一种水平流人工湿地智能控制系统的制作方法

本发明属于水环境治理技术领域，具体涉及一种水平流人工湿地智能控制系统。

背景技术：

人工湿地技术是一种模拟天然湿地系统对河道污水进行处理的一项工程应用技术，在特定的水环境下通过物理、化学和生物的协同作用对上游河道污水进行净化处理，具有投资少、建设周期短、运行成本低、污水处理效果好、可美化景观环境等优点，应用于黑臭河道治理及水环境生态修复技术领域。

根据水流在人工湿地流动的方向，将人工湿地分为水平流人工湿地和垂直流人工湿地。水平流人工湿地对污水中有机物的去处效果比垂直流人工湿地要好，但水平流湿地操作与控制相对复杂。

随着季节交替、微生物和植物生长、湿地上游来水水质水量的变化，人工湿地需及时作出调整。但目前大多数人工湿地调控比较粗放，人工湿地液位不能及时作出精确调整，液位过高时人工湿地产生过厚的饱气带，液位过低不能达到处理效果，液位调整过慢无法对湿地植物进行控根育苗。

人工湿地虽然有很多独特的优点，但由于人工湿地是一种被动的传氧方式，自然复氧和植物根系提供的氧气并不能为人工湿地提供充足的溶解氧，导致系统内溶解氧含量偏低，制约人工湿地的处理效果。

技术实现要素：

为解决上述水平流湿地的操控系统的实时性差、运行液位的精准性低、系统内溶解氧含量偏低等难题，本发明提供一种水平流人工湿地智能控制系统，解决水平流人工湿地的上述问题。

本发明提供了一种水平流人工湿地智能控制系统，包括沿水平方向依次相连通的进水区、过滤区和出水区，用于监测所述进水区和出水区水质的水质监测单元，设置于所述进水区内且与所述水质监测单元相连的曝气单元；所述进水区，与人工湿地相连通，用于存储所述人工湿地的排出水；所述过滤区能够对所述进水区流入的水进行过滤并排入到所述出水区；所述水质监测单元能在监测到所述进水区和出水区的水质参数不在预设范围内时，启动所述曝气单元对所述进水区进行曝气。

进一步地，所述过滤区包括沿水平方向依次排布的第一过滤区、填料区和第二过滤区；所述第一过滤区和第二过滤区对称设置，所述进水区与所述第一过滤区的上端相连通，所述第二过滤区的下端与所述出水区相连通。

进一步地，所述第一过滤区内填充有鹅卵石，所述第二过滤区内填充有鹅卵石，所述填料区自上而下包括第一填料区、第二填料区和第三填料区，所述第一填料区填充有煤渣，所述第二填料区填充有牡蛎壳，所述第三填料区填充有火山岩。

进一步地，还包括设置于所述出水区内且将所述出水区分割为水平两部分的分液组件，以及控制所述分液组件高度变化的控制单元，用于连通所述第二过滤区和出水区的出水管和设置于所述出水区侧壁上的排水管，所述出水管和所述排水管分别位于所述分液组件的相对侧。

进一步地，所述分液组件包括自下而上首尾相连的多个旋转液板；所述旋转液板包括液板主体，设置于所述液板主体上侧的上折边，设置于所述液板主体下侧的下折边，所述上折边与所述下折边的弯折方向相反，所述旋转液板的上折边的下侧与相邻所述旋转液板的下折边的上侧相连接。

进一步地，所述旋转液板还包括设置于所述液板主体上且能带动所述旋转液板偏转的旋转中轴，套设于所述旋转中轴上的轮齿；所述控制单元包括与所述旋转液板的轮齿相啮合的传动杆以及控制所述传动杆上下移动以带动所述旋转液板偏转的驱动组件。

进一步地，还包括与所述水质监测单元相连的报警单元，所述水质监测单元能在监测所述进水区和出水区的水质参数不在预设范围内时启动所述报警单元和曝气单元。

进一步地，所述曝气单元包括设置于所述进水区水底的曝气管，与所述曝气管相连用于控制所述曝气管曝气的鼓风机。

进一步地，还包括用于连通所述人工湿地和进水区的第一进水管，用于连通进水区与第一过滤区的第二进水管，所述第一进水管的中心标高比第二进水管的中心标高高30-50mm。

进一步地，所述鹅卵石的直径为32mm-64mm，所述煤渣的直径为2mm-12mm，所述牡蛎壳的直径为12mm-24mm，所述火山岩的直径为24mm-32mm。

本发明通过设置水质监测单元实时监测进水区和出水区的水质，当水质监测单元监测到进水区和出水区的水质指标不在预设范围内时，说明水质较差，溶解氧含量偏低，此时启动进水区内的曝气单元，向进水区内曝气以提升进水区内氧含量，通过曝气主动供氧的方式，为人工湿地提供充足的溶解氧，实现人工湿地系统增氧的目的，提高人工湿地系统中微生物对水中污染物的降解能力，从而强化人工湿地对水中污染物的去处效率，保证人工湿地的处理效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例所示水平流人工湿地智能控制系统的结构示意图；

图2为图1所示出水区的结构示意图；

图3为图2所示出水区的俯视图；

图4为图2所示出水区的正视图；

图5为图2所示传动杆与旋转中轴连接示意图；

图6为图2所示旋转液板的结构示意图。

附图标记说明：进水区1，过滤区2，第一过滤区201，填料区202，第一填料区221，第二填料区222，第三填料区223，第二过滤区203，出水区3，水质监测单元4，曝气单元5，曝气管501，鼓风机502，分液组件6，旋转液板601，液板主体611，上折边612，下折边613，旋转中轴614，轮齿615，控制单元7，传动杆701，驱动组件702，出水管8，排水管9，第一进水管10，第二进水管11。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至图6所示，本实施例提供了一种水平流人工湿地智能控制系统，包括沿水平方向依次相连通的进水区1、过滤区2和出水区3，用于监测进水区1和出水区3水质的水质监测单元4，设置于进水区1内且与水质监测单元4相连的曝气单元5；进水区1，与人工湿地相连通，用于存储人工湿地的排出水；过滤区2能够对进水区1流入的水进行过滤并排入到出水区3；水质监测单元4能在监测到进水区1和出水区3的水质参数不在预设范围内时，启动曝气单元5对进水区1进行曝气。

本实施方式通过设置水质监测单元4实时监测进水区1和出水区3的水质，如水中的do、cod、nh3-n、tp含量，并设定水质指标的预设值，当水质监测单元4监测到进水区1和出水区3的水质指标不在预设范围内时，说明水质较差，溶解氧含量偏低，此时启动进水区1内的曝气单元5，向进水区1内曝气以提升进水区1内氧含量，通过曝气这种主动供氧的方式，为人工湿地提供充足的溶解氧，实现人工湿地系统增氧的目的，提高人工湿地系统中微生物对水中污染物的降解能力，从而强化人工湿地对水中污染物的去处效率，保证人工湿地的处理效果。

在一个具体的实施例中，水质监测单元4用于检测进水区1和出水区3的水质，如进水区：cod≤200mg/l、nh3-n≤25mg/l、tp≤5mg/l、do≥3mg/l；出水区：cod≤30mg/l、nh3-n≤2.5mg/l、tp≤0.3mg/l、do≥3mg/l，只要任意参数不在预设范围内，均会启动曝气单元5，对进水区1进行曝气，待水质达到预设值时，则关闭曝气单元5，停止曝气。

本实施方式中的水平流人工湿地智能控制系统，还包括与水质监测单元4相连的报警单元，水质监测单元4能在监测进水区1和出水区3的水质参数不在预设范围内时启动报警单元和曝气单元5。报警单元的设计便于工作人员对人工湿地水质情况的实时监测。

本实施方式中的曝气单元5包括设置于进水区1水底的曝气管501，与曝气管501相连用于控制曝气管501曝气的鼓风机502。使用鼓风机502通过曝气管501对进水区1进行曝气，利于及时补充进水区1的含氧量。

在本实施方式中，过滤区2包括沿水平方向依次排布的第一过滤区201、填料区202和第二过滤区203；第一过滤区201和第二过滤区203对称设置，进水区1与第一过滤区201的上端相连通，第二过滤区203的下端与出水区3相连通。进水区1与第一过滤区201的上端相连通，利于进水区1上层水流入第一过滤区201保证了进水区1与第一过滤区201水位平齐，第二过滤区203下端与出水区3相连，利于第二过滤区203底层的污水的外排，本实施方式中通过设置顺次相连的多个过滤区，利于提高水中污染物的吸收能力，进而强化人工湿地对水中污染物的去处效率。

在一个优选的实施例中，第一过滤区201内填充有鹅卵石，第二过滤区203内填充有鹅卵石，填料区202自上而下包括第一填料区221、第二填料区222和第三填料区223，第一填料区221填充有煤渣，第二填料区222填充有牡蛎壳，第三填料区223填充有火山岩。第一过滤区201和第二过滤区203填充鹅卵石，用于截留水中悬浮物胶体等大颗粒杂质，过滤杂质时能较好地克服表面堵塞，充分发挥过滤区2的截污能力，能在较高的滤速下，提供优质的过滤水，具有耐腐蚀，使用周期长等特点。鹅卵石的直径优选为32mm-64mm，大直径的鹅卵石利于水的通过以及杂质的沉淀。第一填料区221和第二填料区222分别填充煤渣和牡蛎壳，实现了废物的有效利用，其中，煤渣的直径优选为2mm-12mm，牡蛎壳的直径优选为12mm-24mm，上层填充料选用小颗粒的煤渣和牡蛎壳，一方面利于植物根系的固定，另一方面具有很好的吸附效果。第三填料区223填充火山岩，火山岩比表面积大，透水性好，价格低廉。火山岩的直径优选为24mm-32mm，大粒径的火山岩具有较大的孔隙率，利于水的通过，防治漫流现象的出现。

本实施方式的水平流人工湿地智能控制系统，还包括用于连通人工湿地和进水区1的第一进水管10，用于连通进水区1与第一过滤区201的第二进水管11，第一进水管10的中心标高比第二进水管11的中心标高高30-50mm。第一进水管10的中心标高比第二进水管11的中心标高高能够避免进水区1的水回流至人工湿地。

本实施方式提供的水平流人工湿地智能控制系统，还包括设置于出水区3内且将出水区3分割为水平两部分的分液组件6，以及控制分液组件6高度变化的控制单元7，用于连通第二过滤区203和出水区3的出水管8和设置于出水区3侧壁上的排水管9，出水管8和排水管9分别位于分液组件6的相对侧。

本实施方式通过分液组件6将出水区3分割成独立的两部分，即靠近第二过滤区203一侧的第一出水区和远离第二过滤区203一侧的第二出水区，出水管8设置在第一出水区，排水管9设置在第二出水区。第一出水区与人工湿地相连通能够保证液位的平齐，因此，当需要调整人工湿地的液位时，通过改变分液组件6的高度即第一出水区的液位，进而实现对人工湿地液位的精确调整。具体表现为，当人工湿地液位偏高时，通过控制单元7降低分液组件6的高度至理想目标值，此时第一出水区的水向第二出水区流动，第二过滤区203的水向第一出水区流动，直至液位降至分液组件6的高度；同理，当人工湿地液位偏低时，控制单元7提升分液组件6的高度至理想目标值，随着上游来水补充入人工湿地逐渐提升液位，第一出水区的液位也逐渐上升直至目标液位。通过控制单元7控制分液组件6的高度变化，实现人工湿地液位的智能精确控制。当水质变差时，通过提高液位，增加水力停留时间，达到提高人工湿地对污染物的去除效果。

本实施例提供的水平流人工湿地智能控制系统，出水管8和排水管9均设置于出水区3的下端。出水管8设置在出水区3的下端，利用u形管原理，在相同大气压下人工湿地与第一出水区的液位相等；排水管9设置在出水区3的下端，利于第二出水区内水的外排。

本实施方式中的分液组件6包括自下而上首尾相连的多个旋转液板601；旋转液板601包括液板主体611，设置于液板主体611上侧的上折边612，设置于液板主体611下侧的下折边613，上折边612与下折边613的弯折方向相反，旋转液板601的上折边612的下侧与相邻旋转液板601的下折边613的上侧相连接。旋转液板601上折边612通过与相邻旋转液板601下折边613相扣合的连接方式，保证了相邻旋转液板601间的密封性。

在一个优选的实施例中，旋转液板601还包括设置于上折边612下侧的密封条和设置于下折边613上侧的密封条。通过在上折边612和下折边613分别设置密封条，有效保证了旋转液板601上折边612与相邻旋转液板601下折边613相扣合连接的密封性能，保证旋转液板601不漏水，进而保证了第一出水区的密封性能，避免了第一出水区内的水通过分液组件6的间隙流入第二出水区的问题发生。在一个优选的实施例中，密封条为防水密封条，如橡胶密封圈。

本实施方式中的水平流人工湿地智能控制系统，旋转液板601还包括设置于液板主体611上且能带动旋转液板601偏转的旋转中轴614，套设于旋转中轴614上的轮齿615；控制单元7包括与旋转液板601的轮齿615相啮合的传动杆701以及控制传动杆701上下移动以带动旋转液板601偏转的驱动组件702。驱动组件702驱动传动杆701上下移动，传动杆701的上下移动带动轮齿615的转动进而驱动旋转液板601的偏转，从而实现对水平流人工湿地液位的调控。通过控制单元7驱动旋转液板601的偏转来实现分液组件6高度的调整，具有操作简单，使用方便，高度调整精确度高等特点。

具体表现为，当传动杆701自上而下移动时，借助传动杆701与旋转液板601的啮合连接作用，依次带动每个旋转液板601偏转，当最上端一个旋转液板601偏转时，第一个旋转液板601与第二个旋转液板601之间产生间隙，此时第二个旋转液板601的高度决定了液位；同理，当传动杆701带动第二个旋转液板601偏转时，此时第一个旋转液板601与第二个旋转液板601密封连接，而第二个旋转液板601与第三个旋转液板601之间有间隙，此时第三个旋转液板601的高度决定了液位，随着传动杆701自上而下移动，液位逐渐降低；当传动杆701自下而上移动时，借助传动杆701与旋转液板601的啮合连接作用，依次带动每个旋转液板601偏转，当最下端一个旋转液板601(非固定式旋转液板601)偏转时，该旋转液板601与其相邻的上侧旋转液板601间产生间隙，此时该旋转液板601的高度决定了液位，当传动杆701继续上移，带动相邻上侧的旋转液板601偏转时，此时液位上升了一个旋转液板601的高度，随着传动杆701的继续上移，液位逐渐上升。传动杆701与旋转液板601的啮合连接方式，有效保证了分液组件6高度调整的准确性，有助于提高水平流人工湿地净水处理效果。

在本实施方式中，分液组件6还包括设置于出水区3底部的基座，基座与相近邻的旋转液板601的下折边613相连接。通过设置基座实现对旋转液板601的固定安装，有效保证了分液组件6的安装稳定性。

在一个优选的实施例中，旋转液板601包括设置于液板主体611两侧的两个轮齿615；驱动机构包括分别与两个轮齿615相啮合的两个传动杆701，两个传动杆701分别与出水区3的内壁相贴合。通过在旋转液板601的两侧分别设置两个轮齿615，两个传动杆701分别与两个齿轮啮合连接，有效保证了旋转液板601偏转的平衡性。

在一个优选的实施例中，传动杆701的下端设置有与轮齿615相啮合的齿槽，当传动杆701上下移动以带动与其相啮合的旋转液板601偏转时，旋转液板601能带动与其相邻的旋转液板601偏转，以改变分液组件6的高度。本实施方式中在传动杆701的下端设置与轮齿615相啮合的齿槽，使得分液组件6中位于下端的旋转液板601与传动杆701相啮合，进而带动所有旋转液板601偏转。

在一个具体的实施例中，水平流人工湿地出水经过湿地出水管8进入出水区3，驱动组件702控制传动杆701下降，当传动杆701下降时，传动杆701上的齿槽带动旋转中轴614转动，旋转中轴614转动带动旋转液板601翻转，湿地出水区3液位下降，最终水平流人工湿地出水经过排水管9排出。

水平流人工湿地出水经过湿地出水管8进入湿地出水区3，驱动组件702控制传动杆701上升，当传动杆701上升时，传动杆701上的齿槽自下而上依次带动旋转中轴614转动，旋转中轴614转动带动旋转液板601翻转，湿地出水区3液位上升，最终水平流人工湿地出水经过排水管9排出。

本实施方式中的水平流人工湿地智能控制系统，能够实现对人工湿地冬季冰盖保温层调控及对湿地植物的控根育苗，通过提升冬季湿地运行液位，调整冬季冰盖保温层厚度；由于植物根系为顶端生长，因此通过控制单元控制分液组件的高度降低湿地运行液位；提升分液组件高度，将湿地运行液位提升至湿地植物根部以上，待植物根细出现侧根后；降低分液组件高度，使湿地运行液位始终保持在植物根部中部，诱发植物根系生长。

本实施例中的水平流人工湿地智能控制系统与现有技术相比具有明显优势：通过对水平流人工湿地液位的调控，解决了水平流人工湿地系统在寒冷冬季及低温地区保温运行的问题，提高了人工湿地系统在冬季对水中污染物的净化能力；通过自控液位系统对人工湿地液位的精准调控，解决了湿地植物控根育苗与湿地液位调控不及时准确的问题，加快了植物根系的生长，提高植物根系对水中污染物的吸收，从而提高人工湿地对水中污染物的净化能力。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。