技术领域本发明属于水污染控制工程生态技术领域，更具体涉及一种垂直流人工湿地组合基质，适用于中等浓度生活污水，能高效去除污水中的氮、磷、有机物等污染物。
背景技术：
人工湿地是以自然湿地的生态学原理为基础，人为构建基质、植物和微生物等子系统，综合发挥各子系统的净化作用，从而去除污水中的污染物，并在实际工程中加以推广应用的污水处理系统。垂直流人工湿地的设计构造使湿地内部布水更均匀、溶氧更充分，因而对氮、磷、有机物有更好的净化效果。基质是人工湿地的重要组成部分，在人工湿地结构中占有最大体积，是污水净化的主要场所。其对污水的净化主要通过物理、化学和生物等途径来实现，如吸附、过滤、沉淀、离子交换、络合反应、生物降解等。基质的种类、组配方式、高度的选择是人工湿地污水处理的核心，在工程设计中尤为重要。没有一种基质能同时高效去除有机物、氮、磷等污染物，各种基质之间存在互补效应，将一些净化有机物、脱氮、除磷效果好的优质基质组合在一起，能显著提高人工湿地净化污水的能力。同时，一些基质之间还存在协同效应，两种或几种基质组合在一起，比单一基质应用时效果更好。考虑到生活污水是富含氮、磷、有机物等的综合污水，因而需要对基质进行合理组配。与其他类型的人工湿地系统相比，垂直流人工湿地系统更容易发生堵塞现象。污水流经人工湿地的过程中，悬浮物会发生沉淀，吸附在基质内，减小基质层的有效孔隙，形成堵塞。堵塞使湿地系统基质的渗透系数减小，水流渗透速度减缓，降低基质的渗透能力，氧气也不能充分进入系统，湿地功效会受到显著影响。因此，组合基质中基质粒径的选择和分层配置也是影响污水净化效果的主要因素。人工湿地基质粒径的分布对湿地中的空隙体积和水流模式有决定性作用，分层铺设的基质每层应力求均匀，大小颗粒掺杂会减小基质孔隙率，影响水流分布，改变水力学状态，影响基质的渗透性能，进而影响污水净化效果。粒径较大的基质可以有效防止堵塞，但粒径过大会缩短水力停留时间，影响净化效果。所以基质粒径的选择要兼顾净化效果和防止堵塞，多层基质的垂直流人工湿地还应考虑不同粒径基质之间的配比问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供了一种新型垂直流人工湿地组合基质，适用于中等浓度生活污水(据我国城市典型生活污水水质统计，中等浓度生活污水CODCr、NH4+-N、TN和TP平均浓度分别为：400mg/L、25mg/L、40mg/L和8mg/L)。该组合基质来源广泛，廉价易得，实用性强，无二次污染。组合基质中混凝土、火山岩和无烟煤能通过过滤、吸附，沉淀、络合、生物降解等综合作用去除污染物。同时，上层混凝土粒径较大，且铺设高度占总高度的一半，可有效缓解堵塞，延长基质的使用寿命。三种基质协同作用，有利于优化人工湿地的微生物群落结构，在上层混凝土基质表面形成一层稳定的生物膜，间接强化湿地对污染物的去除效果。污水经处理后，主要指标均能达到《城镇污水处理厂污水排放标准》(GB18918-2002)一级B标准，可以直接回用或排入受纳水体中。本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种新型垂直流人工湿地组合基质，所述的组合基质由混凝土、火山岩和无烟煤组成：从进水至出水的垂直方向依次填充混凝土层、火山岩层和无烟煤层，所述的混凝土粒径为3-5cm，火山岩粒径为1-3cm，无烟煤粒径为0.5-1cm；组合基质的总填充高度为100cm，混凝土基质的高度为48-52cm，火山岩基质的高度为28-32cm，无烟煤基质的高度为18-22cm；在所述的混凝土层表面安装进水管；在所述的无烟煤层底部安装出水管。混凝土孔隙率大，其基质内部有很多细小的孔隙，有利于毛细水进入，且其较好的颗粒表面性质，使薄膜水和附着水较多，增大了基质的含水率，有利于微生物在基质表面繁殖、生长和挂膜，能充分利用人工湿地上层好氧环境有效去除污水中的有机物和氮磷等污染物。火山岩孔隙率大，比表面积大，吸附能力强，特别是对NH4+-N和NO3--N有很强的选择性吸附能力。无烟煤机械强度高，化学性质稳定，不含有毒有害物质，表面粗糙，对磷有很强的吸附能力，其净化效果显著高于其他基质(如土壤、砂子、砾石等)。混凝土、火山岩和无烟煤均购于河南省巩义市华龙滤料厂，孔隙率为0.3-0.4。工程应用时，基质层按上述基质的排序和高度一层一层铺设即可，操作方便。基质层的布置，进水层使用孔隙较大的填料，中层使用孔隙较小的填料，出水层使用孔隙更小的填料，表层孔隙大的填料能容纳大量的悬浮固体，水流经表层的孔隙流至中下层，更细小的悬浮物沉淀下来，大大提高了系统的固体截留量，可有效缓解堵塞，延长基质的使用寿命。与已有技术相比，本发明具有以下优点和效果：1、本发明采用的基质廉价易得，操作方便，无二次污染，实用性强。2、本发明选用适度粒径的混凝土、火山岩和无烟煤三种优质基质进行合理分层配置，表层使用孔隙较大的填料，中层使用孔隙较小的填料，底层使用孔隙更小的填料，可有效缓解堵塞，延长基质的使用寿命。3、本发明组合基质中混凝土、火山岩和无烟煤能充分利用三者对氮、磷和有机污染物的净化能力，通过过滤、吸附、沉淀、络合和生物降解等作用去除污染物；同时，三种基质协同作用，有利于优化人工湿地的微生物群落结构，在上层混凝土基质表面形成一层稳定的生物膜，间接强化对污染物的去除效果，形成高效的垂直流人工湿地基质组配，强化了垂直流人工湿地净化空间。附图说明图1为一种新型垂直流人工湿地组合基质结构示意图图2为本发明模拟人工湿地系统实施例1对NH4+-N的处理效果图图3为本发明模拟人工湿地系统实施例1对NO3--N的处理效果图图4为本发明模拟人工湿地系统实施例1对TN的处理效果图图5为本发明模拟人工湿地系统实施例1对TP的处理效果图图6为本发明模拟人工湿地系统实施例1对CODCr的处理效果图图7为本发明模拟人工湿地系统实施例2对NH4+-N的处理效果图图8为本发明模拟人工湿地系统实施例2对NO3--N的处理效果图图9为本发明模拟人工湿地系统实施例2对TN的处理效果图图10为本发明模拟人工湿地系统实施例2对TP的处理效果图图11为本发明模拟人工湿地系统实施例2对CODCr的处理效果图图中，进水管1、混凝土层2、火山岩层3、无烟煤层4、出水管5。具体实施方式实施例1：下面结合附图对本发明进一步详细说明：如图1所示，模拟的垂直流人工湿地小试系统装置采用内径25cm的PVC管，高度均为110cm，其中组合基质总填充高度为100cm，管顶留有10cm的保护层。该新型垂直流人工湿地组合基质由混凝土、火山岩和无烟煤组成。构建垂直流人工湿地时，组合基质的排序从上至下依次为混凝土、火山岩和无烟煤，在填料柱底部填充粒径为0.5-1cm的无烟煤基质，高度为18cm；在无烟煤层4上填充粒径为1-3cm的火山岩基质，高度为30cm；在火山岩层3上填充粒径为3-5cm的混凝土基质，高度为52cm。火山岩层分别与混凝土层、无烟煤层相连，构成基质总体孔隙率为0.38。基质填充时，按上述基质的排序和高度一层一层铺设即可，基质表层不再种植植物。进水管1装在混凝土层2表面，污水(自配水)由高位水箱流入进水管1，进入组合基质层，依次流经混凝土层2、火山岩层3和无烟煤层4，出水管5装在无烟煤层4底部，净化后的污水最后经出水管5流出。采用间歇进出水方式，每天进水1次，水力停留时间为24h，水力负荷为0.636m3/(m2.d)。污水水质模拟中等浓度生活污水，进水和出水水质监测结果如表1、表2所示。表1进水水质表(mg·L-1)表2出水水质表(mg·L-1)系统运行期间，基质运行良好，无堵塞现象发生。实验结果表明：该新型组合基质填充的人工湿地系统可以高效地去除有机物、氮和磷污染物，净化效果分别见图2、图3、图4、图5、图6。随着系统运行时间的延长，混凝土基质表面逐渐形成比较稳定的生物膜，出水中NH4+-N、NO3--N、TN、TP和CODCr的平均浓度分别降低至4.56mg/L、1.95mg/L、9.71mg/L、0.93mg/L和55.29mg/L，，平均去除率分别为：80.71％、83.42％、78.93％、87.55％和85.08％。出水中CODCr、氨氮、总氮和总磷等污染物浓度均达到《城镇污水处理厂污水排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。实施例2：如图1所示，模拟的垂直流人工湿地小试系统装置采用内径25cm的PVC管，高度均为110cm，其中组合基质总填充高度为100cm，管顶留有10cm的保护层。该新型垂直流人工湿地组合基质由混凝土、火山岩和无烟煤组成。构建垂直流人工湿地时，组合基质的排序从上至下依次为混凝土、火山岩和无烟煤，在填料柱底部填充粒径为0.5-1cm的无烟煤基质，高度为20cm；在无烟煤层4上填充粒径为1-3cm的火山岩基质，高度为28cm；在火山岩层3上填充粒径为3-5cm的混凝土基质，高度为52cm。火山岩层分别与混凝土层、无烟煤层相连。基质填充时，按上述基质的排序和高度一层一层铺设即可，基质表层不再种植植物。进水管1装在混凝土层2表面，污水(自配水)由高位水箱流入进水管1，进入组合基质层，依次流经混凝土层2、火山岩层3和无烟煤层4，出水管5装在无烟煤层4底部，净化后的污水最后经出水管5流出。采用间歇进出水方式，每天进水1次，水力停留时间为24h，水力负荷为0.636m3/(m2.d)。污水水质模拟中等浓度生活污水，出水水质监测结果如表3。表3出水水质表(mg·L-1)系统运行期间，基质运行良好，无堵塞现象发生。实验结果表明：该新型组合基质填充的人工湿地系统可以高效地去除有机物、氮和磷污染物，净化效果分别见图7、图8、图9、图10、图11。。随着系统运行时间的延长，混凝土基质表面逐渐形成比较稳定的生物膜，出水中NH4+-N、NO3--N、TN、TP和CODCr的平均浓度分别降低至4.86mg/L、1.78mg/L、9.24mg/L、0.85mg/L和51.33mg/L，，平均去除率分别为：81.38％、84.95％、80.07％、88.62％和86.15％。出水中CODCr、氨氮、总氮和总磷等污染物浓度均达到《城镇污水处理厂污水排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。