本发明属于资源与环境技术领域，涉及一种人工湿地系统及其处理方法，尤其涉及一种补水过滤型人工湿地系统及其处理方法。
背景技术：
近年来，随着城市建设快速发展，城市园林绿地急剧减少，不透水地面的增加，破坏了自然水文生态平衡，进而出现了各种水生态问题，主要表现为城市内湖水体水质恶化、雨水资源流失、城市洪涝灾害频发、土壤水源隔断和雨水径流污染严重等。如何科学有效地管理城市景观生态，尤其是水生态文明和海绵城市的建设，已成为城市风景园林管理面临的重点和难点之一。
人工湿地(Constructed wetland)是一个综合的生态系统，是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制地投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，利用土壤、人工介质、植物和微生物的物理、化学以及生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用，具有缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、运行费用低等特点，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益。
CN 101993150A公开了一种复式潜流人工湿地系统，其通过在湿地床体内部设置一倾斜的隔水层，将湿地床体分成上下两层，通过设置下层厌氧区来创造比较理想的生物反硝化环境，使湿地的总氮去除率得以提高；增加床体深度和厌氧区体积，提供了湿地增温和保温的功能，低温环境可实现较高的处理效率；减小占地面积。
CN 106115926A公开了一种多介质层的波形潜流人工湿地，包括填料层和挡板；挡板的数量≥2块；挡板交错排列地设置在填料层中，使得水流流经填料层时形成上下波动的潜流；填料层的填料包括砾石和复合填料包；复合填料包的填料包括土壤、木屑、木炭和铁屑。
但现有的人工湿地系统主要采用湿地表面漫流或管渠等方式配水，其表层水深度一般在0.5m以上，生物填料的淹没水深较大，其运输有机物和氧的路径较为紊乱，效率较为低下，容易导致供氧不足，从而导致人工湿地系统运行的稳定性较差，出水水质浓度变化较大，很多情况下达不到排放标准。
技术实现要素：
针对现有人工湿地系统存在的处理效率低，出水水质稳定性较差，浓度变化较大等问题，本发明提供了一种补水过滤型人工湿地系统。本发明通过构建人工湿地系统，对收集的雨水以及待回收利用的水质较差的水源进行净化过滤处理，以使出水达到可回收利用的标准；同时，兼顾人工湿地的净化性、安全性、景观性以及效益性等。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种人工湿地系统，主要包括进水预处理系统和湿地生态系统，所述湿地生态系统由上至下依次包括植被层、砂土层、微生物固定层、混合滤料层和砾石层。
本发明中，所述人工湿地系统对外部来水进行过滤净化，但外部来水水质较差，其固体悬浮物、各种有机物以及重金属含量往往超标，因此在进水进入湿地生态系统进行过滤净化前，往往需要对其进行预处理，以初步去除水体中的悬浮物。
本发明中，待处理水体经预处理后进入湿地生态系统，其中的悬浮固体被植被层和砂土层过滤，有机物质被植物根部的微生物进行分解，未完全去除的有机物质由微生物固定层和混合滤料层进行进一步的去除，氮磷等物质经微生物固定层和混合滤料层被其中的菌类物质分解去除，金属和有毒化学物质经混合滤料层的吸附沉淀进行去除，病原体在不适宜生存的环境中逐渐死去并被其它生物所摄取，或被抗菌化合物杀死。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述湿地生态系统池底的长宽比为(4～5):(1～2)，例如4.2:(1～2)、4.4:(1～2)、4.6:(1～2)、4.8:(1～2)、(4～5):1.2、(4～5):1.4、(4～5):1.6或(4～5):1.8等，又如4:1、4.2:1.3、4.4:1.4、4.6:1.6、4.8:1.8或5:2等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述植被层和砂土层之间设有进水管。
优选地，所述进水管上设有至少两个排水孔，其个数可为2个、3个、5个、7个、9个、11个、13个或15个以及更多，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述砾石层底部设有出水管。
作为本发明优选的技术方案，所述植被层种植挺水植物和/或浮叶植物。
优选地，所述挺水植物为再力花、美人蕉或梭鱼草中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实施例有：再力花和美人蕉的组合，美人蕉和梭鱼草的组合，再力花、美人蕉和梭鱼草的组合等。
优选地，所述浮叶植物为满江红和/或水鳖。
作为本发明优选的技术方案，所述砂土层中砂土的粒径为4mm～6mm，例如4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm、5mm、5.2mm、5.4mm、5.6mm、5.8mm或6mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述砂土层的厚度为20cm～25cm，例如20.5cm、21cm、22cm、23cm、24cm或24.5cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述植被层中植物根系和砂土层中由于大量微生物的生长而形成了生物膜，待处理水体流经生物膜会使大量的悬浮固体被砂土和植物根系阻挡截留；有机污染物也通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被去除。同时，植物根系对溶解氧的传递释放，使其周围环境中依次呈现出好氧、缺氧和厌氧状态，使废水中氮和磷可以被植物和微生物作为营养成分而直接吸收。
作为本发明优选的技术方案，所述微生物固定层由微生物与化学药剂混合后涂抹于模板上制备得到。
优选地，所述模板呈网格状，其厚度为10cm～15cm，例如11cm、12cm、13cm或14cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述微生物为硝化菌类和聚磷菌类，其具体菌种为本领域常用菌种，故不再进行赘述。
优选地，所述化学药剂为磷酸氢二钠和过氧化二异丙苯的组合物。
优选地，所述磷酸氢二钠和过氧化二异丙苯的组合物中，磷酸氢二钠和过氧化二异丙苯的质量比为(3～10):1，例如4:1、5:1、6:1、7:1、8:1或9:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为5:1。
优选地，所述微生物与化学药剂的质量比为(20～30):1，例如21:1、22:1、23:1、24:1、25:1、26:1、27:1、28:1或29:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为(23～25):1。
本发明中，将微生物与磷酸氢二钠和过氧化二异丙苯的组合物混合后涂抹于模板上，磷酸氢二钠和过氧化二异丙苯的组合物可在水处理过程中对硝化菌类和聚磷菌类进行改性，使硝化菌类和聚磷菌类进行快速增殖，提高对水中氮磷的去除率。
作为本发明优选的技术方案，所述混合滤料层由混合滤料颗粒组成，所述混合滤料颗粒按重量份计由20份～30份木质活性炭、10份～20份硅藻土、5份～10份花生壳粉、15份～20份秸秆粉碎物和5份～10份十六烷基三甲基溴化铵混合造粒得到。
其中，木质活性炭的重量份可为21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份或29份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；硅藻土的重量份可为11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份或19份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；花生壳粉的重量份可为6份、7份、8份或9份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；秸秆粉碎物的重量份可为16份、17份、18份或19份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；十六烷基三甲基溴化铵的重量份可为6份、7份、8份或9份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述混合过滤层的填料采用廉价的物料，根据废水的特性选择合适的植物废弃物如秸秆粉碎物、花生壳粉以及化学药剂十六烷基三甲基溴化铵、木质活性炭和硅藻土等，利用植物废弃物中含有大量的纤维素在化学药剂的作用下分离出来，在十六烷基三甲基溴化铵的辅助作用下，使其具有良好的吸附重金属和有机物质吸附效果；同时，在水处理过程中，调料中的辅助剂十六烷基三甲基溴化铵还会对微生物固定层中的微生物产生一定的刺激作用，进一步提高微生物固定层的氮磷去除效果。
优选地，所述混合滤料颗粒按重量份计由23份～25份木质活性炭、10份～13份硅藻土、5份～6份花生壳粉、15份～17份秸秆粉碎物和8份～10份十六烷基三甲基溴化铵混合造粒得到。
作为本发明优选的技术方案，所述混合滤料层中混合滤料颗粒的粒径为4mm～6mm，例如4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm、5mm、5.2mm、5.4mm、5.6mm、5.8mm或6mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述混合滤料层的厚度为15cm～25cm，例如16cm、17cm、18cm、19cm、20cm、21cm、22cm、23cm或24cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为20cm。
作为本发明优选的技术方案，所述砾石层的厚度为25cm～35cm，例如26cm、27cm、28cm、29cm、30cm、31cm、32cm、33cm或34cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为30cm。
优选地，所述砾石层中颗粒粒径为2mm～8mm，例如3mm、4mm、5mm、6mm或7mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为5mm。
第一方面，本发明提供了上述人工湿地系统的处理方法，所述处理方法为：
外部来水经预处理后进入湿地生态系统，依次经植被层、砂土层、微生物固定层、混合滤料层和砾石层的过滤净化处理，得到符合利用标准的出水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过构建人工湿地系统，对收集的雨水以及待回收利用的水质较差的水源进行净化过滤处理，通过湿地生态系统中各层的协同作用，加强了湿地生态系统中微生物和混合滤料的作用，有效提高人工湿地污水处理效率，经处理后的水体中COD含量降至30mg/L，总氨含量降至1mg/L，总磷含量降至0.38mg/L，悬浮物(SS)去除率高达90％，铁含量降至0.3mg/L，锰含量降至0.1mg/L，达到可回收利用的标准。
附图说明
图1是本发明是实施例1所述人工湿地系统中湿地生态系统的结构示意图；
其中，1-植被层，2-砂土层，3-微生物固定层，4-混合滤料层，5-砾石层，6-进水管，7-出水管。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施例部分提供了一种人工湿地系统，主要包括进水预处理系统和湿地生态系统，所述湿地生态系统由上至下依次包括植被层1、砂土层2、微生物固定层3、混合滤料层4和砾石层5。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种人工湿地系统，主要包括进水预处理系统和湿地生态系统，所述湿地生态系统由上至下依次包括植被层1、砂土层2、微生物固定层3、混合滤料层4和砾石层5。
所述植被层1和砂土层2之间设有进水管6砾石层5底部设有出水管7，进水管上设有多个排水孔。
所述植被层1种植挺水植物和浮叶植物，其中挺水植物为再力花、美人蕉和梭鱼草，浮叶植物为满江红。
所述砂土层1中砂土的粒径为5mm，砂土层1的厚度为23cm。
所述微生物固定层3由微生物与化学药剂混合后涂抹于模板上制备得到，模板呈网格状，其厚度为13cm，所述微生物为硝化菌类和聚磷菌类，所述化学药剂为磷酸氢二钠和过氧化二异丙苯，二者质量比为5:1，微生物与化学药剂的质量比为24:1。
所述混合滤料层4由混合滤料颗粒组成，所述混合滤料颗粒按重量份计由24份木质活性炭、12份硅藻土、6份花生壳粉、16份秸秆粉碎物和9份十六烷基三甲基溴化铵混合造粒得到；混合滤料层4中混合滤料颗粒的粒径为5mm，混合滤料层4的厚度为20cm。
所述砾石层5的厚度为30cm，砾石层5中颗粒粒径为5mm。
采用上述人工湿地系统处理水质较差，污染物含量较高的外河道水，其经预处理后进入湿地生态系统，依次经植被层1、砂土层2、微生物固定层3、混合滤料层4和砾石层5的过滤净化处理，得到符合利用标准的出水。
本实施例所述处理结果如表1所示。
表1：实施例1中人工湿地系统处理结果表
从表中可以看出，本实施例所述人工湿地系统的出水水质十分稳定，总氮类污染物去除率达80％以上，其余各类污染物去除率均达到了86％以上。
实施例2：
本实施例提供了一种人工湿地系统，所述系统与实施例1中系统相似，区别在于：砂土层1中砂土的粒径为4mm，砂土层1的厚度为25cm；微生物固定层3的厚度为10cm，微生物为硝化菌类和聚磷菌类，化学药剂为磷酸氢二钠和过氧化二异丙苯，二者质量比为4:1，微生物与化学药剂的质量比为23:1；混合滤料层4由混合滤料颗粒组成，所述混合滤料颗粒按重量份计由23份木质活性炭、10份硅藻土、5份花生壳粉、17份秸秆粉碎物和8份十六烷基三甲基溴化铵混合造粒得到；混合滤料层4中混合滤料颗粒的粒径为4mm，混合滤料层4的厚度为16cm；所述砾石层5的厚度为26cm，砾石层5中颗粒粒径为3mm。
采用上述人工湿地系统处理水质较差，污染物含量较高的外来水，其处理过程与实施例1中相同。
本实施例所述处理结果如表2所示。
表2：实施例2中人工湿地系统处理结果表
从表中可以看出，本实施例所述人工湿地系统的出水水质十分稳定，总氮类污染物去除率达81％以上，其余各类污染物去除率均达到了84％以上。
实施例3：
本实施例提供了一种人工湿地系统，所述系统与实施例1中系统相似，区别在于：砂土层1中砂土的粒径为6mm，砂土层1的厚度为21cm；微生物固定层3的厚度为15cm，微生物为硝化菌类和聚磷菌类，化学药剂为磷酸氢二钠和过氧化二异丙苯，二者质量比为10:1，微生物与化学药剂的质量比为25:1；混合滤料层4由混合滤料颗粒组成，所述混合滤料颗粒按重量份计由25份木质活性炭、13份硅藻土、9份花生壳粉、15份秸秆粉碎物和10份十六烷基三甲基溴化铵混合造粒得到；混合滤料层4中混合滤料颗粒的粒径为6mm，混合滤料层4的厚度为25cm；所述砾石层5的厚度为35cm，砾石层5中颗粒粒径为8mm。
采用上述人工湿地系统处理水质较差，污染物含量较高的外来水，其处理过程与实施例1中相同。
本实施例所述处理结果如表3所示。
表3：实施例3中人工湿地系统处理结果表
从表中可以看出，本实施例所述人工湿地系统的出水水质十分稳定，总氮类污染物去除率达80％以上，其余各类污染物去除率均达到了85％以上。
实施例4：
本实施例提供了一种人工湿地系统，所述系统与实施例1中系统相似，区别在于：微生物固定层3微生物与化学药剂的质量比为30:1；混合滤料颗粒按重量份计由20份木质活性炭、20份硅藻土、8份花生壳粉、20份秸秆粉碎物和5份十六烷基三甲基溴化铵混合造粒得到；
采用上述人工湿地系统处理水质较差，污染物含量较高的外来水，其处理过程与实施例1中相同。
本实施例所述处理结果如表4所示。
表4：实施例4中人工湿地系统处理结果表
从表中可以看出，本实施例所述人工湿地系统的出水水质十分稳定，总氮类污染物去除率达78％以上，其余各类污染物去除率均达到了83％以上。
对比例1：
本对比例提供了一种人工湿地系统，所述人工湿地系统除了不包括微生物固定层3外，其他结构与组成均与实施例1中相同。
采用上述人工湿地系统处理水质较差，污染物含量较高的外来水，其处理结果如表5所示。
表5：对比例1中人工湿地系统处理结果表
从表中可以看出，本对比例所述人工湿地系统对水体总有机物以及氮磷和重金属的去除效果较差，总氮类污染物去除率达仅为40％，其余各类污染物去除率仅为72％。
对比例2：
本对比例提供了一种人工湿地系统，所述人工湿地系统除了微生物固定层3中不添加化学药剂外，其他结构与组成均与实施例1中相同。
采用上述人工湿地系统处理水质较差，污染物含量较高的外来水，其处理结果如表6所示。
表6：对比例2中人工湿地系统处理结果表
从表中可以看出，本对比例所述人工湿地系统对水体总有机物以及氮磷和重金属的去除效果较差，总氮类污染物去除率达仅为42％，其余各类污染物去除率仅为76％。
对比例3：
本对比例提供了一种人工湿地系统，所述人工湿地系统除了不包括混合滤料层4外，其他结构与组成均与实施例1中相同。
采用上述人工湿地系统处理水质较差，污染物含量较高的外来水，其处理结果如表7所示。
表7：对比例3中人工湿地系统处理结果表
从表中可以看出，本对比例所述人工湿地系统对水体总有机物以及氮磷和重金属的去除率较低，尤其是对重金属的去除效率影响较大，总氮类污染物去除率达仅为27％，其余各类污染物去除率仅为58％。
综合上述实施例1-4和对比例1-3可以看出，本发明通过构建人工湿地系统，对收集的雨水以及待回收利用的水质较差的水源进行净化过滤处理，通过湿地生态系统中各层的协同作用，加强了湿地生态系统中微生物和混合滤料的作用，有效提高人工湿地污水处理效率，经处理后的水体中COD含量降至30mg/L，总氨含量降至1mg/L，总磷含量降至0.38mg/L，悬浮物(SS)去除率高达90％，重金属含量降至4.8mg/L，达到可回收利用的标准。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。