专利名称：一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种环境保护技术领域的装置，具体是涉及一种具有氮磷营养盐富集去除功能的人工水培湿地。
背景技术：
氮磷营养盐是造成水体富营养化的关键生态因子，因此，削减污水中氮磷营养盐对于水体富营养化控制具有重要意义。湖泊外源氮磷营养盐主要来源于城市污水处理厂的出水、农村面源污染和入湖河流等，这类水质特别适合采用人工湿地进行生态处理。
人工湿地(Constructed Wetland,CW)指用人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，填充一定深度的基质层，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物协同作用使污水得到净化，按照污水流动方式分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。表面流人工湿地(surface flow constructed wetland)指污水在基质表层表面以上，从池体进水端水平流相出水端的人工湿地。水平潜流人工湿地(horizontal subsurface flow constructed wetland)指污水在基质表层表面以下，从池体进水端水平流相出水端的人工湿地。垂直潜流人工湿地(vertical subsurface flow constructed wetland)指污水垂向通过池体中基质层的人工湿地。尽管潜流及表面流人工湿地是目前广为采用的技术，但表面流人工湿地处理效果较差，潜流式人工湿地则存在水力负荷低，易堵塞，造价偏高等缺点。
近年来，一种兼有水质净化能力和生态与经济效益产出的人工水培湿地(又称水耕植物过滤法)得以发展。其特点在于不填充基质，通过水生植物发达的茎秆或根系形成高效根系过滤层将水中的悬浮性污染物等过滤去除，植物和微生物共同作用下对有机物和营养盐进行去除，形成一个由水生植物、水生动物及微生物构成的生态净化系统。人工水培湿地既克服了表面流湿地单位面积处理效率低因而处理同样水量的低污染河水需要建设的面积大的弱点，同时又克服了潜流型湿地易于堵塞和建设成本高的问题。因而水培人工湿地适合于入湖河流、城市尾水等处理水量大的场合。
然而，普通人工水培湿地的缺点也非常明显，即这些净化机制均依赖于植物的生长状态，植物的生长状态又有赖于植物对水中低浓度营养物的有效吸收。根据大量研究证实，水生植物对氮磷的去除有限，因此对于大流量、低营养盐的入湖河流或城市尾水而言， 还需考虑借助营养盐富集型基质的作用。发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种将基质强化氮磷去除功能和人工水培湿地有机组合，成为一种新型组合式净化系统，既保持基质去除氮磷的作用，同时充分保持了水培湿地的特点和优势，对于处理入湖河流或城市尾水等大流量、低污染水中污染物具有明显优势的具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，该装置包括按水流方向依次设置的进水调节区、水培植物区和基质氮富集区、中间调节区、基质磷富集区、出水调节区、出水集水池，所述的基质氮富集区置于水培植物区的下方池的底部。
所述的装置为长方体槽状，其长宽比为(10 3) 1，深度为45 75cm。
所述的进水调节区一侧池壁的上部设有进水管，该进水管的管底标高不低于进水调节区液面；另一侧池壁设有穿孔墙a，穿孔墙a的孔眼布设在1/3 1/2水面以下。
所述的水培植物区种植有具有经济价值或景观价值的水生植物，该水生植物具有发达的根系，在水面以下的根系长度可达到10 20cm ；所述的基质氮富集区位于水培植物区的下方，基质氮富集区设有厚度不小于20cm的基质，该基质铺设于装置的底部，基质的材料为氨氮吸附材料，其空隙率大于30%。
所述的基质的厚度优选20-40cm，所述的氨氮吸附材料包括沸石、蛭石等。
所述的中间调节区与水培植物区和基质氮富集区之间设有穿孔墙b，中间调节区与基质磷富集区之间设有溢流堰；所述的基质磷富集区填充有基质，该基质层的高度高于出水调节区液面2-5cm，基质的材料为磷吸附材料，其空隙率大于30%。
所述的穿孔墙b的顶部孔眼低与水面平齐，所述的溢流堰采用三角锯齿堰；所述的磷吸附材料包括水化硅酸钙等一类的硬硅钙石。
所述的出水调节区与基质磷富集区之间设有穿孔墙C，出水调节区通过出水弯管连接出水集水池，出水从出水弯管的底部管道流出，通过向上的弯管溢流进入出水集水池， 所述的出水集水池侧壁设有排水管。
所述的穿孔墙c的顶部孔眼与基质磷富集区基质层高度持平，所述的出水弯管的溢流管口高度低于基质磷富集区基质层高度2-5cm。
所述的装置经过防渗处理，包括在装置表面涂覆防水涂料，水流从上部进入进水调节区，通过穿孔墙并行进入上部的水培植物区和底部的基质氮富集区，之后通过穿孔墙进入中间调节区，再经过溢流堰进入基质磷富集区，最后通过穿孔墙进入出水调节区，并通过底部出水管通入出水集水池，再通过向上的弯管溢流进入集水池。本发明中所述基质为氨氮吸附材料和磷吸附材料，包括一些天然硅酸盐矿物以及人工合成的氨氮和磷吸附材料寸。
与现有技术相比，本发明保留了人工水培湿地的优势，首先，避免了传统潜流人工湿地容易堵塞的缺点，以及传统表面流人工湿地水力负荷不高的缺点；其次，水培湿地有利于管理，便于植物栽种、收割，以及控制条件的转化；第三在水培经济植物的开发利用方面具有得天独厚的优势，可以因地制宜开发适合当地发展的经济植物或者景观植物，在不适合水生经济植物生长的季节可以灵活调整。
氮磷富集型基质与水生植物各自相对独立发挥作用，互不干扰，有利于发挥基质对氮的富集和对磷的富集作用，且便于进行运行条件的优化。例如，氮富集区和磷富集区可以根据实际需求实现基质的更换、选用等，不受植物生长条件的限制。另外，氮富集区和磷富集区可以根据基质自身特点灵活调整位置，也可以采取混合方式等。
无论是水培植物区，还是氮磷基质富集区，都有利于形成各自的生态系统，对水质的综合净化产生协同作用，基质氮、磷富集区可以分别有效地补偿水培植物区对水体氮磷吸收的不足。植物根系生态系统除了直接吸收氮磷营养盐外，其根系微生物还对水中有机物、氮磷等都产生良好的净化作用，同时植物代谢还可以起到向水体输送溶解氧的作用，对维持脱氮基质区的硝化作用大有益处，因此基质氮富集区位于水培植物区的下方，有利于和水培植物区形成完整的对氮的净化作用过程。对于水培植物区不能利用的磷，则可以通过基质磷富集区得到最终的解决，同时水质经过水培植物区和基质氮富集区的净化作用得到大大改善，原水中对磷富集基质的影响也降到最低程度，较之原水直接和磷富集基质接触更加延长了基质的使用寿命。
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本人工水培湿地装置按照水流方向包括进水管1，进水调节区2，穿孔墙a3，水培植物区4和基质氮富集区5，穿孔墙b6，中间调节区7，溢流堰8，基质磷富集区 9，穿孔墙clO，出水调节区11，出水弯管12，出水集水池13，排水管14。基质氮富集区5置于水培植物区4下方。
人工水培湿地装置为长方形槽状，装置经过防渗处理，长宽比为5 1，水深为 60cm,总的表面负荷率范围在0. 5 1. OmVm2. d。
水培植物区4为水面以下30cm的区域，其长度占装置总长的70%。水生植物通过扦插移栽，可应用定植篮或穿孔泡沫板对植物进行固定。按照植物生长周期进行定期收割， 收割时保留水面以上足够的颈干长度。
基质氮富集区5的基质厚度为30cm，基质层孔隙率大于30%。
基质磷富集区9的基质层厚度为60cm，基质层孔隙率大于30 %。
穿孔墙a3的孔眼布设在1/3 1/2水面以下，以保持水流一部分进入水培植物区 4，一部分经过基质氮富集区。
穿孔墙M的孔眼均勻布设于水面以下。
穿孔墙clO的孔眼均勻布设，顶部孔眼高度与基质磷富集区基质层高度持平。
溢流堰8采用锯齿三角堰，其水流液面高度为60cm。
出水弯管12溢流管口高度低于基质磷富集区基质层高度2cm，可根据实际情况需要设置所需弯管数量。
排水管14的高度根据排放液位实际情况确定。
本实施的工作过程如下
如图1所示，该人工水培湿地槽经过防渗处理，某城市污水处理厂的尾水或天然水体微污染水经进水管1流入进水调节池2中，经过穿孔墙a3后，并行进入水培植物区4和基质氮富集区5，水培植物区4种植空心菜或其他水生经济作物，基质氮富集区5铺设天然沸石或人工合成沸石材料，水流通过上下两个功能区，通过穿孔墙M进入中间调节区7，再通过溢流堰8进入基质磷富集区9，基质磷富集区采用水化硅酸钙合成材料，水流浸没所由基质，出水通过穿孔墙ClO进入出水调节区11，最后通过出水弯管12进入出水集水池13， 并从排水管14排放。
进入装置上部的低污染水中的氮、磷营养在水培植物区4得到水生植物的净化， 同时其发达的根系提供了微生物栖息的场所，有利于对水质的综合净化，水生植物光合作用可以为水体输送溶解氧，保持水培植物区较充足的溶解氧水平。进入装置的下部的低污染水中的氨氮在流经沸石等氮富集基质的过程中得到净化，同时经过长期运行，基质表层具有好氧性的硝化菌，其内层具有缺氧性的反硝化细菌，形成的微生物生态系统也对氮的去除产生积极作用。
经过水生植物区4和基质氮富集区5的净化作用，水中磷通过基质磷富集区9进行净化，该区基质为水化硅酸钙一类的硬硅钙石，通过结晶除磷原理，将水中低浓度磷富集在基质表面，形成羟基膦酸盐的形式。该种基质在经过一定的时间后，还可以产生对水中剩余氮进行富集吸收，形成磷酸铵镁一类的鸟粪石。
本实施例实施所处理的城市污水处理厂尾水在处理前虽达到国家污水排放标准， 但按地表水标准衡量仍为劣V类水，主要污染指标为总氮15mg/L，氨氮％ig/L，总磷0. Smg/ L，C0D60mg/L。通过该装置的作用，出水总氮的去除率达到80%，氨氮去除率达到80%，总磷去除率可达到90%，COD去除率可达到65%。另外对天然微污染河水净化表明，对水质总氮ang/L，总磷0. 5mg/L,经过净化后，总氮去除率为80%，总磷去除率为80%。
实施例2
一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，该装置为长方体槽状，其长宽比为10 1，水深为45cm，长方体槽状装置通过穿孔墙和溢流堰分隔呈多个区按水流方向依次为进水调节区、水培植物区和基质氮富集区、中间调节区、基质磷富集区、出水调节区、出水集水池，所述的基质氮富集区置于水培植物区的下方，即池的底部。
所述的进水调节区一侧池壁(水流上游一侧)的上部设有进水管，该进水管的管底标高不低于进水调节区液面；另一侧池壁设有穿孔墙a，穿孔墙a的孔眼布设在1/2水面以下，以保持池体水流向水培植物区和基质氮富集区的配水分布均勻。
所述的水培植物区种植有具有经济价值或景观价值的水生植物，如空心菜等，该水生植物具有发达的根系，在水面以下的根系长度可达到10 20cm，一方面直接吸收水中氮磷，同时根系分布微生物可对水质产生综合的净化作用。同时通过植物代谢作用还对水体溶解氧水平产生积极影响。水培植物的选择可以根据实际开发需要种植经济作物(如空心菜等)或景观植物；所述的基质氮富集区位于水培植物区的下方，基质氮富集区设有厚度20cm的基质，该基质铺设于装置的底部，基质的材料为氨氮吸附材料，如沸石、蛭石等。 基质层一方面起到直接吸收氨氮的作用，同时，随着运行时间的推移，其表面附着产生净化水质的微生物群落，进一步加强硝化反硝化脱氮作用，以及异养微生物对有机物的净化作用。
所述的中间调节区与水培植物区和基质氮富集区之间设有穿孔墙b，中间调节区与基质磷富集区之间设有溢流堰；所述的基质磷富集区填充有基质，基质的材料为磷吸附材料，如水化硅酸钙一类的硬硅钙石，其空隙率大于30%。所述的穿孔墙b的顶部孔眼与水面平齐，所述的溢流堰采用锯齿三角堰，其水流液面高度为45cm。
所述的出水调节区与基质磷富集区之间设有穿孔墙C，出水调节区通过出水弯管连接出水集水池，出水从出水弯管的底部管道流出，通过向上的弯管溢流进入出水集水池。 所述的穿孔墙c的顶部孔眼与出水调节区液面平齐，所述的出水弯管的溢流管口高度低于基质磷富集区基质层高度2cm。
所述的出水集水池侧壁设有排水管。
所述的装置经过防渗处理，水流从上部进入进水调节区，通过穿孔墙并行进入上部的水培植物区和底部的基质氮富集区，之后通过穿孔墙进入中间调节区，再经过溢流堰进入基质磷富集区，最后通过穿孔墙进入出水调节区，并通过底部出水管通入出水集水池， 再通过向上的弯管溢流进入集水池。本发明中所述基质为氨氮吸附材料和磷吸附材料，包括一些天然硅酸盐矿物以及人工合成的氨氮和磷吸附材料等。
实施例3
一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，该装置为长方体槽状，其长宽比为3 1，水深为75cm，进水管的管底标高不低于进水调节区液面高度；穿孔墙a的孔眼布设在1/2水面以下，基质氮富集区设有厚度40cm的基质，所述的基质磷富集区的基质层高度高于出水调节区液面5cm，穿孔墙b的顶部孔眼与水面平齐，溢流堰采用锯齿三角堰，其水流液面高度为75cm。穿孔墙c的顶部孔眼与出水调节区液面平齐，所述的出水弯管的溢流管口高度低于基质磷富集区基质层高度5cm。其余同实施例1。
权利要求
1.一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，该装置包括按水流方向依次设置的进水调节区、水培植物区和基质氮富集区、中间调节区、基质磷富集区、 出水调节区、出水集水池，所述的基质氮富集区置于水培植物区的下方池的底部。
2.根据权利要求1所述的一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，所述的装置为长方体槽状，其长宽比为(10 3) 1，深度为45 75cm。
3.根据权利要求1所述的一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，所述的进水调节区一侧池壁的上部设有进水管，该进水管的管底标高不低于进水调节区液面；另一侧池壁设有穿孔墙a，穿孔墙a的孔眼布设在1/3 1/2水面以下。
4.根据权利要求1所述的一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，所述的水培植物区种植有具有经济价值或景观价值的水生植物，该水生植物具有发达的根系，在水面以下的根系长度可达到10 20cm ；所述的基质氮富集区位于水培植物区的下方，基质氮富集区设有厚度不小于20cm的基质，该基质铺设于装置的底部，基质的材料为氨氮吸附材料，其空隙率大于30%。
5.根据权利要求4所述的一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，所述的基质的厚度优选15-30cm，所述的氨氮吸附材料包括沸石、蛭石。
6.根据权利要求1所述的一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，所述的中间调节区与水培植物区和基质氮富集区之间设有穿孔墙b，中间调节区与基质磷富集区之间设有溢流堰；所述的基质磷富集区填充有基质，该基质层的高度高于出水调节区液面2-5cm，基质的材料为磷吸附材料，其空隙率大于30%。
7.根据权利要求6所述的一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，所述的穿孔墙b的顶部孔眼与水面平齐，所述的溢流堰采用三角锯齿堰；所述的磷吸附材料包括水化硅酸钙一类的硬硅钙石。
8.根据权利要求1所述的一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，所述的出水调节区与基质磷富集区之间设有穿孔墙c，出水调节区通过出水弯管连接出水集水池，出水从出水弯管的底部管道流出，通过向上的弯管溢流进入出水集水池，所述的出水集水池侧壁设有排水管。
9.根据权利要求8所述的一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，所述的穿孔墙c的顶部孔眼与基质磷富集区基质层高度持平，所述的出水弯管的溢流管口高度低于基质磷富集区基质层高度2-5cm。
10.根据权利要求1所述的一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，其特征在于，所述的装置经过防渗处理，包括在装置表面涂覆防水涂料。
全文摘要
本发明涉及一种具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地装置，该装置包括按水流方向依次设置的进水调节区、水培植物区和基质氮富集区、中间调节区、基质磷富集区、出水调节区、出水集水池，所述的基质氮富集区置于水培植物区的下方池的底部。与现有技术相比，本发明将基质强化氮磷去除功能和人工水培湿地有机组合，成为一种新型组合式净化系统，既保持基质去除氮磷的作用，同时充分保持了水培湿地的特点和优势，对于处理入湖河流或城市尾水等大流量、低污染水中污染物具有明显优势。
文档编号C02F3/32GK102502966SQ20111033877
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者吴德意, 孔海南, 李春杰, 董阳 申请人:上海交通大学