一种复合人工湿地系统的制作方法

本发明涉及人工湿地领域，特别是涉及一种复合人工湿地系统，尤其是涉及一种在较高污染负荷条件下仍能够有效去除污水中有机物、氮磷污染物的复合人工湿地系统。

背景技术：

人工湿地系统污水处理技术是国际上1970年提出的一项投资建设成本小、运行费用低、运行技术低、能耗低、出水具有一定的生物安全性、生态环境效益显著并美化环境，可实现废水的资源化等特点的污水处理工艺。几十年来，人工湿地是一种典型的生态型污水处理技术，目前在国内外有很多国家得到了普遍关注和应用，但是人工湿地易堵塞、处理负荷低等问题限制了其进一步的推广与应用。

人工湿地具有独特而复杂的净化机理，它能够利用基质-微生物-植物这个复合生态系统的物理、化学和生物的三重协调作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。基质填料是人工湿地最重要的组成部分，也是湿地堵塞发生的主要部分，选用使用寿命长、易于清理更换的填料能够有效减缓湿地堵塞情况。常用的人工湿地基质填料为无机填料，如砾石、火山岩、陶粒、沸石及其改性材料，这些材料密度较大，铺设在湿地中，污水通过填料间空隙逐层渗透，在此过程中附着在填料上的微生物对污水中的污染物进行降解，从而达到去除目的。

然而随着运行时间的增加，由于进水负荷过大等原因造成基质堵塞，污水不能通过空隙渗透，造成污水淤积，往往使湿地失去了其原有的净水功能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对人工湿地易堵塞、处理污水负荷低等问题，提出一种由水平潜流有机填料人工湿地单元和垂直潜流人工湿地单元组成的复合人工湿地系统，以提高湿地处理有机物、氮磷污染物的效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种复合人工湿地系统，包括沿水流方向依次设置的水平潜流有机填料人工湿地单元与垂直下行潜流人工湿地单元，所述水平潜流有机填料人工湿地单元包括跌水井、铺设在所述跌水井内下部的第一砾石层、铺设在水平潜流有机填料人工湿地单元底部的第二砾石层、铺设在所述第二砾石层上的有机填料层、铺设在所述有机填料层上的透水混凝土板、铺设在透水混凝土板上的无纺布层、铺设在所述无纺布层上的石英砂层、种植在所述石英砂层内的水生植物、设置在底部的进水口、设置在跌水井对面的出水集水井、设置在出水集水井上部的出水口以及通气机构，所述有机填料层由填充磁性有机填料的蜂巢机构构成，所述蜂巢机构底部设有固定板，所述垂直下行潜流人工湿地单元包括自下而上依次设置的第四砾石层、陶粒层、第三砾石层、种植层，所述种植层内种植有水生植物，所述第三砾石层内设有与所述出水口相连的布水管。

优选地，所述跌水井的深度为1m～1.3m，跌水井的上方设有格栅或截污挂篮；所述第一砾石层的铺设厚度为50～60cm，粒径为20～30mm；所述第二砾石层的铺设厚度为10～20cm，粒径为20～30mm。

优选地，所述磁性有机填料的添加量占蜂巢机构空隙总体积的30～40％，所述磁性有机填料由上下两个相同的空心网状陀螺结构以及设置在所述空心网状陀螺结构底部的空心圆柱体，并且上下两个空心圆柱体四周均匀设有圆环，上下两个空心圆柱体上的圆环之间通过卡扣连接，所述空心圆柱体内填充有聚氨酯海绵。

优选地，所述磁性有机填料的制备步骤包括：

a、将质量占比80～90％的聚丙烯聚合物颗粒放入搅拌器中，依次加入质量占比5～10％的废旧橡胶轮胎粉、质量占比1～2％的淀粉、质量占比1～2％的硅藻土、质量占比3～6％的磁粉，得到混合物a；

b、混合物a与分散剂以质量比为(98～99.5)：(0.5～2)的比例混合均匀，得到混合物b；

c、混合物b与硅烷类偶联润滑剂以质量比为(98～99.5)：(0.5～2)的比例加以混合后，放入注塑机中注塑成型，将注塑后的材料进行充磁；

d、将污水处理厂中好氧池中的污泥驯化菌固定在聚氨酯海绵上，装入空心圆柱中，将上下两个空心圆柱体上的圆环之间通过卡扣连接，得到所述磁性有机填料。

优选地，所述蜂巢机构由多个正六边形的柱体蜂巢格构成，所述柱体蜂巢格分高度相同的上下两个柱体，所述柱体蜂巢格的内部中空，所述柱体蜂巢格的中空内设有旋转轴，所述旋转轴由中间的实心旋转杆和外部的空心轴组成，所述空心轴上设有对称分布的两个旋转板，且空心轴与旋转板上均匀设有圆形开孔。

优选地，所述正六边形的边长为11.5cm，所述柱体蜂巢格的高度为70～80cm，所述柱体蜂巢格的边框为金属网格，所述金属网格的开孔为边长5mm的菱形或正方形，单个的旋转板长度为7～8cm，高度25～30cm；所述圆形开孔的直径为10mm。

优选地，所述通气机构由通气主管和通气支管构成，所述通气主管包括设置在所述跌水井内的竖直管与设置在第二砾石层内的水平管，所述竖直管的上端为进气口，竖直管的上端开口位置高度要高于石英砂层所在高度，所述水平管上还均匀设有通气支管，所述通气支管与部分旋转轴相连，所述透水混凝土板上设有出气口。

优选地，所述水平管呈“3”字形均匀布设在第二砾石层内，空气从进气口经过通气主管和通气支管输送到旋转轴的空心轴中，并通过空心轴上设置的开孔分散到有机填料层中。

优选地，所述出水集水井内填充有粒径为20～30mm的砾石，所述出水集水井的内侧壁为穿孔花墙，水经过穿孔花墙进入出水集水井并经砾石均匀布水后由出水口排出。

优选地，所述第四砾石层的厚度为20～30cm，砾石粒径为20～30mm；所述陶粒层的厚度为150～160cm，陶粒粒径为5～10mm；所述第三砾石层的厚度为20～30cm，砾石粒径为15～25mm；所述种植层的厚度为5～10cm，由种植土铺设而成；所述垂直下行潜流人工湿地单元还包括垂直设置的通气加药管，所述通气加药管底端设置在所述陶粒层内。

基于上述技术方案，本发明的优点是：

本发明提出的复合人工湿地系统由水平潜流有机填料人工湿地单元和垂直潜流人工湿地单元构成，其有效地解决了人工湿地堵塞问题，并且能够对高负荷污水进行有效的净化作用。

水平潜流有机填料湿地单元中填充特制的生物亲和性磁性有机填料，不仅对氮、磷污染物有良好的吸附性，同时在弱磁场的作用下使得有机污染物和氧气富集到填料表面，在间歇曝气条件下，有效提高了填料表面微生物对污染物的降解去除效果；且该填料能够在湿地中均匀分散，相对自由地流动，解决了湿地因基质孔隙堵塞造成的积水和净化能力下降问题。通过两者综合作用，使得该复合湿地系统即使在较高污染负荷条件下，仍能良好运行，污水得到有效净化，出水水质良好。

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为复合人工湿地系统示意图；

图2为磁性有机填料结构示意图；

图3为磁性有机填料俯视示意图；

图4为蜂巢机构结构示意图；

图5为通气机构布设示意图。

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。

本发明提供了一种复合人工湿地系统，如图1～图5所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。本发明按水流方向依次包括水平潜流有机填料人工湿地单元、垂直下行潜流人工湿地单元，并可根据污水水质情况，在水平潜流有机填料人工湿地单元前方设置絮凝沉淀池，以保障湿地良好的运行效果。

具体地，所述复合人工湿地系统包括沿水流方向依次设置的水平潜流有机填料人工湿地单元与垂直下行潜流人工湿地单元，所述水平潜流有机填料人工湿地单元包括跌水井4、铺设在所述跌水井4内下部的第一砾石层2、铺设在水平潜流有机填料人工湿地单元底部的第二砾石层19、铺设在所述第二砾石层19上的有机填料层13、铺设在所述有机填料层13上的透水混凝土板9、铺设在透水混凝土板9上的无纺布层8、铺设在所述无纺布层8上的石英砂层7、种植在所述石英砂层7内的水生植物6、设置在底部的进水口1、设置在跌水井4对面的出水集水井20、设置在出水集水井20上部的出水口14以及通气机构，所述有机填料层13由填充磁性有机填料的蜂巢机构16构成，所述蜂巢机构16底部设有固定板18，所述垂直下行潜流人工湿地单元包括自下而上依次设置的第四砾石层26、陶粒层25、第三砾石层24、种植层23，所述种植层23内种植有水生植物6，所述第三砾石层24内设有与所述出水口14相连的布水管21。

如图1所示，水平潜流有机填料人工湿地单元是本发明的核心部分，该单元包括跌水井4、第二砾石层19、有机填料层13、透水混凝土板9、石英砂层7、出水集水井20、通气机构等等。该湿地长宽比约为3:1，高1m～1.3m。进水口1设置在跌水井4下方、第一砾石层2与有机填料层13的连接处，出水集水井20与有机填料层13之间设有穿孔花墙15，出水口14设置在出水集水井20的上方。

污水首先进入跌水井4，优选地，所述跌水井4的深度为1m～1.3m，跌水井4的上方设有格栅或截污挂篮，以拦截垃圾、落叶、水草等。跌水井4的下方铺设50～60cm的砾石，即第一砾石层2，选择的砾石粒径为20～30mm。所述跌水井4不仅有跌水曝气和消能作用，还能对污水进行初步过滤，截留一些大颗粒悬浮物质，同时起到为后方水平潜流湿地均匀布水的作用，第一砾石层2需定期清理，保证进水通畅。

所述第二砾石层19为水平潜流湿地最下方铺设10～20cm厚的砾石，其粒径为20～30mm，所述第二砾石层19中还设有通气主管，该层砾石主要起到固定通气主管17的作用。

进一步，所述有机填料层13由填充磁性有机填料的蜂巢机构16构成，填料均匀分散填充在蜂巢系统中。优选地，所述磁性有机填料的添加量占蜂巢机构16空隙总体积的30～40％。

如图2、图3所示，所述磁性有机填料由上下两个相同的空心网状陀螺结构27以及设置在所述空心网状陀螺结构27底部的空心圆柱体28，并且上下两个空心圆柱体28四周均匀设有圆环29，上下两个空心圆柱体28上的圆环29之间通过卡扣连接，所述空心圆柱体28内填充有聚氨酯海绵。其中，空心圆柱体28为底面直径为15mm，高为3.5mm，空心网状陀螺结构27的圆形底面与空心圆柱体28底面相连，陀螺高约15mm。

优选地，所述磁性有机填料的制备步骤包括：

a、将质量占比80～90％的聚丙烯聚合物颗粒放入搅拌器中，依次加入质量占比5～10％的废旧橡胶轮胎粉、质量占比1～2％的淀粉、质量占比1～2％的硅藻土、质量占比3～6％的磁粉，得到混合物a；

b、混合物a与分散剂(如液体石蜡)以质量比为(98～99.5)：(0.5～2)的比例混合均匀，得到混合物b；

c、混合物b与硅烷类偶联润滑剂(如kh-570硅烷偶联剂)以质量比为(98～99.5)：(0.5～2)的比例加以混合后，放入注塑机中注塑成型，将注塑后的材料进行充磁；

d、将污水处理厂中好氧池中的污泥驯化菌固定在聚氨酯海绵上，装入空心圆柱28中，将上下两个空心圆柱体28上的圆环29之间通过卡扣连接，得到所述磁性有机填料。所述磁性有机填料比重大约为1。其中，废旧橡胶轮胎粉为常温粉碎生产的橡胶颗粒，其形状不规则，表面粗糙，比表面积大，颗粒粒径为0.5～1mm。

优选地，所述空心圆柱体28内填充有聚氨酯海绵，其开孔率在97％以上，具有十分优异的透气性、柔软性和机械强度，耐水、排水性强。将污水处理厂好氧池中的污泥驯化菌固定在该海绵上，装入空心圆柱体28内，成为良好的生物载体。

所述磁性有机填料具有多孔、吸附性强、耐冲刷、无毒性、微生物易挂膜、良好的亲水性和亲生物性等优点。经废旧橡胶轮胎粉改性的填料具有良好的吸附氮、磷效果，促进了填料表面微生物对污染物的去除；加入磁粉并经过充磁后的填料，使得其内外均带有微弱的磁场，一方面能够促进菌群的良性生长代谢，另一方面使得有机污染物和氧气可以在弱磁场的作用下富集到填料表面，从而进一步促进了填料表面微生物对污染物的去除。在两者综合作用下，使得人工湿地净水效果得到了大幅度的提升。该有机填料比重大约为1，能够在水中随水流上下前后移动，相比层层堆砌的无机填料，能有效防止湿地堵塞。

如图4所示，所述蜂巢机构16由多个正六边形的柱体蜂巢格构成，所述柱体蜂巢格分高度相同的上下两个柱体，所述柱体蜂巢格的内部中空，所述柱体蜂巢格的中空内设有旋转轴11，所述旋转轴11由中间的实心旋转杆和外部的空心轴组成，所述空心轴上设有对称分布的两个旋转板12，且空心轴与旋转板12上均匀设有开孔。

优选地，所述正六边形的边长为11.5cm，所述柱体蜂巢格的高度为70～80cm，所述柱体蜂巢格的边框为耐腐蚀、耐冲刷、机械强度高的金属网格，所述金属网格的开孔为边长5mm的菱形或正方形，单个的旋转板12长度为7～8cm，高度25～30cm，为耐腐蚀的轻质塑料板；所述圆形开孔的直径为10mm。蜂巢机构16底部设有固定板18，固定板18上有可供柱体蜂巢格嵌入的网格，以便于固定。

所述透水混凝土板9位于有机填料层13上方，厚度为5～10cm，该板具有一定的承载力，所述透水混凝土板9上设有出气口10，并且板上均匀设有一定的植物种植穴以及可供通气管插入的开孔，通气管插入口即为出气口10。石英砂层7铺设在透水混凝土板9的上方约5～10cm，且在两层之间可铺设1～2层无纺布层8，防止石英砂落入透水混凝土板9的开孔中，进而落到下层有机填料层13中。石英砂层7内种植根系发达的水生植物6，注意将植物种植在透水混凝土板9的开孔处，以便使得水生植物根系深入到下层。

如图5所示，所述通气机构由通气主管17和通气支管3构成，所述通气主管17包括设置在所述跌水井4内的竖直管与设置在第二砾石层19内的水平管。其中竖直管设置在跌水井4内部，其高度需高于水平潜流湿地的石英砂层7。所述竖直管的上端为进气口5，所述水平管上还均匀设有通气支管3，所述通气支管3与部分旋转轴11相连。

优选地，所述水平管呈“3”字形均匀布设在第二砾石层19内，空气从进气口5经过通气主管17和通气支管3输送到旋转轴11的空心轴中，并通过空心轴上设置的开孔分散到有机填料层13中。

出水集水井20位于水平潜流湿地最后方位置，所述出水集水井20内填充有粒径为20～30mm的砾石，所述出水集水井20的内侧壁为穿孔花墙15，水经过穿孔花墙15进入出水集水井20并经砾石均匀布水后由出水口14排出。

污水从前方下部进水口进入到水平潜流有机填料人工湿地单元中，最终从后方上部穿孔花墙流出，进入出水集水井。该过程中，蜂巢机构中的有机填料随水流从前向后流动，但由于蜂窝系统的约束，不会随水流流出，且该有机填料因其比重大约为1，填料能够在水中自由移动，此外旋转板在水流作用下能够缓慢转动能带动填料的游动，使得有机填料更为均匀的分散在蜂巢机构中，不会造成湿地的堵塞。经通气系统对该湿地单元进行间歇曝气，有效提高了微生物氧化有机物和氨氮的能力，使得即使在较高污染负荷条件下，该湿地单元仍能良好运行。

垂直下行潜流人工湿地单元从上方一侧进水，经布水管均匀布水后从下方另一侧出水，总高度2～2.3m，长宽比约1:1。如图1所示，所述垂直下行潜流人工湿地单元包括自下而上依次设置的第四砾石层26、陶粒层25、第三砾石层24、种植层23，所述种植层23内种植有水生植物6，所述第三砾石层24内设有与所述出水口14相连的布水管21。

优选地，所述第四砾石层26的厚度为20～30cm，砾石粒径为20～30mm；所述陶粒层25的厚度为150～160cm，陶粒粒径为5～10mm；所述第三砾石层24的厚度为20～30cm，砾石粒径为15～25mm；所述种植层23的厚度为5～10cm，由种植土铺设而成；所述垂直下行潜流人工湿地单元还包括垂直设置的通气加药管22，所述通气加药管22底端设置在所述陶粒层25内。

因前方水平潜流有机填料人工湿地单元对有机物和氨氮进行了充分的去除，该垂直潜流人工湿地主体为下层厌氧层(即陶粒层)，且该垂直潜流人工湿地可种植一些根系较浅的水生植物。因前方有机物被大量消耗去除，因此需通过通气加药管向湿地内添加适量的有机碳源以保证该湿地厌氧层部分更好的进行反硝化脱氮。

进一步，本发明可根据湿地进出水水质情况，多组湿地串联使用以进一步加强污水处理效果。

本发明提出的复合人工湿地系统由水平潜流有机填料人工湿地单元和垂直潜流人工湿地单元构成，其有效地解决了人工湿地堵塞问题，并且能够对高负荷污水进行有效的净化作用。

水平潜流有机填料湿地单元中填充特制的生物亲和性磁性有机填料，不仅对氮、磷污染物有良好的吸附性，同时在弱磁场的作用下使得有机污染物和氧气富集到填料表面，在间歇曝气条件下，有效提高了填料表面微生物对污染物的降解去除效果；且该填料能够在湿地中均匀分散，相对自由地流动，解决了湿地因基质孔隙堵塞造成的积水和净化能力下降问题。通过两者综合作用，使得该复合湿地系统即使在较高污染负荷条件下，仍能良好运行，污水得到有效净化，出水水质良好。

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。