一种模块化人工湿地系统、组合及控制方法与流程

本发明涉及人工湿地技术领域，尤其是涉及污水较少且零散场所的一种模块化人工湿地系统、组合及控制方法。

背景技术：

现有技术中的人工湿地是模拟自然湿地的人工生态系统，由基质、植物和微生物组成，是一种集物理、化学、生化反应于一体的废水处理技术；可将污染物转化为生物能量，以达到污染物降解和去除的效果；以活动场所所产生的污染水体为处理对象，且通常固定于农村、工厂、公园、小区等公开场所。

模块化人工湿地系统，以人工湿地污水处理工艺为技术基础，在占地规模方面逐步优化，以期用比较小的面积来适用于一些可用地较少、污水产生量较少的场景，如农村环境综合治理、生活小区污水、乡镇污水处理等；但是模块的使用场景相对固定，移动能力弱；在工艺方面，主要考虑模块化湿地的形态、水路路径、植物的优选，且运行条件单一；不适用于临时工棚、工厂车间、临时搭建等场地所产生的生活、生产废水进行处理。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种方便对小面积污水及临时生产生活场所产生的污水进行处理的模块化人工湿地系统、组合及控制方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种模块化人工湿地系统，包括进水单元、连接进水单元的湿地单元以及用于控制进水单元与湿地单元的控制端，所述的湿地单元包括外壳、滤料间、与滤料间相邻的出水间、设置于滤料间内的滤料、设置于滤料顶部的布水模块以及设置于滤料底部的集水模块，所述滤料间以及出水间均设置于外壳内，在所述的滤料底部设置曝气管；所述的集水模块连通出水间；在所述的布水模块前端连接进水流量计、布水电动阀，在所述的出水间的出水口依次连接出水手动阀、出水流量计以及出水电动阀，所述的进水单元包括进水间、设置于进水间内的进水水泵、进水手动阀以及进水流量计，所述的进水水泵、进水手动阀以及进水流量计串联后连接在湿地单元的布水电动阀上，所述的控制端与进水水泵、进水流量计、布水电动阀、出水流量计以及出水电动阀连接。

进一步具体的，若干个所述的湿地单元并联后与进水单元连接。

进一步具体的，在所述的进水间内设置液位传感器，所述的液位传感器与控制端连接，所述的液位传感器由下至上依次获取保护液位、启动液位以及高液位。

进一步具体的，在所述的湿地单元旁设置供人自由行走的步道单元，所述的步道单元包括支撑框架、设置于支撑框架旁的楼梯支架以及设置于支撑框架与楼梯框架顶部的步道板。

一种模块化人工湿地系统组合，由若干个上述的模块化人工湿地系统并联组成并通过至少一件控制模块进行控制。

一种模块化人工湿地系统的控制方法，首先，根据实际经验以及行业规范设计单个湿地单元的布水负荷、单个湿地单元面积、进水量、布水次数及单次布水周期进行设定，得到单次布水周期中的单次布水时长及单次布水间隙时长；其次，对若干个湿地单元进行编号；最后，在单次布水周期内，若干个湿地单元按照编号顺序进行轮流布水，其中若干个湿地单元的布水总时长小于单次布水周期的时长。

进一步具体的，所述的控制端按照编号进行轮流布水，当遇到一个或者多个湿地单元进行检修时，直接跳过该湿地单元进入下一个湿地单元继续布水或者停止等待检修完成后继续布水。

进一步具体的，进行布水前，对进水间的液位进行判断，当液位高于高液位时，则系统进入高负荷模式；当液位位于高液位与启动液位之间时，并根据上一次排水的cod、氨氮以及tn的含量进行判断，若cod或者氨氮的含量高于设计出水指标的90％，则开启曝气模式，此时再对tn的含量进行判断，若tn含量高于设计出水指标的90％，则开启fd模式，若tn含量低于设计出水的90％指标，则结束动作；若cod以及氨氮均低于设计出水指标的90％，再对tn的含量进行判断，若tn含量高于设计出水指标的90％，则开启fd模式，若tn含量低于设计出水指标的90％，则正常模式进行布水；当液位低于保护液位时，则进入休床状态。

进一步具体的，所述的高负荷模式为进水间液位高于高液位时，关闭布水电动阀，出水电动阀设置为开启，进行布水，自动延长单词布水时长为设计值的2倍，完成后在进行液位判断，若液位高于高液位继续以高负荷模式运行，直至液位低于高液位。

进一步具体的，所述的fd模式的运行步骤为，首先关闭出水电动阀，之后打开布水电动阀向进水间进行供水同时进行布水，直至布水水量以淹没湿地单元表面为准，之后关闭布水电动阀，打开出水电动阀使湿地单元进行排水操作，出水间内的水达到设计最低液位，则关闭出水电动阀，打开布水电动阀进行下一次操作。

本发明的有益效果是：上述系统及控制方法，根据进入的水量对处理进行控制，保证处理效果，装配简单且不需拆除即可移动，可以适用于零星分散的产污场所，如临时工棚、工厂车间、临时搭建、住宅小区、农村生活区、农家乐等场所所产生的生活、生产废水，使用与维护更加方便。

附图说明

图1是本发明模块化人工湿地系统的结构示意图；

图2是本发明控制方法的判断逻辑图。

图中：1、进水间；2、滤料间；3、出水间；4、控制端；5、进水水泵；6、进水流量计；7、布水电动阀；8、进水手动阀；9、出水电动阀；10、出水手动阀；11、出水流量计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示一种模块化人工湿地系统，包括进水单元、连接进水单元的湿地单元以及用于控制进水单元与湿地单元的控制端4，所述的湿地单元包括外壳、与滤料间2相邻的出水间3、设置于滤料间2内的滤料、设置于滤料顶部的布水模块以及设置于滤料底部的集水模块，所述的控制端4根据需要既可以设置在外壳内，也可以设置在外壳外部；所述的滤料间2以及出水间3均设置于外壳内，在所述的滤料底部设置曝气管；所述的集水模块连通出水间3；在所述的布水模块前端连接进水流量计6、布水电动阀7，在所述的出水间3的出水口依次连接出水手动阀10、出水流量计11以及出水电动阀9，所述的进水单元包括进水间1、设置于进水间1内的进水水泵5、进水手动阀8以及进水流量计6，所述的进水水泵5、进水手动阀8以及进水流量计6串联后连接在湿地单元的布水电动阀7上，所述的控制端4与进水水泵5、进水流量计6、布水电动阀7、出水流量计11以及出水电动阀9连接若干个所述的湿地单元并联后与进水单元连接，即一组进水单元可以对应多组湿地单元并实现对多组湿地单元供水。

上述湿地系统可以直接放置于地面，外壳选用集装箱改造而成，通过进水水泵5向进水间1内输送并储存污水，并通过布水模块将污水均匀分布于滤料间2内滤料顶部，污水通过滤料后在滤料间2底部汇聚并通过集水模块收集后排入出水间3，出水间3从底部排水，完成整个处理的工作。

湿地单元内的滤料可以根据需要设置为不同颗粒或者不同材质的多个滤料层，同时在滤料的顶部栽种植物；多个滤料层采用专利号201020692631.1，名称为人工湿地滤料结构的布置形式进行布置。

为了方便对湿地单元进行搬运，在所述的外壳底部向下设置若干凸起，该凸起根据需要可以在外壳底部的四个角上设置，若外壳较长可以在外壳底部中间位置也设置凸起起到支撑作用；在本案中，若干所述的凸起呈阵列排布，相邻凸起之间的距离需大于叉车叉子的宽度，以方便使用叉车对湿地单元进行搬运；由于该湿地单元较大，为了防止在搬运过程中倾覆，在所述的外壳的侧面上设置若干固定孔，用于将湿地单元固定在叉车或者搬运工具上。

布水模块用于均匀分布污水，包括进水间1内的进水水泵5，设置于滤料顶部的布水主管、若干连通布水主管的布水支管，进水水泵5起到布水与供水的作用，在所述的布水支管上设置若干均匀分布的布水孔；集水单元采用排水盒子的结构；所述的曝气管设置于滤料底部，由通气管以及若干连通通气主管的通气支管组成，方便进行曝气使用。

在进行自动控制时，进水手动阀8以及出水手动阀10为完全开启状态，系统进出水由布水电动阀7、出水电动阀9进行控制，只有当系统进行检修时，通过人工操作开启或关闭进水手动阀8以及出水手动阀10；在所述的进水间1内设置液位传感器，液位传感器由下至上依次获取保护液位、启动液位以及高液位，在出水间3的底部设置一低液位传感器，并根据系统要求设置一设计低液位；控制端4通过控制进水水泵5布水电动阀7给进水间1供水，控制端4通过各个湿地单元前端的布水电动阀7分别进行控制，以便给不同湿地单元布水，之后通过滤料底部的收集模块收集后进入出水间3，水从出水间3底部的出水口流出，控制端4控制出水电动阀9打开进行排水操作；而进水流量计6、出水流量计11用于检测水量信号，通过控制端4控制调整进水与出水；而启动液位与高液位用于控制端4对处理模式的调整，保护液位用于控制端4对系统进行休床状态的调整，设计最低液位用于控制端4对出水的流量进行调整。

在所述的湿地单元旁设置供人自由行走的步道单元，所述的步道单元包括支撑框架、设置于支撑框架旁的楼梯支架以及设置于支撑框架与楼梯框架顶部的步道板，支撑框架、楼梯框架以及步道板之间的连接均通过卯榫插片结构，可以逐级拆卸，可以整体移动，步道单元的形状根据湿地单元的形状设计及组装，目前使用较多的为丁字形设计，采用金属材质，该步道单元在湿地单元高于地面时使用，达到对湿地单元观察、检修的目的。

上述系统可以单独使用，也可以根据需要将若干个模块化人工湿地系统并联形成组合进行使用，这些系统可以通过一件模块或一台计算进行控制，也可以根据需要通过多台计算机进行控制。

上述系统的控制方法为，首先，根据单个湿地单元的实际项目经验、规范设计其布水负荷，根据已知布水负荷、湿地单元面积、进水量、布水次数及单次布水周期进行设定，得到单次布水周期中的单次布水时长及单次布水间歇时长，并记录运行这些要素；其次，将若干个湿地单元进行并联，并对并联的湿地单元进行编号；在单个布水周期内，若干个湿地单元按编号顺序进行轮流布水，且同一个时间点只有一个湿地单元在进行布水工作，其余湿地单元布水间歇时间，若干个湿地单元的布水时间合计小于一个布水周期的时间；当一个布水周期完成，系统回到第一个湿地单元进行下一轮布水工作，当其中有滤床正处于检修状态时，系统可选择该单元暂停布水进行等待，或者直接跳过该湿地单元进入下一个湿地单元进行布水工作。

上述系统可分为两种运行模式，第一种单湿地单元运行，第二种多湿地单元运行。

第一种单湿地单元运行模式，其布水时间的计算方式如下：

初步设定湿地单元面积为固定值s；

根据国家标准、行业规范给湿地单元的水力负荷设计值即设计为水力负荷初始值为a；

得到湿地单元的设计日处理量为：s*a；

设定进水水泵5的流量为q1；

设定每日布水设计为10次，平均分配到24h，则单次的布水周期为2h，即120min；

计算单次布水时长t1：t1＝设计日处理量/布水次数/流量，得到t1＝s*a/10/q1；

计算得到单次的休床时间t2：t2＝120-t1；

因此，系统的控制端4可在任何时间点位开始记录起始时间，进行布水，第一次布水，第一次休床，第一次布水与第一次休床的合计时间为120min；第二次布水，第二次休床，第二次布水与第二次休床的合计时间为120min；第三次布水，第三次休床……循环至10次，整个循环完成24小时的单日布水。

第二种多湿地单元运行模式，其布水时间的计算方式如下：

逐一增加湿地单元的个数，单个湿地单元面积均为s；

根据国家标准、行业规范给每个湿地单元的水力负荷设计值即设计为水力负荷初始值a；

得到每个湿地单元的设计日处理量为：s*a；

设定进水水泵5的流量为q1；

总的布水周期为n次，此处仍选择10次，平均分配到24h，则单次的布水周期为2h，即120min；

计算单次布水时长t1：t1＝设计日处理量/布水次数/流量，得到t1＝s*a/10/q1；

计算得到单个湿地单元单次的休床时间t2：t2＝120-t1；

每台湿地单元都在每个周期内完成一次布水；在每个周期内，每个湿地单元对应的布水电动阀7，依次开启；如，第一个布水周期内，开设第一个湿地单元的布水电动阀7，布水结束后，布水电动阀7关闭，当第一个湿地单元进入布水间隙时间时，第二个湿地单元的布水电动阀7开启，第二个湿地单元开始布水，布水结束后，布水电动阀7关闭，当第二个湿地单元进入布水间隙时间时，第三个湿地单元的布水电动阀7开启进行布水……，以此循环，直至所有湿地单元布水一次结束，等待第一个湿地单元完成布水间隙结束时，即为第一个布水周期结束。开始第二轮布水，直至10个布水周期完成，为24h(即一天)的布水工作完成。

由于湿地单元在实际运行过程中，会出现实际运行与设计出现偏差的情况，因此根据实际运行条件，可让系统自行进行数据修正；上述系统中，每个湿地单元每天的布水次数最多为10次。

基于上述控制方法，该系统分为高负荷模式、正常模式、曝气模式以及fd模式。

如图2所示进行布水前，对进水间1的液位进行判断，当液位高于高液位时，则系统进入高负荷模式；当液位位于高液位与启动液位之间时，并根据上一次排水的cod、氨氮以及tn的含量进行判断，若cod或者氨氮的含量高于设计出水指标的90％，则开启曝气模式，此时再对tn的含量进行判断，若tn含量高于设计出水指标的90％，则开启fd模式，若tn含量低于设计出水指标的90％，则结束动作；若cod以及氨氮均低于设计出水指标的90％，再对tn的含量进行判断，若tn含量高于设计出水指标的90％，则开启fd模式，若tn含量低于设计出水指标的90％，则正常模式进行布水；当液位低于保护液位时，则进入休床状态。

当处于高负荷模式时，说明系统达到最大负荷，进水间1的液位较高，此时则关闭布水电动阀7，防止进水间1的液位过高，出水电动阀9设置为常开，进行布水，待一次布水完成后，湿地单元进行出水，出水完成后再进行液位判断，若进水间1液位高于高液位继续以高负荷模式运行，直至液位低于高液位，进入其他处理模式；高负荷模式主要应对旅游旺季、特殊天气、突降暴雨等。

当处于fd模式时，说明进水间1液位较低，水压较小，湿地单元布水可能存在不均匀状态，所谓fd模式即fill&drain满水排水，f为fill满水运行，在进水前关闭出水的所有出水电动阀9，进行持续进水，同时开始进水计时，当进水量能够淹没滤床表面时，关闭布水电动阀7，此时计时结束；滤滤床进入drain排水运行，将出水电动阀9打开至正常出水状态，直至湿地单元的出水间3液位降至设计最低液位，这一轮布水和出水的工作结束；fd模式能够在水量较少的时间段，让来水在湿地单元内保证足够的停留时间，达到滤床的处理效率，等出水间3液位降至设计最低液位后，系统重新判断布水模式。

综上，通过上述系统及控制方式，可以适用于零星分散的产污场所，装配简单且不需拆除即可移动，可以适用于临时工棚、工厂车间、临时搭建等场所所产生的生活、生产废水，使用与维护更加方便；多个湿地单元进行先后布水控制，能够保证湿地单元的休床时间，实现循环使用，提高应用效率。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。