一种具有脉冲配水和模块化人工湿地的污水处理系统的制作方法

本发明属于水污染处理领域，具体涉及人工湿地净化技术。

背景技术：

随着农村生活水平的不断提高，农村生活污水的排放量也逐渐增加。长期以来，人们对分散型农村生活污染重视不足，由于经济发展水平不高、基础设施建设落后，当地百姓环保意识不足，生活污水污水收集、处理系统不完善等原因，农村缺乏有效的农村户用污水治理技术和管理手段，导致大量未经处理污水的随意排放，农村地区水污染形势日益严重，严重的影响了农村的生态环境，农民的饮水安全无法得到保证。针对农村住户分散、厕所设施落后，以及农村生活污水具排放分散、水量和水质波动大、水质污染严重（尤其是农村厕所污水）等特点，发明经济适用的分散式厕所污水处理技术十分必要。

目前我国农村污水处理的模式主要有集中处理模式和分散处理模式。集中处理模式主要用于农户相对集中、地势有一定落差的地区，多采用生态塘系统和湿地处理系统；分散处理模式的处理方法主要有化粪池法、稳定塘法、生物膜法和人工湿地法。在农户分散的农村地区，化粪池法最为常见但其复氧效果不佳，使得化粪池处理污水效率较低且出水水质难以达标；稳定塘可充分利用地形特点且能耗较低，但存在有机负荷低、占地面积大、受气候影响大、脱氮除磷不理想等缺点；生物膜法占地面积小且处理效果好，但投资大、抗冲击负荷能力不足；而人工湿地技术具有造价和运行费用低、运行管理方面、净化效果好等优点，是分散式农村生活污水处理的常见技术。

但是，对于人工湿地技术，进水的周期性和稳定性很大程度上决定了处理设施的污染负荷和处理效果。而在农村地区，化粪池的出水周期性和稳定性很差，利用脉冲配水的间歇进水方式，不但能够克服农村生活污水水量和水质波动大的缺点，并且人工湿地单元配合间隙式运行模式，在排水期空气随着湿地内水位下降通过通气管进入基质层，形成好氧基质环境，提高人工湿地处理效果。现有脉冲配水装置一般是采用复杂的液位传感装置及电磁控制阀门控制，利用水泵或闸门等动力装置，通过人工操作或程序远程控制进行周期性配水，通常系统比较复杂，这样就导致了故障率高，维修管理困难，不适用农村生活污水处理。也有部分虹吸式脉冲配水系统，虽然没有复杂的液位传感装置及电磁控制阀门控制，但是在进水为小流量的情况下往往产生连续的溢流而不能形成虹吸，从而失去脉冲配水的功能，不能稳定运行。

技术实现要素：

本发明针对现有农村厕所污水处理技术投资运行成本高、占地面积大、效率较低且处理环境恶劣的问题，提供一种模块式一体化自清脉冲好氧型人工湿地，利用进水模块中脉冲式配水箱调节人工湿地间隙式运行模式，实现水量波动较大情况下的自动水力控制；利用模块化人工湿地的间隙式垂直下向流处理过程，形成好氧基质环境，使污水中污染物在人工湿地中进行微生物、基质和植物综合降解，并通过采用人工湿地的模块化成套设计，使设备可以实现批量生产、现场快速组装。

本发明的具体技术方案如下：

具有脉冲配水和模块化人工湿地的污水处理系统，包括依次顺序设置的预处理单元、进水单元和人工湿地单元。所述预处理单元为化粪池，设置在进水单元前端。所述人工湿地单元包含一个或多个人工湿地模块和集水池。人工湿地模块为间隙式垂直下向流人工湿地结构，自上而下依次布置布水管、湿地复合填料基质层、集水管和防渗层。所述布水管与进水单元的出水口相连。当连接多个人工湿地模块时，人工湿地模块中布水主管与总布水管相连，总布水管与进水单元出水口相连。所述集水池设于人工湿地模块之后。所述集水池中设有湿地自清反冲洗装置和出水管，所述湿地自清反冲洗装置通过通气管与人工湿地模块的集水管末端的阀门连接。当连接多个人工湿地模块时，湿地自清反冲洗装置与人工湿地模块的总集水管相连，并且总集水管与各个人工湿地模块的集水主管末端相连。所述进水单元为脉冲式配水装置，通过进水单元周期性向人工湿地布水，排水期空气随着湿地内水位下降进入基质层，形成好氧基质环境，污水中污染物在湿地中进行微生物、基质和植物综合降解，实现污水处理。

本发明中，当采用多个人工湿地模块时，每个人工湿地模块结构相同，多个人工湿地模块阵列布置。

本发明中，所述脉冲式配水装置包括配水箱和装于箱内的管式自动进出水器，所述配水箱设进水口，所述管式自动进出水器包括进水管、软管、出水管和可开闭挡水结构。管式自动进出水器的出水管设于配水箱底部，从配水箱底部的开孔穿出；所述进水管通过软管与出水管，为自由可移动状态，所述进水管的重力小于或等于其所受的浮力，进水管受软管限制，其上浮的最高高度低于配水箱进水的最高水位；所述可开闭挡水结构设置在进水管中，可随进水管位置变化而开闭；在配水箱一个存水期内，进水管随箱内液面上升而上浮，当上浮至最高高度，挡水结构闭合，液面高过进水管的管口，箱内水开始流入进水管，在进水管前部形成存水空间，进行短暂存水，使得进水管自重增加而开始下沉，挡水结构开启，污水即通过进水管、软管和出水管排出配水装置，当进水管下沉至配水箱底部，液面低于进水管的管口，完成一个排水期，进水管又开始随液位上浮，开始下一个存水期，如此循环，形成脉冲式配水。

所述人工湿地模块中湿地自清反冲洗装置的清洗水源来自集水池并通过水泵从通气管顶端向人工湿地回灌。所述湿地自清反冲洗装置通过通气管与湿地模块的集水主管末端的阀门连接。阀门正常工作状态为常开，人工湿地清洗时阀门关闭。当设置多个人工湿地模块，所述湿地自清反冲洗装置通过通气管与湿地模块的总集水管末端的阀门连接，各个湿地模块的集水主管与总集水管连接。阀门正常工作状态为常开，人工湿地清洗时阀门关闭。

本发明的有益效果是：

1、本发明中人工湿地采用了间隙式垂直下向流人工湿地，通过进水单元的脉冲式配水装置周期性向人工湿地布水，排水期空气随着湿地内水位下降进入基质层，形成好氧基质环境，随后污水中污染物在间隙式垂直下向流人工湿地中进行微生物、基质和植物综合降解，净化后的水进入集水槽收集、汇入集水池贮存。与常见的连续流人工湿地相比，这种间隙式运行方式周期性将空气封于填料层中，向基质提供良好好氧条件，加强了氧向填料床的转移，强化了微生物好氧降解作用，提高了湿地床溶解氧水平，在有机物生物降解和氨氮硝化过程中，保证良好的碳氧化和硝化作用。另外，湿地填料采用专用复合型填料，如砾石等，吸附性能较好，可以有效提升有机物和氮的去除效率，同时通过化学螯合反应实现磷的长期高效去除。湿地进水布水管上敷设大粒径砾石，水层隐藏在砾石下，减少臭味和蚊蝇问题，对环境友好。

2、本发明中进水单元采用的脉冲式配水装置是利用浮力进行机械式脉冲配水的结构，实现将连续性进水转化为周期性进水的目的。本发明利用装置本身浮力以及巧妙设置挡水结构，可实现水力自动调节，调节人工湿地进水流量、控制进水周期，其结构简单，整体效率高，不需要动力，性能稳定，无需人工操作就可实现周期性配水，并且也便于模块化设计及安装，低能耗、低成本、占地小，基本无日常管理。可有效解决农村污水因排放分散、水量少、水质差且难以低成本达标处理的问题。

3、本发明在人工湿地中集成了自动清洗系统，人工湿地集水总管末端伸入集水槽内，管末端设置阀门控制出水，阀门前端设一通气管伸至高于湿地表面，便于人工湿地清洗，人工湿地工作状态下阀门常开人工湿地清洗时，阀门关闭，通过水泵将集水池中水回灌入通气管进行人工湿地反清洗，防止出现普通人工湿地系统经常出现的堵塞、板结问题，每半年清洗一次，保证湿地的长效稳定运行。

4、本发明中人工湿地单元通过一个或多个人工湿地模块组合而成，各人工湿地模块结构相同，阵列布置，便于进行模块化成套设计和工厂批量生产，能够现场快速组装，这样施工简便、建设工期短、造价低、运行成本极低、占地面积较普通人工湿地小很多。

5、本发明可以在无人工供氧、无化学药剂、无能耗、基本无日常管理的情况下实现污水中c、n、p的高效去除，出水可以达到国家《污水综合排放标准》的一级标准；整个系统可实现水力自动调控，无须人员值守，无须自动控制系统，仅需从进水至出水有1.5米的水位高差即可。

附图说明

图1是具有脉冲配水和模块化人工湿地的污水处理系统的一种结构形式的俯视图。

图2是具有脉冲配水和模块化人工湿地的污水处理系统的一种结构形式的剖面图。

图3是具有脉冲配水和模块化人工湿地的污水处理系统中单个湿地模块的剖面示意图。

图4是进水单元脉冲式配水装置的结构图（液位最低状态）。

图5是进水单元脉冲式配水装置的结构图（液位最高状态）。

附图标记说明：

1、预处理单元（化粪池）；

2、进水单元（脉冲式配水装置），21、配水箱，22、进水口，23、进水管，24、软管，25、出水管，26、挡板，27限位器；

3、人工湿地单元（包括人工湿地模块和集水池），31、防渗层，32、通气管，33、穿孔布水管，34、湿地复合填料基质层，35、穿孔集水管，36、湿地反冲洗装置，37、集水池，38、排水管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，具有脉冲配水和模块化人工湿地的污水处理系统包括预处理单元1、进水单元2、人工湿地单元3。

预处理单元1为农村地区各农户家里的化粪池。其出水通过进水单元2的进水口接入，进水单元2为脉冲式配水装置，通过其配水箱内设置的管式自动进水装置，当水位达一定高度后在管式自动进水装置内完成进水、短暂存水、排水过程，再次随水位下降沉至箱底，实现周期性脉冲式配水给人工湿地单元3。

人工湿地单元3为间隙式垂直下向流人工湿地结构，包含人工湿地模块和集水池37。根据处理能力的需要，人工湿地模块可设计一个模块，或多个人工湿地模块组合，当设计为多个模块时，各模块结构相同，阵列布置。每个人工湿地模块的底部铺设防渗层31，在防渗层31上方设有穿孔集水管35，在防渗层31和穿孔集水管35上方为湿地复合填料基质层34，湿地顶层设有穿孔布水管33。

当连接一个人工湿地模块时，所述布水管33与进水单元2的脉冲式配水箱的出水口相连，敷设于湿地表层80~150mm处，布水管33上分布穿孔，包括布水主管和与布水主管相通的多个布水支管，多个布水支管在所述湿地复合填料基质层34上方阵列均布。当连接多个人工湿地模块时，所述脉冲配水箱后及人工湿地单元前可以增设配水井，所述各个湿地模块的布水管33通过总布水管与进水单元中配水井的出水口相连。

当连接一个湿地模块，所述集水管35也为穿孔管，敷设于防渗层上部，包括集水主管和与集水主管相通的多个布水支管，多个集水支管在所述湿地复合填料基质层34下方阵列均布，并按一定坡度倾向集水槽。所述集水主管和集水支管的起端配有相应的通气管32，集水主管末端设置阀门39，阀门39前端设一反冲洗管。当连接多个人工湿地模块时，各个湿地模块的集水管35与总集水管联通，总集水管末端设置阀门39，阀门39前端设一反冲洗管。

当连接一个人工湿地模块时，所述集水池37设于人工湿地模块之后，并配有湿地自清反冲洗装置36。所述湿地自清反冲洗装置36与人工湿地模块中穿孔集水管35的集水主管在集水池37中相连，并配有水泵。集水池37还设有排水管38用于排放处理后得到的清水。当连接多个人工湿地模块时，所述湿地自清反冲洗装置36与湿地模块的总集水管在集水池37相连，并配有水泵。集水池37还设有排水管38用于排放处理后得到的清水。

参见图3和图4，进水单元2的脉冲式配水装置具体结构包括配水箱21和装于箱内的管式自动进出水器。配水箱21上设有配水箱进水口22，用于接入化粪池的污水。

管式自动进水器包括依次连接的进水管23、波纹软管24和出水管25。

出水管25设于配水箱底部，从配水箱底部的开孔穿出箱体，开孔处保证密封。出水管25最佳的位置是水平或接近于水平设置，便于顺利排水。

进水管23和出水管25之间通过波纹软管24连接，这样可以保证进水管23在受到水的浮力时自由移动。并且软管24能够保证进水管顺利上浮至低于液面上升的最高水位的位置。

进水管23总体的重力要设计得小于水的浮力，两者差值约为进水管23短暂存水时，水的重力的75%~90%，以保证在存水期时，进水管具有足够的浮力能够上浮，同时实现存水周期结束后，具有足够的重量能够迅速沉到进水箱底端。但是进水管上浮的最高高度要受软管延伸的长度限制，应设计为其上浮的最高高度低于配水箱进水的最高水位，这样，在配水箱一个存水期内，开始时，进水管会随箱内液面上升而上浮，当上浮至最高高度后，液面会逐渐高于进水管，参见图4，箱内污水就开始流入进水管，使得进水管自重增加，从而下沉至配水箱底部。

进水管23中设有由挡板26和限流器27组成的挡水结构，在挡水结构关闭时，实现短暂存水，使进水管力矩大于浮力力矩，进而下沉。以进水管水平状态为基准，挡板26上端与进水管23的内壁上侧可转动连接，能够自由地前后翻转，实现开启关闭。挡板26下端为挡水部，用于关闭时，在进水管前部短暂存一部分水。限位器27固定在进水管23内壁下侧，并位于挡板26后方（沿水流的方向），朝挡板26方向倾斜，倾角最好为60~80度。当挡板26向后翻转，挡水部与限位器27接触后，相互配合即挡水结构就形成闭合关系。

对于挡板26在进水管23内壁上的可转动连接形式可以是本领域技术人员都知道的铰链连接、转动销连接等各种形式。对于下端为挡水部，其是整个进水管截面形状的一部分，可以随截面形状，是半圆形、方形等形状。只要满足在与限位器结合后局部阻断进行管部分通道即可。

挡水结构的工作方式为：在进水管23进水初期，进水管23处于斜向上漂浮状态，挡板26受自身重力作用向后倾斜一定角度，挡板26的挡水部周边和限位器27贴合，即挡水结构关闭，短暂阻断进水流向出水管，开始短暂存水。当进水管23因存水增加重量，开始迅速下沉，同时进水也超过挡水部的高度，流向出水管，装置开始排水，存水状态结束。在进水管23下沉过程中，挡板26受自身重力作用，逐渐由倾斜状态变成垂直状态，与限位器27脱开，在进水管23下沉至水平状态即到配水箱底部后，液面低于进水管23的管口，完成一个排水期。

在本发明进一步实施例中，所述进水管25前端最好设计为弯管结构，其进口向上弯折，弯折角度为110~150度，该结构能更好地保证在配水相中水位达到最高时，液面与进水管口基本平齐。

在本发明进一步实施例中，所述进水管25的管径也要设计得大于进水管软管24和出水管25的管径，最好比例为2:1~3:1，这样更容易适配软管，同时增大出水的流速，满足后续处理过程中布水系统的流速需求。

本发明中，所述间隙式垂直下向流人工湿地中的湿地模块采用间隙式运行模式，通过脉冲式配水装置周期性向人工湿地布水，排水期空气随着湿地内水位下降进入基质层，形成好氧基质环境，污水中污染物在湿地中进行微生物、基质和植物综合降解。

本实施例的工作过程：

农村厕所污水在进入预处理单元1经过初步沉淀发酵处理后，从进水口22进入进水单元2中的脉冲式配水箱21。在存水期，脉冲式配水箱21中的管式自动进水器会随着配水箱内液面上升而上浮，浮力主要通过大管径的进水管23给装置提供，管式自动进水器自身重力与浮力维持平衡，随水位升高而上升。当水位达一定高度后，在管式自动进水装置内完成进水、短暂存水、排水过程，管式自动进水器再次随水位下降沉至箱底，实现调节污水进水量波动。存水期管式自动进水装置随着配水装置内液面上升而上浮，当液面上升至最高水位时，装置因结构以及自重约束（同上）不再上浮，箱内污水通过进水弯管流入装置，使装置自重增加，此时浮力与重力产生的力矩平衡被打破，装置开始快速下沉，污水便通过软管不断排出；当装置沉至底部，配水装置内液面下降至最低水位，此时排水期结束，下一个存水周期开始。

如此配水箱21中的管式自动进水装置利用浮力实现周期性脉冲式配水进入间隙式垂直下向流人工湿地单元3。模块式的间隙式垂直下向流人工湿地采用间隙式运行方式，在排水期，脉冲式配水箱中的污水经过布水管33进入人工湿地模块中，污水中的污染物在湿地中进行微生物、基质和植物综合降解，净化后的水进入通过穿孔集水管35收集进水集水池37进行贮存。在两个排水期之间的存水期，空气进入湿地复合填料基质，提高湿地床溶解氧水平，强化有机物生物降解和氨氮硝化过程，保证人工湿地内较高水平的溶解氧浓度，保证湿地的碳氧化和硝化作用，保证出水水质。

经过处理的污水在人工湿地模块中由穿孔集水管35收集，穿孔集水管的总管和支管在正常工作状态时，阀门常开。处理后的洁净水在集水池37中贮存，并最终通过排水管38排放。

在湿地自清反冲洗时，穿孔集水管35的阀门关闭，集水池37中的洁净水由水泵从湿地反冲洗装置36顶端通过穿孔集水管35向人工湿地模块回灌，完成清洗过程。

对于本领域的技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，并且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明说的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。