本发明涉及一种人工湿地，特别是涉及一种可切换式潜流人工湿地及其运行切换方法，可以切换成垂直潜流处理模式和水平潜流处理模式的人工湿地形式。
背景技术：
随着我国生态环境治理的深入开展，人工湿地因其具有工艺简单，投资费用低，建设运营成本低，污水处理效果稳定可靠，生态自然等优点，被广泛地应用于处理各种类型的污水，如城市生活污水、工业废水、农业污水、污水厂尾水深度净化等。按照系统布水方式的不同，人工湿地一般分为自由表面流人工湿地和潜流型人工湿地，潜流型人工湿地主要有水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。潜流人工湿地以无表面水、占地面积小，使用率高，维护方便，处理效果好为特点，成为较多采用的人工湿地类型。
水平潜流人工湿地中，污水从一端水平流过填料床，与自由表面流人工湿地相比，水平潜流人工湿地的水力负荷高，对bod、cod、ss等污染物的去除效果好，但其脱氮除磷效果不及垂直潜流人工湿地。垂直潜流人工湿地中，污水从湿地表面垂向流过填料床，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，其硝化能力高于水平潜流人工湿地，处理效率更高。
但在我国广大北方和高寒地区，冬季温度较低，垂直潜流人工湿地因其布水系统采用管道布水，且设于填料上层，易受结冰和冻胀影响而无法布水或布水不均，部分时段为保护管道系统只能停止运行；而水平潜流人工湿地的布水系统可采用管道、溢流口、多孔墙等多种方式布水，如采用管道布水，也可随意调节管道埋藏深度，有效的避免了无法布水和冻胀的发生，冬季亦可持续运行。
技术实现要素：
本发明的目的是针对潜流人工湿地处理效率和冬季结冰冻胀的问题，本发明提出了一种可切换式潜流人工湿地及其运行切换方法，以提高处理效率和解决了冬季结冰管道冻胀的问题，使得两种潜流人工湿地规避了各自的不足，有效的结合并发挥各自的长处，实现了北方和高寒地区潜流人工湿地全年持续高效运行。
为实现上述目的，本发明提供了一种可切换式潜流人工湿地，包括人工湿地构筑体、填充在所述人工湿地构筑体内的湿地填料层、设置在所述人工湿地构筑体相对两侧的配水井和集水井、与所述配水井相连的进水主管，所述进水主管在所述配水井内分为垂直潜流布水管与水平潜流布水管两路，所述进水主管与垂直潜流布水管和水平潜流布水管之间设有切换水流的第一阀门机构，所述垂直潜流布水管与水平潜流布水管分别横向水平延伸设置在人工湿地构筑体内的上层、纵向水平延伸设置在人工湿地构筑体内的进水侧上层，所述集水井内分为垂直潜流集水管与水平潜流集水管两路，所述垂直潜流集水管与水平潜流集水管分别横向水平延伸设置在人工湿地构筑体内的下层、纵向水平延伸设置在人工湿地构筑体内的出水侧下层，所述垂直潜流集水管与水平潜流集水管的末段上分别垂直向上设置有垂直潜流出水管与水平潜流出水管。
当切换所述第一阀门机构将进水主管与垂直潜流布水管连通时，人工湿地以垂直潜流人工湿地处理模式进行处理运行；当切换所述第一阀门机构将进水主管与水平潜流布水管连通时，人工湿地以水平潜流人工湿地处理模式进行处理运行。
优选地，所述水平潜流布水管深度与进水深度相同。
优选地，所述垂直潜流出水管与垂直潜流集水管连接处两侧以及水平潜流集水管与水平潜流出水管连接处两侧均设有第二阀门。
优选地，所述水平潜流出水管管口设置高度低于垂直潜流出水管管口高度，且所述垂直潜流出水管的高度低于湿地填料层的高度和垂直潜流布水管的高度，所述水平潜流出水管的高度低于人工湿地最大冻深。
优选地，所述垂直潜流布水管设置在水平潜流布水管上部，所述垂直潜流布水管的高度低于湿地填料层的深度，所述水平潜流布水管的深度与人工湿地最大冻深相同。
优选地，所述人工湿地构筑体长宽比例为3:1，长度为20～50m，所述人工湿地构筑体的底面坡度与水力坡度在0.5～1％之间，所述人工湿地构筑体的面积小于800m2，所述人工湿地构筑体的面积即人工湿地的单元池面积。
优选地，所述湿地填料层在横向水平方向分为进水区、主体区以及出水区，所述进水区的长度为1.0～1.5m，所述出水区的长度为0.8～1.0m，所述进水区的填料粒径为20～50mm，所述出水区的填料粒径为15～40mm。
优选地，所述湿地填料层的主体区在垂直方向自上而下依次为主体填料层、过渡层以及排水层，所述主体填料层的填料粒径为10～25mm，所述过渡层的填料粒径为20～30mm，所述排水层的填料粒径为30～40mm。
优选地，所述第一阀门机构包括分别设置在垂直潜流布水管上的阀门和水平潜流布水管上的阀门。
本发明还提供了一种可切换式潜流人工湿地的运行切换方法，包括如下步骤：。
a、在春、夏、秋三个季节，在配水井处切换第一阀门机构，打开垂直潜流布水管上的阀门，关闭水平潜流布水管上的阀门，在集水井处切换第二阀门机构，打开垂直潜流出水管三通口前阀门，同时保持三通口后阀门关闭，随后关闭水平潜流出水管三通口前的阀门，使用垂直潜流人工湿地处理模式进行处理运行；
b、在冬季当人工湿地冻深达到垂直潜流布水管的埋藏深度时，在配水井处打开水平潜流布水管上的阀门，关闭垂直潜流布水管上的阀门，在集水井处打开水平潜流出水管三通口前的阀门，同时保持三通口后的阀门关闭，随后关闭垂直潜流出水管三通口前的阀门，切换至水平潜流人工湿地处理模式；
c、在春季解冻冻深到垂直潜流布水管的埋藏深度以上时，在配水井处打开垂直潜流布水管上的阀门，关闭水平潜流布水管上的阀门，在集水井处打开垂直潜流出水管三通口前阀门，同时保持三通口后阀门关闭，随后关闭水平潜流出水管三通口前的阀门，切换回垂直潜流人工湿地处理模式；
d、人工湿地在进行排空时，在配水井处同时关闭第一阀门机构，在集水井处同时打开垂直潜流出水管与水平潜流出水管上的所有阀门。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明的可切换式潜流人工湿地及其运行切换方法，使得高寒地区的人工湿地在一年中的大部分时间能够采用处理效率最高的垂直潜流人工湿地进行水质净化；在冬季冻深较大(冻深超过垂直潜流布水管深度)时也能不停止运行，而是切换到水平潜流人工湿地处理模式继续保持污水处理能力。本发明解决了垂直潜流人工湿地冬季管道冻胀的问题。
另外，本发明的两种切换模式可交替使用，保障了潜流人工湿地持续处理运行的能力，在其中一种模式的部件损坏时，可切换到另一种模式，同时对损坏部件进行检修，而不需要通过整体停止运行来进行检修。本发明极大地提高了高寒地区潜流人工湿地的处理效率、运行稳定性和推广使用的范围。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为可切换式潜流人工湿地俯视示意图；
图2为可切换式潜流人工湿地剖面示意图；
图3为湿地填料层布置示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本发明提供了一种可切换式潜流人工湿地，如图1～图3所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。所述可切换式潜流人工湿地通过增设并优化潜流人工湿地配水系统和集水系统的方式，形成可共同使用潜流人工湿地构筑体，且设置有分别独立的两套布水和集水系统，实现了垂直潜流人工湿地处理模式和水平潜流人工湿地处理模式的切换。
平时使用处理效率更高的垂直潜流人工湿地模式对污水进行处理，到冬季冻深达到垂直潜流的管道埋深时，通过阀门控制，切换到水平潜流人工湿地处理模式，实现冬季持续运行处理。本发明的可切换式潜流人工湿地实现简单，易操作和管理，工程应用中投资增加微小，提高了北方和高寒地区潜流人工湿地的处理效率，效益较高。
需要说明的是，本发明中横向是指人工湿地中水平潜流的水流方向，
具体地，所述可切换式潜流人工湿地包括人工湿地构筑体4、填充在所述人工湿地构筑体4内的湿地填料层8、设置在所述人工湿地构筑体4相对两侧的配水井5和集水井12、与所述配水井5相连的进水主管1，所述进水主管1在所述配水井5内分为垂直潜流布水管7与水平潜流布水管6两路，所述进水主管1与垂直潜流布水管7和水平潜流布水管6之间设有切换水流的第一阀门机构3，所述垂直潜流布水管7与水平潜流布水管6分别横向水平延伸设置在人工湿地构筑体4内的上层、纵向水平延伸设置在人工湿地构筑体4内的进水侧上层，所述集水井12内分为垂直潜流集水管9与水平潜流集水管10两路，所述垂直潜流集水管9与水平潜流集水管10分别横向水平延伸设置在人工湿地构筑体4内湿地填料层8的下层、纵向水平延伸设置在人工湿地构筑体4内的出水侧下层，所述垂直潜流集水管9与水平潜流集水管10的末段上分别垂直向上设置有垂直潜流出水管11与水平潜流出水管13。
当切换所述第一阀门机构3将进水主管1与垂直潜流布水管7连通时，人工湿地以垂直潜流人工湿地处理模式进行处理运行；当切换所述第一阀门机构3将进水主管1与水平潜流布水管6连通时，人工湿地以水平潜流人工湿地处理模式进行处理运行。
如图1所示，在进水主管1上加设同样管径的三通管将主进水管1分成两路进水，两根支管分别加设第一阀门机构3用于控制(或直接在主进水管1和两根进水支管上加设三通阀门用于控制。两根支管分别作为垂直潜流布水管7和水平潜流布水管6。优选地，所述第一阀门机构3包括分别设置在垂直潜流布水管7上的阀门和水平潜流布水管6上的阀门。
配水井5结构设计与常规垂直潜流人工湿地配水井相同，只是在进入人工湿地处理池的墙壁上设两个同一垂线不同高度的布水管道预留孔，用于铺设两根布水管道，垂直潜流布水管7预留孔在上部，深度在湿地填料层8表面以下15～20cm，水平潜流布水管6预留孔在下部，深度与人工湿地最大冻深相同。
优选地，所述垂直潜流布水管7设置在水平潜流布水管6上部，所述垂直潜流布水管7的高度低于湿地填料层8的深度，所述水平潜流布水管6的深度与人工湿地最大冻深相同。
如图1所示，水平潜流布水管6按照人工湿地设计规范中水平潜流的布水管进行设置，优选地，所述水平潜流布水管6深度与进水深度相同。所述垂直潜流布水管7按照人工湿地设计规范中垂直潜流的布水管进行设置。所述垂直潜流集水管9与水平潜流集水管10从填料8的底部收集经过处理的水，且所述垂直潜流布水管7与水平潜流布水管6分别横向水平延伸设置在人工湿地构筑体4内湿地填料层8的上层、纵向水平延伸设置在人工湿地构筑体4内的进水侧上层，以符合布水要求。
如图2所示，水平潜流集水管10按照常规集水管设置，将多孔管置于处理池末端底部。垂直潜流集水管9按照设计规范中垂直潜流的集水管要求进行设置，注意底部与水平潜流集水管10交叉处通过弯接头绕过后再接出水管。
集水井12结构设计与常规垂直潜流人工湿地集水井相同，只是在出人工湿地处理池的墙壁底部设两个同一水平线不同位置的出水管道预留孔，用于铺设两根集水管道。所述垂直潜流集水管9与水平潜流集水管10的末段上分别垂直向上设置有垂直潜流出水管11与水平潜流出水管13。
进一步，所述垂直潜流出水管11与垂直潜流集水管9连接处两侧以及水平潜流集水管10与水平潜流出水管13连接处两侧均设有第二阀门14。
具体地，在垂直潜流人工湿地和水平潜流人工湿地出水主管上加设同样管径的三通管，三通前后均加设阀门用于控制，使得垂直潜流出水管11和水平潜流出水管13均能接溢流管和排空管，均具备溢流和排空作用。优选地，所述水平潜流出水管13管口设置高度低于垂直潜流出水管11管口高度，且所述垂直潜流出水管11的高度低于湿地填料层8的高度和垂直潜流布水管7的高度，所述水平潜流出水管13的高度低于人工湿地最大冻深。
可切换式潜流人工湿地处理池长宽比例应取3:1，规则的人工湿地单元池长度宜为20m～50m，不规则的单元池应设置避免处理水短流和滞留的导流设施。所述人工湿地构筑体4的底面坡度、水力坡度应在0.5％～1％之间，每个单元池面积应小于800m2。单元池其余设计按照设计规范中垂直潜流或水平潜流设计均可。
如图3所示，填料铺设时，所述湿地填料层8在横向水平方向分为进水区15、主体区以及出水区16，所述进水区15的长度为1.0～1.5m，所述出水区16的长度为0.8～1.0m，所述进水区15的填料粒径为20～50mm，所述出水区16的填料粒径为15～40mm。进水区15和出水区16采用较大粒径填料以便于使用水平潜流模式时保证布水均匀和集水通畅。
进一步，所述湿地填料层8的主体区在垂直方向自上而下依次为主体填料层17、过渡层18以及排水层19，所述主体填料层17的填料粒径为10～25mm，所述过渡层18的填料粒径为20～30mm，所述排水层19的填料粒径为30～40mm，以保证使用垂直潜流模式时的布水均匀和集水通畅。人工湿地填料可采用石灰石、火山岩、沸石、页岩、陶粒、炉渣和无烟煤等材料加工制作，宜就近取材。
本发明的可切换式潜流人工湿地使得高寒地区的人工湿地在一年中的大部分时间能够采用处理效率最高的垂直潜流人工湿地进行水质净化；在冬季冻深较大(冻深超过垂直潜流布水管深度)时也能不停止运行，而是切换到水平潜流人工湿地处理模式继续保持污水处理能力。本发明解决了垂直潜流人工湿地冬季管道冻胀的问题。
另外，本发明的两种切换模式可交替使用，保障了潜流人工湿地持续处理运行的能力，在其中一种模式的部件损坏时，可切换到另一种模式，同时对损坏部件进行检修，而不需要通过整体停止运行来进行检修。本发明极大地提高了高寒地区潜流人工湿地的处理效率、运行稳定性和推广使用的范围。
实施例2
本发明还提供了一种可切换式潜流人工湿地的运行切换方法，可切换式潜流人工湿地在春、夏、秋三个季节均使用垂直潜流人工湿地处理模式进行处理运行，冬季当人工湿地冻深达到垂直潜流布水管埋藏深度时切换至水平潜流人工湿地处理模式，春季解冻冻深到垂直潜流布水管埋藏深度以上时，切换回垂直潜流人工湿地处理模式。具体包括如下步骤：。
a、在春、夏、秋三个季节，在配水井5处切换第一阀门机构3，打开垂直潜流布水管7上的阀门，关闭水平潜流布水管6上的阀门，集水井12处先打开垂直潜流出水管11三通口前阀门，同时保持三通口后阀门关闭，随后关闭水平潜流出水管13三通口前阀门，同时保持三通口后阀门关闭，使用垂直潜流人工湿地处理模式进行处理运行。
b、在冬季当人工湿地冻深达到垂直潜流布水管7的埋藏深度时，在配水井5处打开水平潜流布水管6上的阀门，关闭垂直潜流布水管7上的阀门，集水井12处先打开水平潜流出水管13三通口前阀门，同时保持三通口后阀门关闭，随后关闭垂直潜流出水管11三通口前阀门，同时保持三通口后阀门关闭，切换至水平潜流人工湿地处理模式。
c、在春季解冻冻深到垂直潜流布水管7的埋藏深度以上时，打开垂直潜流布水管7上的阀门，关闭水平潜流布水管6上的阀门，集水井12处先打开垂直潜流出水管11三通口前阀门，同时保持三通口后阀门关闭，随后关闭水平潜流出水管13三通口前阀门，同时保持三通口后阀门关闭，切换回垂直潜流人工湿地处理模式。
d、人工湿地在进行排空时，在配水井5处同时关闭第一阀门机构3，在集水井12处同时打开垂直潜流出水管11与水平潜流出水管13上的所有阀门。配水井5处同时关闭垂直潜流进布管7和水平潜流布水管6上的阀门，集水井12处同时打开垂直潜流出水管11和水平潜流出水管13上所有阀门，进行排空。
冬季保温措施：入冬前对植物进行收割后覆盖在可切换式潜流人工湿地上，如有其它保温措施尽量对处理池进行保温，以确保最大限度的延长垂直潜流人工湿地处理模式，在切换后也能最大限度使得水平潜流人工湿地处理模式下能高水位运行，以最大限度提高处理效率，使得湿地产生更大的净化效益。其它运行维护措施按照规范中水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地进行维护即可。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。