一种竖流强化式生物净水装置的制作方法

本实用新型涉及生物净水领域，尤其涉及一种竖流强化式生物净水装置。

背景技术：

生物净水技术是目前常用的非点源污染控制技术，具有独特的水文、物理、化学、生物等特性，不仅能够形成特有的生物群落栖息地，同时具备过滤、沉降、去除外源污染的能力。近年来，生物净水技术衍生出的各种装置、工艺以其方法简单、投资少、见效快的优势得到了快速发展。

人工湿地即是其中的典型代表。人工湿地工艺大体分为表流式和潜流式两种类型。表流式人工湿地的水位较浅(一般不大于60cm)，其主要依靠湿地植物的吸收作用净化污水。有关研究表明，表流式人工湿地因单纯依靠植物的吸收作用，其净化效果十分有限，而且植物凋落物会随微生物的降解将有机氮磷重新释放入水体。

潜流式人工湿地的水位较深(一般超过60cm)，其不仅依靠植物的吸收作用，而且通过滤料的过滤、吸附作用和附着在滤料表面的微生物降解作用实现污水的净化，从而具备相比表流式人工湿地系统更佳的净化性能。但传统的潜流式人工湿地在实际运行中依然存在占地面积大、水体复氧差、短流、易堵等疑难问题。

潜流式人工湿地系统因占地面积大，与农业用地争夺着宝贵的土地资源。因此通过提高单位面积湿地的净化效率以节省其占地，成为生物净水技术及工艺改进的重要方向。

潜流式人工湿地系统因水位较深，滤料在长期运行挂膜后透气性减弱，造成复氧能力不足，这业已成为共识。当水体缺氧时，微生物的硝化及有机物好氧分解作用就会受到抑制，因此亟需采用经济有效的方式提升潜流式人工湿地水体的溶解氧水平。

短流是潜流式人工湿地在实际运行中因流动不畅引起的污水过水时间缩短的现象。过水时间的缩短使得湿地系统无法实现氨氮的完全硝化，进而限制氮素的进一步反硝化，使得处理后水体的总氮无法达标。此外，污水中的悬浮性颗粒物(SS)极易堵塞湿地滤料，造成断流。因此潜流式人工湿地的短流和堵塞问题亟待解决。

另外，潜流式人工湿地的植物衰败后若不能及时清理，植物的茎叶及根系便会腐烂，释放出有机污染物质，进一步加剧湿地系统的有机负荷。因此提高湿地系统的负荷承载力亦是一种实际需要。

为了弥补传统潜流式人工湿地复氧差、易堵塞、易短流、二次污染严重的不足，本实用新型提出了一种新型的生物净水装置。

技术实现要素：

为实现本实用新型的目的，本实用新型提出了一种竖流强化式生物净水装置，包括：升流井、降流井、平流管及循环流净水介质。

本实用新型提出的竖流强化式生物净水装置中，所述升流井和降流井竖向设置在所述循环流净水介质中；所述平流管设置于升流井上部和降流井上部间，并将二者连通；所述升流井下部和所述降流井下部均设有若干通孔；所述升流井内设有曝气盘，所述降流井内设有生物膜载体填料；所述循环流净水介质铺设在所述升流井和降流井的外侧，介质层之间敷设无纺布；所述循环流净水介质顶面可栽种湿地植物。

优选地，循环流净水介质的铺设高度超出所述竖流强化式生物净水装置常规水位线5～10cm；

优选地，升流井和降流井的外形均为圆柱体，采用钢筋砼浇筑或砖砌等方式制成；

优选地，升流井的直径为5～20cm，高度超出所述循环流净水介质顶面10～20cm；

优选地，降流井的直径为15～50cm，高度超出所述循环流净水介质顶面10～20cm。

所述升流井中的曝气盘采用膜片微孔曝气盘，通过设置于湿地地面上的鼓风机供气，曝气盘直径略小于升流井的直径；

优选地，降流井中的载体填料采用人工合成纤维或塑料，如：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、增强聚丙烯(RPP)、氯化聚氯乙烯(CPVC)及聚偏烯(PVDF)等制成，载体填料的填充率为65％～95％。

所述的升流井和降流井的下部均设有若干通孔，通孔直径为1～3cm，数量为10～50个，均匀分布于井底以上5～50cm范围内。

优选地，平流管设置于升流井上部和降流井上部间，并将所述升流井和降流井连通；

优选地，平流管的设置高度与所述循环流净水介质顶面齐平；

优选地，平流管采用铸铁或PVC材质，其直径为5～15cm，管壁密封。

所述循环流净水介质铺设在所述升流井和降流井的外侧，其由上而下依次为粗砂层、陶粒层、铁碳层、烧结高岭土颗粒层，滤料层之间滤料层之间敷设无纺布；

优选地，粗砂层的铺设厚度为10～30cm，粗砂粒径为0.5～1mm；

优选地，陶粒层的铺设厚度为20～40cm，陶粒粒径为5～10mm；

优选地，铁碳层的铺设厚度为30～50cm，铁碳粒径为8～12mm；

优选地，烧结高岭土颗粒层的铺设厚度为40～60cm，烧结高岭土颗粒的粒径为40～80mm。

所述粗砂层顶面可栽种美人蕉、菖蒲、芦苇、鸢尾等挺水植物，栽种时为5～20cm幼苗，春季栽种，冬季收割。

基于以净水装置，本实用新型同时提出了一种竖流强化式生物净水方法，包括以下步骤：

步骤一：污水从进水口流至池体内；

步骤二：污水首先流经栽种在循环流净水介质顶面的植物根系，继而在重力作用下自上而下流经多层净水介质；

步骤三：污水到达升流井下部通孔附近，经由升流井提水的负压作用被吸入，并依靠汽提作用提升至平流管，继而被输送至降流井；污水流经降流井内部的载体填料，其中的污染物质即被载体填料上的生物膜降解去除；最后污水从降流井下部的通孔流回循环流净水介中；

步骤四：经循环流净水介质和降流井多次循环与净化的水体在湿地整体水流的推流作用下流向湿地出水口并排出；

步骤五：所述植物生长成熟后对其进行收割；

步骤六：收割后，在所述循环流净水介顶面重新栽种所述植物。

本实用新型与现有相关技术相比的创新之处及增益效果为：

1.本实用新型在潜流式人工湿地中引入升流井与降流井，强化了湿地内水体的竖向循环、横向交换及垂直过滤作用，从而改善湿地系统的水力条件与传质特性，弥补了潜流式人工湿地水体循环交换不足，易短流的缺点；

2.升流井的曝气设施提升了湿地系统中水体的溶氧，有利于好氧微生物降解水体中的有机质和氨氮(硝化)，防止水体黑臭，从而在提高净化性能的同时改善湿地系统的环境条件与景观效果；

3.降流井具备富集微生物的功能，而且载体填料上形成的生物膜具备“好氧-兼氧-厌氧”的微环境，从而实现微生物对污水中有机质、氨氮、硝氮、硫化物、磷酸盐等的多功能、高效净化；

4.循环流净水介质耦合湿地内水体的竖向循环与横向交换，其与水体的接触面积和垂直过滤作用得到明显改善，滤料的过滤、吸附、离子交换和电化学反应效率得以大幅促进；

5.循环流净水介质中引入铁碳材料，通过电催化还原作用强化了水体的脱氮(硝态氮和亚硝氮氮被还原为氮气)和除磷(溶解性正磷酸盐与亚铁离子和氢氧根形成不溶性络合物)作用，从而改善传统生物净水装置的脱氮除磷性能；

6.循环流净水介质中升流井和降流井的设置在强化净化性能的同时增大了湿地系统的有效容积，从而较潜流式人工湿地具备更大的承载负荷，因此可以有效节省占地；

7.降流井中的载体填料能够截留水体中的悬浮颗粒物，经一段时期运行后可通过清洗、更换载体填料的方式去除其截留的悬浮颗粒物，从而减少湿地系统堵塞的风险，并为检修、维护提供了便利；

8.本实用新型提出的竖流强化式生物净水装置中的曝气设施既实现了湿地系统的竖向水体循环与横向交换，又实现了湿地水体复氧和好氧微生物耗氧供给，一能多用，高效节能；此外，本实用新型提出的竖流强化式生物净水装置上可种植经济作物，在净水同时取得经济收益。

9.源自鼓风机的气流在冬季有增温效应，弥补传统湿地冬季净化性能不足的缺陷。

综上，本实用新型提出的竖流强化式生物净水装置及其净水方法具有节省占地，高效节能，维护简便，净化效果好，综合收益高等优点。

附图说明

图1为本实用新型竖流强化式生物净水装置的立面图。

图2为本实用新型竖流强化式生物净水装置的平面图。

图3为本实用新型竖流强化式生物净水装置的水流流态图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对实用新型作进一步的详细说明。实施本实用新型的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本实用新型没有特别限制内容。

图1-图3中，1-进水口；2-降流井；3-生物膜载体填料；4-升流井；5-曝气装置；6-平流管；7-湿地植物；8-烧结高岭土颗粒层；9-铁碳层；10-陶粒层；11-粗砂层；12-池体；13-无纺布；14-常规水位线；15-出水口。

实施例1：

本实施例中的竖流强化式生物净水装置，如图1～2所示，升流井4和降流井2竖向设置在循环流净水介质中；平流管6设置于升流井4上部和降流井2上部间，并将二者连通；升流井4下部和降流井2下部均设有若干通孔；升流井4内设有曝气装置5，降流井2内设有生物膜载体填料3；循环流净水介质8～13铺设在升流井4和降流井2的外侧，滤料层之间敷设无纺布13；循环流净水介质顶面可栽种湿地植物7。

竖流强化式生物净水装置的池体尺寸为：10×5×1.1m，池体12采用防渗膜铺设。进水口1设置在距池底90cm处，出水口15设置在距池底5cm处，进水口1和出水口15均采用直径110cm的PVC管制成。

循环流净水介质8～13的铺设高度超出竖流强化式生物净水装置常规水位线14约10cm；升流井4和降流井2的外形均为圆柱体，采用钢筋砼浇筑方式制成；升流井4的直径为10cm，高度超出循环流净水介质8～13顶面10cm；降流井2的直径为30cm，高度超出循环流净水介质8～13顶面10cm；

升流井4中的曝气装置5采用膜片微孔曝气盘，通过设置于湿地地面上的鼓风机供气，曝气装置5直径为8cm；鼓风机的气量为0.75m³/s，升流井的提升水流流量为0.05m³/m；降流井4中的载体填料3采用聚乙烯(PE)纤维材料制成，载体填料的填充率为75％。

升流井4和降流井2的下部均设有若干通孔，通孔直径为1cm，数量为20个，均匀分布于井底以上5～40cm范围内。平流管6设置于升流井4上部和降流井2上部间，并将升流井4和降流井2连通。平流管6的设置高度与循环流净水介质顶面齐平，采用PVC材质，其直径为5cm，管壁密封；

循环流净水介质8～13铺设在升流井和降流井的外侧，其由上而下依次为粗砂层11、陶粒层10、铁碳层9、烧结高岭土颗粒层8，滤料层之间滤料层之间敷设无纺布13；粗砂层11的铺设厚度为10cm，粗砂粒径为0.5～1mm；陶粒层10的铺设厚度为20cm，陶粒粒径为5～8mm；铁碳层9的铺设厚度为30cm，铁碳粒径为8～12mm；烧结高岭土颗粒层8的铺设厚度为40cm，烧结高岭土颗粒的粒径为40～60mm。

粗砂层11顶面栽种美人蕉、茭白和水芹菜7，栽种时为5～10cm幼苗，春季栽种，秋季收割。

上述实施例中的竖流强化式生物净水装置的净水方法包括以下步骤：

步骤一：污水从进水口流至湿地内；

步骤二：污水首先流经栽种在循环流净水介质顶面的植物根系，继而在重力作用下自上而下流经循环流净水介质；

步骤三：污水到达升流井下部通孔附近，经由升流井提水的负压作用被吸入，并依靠汽提作用提升至平流管，继而被输送至降流井；污水流经降流井内部的载体填料，其中的污染物质即被载体填料上的生物膜降解去除；最后污水从降流井下部的通孔流回滤料层；

步骤四：经循环流净水介质和降流井多次循环与净化的水体在湿地整体水流的推流作用下流向湿地出水口并排出。

步骤五：植物生长成熟后对其进行收割；

步骤六：收割后，在循环流净水介质顶面重新栽种植物。

实施例2：

竖流强化式生物净水装置，其基本构造和净水方法同实施例1，其具体实施方式为：

竖流强化式生物净水装置的池体尺寸为：8×6×1.6m，池体12采用防渗膜铺设。进水口1设置在距池底90cm处，出水口15设置在距池底150cm处，出水口15设置在距池底10cm处，进水口1和出水口15均采用直径200cm的PVC管制成。

循环流净水介质8～13的铺设高度超出竖流强化式生物净水装置常规水位线14约15cm；升流井4和降流井2的外形均为圆柱体，采用砖砌方式制成；升流井4的直径为20cm，高度超出循环流净水介质8～13顶面15cm；降流井2的直径为35cm，高度超出循环流净水介质8～13顶面15cm；

升流井4中的曝气装置5采用膜片微孔曝气盘，通过设置于湿地地面上的鼓风机供气，曝气装置5直径为16cm；鼓风机的气量为0.95m³/s，升流井的提升水流流量为0.1m³/m；降流井4中的载体填料3采用氯化聚氯乙烯(CPVC)纤维材料制成，载体填料的填充率为80％。

升流井4和降流井2的下部均设有若干通孔，通孔直径为2cm，数量为40个，均匀分布于井底以上5～50cm范围内。平流管6设置于升流井4上部和降流井2上部间，并将升流井4和降流井2连通。平流管6的设置高度与循环流净水介质顶面齐平，采用铸铁材质，其直径为10cm，管壁密封；

循环流净水介质8～13铺设在升流井和降流井的外侧，其由上而下依次为粗砂层11、陶粒层10、铁碳层9、烧结高岭土颗粒层8，滤料层之间滤料层之间敷设无纺布13；粗砂层11的铺设厚度为20cm，粗砂粒径为0.5～1mm；陶粒层10的铺设厚度为30cm，陶粒粒径为5～8mm；铁碳层9的铺设厚度为50cm，铁碳粒径为8～12mm；烧结高岭土颗粒层8的铺设厚度为50cm，烧结高岭土颗粒的粒径为60～80mm。

粗砂层11顶面栽种鸢尾、空心菜和生菜7，栽种时为5～10cm幼苗和种子，春季栽种，秋季收割。

实施例3：

竖流强化式生物净水装置，其基本构造和净水方法同实施例1，其具体实施方式为：

竖流强化式生物净水装置的池体尺寸为：12×8×2m，池体12采用防渗膜铺设。进水口1设置在距池底160cm处，出水口15设置在距池底5cm处，进水口1和出水口15均采用直径200cm的PVC管制成。

循环流净水介质8～13的铺设高度超出竖流强化式生物净水装置常规水位线14约20cm；升流井4和降流井2的外形均为圆柱体，采用砖砌方式制成；升流井4的直径为15cm，高度超出循环流净水介质8～13顶面20cm；降流井2的直径为50cm，高度超出循环流净水介质8～13顶面15cm；

升流井4中的曝气装置5采用膜片微孔曝气盘，通过设置于湿地地面上的鼓风机供气，曝气装置5直径为12cm；鼓风机的气量为1.2m³/s，升流井的提升水流流量为0.13m³/m；降流井4中的载体填料3采用氯化聚氯乙烯(CPVC)合成纤维制成，载体填料的填充率为90％。

升流井4和降流井2的下部均设有若干通孔，通孔直径为2cm，数量为50个，均匀分布于井底以上5～50cm范围内。平流管6设置于升流井4上部和降流井2上部间，并将升流井4和降流井2连通。平流管6的设置高度与循环流净水介质顶面齐平，采用铸铁材质，其直径为8cm，管壁密封；

循环流净水介质8～13铺设在升流井和降流井的外侧，其由上而下依次为粗砂层11、陶粒层10、铁碳层9、烧结高岭土颗粒层8，滤料层之间滤料层之间敷设无纺布13；粗砂层11的铺设厚度为20cm，粗砂粒径为0.5～1mm；陶粒层10的铺设厚度为40cm，陶粒粒径为5～8mm；铁碳层9的铺设厚度为40cm，铁碳粒径为8～12mm；烧结高岭土颗粒层8的铺设厚度为80cm，烧结高岭土颗粒的粒径为60～80mm。

粗砂层11顶面栽种芦苇、茭白和黄菖蒲7，栽种时为10～15cm幼苗，春季栽种，秋季收割。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

竖流强化式生物净水装置的池体尺寸为：6×5×1m，进水口1设置在距池底85cm处，出水口15设置在距池底5cm处，进水口1和出水口15均采用直径7.5cm的PVC管制成。

循环流净水介质8～13的铺设高度超出竖流强化式生物净水装置常规水位线14约8cm；升流井4和降流井2采用砖砌方式制成；升流井4的直径为8cm，高度超出循环流净水介质8～13顶面10cm；降流井2的直径为25cm，高度超出循环流净水介质8～13顶面10cm；

升流井4中的曝气装置5直径为6cm；鼓风机的气量为0.5m³/s，升流井的提升水流流量为0.02m³/m；降流井4中的载体填料3采用聚丙烯(PP)合成纤维制成，载体填料的填充率为80％。

平流管6的设置高度与循环流净水介质顶面齐平，采用PVC材质，其直径为7.5cm；

粗砂层11顶面栽种千屈菜、石菖蒲和薄荷7，栽种时为5～8cm幼苗。

实施例5：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

升流井4中的曝气装置5采用穿孔曝气管盘绕制成；鼓风机的气量为0.65m³/s，升流井的提升水流流量为0.03m³/m；降流井4中的载体填料3采用聚偏烯(PVDF)合成纤维制成，载体填料的填充率为85％。

粗砂层11顶面栽种千屈菜、石菖蒲和薄荷7，栽种时为5～8cm幼苗。

实施例6：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：

升流井4中的曝气装置5采用曝气沙头制成，沙头直径为5cm；鼓风机的气量为1.3m³/s，升流井的提升水流流量为0.15m³/m；降流井4中的载体填料3采用增强聚丙烯RPP合成纤维制成，载体填料的填充率为90％。

本实用新型的保护内容不局限于以上实施例。在不背离实用新型构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本实用新型中，并且以所附的权利要求书为保护范围。