一种一体化多功能湿地处理系统的制作方法

本实用新型属于污水处理领域(即，人工湿地污水处理领域)，更具体地，涉及一种一体化多功能湿地处理系统，该系统是集“预处理+净化+脱氮+消毒+自动防堵塞”于一体化的湿地处理系统，尤其适用于小型户使用。

背景技术：

湿地处理装置具有基建投资小、污染去除效果好、布置灵活和运行维护管理方便等优点，尤其适用于偏远农村污水治理。然而已有研究表明(U.S EPA)其在脱氮方面效果并不是很成功。传统生物脱氮系统主要利用异养反硝化菌群来实现生物脱氮，因此传统硝化反硝化脱氮系统就需要消耗一定量的碳源，而对于国内污水而言，其特性在于COD含量较小，属于低碳氮比污水。碳源不足成为制约脱氮效率提高的因素。若要维持脱氮效率，需要外加碳源。这样势必增加成本。而硫自养反硝化系统指的就是利用自养反硝化菌群中硫自养反硝化菌群(Thiobacillus denitrificans and Thiomicrospira denitrificans)以CO2和HCO3^-等无机碳作为碳源，将硫或硫的化合物氧化为硫酸盐的同时将硝酸盐还原为氮气的生物脱氮系统。

目前，硫自养技术广泛应用于人工湿地中，但是仍然存在出水硫酸根超标及占地面积大、无消毒处理等问题，因此该技术仅投入使用于污染水体净化，在生活污水处理应用并较少。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型的目的在于提供一体化多功能湿地处理系统，其中通过对其关键功能区域的连接关系、各功能区的内在结构等进行改进，综合硫自养技术与波形潜流人工湿地技术，并对系统相应运行方式等进行改进，形成一体化消毒工艺，与现有技术相比能够为生活污水处理提供一种成本较低、运行管理容易、“预处理+净化+脱氮+消毒+自动防堵塞”一体化的处理系统；本实用新型还通过对传统人工湿地填料的类型、级配及对应运行方式等进行优选改进，可以在污水处理后期，利用硫自养反硝化反应保证去除效率同时降低处理成本，进一步实现“预处理+净化+脱氮+消毒+自动防堵塞”一体化处理，为小户型生活污水处理提供了一种高效经济的处理系统。

为实现上述目的，按照本实用新型，提供了一种一体化多功能湿地处理系统，其特征在于，包括进水管(1)、预处理区(2)、集泥区(3)、好氧反应区(4)、曝气管(5)、异养反硝化区(6)、硫自养反硝化区(7)、过渡处理区(8)、TiO2负载陶粒消毒区(9)、以及出水管(10)；所述进水管(1)用于向该一体化多功能湿地处理系统中通入待处理的污水，该待处理的污水随后依次流经所述预处理区(2)、所述集泥区(3)、所述好氧反应区(4)、所述异养反硝化区(6)、所述硫自养反硝化区(7)、所述过渡处理区(8)、以及所述TiO2负载陶粒消毒区(9)进行污水处理得到处理水，所述出水管(10)则用于将该处理水排出该一体化多功能湿地处理系统；所述曝气管(5)用于向所述好氧反应区(4)和所述异养反硝化区(6)曝气。

作为本实用新型的进一步优选，该一体化多功能湿地处理系统整体由PVC板制成，内部由一块底部封闭的隔板和两块底部非封闭的隔板分成四个区域，所述底部封闭的隔板位于两块底部非封闭的隔板之间，这四个区域中任意相邻的两个区域的水流方向相反；所述底部封闭的隔板其顶部高度均低于所述底部非封闭的隔板的顶部高度，以便于待处理污水以溢流方式流经该一体化多功能湿地处理系统。

作为本实用新型的进一步优选，记所述四个区域分别为第一区域、第二区域、第三区域以及第四区域，所述待处理的污水依次流经这四个区域；

所述预处理区(2)位于所述第一区域内；所述集泥区(3)覆盖底部非封闭隔板的非封闭底部，同时位于所述第一区域和所述第二区域内；所述好氧反应区(4)位于所述第二区域内；所述异养反硝化区(6)覆盖底部非封闭隔板的非封闭底部，同时位于所述第三区域和所述第四区域内；所述硫自养反硝化区(7)、所述过渡处理区(8)和所述TiO2负载陶粒消毒区(9)均位于所述第四区域内。

作为本实用新型的进一步优选，所述第二区域还用于直接通入清洁水，利用该清洁水的重力，实现反向冲洗，清洗所述好氧反应区(4)和所述集泥区(3)。

作为本实用新型的进一步优选，所述预处理区(2)包括网格格栅篮(2.1)和悬挂设置于该网格格栅篮(2.1)的正下方的接触填料(2.2)，所述网格格栅篮(2.1)的底部开设有小孔，该网格格栅篮(2.1)位于所述进水管(1)的出水口的正下方。

作为本实用新型的进一步优选，所述集泥区(3)设置有锥形沉泥斗，用于收集污泥和污物，该锥形沉泥斗的锥形面与竖直方向的夹角为55°～60°；该集泥区(3)还设置有排泥管(3.1)和带孔隔板(3.2)，所述排泥管(3.1)用于排出所述锥形沉泥斗收集的污泥和污物，所述带孔隔板(3.2)则用于分离所述集泥区(3)和所述好氧反应区(4)，阻止该好氧反应区(4)中的工作物质迁移到所述集泥区(3)，并阻止待处理污水中粒径大小超过该带孔隔板(3.2)孔径的杂质通过该带孔隔板(3.2)。

作为本实用新型的进一步优选，所述好氧反应区(4)中的填料包括粒径为30mm～50mm的碎石、以及粒径为1～2mm的石英砂，级配粒径由下而上减小，该好氧反应区(4)的填料上附着有好氧微生物，用于利用待处理污水中的溶解氧氧化分解以及氨化硝化，去除待处理污水中的有机物；

所述异养反硝化区(6)通过曝气量控制该区域溶解氧含量，该异养反硝化区(6)中的填料包括粒径为30mm～50mm的碎石、以及粒径为1～2mm的石英砂，竖直方向上的级配粒径由下而上减小，这些填料上附着有异养细菌，所述异养细菌用于利用待处理污水中的有机碳源完成脱氮过程。

作为本实用新型的进一步优选，所述硫自养反硝化区(7)中硫磺与石灰石采用体积比1:1填充，所述硫磺的颗粒粒径为2～3mm，所述石灰石的粒径20～50mm，该硫自养反硝化区(7)的位置位于待处理污水在该一体化多功能湿地处理系统内的流经总长度的70％处之后，该硫自养反硝化区(7)中的填料附着有硫自养菌，该硫自养菌用于利用前方待处理污水流经区域反应产生的硝酸根以及待处理污水中溶解的二氧化碳及碳酸根进行反硝化反应，实现氮的去除；同时该硫自养反硝化区(7)还用于对待处理污水进行除磷作用。

作为本实用新型的进一步优选，所述过渡处理区(8)用于去除待处理污水中的硫酸根；所述TiO2负载陶粒消毒区(9)用于在太阳光光照下发生光催化反应，以进一步地氧化分解待处理污水中有机物，并且实现消毒和除藻。

作为本实用新型的进一步优选，所述进水管(1)和所述出水管(10)均为PVC管，它们的公称直径为20mm～60mm；

所述曝气管(5)采用穿孔曝气管，向下交错45度开孔，孔径为2～3mm，该曝气管(5)为PVC管。

通过本专利所构思的以上技术方案，设置好氧反应区、异养反硝化区、硫自养反硝化区、过渡处理区、TiO2负载陶粒消毒区作为主要反应区，并对这些功能区域的内在结构相应进行控制，对应形成了一种管理方便，脱氨效率高，运行成本低的新型基于硫自养技术的人工湿地处理系统，本专利适用于小户型生活污水净化和消毒及自动防堵塞一体化处理，为废水回用提供了一条新思路。

该一体化多功能湿地处理系统中，预处理区为系统前段，水流方向呈下向流，经过网格格栅篮截留漂浮物及水中石块，之后通过接触填料，去除胶体和泥沙；而后续的好氧反应区、异养反硝化区、硫自养反硝化区、过渡处理区和TiO2负载陶粒消毒区为系统主要工作区域，水流方向交替变化，系统主体溶氧分布为“厌氧-好氧-缺氧”，过渡段用以硫酸根的去除，最后利用负载于陶粒上的二氧化钛的光催化作用，利用这些功能区对待处理污水的协同处理作用，完成污水从净化到消毒的全过程。硫自养反硝化区，其中硫磺颗粒粒径2～3mm，石灰石粒径20～50mm；硫磺与石灰石填充段是系统反硝化脱氮的主要反应区，可增加系统脱氮效率10％～30％以上，并且脱氮效率提高不受限于碳源(可简单采用二氧化碳及碳酸根等无机碳源)。TiO2负载陶粒消毒区中包括二氧化钛负载陶粒，粒径3mm，二氧化钛为纳米级材料，TiO2负载的陶粒在可见光的照射下，发生光催化反应，生成强氧化基进一步氧化分解有机物，并且达到消毒目的。

本实用新型还优选对各个功能区的高度以及在待处理污水整体流经路程上出现的位置(包括任意一个功能区中不同结构层的高度以及其在待处理污水整体流经路程上出现的位置)进行优化(其中，预处理区的高度可以为500mm，集泥区的高度可以为200mm，好氧反应区整体的高度可以为500mm，异养反硝化区内位于第三区域的石英砂层的高度可以为600mm、底部碎石层的高度可以为100mm、位于第四区域的石英层的高度可以为100mm，硫自养反硝化区的高度可以为200mm，过渡处理区8的高度可以为200mm，二氧化钛负载陶粒层的高度可以为100mm)，配合进水口输入的待处理污水的流速(流速具体可控制为0.3-0.5m/h)，能够有效调控待处理污水流经每个功能区(包括每个结构层)的时间，利用各个功能区的整体配合，能进一步确保污水具有良好的处理效果。本实用新型尤其通过将硫自养反硝化区的位置控制在待处理污水在该一体化多功能湿地处理系统内的流经总长度的70％处之后，能够进一步确保该功能区对中间污水的处理达到预期目标。本实用新型还通过利用三块隔板的分布，一方面实现了各个功能区的分隔，使得待处理污水以溢流方式流经整个一体化多功能湿地处理系统的各个功能区，另一方面，也实现了空间的有效利用，占地面积小、空间高度合理，使得该系统能够非常适用于小型户。

此外，该一体化多功能湿地处理系统还可以实现自动防堵塞功能，该系统中的带孔隔板(即微孔隔板)，可通过蓄水并利用重力实现反向冲洗。好氧反应区包括填料粒径1～2mm的石英砂和粒径30～50mm的碎石，粒径级配自下而上减小，分层填充，避免填料经微孔隔板下落随排泥管流失。异养反硝化区其中填料与好氧反应区一致，分层填充。

该系统中预处理区的高度可以为500mm，集泥区的高度可以为200mm，好氧反应区整体的高度可以为500mm，异养反硝化区内位于第三区域的石英砂层的高度可以为600mm、底部碎石层的高度可以为100mm、位于第四区域的石英层的高度可以为100mm，硫自养反硝化区的高度可以为200mm，过渡处理区8的高度可以为200mm，二氧化钛负载陶粒层的高度可以为100mm。以目标日处理量为5-10m³/d(对应可容纳农村20～50人左右的生活污水日增加量)，污水整体停留时间10h，水力负荷0.8m³/(m²·d)，估算得出水填料内水流的平均速度为0.32m/h；当然，实际各功能区的水流速度与孔隙有关，速度不尽相同。

本实用新型创新性的将污水处理过程集成到同一系统，利用接触性组合填料克服了湿地进水SS的要求，通过微孔隔板的过滤作用一定程度上解决了湿地易堵塞问题，并且将硫自养反硝化技术巧妙结合湿地处理系统使其在针对低C/N污水时可减少外加有机碳源带来的运行管理成本从而达到碳减排的效果。该系统中的布水通常采用重力流，整个系统能耗极低，若配合使用太阳能等新能源技术，则可进一步实现湿地系统的可持续清洁处理过程。

附图说明

图1A为本专利中一体化多功能湿地处理系统的系统剖视结构图；图1B为该一体化多功能湿地处理系统的系统俯视图。

图2A为本专利中一体化多功能湿地处理系统的功能区域划分示意图；图2B为本专利中一体化多功能湿地处理系统的填料示意图。

图3为本专利中一体化多功能湿地处理系统的流向示意图。

图4A、图4B为本专利中一体化多功能湿地处理系统的网格格栅篮和微孔隔板结构示意图。

图5为本专利中一体化多功能湿地处理系统的曝气管结构示意图。

图中各附图标记的含义如下：1为进水管、2为预处理区、2.1为网格格栅篮、2.2接触填料、3为集泥区、3.1排泥管、3.2为带孔隔板(即，微孔隔板)、4为好氧反应区、5为曝气管、6为异养反硝化区、7为硫自养反硝化区、8为过渡处理区、9为TiO2负载陶粒消毒区(即，二氧化钛负载陶粒层)、10为出水管。好氧反应区4自上而下分别填充粒径为1～2mm石英砂、粒径为30～50mm的碎石；异养反硝化区6上部填充石英砂，下部填充粒径为30～50mm碎石；硫自养反硝化区7填充硫磺和石灰石的均匀混合物；过渡处理区8填充粒径为1～2mm石英砂；TiO2负载陶粒消毒区9即填充二氧化钛负载陶粒。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1A、图1B所示，本实用新型中的一体化多功能湿地处理系统包括进水管1、预处理区2、好氧反应区4、异养硝化反应区6、硫自养反硝化区7、过渡处理区8、TiO2负载陶粒消毒区9、出水管10、曝气管5。

进、出水管1、10优选是由PVC管制成，管径由日处理流量确定，进、出水管优选呈45度均匀开孔(每个小孔的直径可以为5mm)，以保证布水均匀，出水流速减缓避免水流裹挟小粒径填料。

预处理区2优选增加网格格栅篮并选用接触填料以去除水中较大漂浮物、泥沙和胶体。

优选的，好氧反应区4与异养硝化反应区6，为传统工艺，水流方向呈交替，水中溶氧效率更高，有机物被氧化，在氨化和硝化作用下，氮元素大量转化成硝酸根。

优选的，硫自养反硝化区7，其中硫自养段主要承担反硝化脱氮任务；其后石英砂填料的过渡处理区8在缺氧的环境下可减少硫酸根的产生量避免其含量超出相应排水标准；最后，二氧化钛负载陶粒层(消毒区)9实现有机物的进一步降解和消毒功效。

优选的，所述填料，其中包括石英砂1～2mm(粒径大小)，硫磺与石灰石，碎石30～50mm(粒径大小)和二氧化钛负载陶粒3mm(粒径大小)，作为系统生物膜的载体。

优选的，所述曝气管为PVC管，采用穿孔曝气管设计方案，两侧向下交错45度开孔，孔径2～3mm，长度与湿地宽度一致。以公称直接为10mm的曝气管为例，如图5所示，每个小孔的直径为3mm，同侧相邻两个小孔之间的间距可以为12mm。

作为本专利的进一步优选，所述一体化多功能湿地处理系统，其主要材质为聚乙烯板，特性在于耐磨，抗压，以及对环境污染较小，成本较低，运行管理容易。

以下为具体实施例。

实施例1

本实施例中的一体化多功能湿地处理系统，包括进水管1、预处理区2、好氧反应区4、异养硝化反应区6、硫自养反硝化区7、过渡处理区8、TiO2负载陶粒消毒区9、出水管10、曝气管5；其中，所述进水管1和出水管10为PVC管，进水管1用于均匀布水，出水管10用于降低流出速度，避免小粒径填料被水流裹挟带走流失；所述好氧反应区4，为有机物氧化分解，氮元素发生氨化和硝化反应的主要区域；所述反硝化反应区，主要分为异养与硫自养两段，硫自养段可减少后期碳源的添加，实现脱氮，进一步提高脱氮效率；其后的石英砂层为过渡处理区8，作用在于减少出水硫酸根浓度，其原理在于缺氧状态下微生物将SO4^2-还原成H2S释放到空气中以降低水中硫酸根含量；最后填料二氧化钛负载陶粒层9作为消毒区，利用光照下的光催化反应对水中的有机物进一步降解，并且杀灭病菌和藻类。所述系统的填料，作为生物膜的承托介质，包括石英砂、碎石、硫磺与石灰石和二氧化钛负载陶粒。所述曝气管5，用于系统增氧及减缓湿地堵塞时间。

如图1A和图1B所述一体化多功能湿地处理系统，包括进水管1、预处理区2、集泥区3、好氧反应区4、曝气管5、异养反硝化区6、硫自养反硝化区7、过渡处理区8、TiO2负载陶粒消毒区9、出水管10；其中，进水管1用于系统均匀布水；预处理区2位于系统反应前段，用于拦截较大漂浮物和水中泥沙，降低水中SS(即Suspendid Solid，固体悬浮物)，预防堵塞；集泥区3用于泥的沉积与排除；好氧反应区4用于促进好氧及硝化反应，去除污水中大部分有机物，该好氧反应区4中附着于填料上的微生物利用水中溶解氧充分地氧化分解以及氨化硝化，为进一步脱氮提供有利条件；异养反硝化区6用于进一步消耗水中有机物，同时完成反硝化过程，实现水中氮的脱除；硫自养反硝化区7中包括硫磺石灰石段，能够克服水中有机碳源不足，利用无机碳源进行反硝化反应，完成脱氮的整个过程，增加系统脱氮效率；过渡处理区8主要用于减少出水中硫酸根的浓度，经过渡处理区8处理后，出水硫酸根降低，达到出水标准；最后通过消毒区的二氧化钛负载陶粒进行光催化反应，实现出水消毒，该TiO2负载陶粒消毒区9可在光照情况下实现出水消毒和除藻；出水管10用于处理水的排放；曝气管5用于系统增氧与防堵塞，它能够在一定程度上起到减缓堵塞时间的作用；

参考图1A、图1B、图2A、图2B，其中湿地类型属于波形潜流人工湿地，好氧反应区至异养反硝化反应区进水方式采取溢流方式；反冲洗状态时，且水流方式相反，出水时，水流呈现反冲洗，可有效清除填料层脱落的旧膜，减缓湿地堵塞时间。

填料层包括石英砂1～2mm、硫磺与石灰石，而硫磺颗粒粒径2～3mm，石灰石粒径20～50mm、碎石30～50mm以及二氧化钛负载陶粒3mm；作为生物膜的载体，反应发生的主要场所；

参考图3，所述一体化多功能小型户用人工湿地处理系统中水流方向呈现下向流和上向流交替，促进水中溶氧效率和污染物与生物膜的接触面积，并且能有效减缓湿地堵塞时间。

参考图4A和图4B，所述网格格栅篮2.1和微孔隔板3.2，作用在于去除水中污物和漂浮物，降低SS，防止湿地堵塞。其中网格格栅篮2.1底部开设的小孔具体可以为10×5mm方孔，间距5mm，以拦截大漂浮物及水中污物，该网格格栅篮2.1建议采用不锈钢材料，条件不允许下也可采用塑料等代替；微孔隔板3.2可以开圆孔孔径2mm，间隔5mm。微孔隔板3.2可有效分离好氧反应区4内填料与水中杂质，即，能在一定程度上截留水中粒径较大的杂质，并使之脱离水体后排出。

预处理区2为系统前段，主要用于拦截较大漂浮物和泥沙及部分胶体，预处理区2中所采用的接触填料2.2，接触填料2.2采用悬挂式，间距设计范围可以为150mm～200mm，主要用于吸附胶体及部分有机物，可以采用低密度聚乙烯、纤维束、高分聚合物或现有技术中能够吸附胶体等的常规材料。其后，好氧反应区4、异养反硝化区6、硫自养反硝化区7、过渡处理区8、TiO2负载陶粒消毒区9作为系统的主要反应区域，实现污水的净化和深度处理。

好氧反应区4，包括粒径为30mm～50mm的碎石、以及粒径为1～2mm的石英砂，石英砂层位于上部、碎石位于下部，上部石英砂层占好氧反应区4整体高度的4/5，下部碎石层占好氧反应区4整体高度的1/5(以好氧反应区4整体的高度500mm为例，上部石英砂层的高度可以为400mm，下部碎石层的高度可以为100mm)，该好氧反应区4为粒径非连续变化的间断级配，该区域有机物去除率可达到70％，尤其是氨氮的去除率高达90％。

硫自养反硝化区7所利用的无机碳源包括待处理污水中溶解的二氧化碳及碳酸根，以硫自养反硝化区7首先接触到待处理污水的边缘为准，该硫自养反硝化区7的位置位于该一体化多功能湿地处理系统内待处理污水流经的竖向长度比例大于等于0.7的位置(即，该硫自养反硝化区7的位置位于待处理污水在该一体化多功能湿地处理系统内的流经总长度的70％处之后)。此外，硫自养反硝化区7中能够提供碱度的石灰石生成的Ca²⁺可与PO4^3-和HPO4^2-等产生沉淀，以实现系统同步脱氮除磷。

该系统中预处理区的高度可以为500mm，集泥区的高度可以为200mm，好氧反应区整体的高度可以为500mm，异养反硝化区内位于第三区域的石英砂层的高度可以为600mm、底部碎石层的高度可以为100mm、位于第四区域的石英层的高度可以为100mm，硫自养反硝化区的高度可以为200mm，过渡处理区8的高度可以为200mm，二氧化钛负载陶粒层的高度可以为100mm；水流流经基质总长度为2.8m，水流流进硫磺段的长度为2.3～2.5m,占总长度的82％～89％之间，符合该硫自养反硝化区7的位置位于待处理污水在该一体化多功能湿地处理系统内的流经总长度的70％处之后的要求。

集泥区3为系统底部锥形沉泥斗，用于收集污泥和污物，沉泥斗的倾斜角为55°～60°，可按照实际情况灵活调整；集泥区3还设置有排泥管3.1，排泥管3.1管径可以DN50，管材可以采用PVC塑料管。

另外，进水管1和出水管10的管径大小可以根据日处理量确定，范围可以为DN20～DN60，管子中的流速对应布水流速。

本实用新型中的一体化多功能湿地处理系统，尤其适合小型户使用，例如可供给农村村落或者临近几户的居民处理生活污水。该一体化多功能小型户用人工湿地处理系统，由三块隔板分成四个区域，相邻区域水流方向相反，呈现交替变化。该人工湿地类型属波形潜流人工湿地，有较好的处理效果。该系统除了常规的污水处理工作状态外，其工作状态还存在反向冲洗状态。排泥管3.1和微孔隔板3.2可实现自动防堵塞，即可利用系统第二格蓄水，利用水的重力，实现反向冲洗，防止填料堵塞，且杂质和污泥可通过排泥管3.1排出系统。在反向冲洗状态下，被隔板隔出的第二区域用于直接通入清洁水，利用该清洁水的重力，实现反向冲洗，将能够通过带孔隔板3.2孔径的杂质冲洗到集泥区3，与该集泥区3内的污泥和污物一并通过排泥管3.1排出该一体化多功能湿地处理系统。

本实用新型中所采用的微生物种类(如好氧微生物、异养细菌、硫自养菌等)均可采用已有的具有相应功能的微生物。本实用新型中的好氧反应区类似于A²O中的好氧区，可以采用相同的微生物菌群种类。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。