一种双肾式潜流净化湿地构造及其净水方法与流程

本发明涉及水处理方法系统领域，尤其涉一种双肾式潜流净化湿地构造及其净水方法。

背景技术：

人工湿地是基于对自然湿地环境的模拟而建立的一种人工生态系统，德国于1974年首次建成人工湿地用于污水处理，此后世界各国先后建立不同类型的人工湿地用于不同废水的处理。我国在人工湿地的研究方面起步较晚，经过40多年的研究和实践，人工湿地被用于净化工业废水、污水处理厂尾水、农村生活污水、垃圾渗虑液、河流微污染水、农田排水、降雨径流及冰雪融水等。

根据人工湿地系统中水流方式的不同，人工湿地可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地。不同类型的人工湿地具有各自的结构特点，且适用不同的水体工程。

工生态湿地技术对污水有较好的处理效果、较高的技术实施性和较好的景观生态性，因此是规模化处理污水不可或缺的技术之一。综合人工生态湿地技术的研究现状，对其技术的优化和深化利用，存在以下缺点：

(1)不同的人工湿地类型有着不同的特点，如何取长补短，其对目标废水的适应性也各有差异，因此针对不同的进水水质特点和地区景观特点，选择合适的人工湿地类型、基质类型及粒径、植物种类和配置方式以及运行参数，是人工湿地稳定高效运行的关键。

(2)加强人工湿地微观技术的研究，对人工湿地的优化设计和实施提供技术支持。基质、植物和配置方式是人工湿地运行效率的重要影响因素，因此应从相应微观技术组成环节出发，结合不同的水质特点，对基质、植物和相应配置的最佳方式进行优化设计和探索；除此之外，在人工湿地的工程化应用中，多从人工湿地水力负荷、污染负荷及水力停留时间等方面作实验探索，而在基质组合、植物配置及进水方式等方面却较少关注，应当在相应微观技术的探索方面做进一步努力。

(3)对于加强人工湿地去污机理尚需研究，人工生态湿地对不同的污染物有着不同去除特点，而污染物的最佳去除又对人工生态湿地的微观环节有着特殊要求，因此，加强对人工湿地去污机理的研究以反馈人工湿地微观技术的优化，对人工湿地的优化设计和实施有着较高的理论指导意义，

现有的水平潜流人工湿地具有众多缺点，如易受固体悬浮物及积累有机物的堵塞、基质层中氧环境较差等，在一定程度上限制了水平潜流人工湿地的功能。

技术实现要素：

发明目的，现有技术中提升潜流湿地的搭配组合，更近现有的潜流湿地及植物搭配的优缺点的问题，而提供了一种双肾式潜流净化湿地构造及其净水方法。

本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的：

一种双肾式潜流根系净化湿地构造，包括用于引入污水的蓄水池和用于排出清水的清水池:

位于所述的蓄水池和清水池之间通过湿地主体连通；

所述的湿地主体包括串联的浅处理阶梯区、深处理阶梯区，深处理阶梯区的出水口与生态沟连通至所述的清水池；

所述的浅处理阶梯区和深处理阶梯区都通过堤沿隔绝形成，浅处理阶梯区和深处理阶梯区的相对堤沿隔绝出所述的生态沟，所述的生态沟位于浅处理阶梯区和深处理阶梯之间，蓄水池与浅处理阶梯区接通。

进一步的，所述的浅处理阶梯区与深处理阶梯区结构一致且分布成180°翻转对称。

进一步的，浅处理阶梯区包括潜流区和溢流区；

所述的潜流区由上至下依次为碎石填料层、夯素土层、细沙层、厚火石岩陶粒层；

溢流区由上至下依次为碎石填料层、夯素土层、细沙层、厚火石岩陶粒层。

进一步的，位于潜流区和溢流区中都生长挺水植物。

进一步的，所述的潜流区与溢流区之间通过隔水堤隔开，所述的溢流区的竖直高度为所述的潜流区竖直高度的五分之二至二分之一之间任意一个数值。

进一步的，位于所述的潜流区的厚火石岩陶粒层中预埋有潜流管，潜流管的末端通过隔水堤穿过至所述的溢流区的厚火石岩陶粒层内。

进一步的，所述的浅处理阶梯区的溢流区通过通水管与深处理阶梯区的潜流区接通，所述的浅处理阶梯区的潜流区、溢流区、深处理阶梯区的潜流区、溢流区之间高度递减。

一种双肾式潜流根系净化湿地水处理方法，包括如上任一所述的一种双肾式潜流根系净化湿地构造，包括以下步骤，

s1.污水预处理,将污水引流至所述的蓄水池中，污水入水口位于蓄水池下部，蓄水池中持续曝气，蓄水池铺覆生态水泥，水草泥中设置潜水型植物，并张拉丝网织物，位于丝网织物上悬挂填料，污水停留时常为24h，蓄水池内流量为300～500t/d；

s2.潜流初送水净化,污水自蓄水池中被引流至浅处理阶梯区的潜流区内，潜流区为封闭池体，潜流区中设置挺水型植物，水体整体下渗时间为48h-72h，水体向下渗透，渗透过程中经过碎石填料层、夯素土层、细沙层、厚火石岩陶粒层进入潜流管中流入至浅处理阶梯区的溢流区的底部，并自下而上渐变渗透，位于浅处理阶梯区的溢流区内的净水停留48h，浅处理阶梯区的溢流区内种植伊乐藻、穗花狐尾藻、金鱼藻潜水植物；

s3.阶梯渗水净化，浅处理阶梯区的溢流区通过引水渠引流至低洼处的所述的深处理阶梯区的潜流区中，重复步骤s2；

s4.净水排出，深处理阶梯区的溢流区中的净水排放至生态沟内，生态沟内的净水引流至清水池中。

进一步的，所述的生态沟内的末端具有向上拱起的弧度，取高于弧顶的液体排入所述的清水池内。

本发明相对于现有而言具有的有益效果：

结合当地山区河流自然环境现状特征及北方冬季寒冷的特点，开展生态护岸+生态沟+人工表面流湿地+人工潜流湿地等入库面源污染控制关键技术研究，有效降低入库面源污染，起到保障入库河流水质的生态屏障作用以及调蓄水量、突发污染事件的应急处置等作用。

通过恢复湿地植物，健全其湿地生态系统，构建仿自然人工湿地，并依托怀来县官厅水库上游水生态湿地保护与修复工程开展技术验证与示范，通过现场试验和实验室检测分析，其主要水质检测指标达到了iv类标准要求，达到了改善水质的目的，使水质稳定在《地表水环境质量标准(gb3838-2002)》iv类水标准，局部达到iii类水，全面改善入库河流水质。

能够利用溶解氧梯度，使好氧区、缺氧区和厌氧区在填料层内共存，还适当增大了系统的水力停留时间，这不仅有利于系统脱氮能力的提高，而且有利于水力流态的优化和湿地系统净化效果的改善，其对废水的处理效果优于高、低位浸润线垂直流湿地。秦爱国等研究发现，出水口位置对垂直潜流人工湿地净化有显著影响，与底部出水相比，中部出水的tn、ss和cod去除率分别提高了8.01％、8.48％、7.99％，但是对氨氮、tp的去除率分别降低了26.25％和21.21％。因此，可根据废水的污染物浓度，灵活设置出水口位置。

本发明中水流通过基质表面的布水干管及支管，均匀地分配到整个基质层表面，并向下自由垂直流经整个基质床体，由基质底部的集水管网收集并排出系统，其具有基质床体富氧效果好，氧环境佳等优点，因此，该湿地对有机物和氨氮有较好的去除效果。

相对于砾石基质的人工湿地，陶粒基质湿地水平潜流人工湿地对有机污染物向低碳小分子转化更为彻底，对污水处理厂尾水中有机污染物有更好的去除效果。

水平潜流人工湿地与升渗和降渗湿地联用，组成复合流人工湿地，对弥补水平潜流人工湿地的弊端，发挥不同湿地之间的协同优势湿地单元内和边缘处高密度种植芦苇，芦苇品种选择杆高粗壮的品种，芦苇生长后形成的高密度芦苇荡冬季不收割，利用芦苇杆挡风，芦苇自然凋落形成覆盖层保温；湿地单元出水处设置水位调节井，井内设水位调节管，改善了在冬季将湿地单元内的芦苇割除的传统做法，利用芦苇叶和芦苇杆保温，既保证了湿地在冬季度的正常运行，不会造成二次污染，生态效果显著。

附图说明

图1为本发明整体组成结构图；

图2为潜流区和溢流区位置和层级分布图；

图3为生态沟布置图；

图4为图水生植物氮贡献率图；

图5为水生植物对氮的积累量；

图6水生植物对磷的积累量；

图7水生植物磷的贡献率；

图8为cod值5个采样点监测点处首月监测图；

图9为cod值5个采样点监测点处第二月监测图；

图10为cod值5个采样点监测点处第三月监测图；

图11为cod值5个采样点监测点处第四月监测图；

图12为进水qt1在7个月内cod值变化图；

图13为内部监测点qt2在7个月内cod值变化图；

图14为内部监测点qt3在7个月内cod值变化图；

图15为内部监测点qt4在7个月内cod值变化图；

图16为内部监测点qt5在7个月内cod值变化图；

图17为整体cod值去除率变化趋势图；

图18为整体氨氮首月去除率变化图；

图19为整体氨氮第二个月去除率变化图；

图20为整体氨氮第三个月去除率变化图；

图21为整体氨氮第四个月去除率变化图；

图22为整体氨氮第五个月去除率变化图；

图23为内部监测点qt1在7个月内氨氮值变化图；

图24为内部监测点qt2在7个月内氨氮值变化图；

图25为内部监测点qt3在7个月内氨氮值变化图；

图26为内部监测点qt5在7个月内氨氮值变化图；

图27为7个月内氨氮值整体变化图；

图28为氨氮整体变化图；

具体实施方式

以下根据附图1-3对本发明做进一步说明：

提供了一种双肾式潜流根系净化湿地构造，包括用于引入污水的蓄水池1和用于排出清水的清水池4，

位于所述的蓄水池和清水池之间通过湿地主体连通；

所述的湿地主体包括串联的浅处理阶梯区a、深处理阶梯区b，深处理阶梯区的出水口与生态沟c连通至所述的清水池；

所述的浅处理阶梯区和深处理阶梯区都通过堤沿隔绝形成，浅处理阶梯区和深处理阶梯区的相对堤沿隔绝出所述的生态沟，所述的生态沟位于浅处理阶梯区和深处理阶梯之间，蓄水池与浅处理阶梯区接通。

所述的浅处理阶梯区与深处理阶梯区结构一致且分布成180°翻转对称,浅处理阶梯区包括潜流区和溢流区；浅处理阶梯区与深处理阶梯区b反调位置首尾相对，

如图2所示，所述的潜流区由上至下依次为碎石填料层、夯素土层、细沙层、厚火石岩陶粒层、海绵支撑层，位于厚火石岩陶粒层中预埋有填料；溢流区由上至下依次为碎石填料层、夯素土层、细沙层、厚火石岩陶粒层。位于潜流区和溢流区中都生长挺水植物，挺水植物为选择小香蒲、浮叶眼子菜、花蔺及菹草中任一一种或者多种的组合，且在冬季将花蔺、浮叶眼子菜及小香蒲进行收割。

所述的潜流区与溢流区之间通过隔水堤隔开，所述的溢流区的竖直高度为所述的潜流区竖直高度的五分之二至二分之一之间任意一个数值，所述的浅处理阶梯区的溢流区通过通水管与深处理阶梯区的潜流区接通，所述的浅处理阶梯区的潜流区、溢流区、深处理阶梯区的潜流区、溢流区之间高度递减，形成渐变高度递减的阶梯状水处理湿地系统。

位于所述的潜流区的厚火石岩陶粒层中预埋有潜流管，位于所述的海绵支撑块中也预埋有潜流管，两个潜流管的末端出口共用通过隔水堤穿过至所述的溢流区的厚火石岩陶粒层内

如图4所示，该图表示本发明采用的7种水生植物的氮吸收贡献率。小香蒲(根部)氮吸收贡献率最大，两种挺水植物根部氮吸收贡献率均大于茎叶部氮吸收贡献率。小香蒲(根部)氮吸收贡献率为29.71％，花蔺(根部)氮吸收贡献率为3.58％，小香蒲(茎叶部)氮吸收贡献率为：9.73％，篦齿眼子菜氮吸收贡献率为：5.30％，花蔺氮吸收贡献率为：3.58％，菹草的氮吸收贡献率为3.19％，浮叶眼子菜氮吸收贡献率为2.07％，穗花狐尾藻氮吸收贡献率为：1.58％，氮吸收贡献率最低的是金鱼藻，仅为0.15％。通过显著性分析可知，小香蒲(根部)、花蔺(根部)的氮吸收贡献率在0.05水平上与其它各植物均有显著差异。其余各种水生植物的氮吸收贡献率在该4个月中没有显著差异。

图5表示在本发明中水生植物分别对氮的累积量。从图中可以看出，在本实验中小香蒲(根部)对氮的积累量是最高的，7种水生植物氮积累量大小的顺序为：小香蒲(根部)＞花蔺(根)＞菹草＞浮叶眼子菜＞小香蒲＞穗花狐尾藻＞花蔺＞篦齿眼子菜＞金鱼藻。其中，小香蒲(根部)氮积累量为：20.23g/m2，花蔺(根部)氮积累量为：3.34g/m2，菹草的氮积累量为：1.79g/m2，浮叶眼子菜氮积累量为：0.48g/m2，小香蒲(茎叶部)氮积累量为：0.43g/m2，穗花狐尾藻氮积累量为：0.26g/m2，花蔺(茎叶部)氮积累量为：0.16g/m2，篦齿眼子菜氮积累量为：－0.12g/m2，金鱼藻氮积累量为：－2.06g/m2。通过显著性分析可知，整个实验过程中，小香蒲(根部)、花蔺(根部)、菹草、金鱼藻等的氮积累量与其他各水生植物在0.05水平上均有显著差异。

对氮的吸收率，8月份，金鱼藻、小香蒲、穗花狐尾藻、浮叶眼子菜以及篦齿眼子菜的tn去除率相对较高，菹草最低；至9月份，穗花狐尾藻、金鱼藻、篦齿眼子菜、浮叶眼子菜、小香蒲的tn去除率较高，菹草最低；至10月份，金鱼藻、穗花狐尾藻、花蔺、浮叶眼子菜、篦齿眼子菜的tn去除率较高，菹草最低；至11月份，金鱼藻、菹草、穗花狐尾藻、篦齿眼子菜的tn去除率较高，此时花蔺最低；至12月份，菹草tn去除率最高，花蔺、小香蒲、浮叶眼子菜、篦齿眼子菜较低。

图7为，本发明对于7种水生植物分别对磷的累积量。在本实验中7种水生植物磷积累量的具体大小顺序为：小香蒲根＞花蔺根＞菹草＞小香蒲＞浮叶眼子菜＞花蔺＞穗花狐尾藻＞篦齿眼子菜＞金鱼藻；其中，小香蒲根的磷累积量为：5.64g/m2，花蔺根的磷累积量为：0.93g/m2，菹草的磷累积量为：0.58g/m2，小香蒲的磷累积量为：0.36g/m2，浮叶眼子菜的磷累积量为：0.12g/m2，花蔺的磷累积量为：0.11g/m2，穗花狐尾藻的磷累积量为：0.07g/m2，篦齿眼子菜的磷累积量为：－0.004g/m2，金鱼藻的磷累积量为：0.57g/m2。

通过显著性分析可知，整个实验过程中，小香蒲(根部)、花蔺(根部)的磷累积量与其它各水生植物在0.05水平上存在显著差异，浮叶眼子菜、花蔺、穗花狐尾藻、篦齿眼子菜之间不存在显著差异，金鱼藻与其他各水生植物存在显著差异。

如图7所示，该图表示在本发明7种水生植物的氮吸收贡献率。在本实验中7种水生植物中，小香蒲根部对磷吸收贡献率最大。其中，小香蒲(根部)磷吸收贡献率为：33.38％，花蔺(茎叶部)对磷的吸收贡献率为13.04％，花蔺(根部)磷吸收贡献率为：12.66％，小香蒲(茎叶部)的磷吸收贡献率为：11.94％，菹草的磷吸收贡献率为：4.02％，浮叶眼子菜的磷吸收贡献率为：2.54％，穗花狐尾藻的磷吸收贡献率为：2.31％，篦齿眼子菜的磷吸收贡献率为：1.15％，金鱼藻磷吸收贡献率最低，仅为0.85％。通过显著性分析可知，整个实验过程中，小香蒲的磷吸收贡献率与其它各种水生植物在0.05水平上存在显著差异，金鱼藻的磷吸收贡献率与穗花狐尾藻、浮叶眼子菜、篦齿眼子菜没有显著差异。

花蔺、小香蒲的tp去除率较高，穗花狐尾藻与菹草的tp去除率最低，且与两个空白组没有显著差异；至9月份，花蔺、浮叶眼子菜的tp去除率相对较高，而金鱼藻、穗花狐尾藻、菹草的tp去除率相对较低；至10月，浮叶眼子菜、穗花狐尾藻、篦齿眼子菜、花蔺4种水生植物的tp去除率相对较高，小香蒲、金鱼藻、菹草的tp去除率则相对较低；至11月，浮叶眼子菜的tp去除率最高，金鱼藻的tp去除率最低；至12月，浮叶眼子菜、菹草的tp去除率相对较高，金鱼藻的tp去除率最低。结合各水生植物起始、终止生物量的变化以及植株的全磷含量，分析各水生植物磷吸收贡献率可知，在整个实验过程中小香蒲(根部)的磷累积量与磷吸收贡献率最大，金鱼藻的磷累积量与磷吸收贡献率最低，且金鱼藻的植物净增长量与磷累积量出现了负值，说明在12月份时金鱼藻出现了腐烂，并且将植物体内的一部分磷释放到了水体。

在水体修复工程中进入冬季前，将前应将金鱼藻进行打捞处理，冬季前应将篦齿眼子菜、穗花狐尾藻进行打捞处理，同时对花蔺、小香蒲的茎叶部进行收割。以避免因植株全磷释放到水体中而导致水体中tp浓度增加。

以上可以看出，水生植物通过将水中的氮素进行吸收、转化和富集来去除水体中的氮素成分。水体氮的去除除了依靠水生植物吸收、底质和根系吸附以及微生物降解等途径外，还存在氨的挥发、硝化和反硝化等途径。

磷是植物生长所必需的元素。污水中常见的磷的存在形态有磷酸盐、聚磷酸盐以及有机磷酸盐等。能被植物根系直接去除的磷主要是一价磷酸根离子和二价磷酸根离子，三价磷酸根离子、聚磷酸盐和有机磷酸盐不能或很难被植物根系去除。污水中的磷元素被植物根系去除后，经同化作用可变成植物的atp、dna以及rna等有机成分，进而通过植物的收割来去除水体中磷。因此，去除水体中的磷除了依靠底质吸附外还主要依靠植物去除和根系吸附等途径去除。

8月份时，去氮除磷能力均较高的是小香蒲，其氮、磷去除率分别为：65.02％，55.84％；9月份时，氮磷去除能力较高的是浮叶眼子菜，其氮、磷去除率分别为：88.33％，77.99％；临近冬季10月份时，浮叶眼子菜、穗花狐尾藻、篦齿眼子菜、花蔺4种水生植物的氮、磷去除能力均较高，且在0.05水平上没有显著差异；11月份时，菹草、穗花狐尾藻和篦齿眼子菜3种水生植物的氮去除率均较高，在0.05水平上没有显著差异；而tp去除率最高的是浮叶眼子菜，去除率为96.28％；12月冬季时时月份时，菹草的氮、磷去除率最高，去除率分别为：83.29％、96.08％。

到冬季月份，小香蒲与花蔺根部的氮磷去除率始终较大。而地上部分，由于凋亡氮、磷吸收贡献率都有所下降。除菹草外，其他六种水生植物组中的水体氮、磷含量在夏季均持续降低，但在冬季时由于植株的衰败腐烂，水体氮、磷含量都有所升高。菹草组中的水体氮、磷含量变化趋势则相反。

选择小香蒲、浮叶眼子菜、花蔺及菹草4种水生植物搭配种植，保证在不同的季节有较高的氮、磷去除率。

提供了一种双肾式潜流根系净化湿地水处理方法，包括如权利要求1-7任一所述的一种双肾式潜流根系净化湿地构造，其特征在于:包括以下步骤，

s1.污水预处理,将污水引流至所述的蓄水池中，污水入水口位于蓄水池下部，蓄水池中持续曝气，蓄水池铺覆生态水泥，水草泥中设置潜水型植物，并张拉丝网织物，位于丝网织物上悬挂填料，污水停留时常为24h，蓄水池内流量为300～500t/d；

s2.潜流初送水净化,污水自蓄水池中被引流至浅处理阶梯区的潜流区内，潜流区为封闭池体，潜流区中设置挺水型植物，水体整体下渗时间为48h-72h，水体向下渗透，渗透过程中经过碎石填料层、夯素土层、细沙层、厚火石岩陶粒层进入潜流管中流入至浅处理阶梯区的溢流区的底部，并自下而上渐变渗透，位于浅处理阶梯区的溢流区内的净水停留48h，浅处理阶梯区的溢流区内种植伊乐藻、穗花狐尾藻、金鱼藻潜水植物；

s3.阶梯渗水净化，浅处理阶梯区的溢流区通过引水渠引流至低洼处的所述的深处理阶梯区的潜流区中，重复步骤s2；

s4.净水排出，深处理阶梯区的溢流区中的净水排放至生态沟内，生态沟内的净水引流至清水池中，所述的生态沟内的末端具有向上拱起的弧度，取高于弧顶的液体排入所述的清水池内。

如图8-17所示，本发明采用5个采样点(进水qt1、出水qt5、内部3个(qt2、qt3、qt4))，并对cod、氨氮等关键污染物进行检测，监测点位cod的浓度范围为28～48mg/l，在地表水ⅲ类-ⅴ类之间；cod各月份去除率在23％-48％之间，尤其在冬季12月份，去除率仍可达30％以上；cod沿湿地处理模块整体呈下降趋势，出水指标处理效果明显。其中9、10、12月份出水qt5满足ⅳ类标准，3月份出水满足ⅲ类标准，8、11月份出水达到了ⅴ类标准。可见，该湿地系统对cod处理效果明显，湿地出水指标大部分满足ⅳ类标准要求，尤其在冬季12月能够达到ⅲ类标准要求。

如图18-26所示，监测点位氨氮的浓度范围为0.25～1.45mg/l，在地表水ⅱ类-ⅳ类之间；氨氮各月份去除率在10％-80％之间，尤其在冬季12月份，去除率仍可达15％以上；氨氮沿湿地处理模块整体呈下降趋势，出水指标处理效果明显。其中各月份出水qt5满足ⅲ类标准，其中冬季11、12、3月份出水满足ⅱ类标准。可见，该湿地系统对氨氮处理效尤其明显，湿地出水指标大部分满足ⅲ类标准要求，尤其在冬季能够达到ⅱ类标准要求。