到净化和在此区稳定化，同时起到储存水体、保障水厂供水安全、 美化环境等作用。经过本区，可使SS减少，CODsfa继续降低，并增加生物多样性。⑤达标引水区主要依靠砾石床、生物膜的深度净化和河道的自净功能来净化和稳定湿地出水的水质，并从此区引水至水厂。在上述各功能区均考虑到景观美化设计，除了从地形地貌上进行美学设计外，在各功能区的边缘地带以及湿地与陆地相毗邻的缓冲区采用少量的水生、湿生和陆生景观植物或花卉搭配构建。这些要素组成了人工湿地的景观美化系统。人工湿地的五个功能区之间是串联的，在每个湿地根孔生态净化区中小沟和植物床彼此之间是并联的，大沟蜿蜒曲折，贯穿于湿地之中，大沟与小沟或植物床之间是既有并联又有串联的，这主要取决于大沟在湿地中所处的位置。这样的串并联相结合的优点主要在于增加湿地水和土壤接触的边缘区面积，充分发挥湿地净化的边缘效应，在一个区内未得到完全净化的水会流到下一个区进一步发生净化，从而使得湿地的总净化率得以显著提升。湿地根孔生态净化区的主要构成单元——大沟、小沟、湿地植物床的宽度分别为 12-25m,3-10m, 10_30m。这样的宽度范围有利于水流在大沟、小沟之间的分配，以及水流在植物床根孔结构系统中的传输和过滤。大沟、小沟组成了湿地的沟壕，沟壕和湿地植物床耦合，组成“植物床一沟壕一根孔结构系统”。由大小沟壕等“洼陷，，结构和植物床等“隆起” 结构组成一个空间上相连续和水力上相通连的镶嵌景观，其中纵横交错的小沟和大沟等组成蜿蜒曲折的宏观水力传输系统，在植物床中的根孔结构系统成为湿地的微观潜流过滤系统。二者相辅相成，共同承担着人工湿地生态系统的生态净化功能。该技术中的大沟、小沟组合要有2-15组。组数过少，不利于根孔区生态净化功能的实现；组数过多，在满足湿地净化功能需求的同时，会增加湿地的建设成本。本发明中的生态型水质净化湿地系统的核心创新技术是人工构筑湿地根孔技术， 即在植物床内构建了以人造根孔和自然根孔相结合的半潜流湿地净化系统。人造根孔是将粗细秸秆按一定比例混合，埋入湿地地表下0. 2-1. 5m的亚表层，让其自然腐烂形成人造根孔。在埋有秸秆的土地上种植能形成自然根孔的水生和/或湿生植物，如芦苇、香蒲、菰等。 人工湿地构建初期导水以人造根孔为主，随着水生植物生长自然根孔逐渐成主导。其优点为处理的水大部分通过根孔区，得到深度净化；随着新根孔的不断生成，此构建的湿地可长期运行、不堵塞。新构建湿地根孔加速生成的技术创新主要体现在①“双结合”思路，即人工强化与诱导恢复相结合，构造根孔与自然根孔相结合；②突破促使天然湿地净化功能在三年左右时间内形成的关键技术。该技术的具体细节详见另外一个发明专利申请一种人工构筑湿地根孔的方法。在人工湿地建设时从整个系统的前端至后端设计一定的梯级地势差，通过水力调控，驱使水流逐次通过各个功能区。根据外河床水位的季节时段变化调整湿地水力运行调度方案。湿地工程运行采用5种模式，分别为正常运行模式，高水位运行模式，自流运行模式，水质异常更换水体模式，冬季维护运行模式。通过每日两次10-50cm的水位变幅，使水和土壤较充分接触净化。在湿地中通过间口控制、卡口设置和堵头阻隔等调控手段，实现水分在根孔区的过流效应。具体为在湿地中通过闸口的开闭或中间状态来调节湿地水流从一个功能区到另一个功能区的过流时间和过流量，并实现湿地的水位日变幅；通过在大沟中设置卡口，来调节湿地水流在大沟和小沟之间的水量有效分配，其中大沟过水量占总水量的百分比为25-40% ；在湿地中多条平行的小沟和植物床结构的两端交替设置由砾石床和不透水土工织物构建的堵头阻隔，堵头纵向宽度为l_6m ；在闸口控制和卡口设置的双重调控下，使湿地植物床两侧相邻小沟之间形成水位差，通过大沟的水流调控把源水平均分配到高位小沟，然后通过植物床根孔流向低位小沟。在湿地中采取跌水曝气、微孔曝气或风能曝气增氧等方式来实现水体的充氧过程，使溶解氧浓度达到3-6mg/L。在饮用水源地具有多水源供水的情况下，通过开关湿地中的不同入水闸口，实现湿地入水水源的选择性，一旦某一水源出现水质安全等问题，即可开启另一水源或备用水源。人工湿地本身可贮存较多水量，其中部分水量可以通过重力流实现为水厂供水。如上游突发环境灾难，在外来水源不可用条件下，人工湿地可贮存自来水厂M-96小时的城市供水备用原水，保持社会生产、生活的稳定。在湿地进出口处，布设水位、溶解氧、PH和浊度等在线探头，借助在线水样自动监控系统和控制室实时监控，为应对水质污染突发事件提供宝贵的预警机制。在人工湿地运行保障过程中实现了用生态方法抑制蓝藻水华和防治病虫害的目标。源水经过湿地净化后其中污染物浓度减少，但氮磷浓度仍高，水力停留时间最长为10 天，蓝藻水华发生的最大风险可能发生在深度净化区。通过采取湿地各分区环境差异性、沟壕捕获蓝藻技术、根孔过滤藻种、深度净化区表层水停留时间缩短、植物浮床和漂浮植物遮光等综合技术，实现了湿地中没有水华发生的目标。在水源净化湿地系统中如有病虫害无法喷洒农药。用生物多样性相互制约技术使得湿地中不使用农药仍保证无病虫害，两年来使病虫害根本不发生，湿地中没有蚊虫。通过在湿地中选择种植不以叶为主、腐烂较慢的植物，秋季收割外运，避免植物腐烂释放影响出水水质。在湿地中放养除草鱼以外的鱼种和螺蛘等软体动物，放养动物必须是当地物种，整个养殖过程不投饵料。实施例1图2是本发明的实施例1，即一个代表性的水厂水源生态湿地治理工程的总体平面图。该工程采用了本发明提出的使用人工湿地净化自来水厂污染源水的系统方法。该项目利用城市楔形绿地，规划总面积2. 59平方公里(合3878亩)。整个项目包含河道生态修复区，湿地公园核心净化区与湿地绿化景观区，以及科普实践区等部分，其中湿地公园核心净化区2138亩，湿地绿化景观区1740亩。包括有泵站281座；控制闸8座(出水河道处6mX2倒卧门闸，泵站边、东区湿地与北亭湖之间及北郊河西预处理区各设置1座规模 6mXl倒卧门水间，北郊河东、西各设置规模^iXl直升门水间，并在原顶管2个沉井上各增加1座^iX 1直升门水闸)；溢流堰291座；箱涵4处；改造水闸1座；管理用房3处。经计算，生态湿地可贮存120万吨原水，其中可重力供流60万吨，目标水厂日需水量16- 万吨。如遇特殊紧急情况，湿地可支持自来水厂60-90小时的城市供水备用原水。实施例1的生态湿地工程各单元的主要参数统计见下表1。表1实施例1的生态湿地工程各单元主要参数统计表
分区面积 (亩)单元面积 (亩)亚单元面积 (亩)归类备注北郊河以西 (西区)406. 0预处理塘63. 0水域预处理区湿地根孔区250. 0植物床154. 3水域湿地根孔生态净化区大沟39.0水域湿地根孔生态净化区小沟56.7水域湿地根孔生态净化区陆地93. 0陆地义庄河30. 6水域长度1. 2km
权利要求
1.一种使用人工湿地净化污水的系统，所述系统为包括下列功能区的生态型水质净化湿地系统预处理区、水位提升和曝气充氧区、湿地根孔生态净化区、深度净化区以及达标引水区，其中在所述湿地根孔生态净化区中通过人工构筑湿地根孔的方法构建人造根孔与自然根孔相结合的净化系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是所述的各功能区之间是串联的。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是包括1-10个所述湿地根孔生态净化区。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征是在所述湿地根孔生态净化区中采取由沟壕和植物床镶嵌组合的多级阶式湿地进行串联和并联相结合的形式。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征是所述沟壕由大沟和小沟组成。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述大沟、小沟和植物床的宽度范围分别为 12-25m，3-10m，10_30m。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征是在每个所述湿地根孔生态净化区中所述小沟和所述植物床彼此之间是并联的。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征是在每个所述湿地根孔生态净化区中所述大沟与所述小沟或所述植物床之间是既有并联又有串联的。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征是在每个所述湿地根孔生态净化区中所述大沟、小沟、植物床组合的组数为2-15组。
10.根据权利要求4所述的系统，其特征是在所述根孔生态净化区的所述植物床内构建以人造根孔和自然根孔相结合的半潜流湿地净化系统。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征是从整个所述生态型水质净化湿地系统的前端至后端具有梯级地势差，通过水力调控，驱使水流逐次通过各个所述功能区。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征是通过水位变幅，使水和土壤较充分接触净化。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征是在湿地中通过闸口的开闭或中间状态来调节湿地水流从一个功能区到另一个功能区的过流时间和过流量，并实现湿地的水位日变幅。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征是在所述大沟中设置卡口，来调节湿地水流在所述大沟和所述小沟之间的水量有效分配。
15.根据权利要求11所述的系统，其特征是在湿地中多条平行的所述小沟和所述植物床结构的两端交替设置由砾石床和不透水的土工织物构建的堵头阻隔。
16.根据权利要求11所述的系统，其特征是在间口控制和卡口设置的双重调控下，使湿地植物床两侧相邻小沟之间形成水位差，通过大沟的水流调控把源水平均分配到高位小沟，然后通过植物床根孔流向低位小沟。
17.根据权利要求1所述的系统，其特征是在湿地中采取跌水曝气、微孔曝气或风能曝气增氧等方式来实现水体的充氧过程。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征是人工湿地可贮存自来水厂M-96小时的城市供水备用原水。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征是通过在湿地中选择种植不以叶为主、腐烂较慢的植物，秋季收割外运，避免植物腐烂释放影响出水水质。
20.根据权利要求1所述的系统，其特征是在湿地中放养除草鱼以外的鱼种和螺蛘等软体动物，放养动物是当地物种，整个养殖过程不投饵料。
21.一种使用人工湿地净化自来水厂污染源水的系统方法，所述方法包括在自来水厂进水口之前构建权利要求1-20中任一项所述的系统。
全文摘要
一种使用人工湿地净化污水的系统和使用人工湿地净化自来水厂污染源水的系统方法。涉及一种复合的人工湿地构建方法。在自来水厂进水口之前构建规模性的生态型水质净化湿地系统，包括预处理区、水位提升和曝气充氧区、湿地根孔生态净化区、深度净化区、达标引水区等多个功能区，其中在所述湿地根孔生态净化区中通过人工构筑湿地根孔的方法构建人造根孔与自然根孔相结合的净化系统。在该系统中采取由沟壕和植物床镶嵌组合的多级阶式湿地进行串联和并联相结合的形式。该方法日处理自来水厂源水20-24万吨，实现了主要水质指标提高一个等级的效果和多个方面的生态服务功能。本发明为同类型地区水源生态保护提供科学依据和示范样板。
文档编号C02F3/34GK102234165SQ201010162178
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月28日 优先权日2010年4月28日
发明者尹澄清, 汪仲琼, 王为东, 郑军 申请人:中国科学院生态环境研究中心