一种抗堵塞人工湿地系统

本发明涉及人工湿地领域，具体涉及一种抗堵塞人工湿地系统，适用于河湖生态修复及治理、饮用水源地保护、生活污水治理及提标、渔业养殖废水循环等面源污染控制。

背景技术：

目前，水生态修复有巨大的技术需求，特别是作为生态修复技术之一的人工湿地技术，更是具有广阔的前景。但人工湿地存在着冬季效果差、占地面积大以及容易堵塞等问题，这些问题都严重制约了人工湿地技术的发展。

基于上述问题，人工湿地领域受到越来越多的关注，越来越多的创新和尝试被用于解决堵塞问题。一方面，研究的重点在于理解湿地堵塞的机理，并尝试借助先进的技术手段来预测湿地堵塞的位置，在早期发现堵塞并将堵塞位置填料更换以解决问题；另一方面，更多的研究偏向于应用，即如何有效解决湿地堵塞，涌现出了模块化湿地技术，但也存在着堵塞后需要更换填料的问题，产生了大量的人力物力财力消耗。因此，如何在人工湿地技术工艺上进行抗堵塞革新，是个比较急迫的技术需求，有助于快速解决该行业领域的“卡脖子”问题，推动技术的进步。公开号为cn111977808a、cn112142209a的专利文本均公开了利用轻质悬浮填料作为抗堵塞填料实现抗堵塞的技术方案。

技术实现要素：

针对现有人工湿地技术存在的易于堵塞的问题，本发明专利提供一种基于多种技术强化的抗堵塞人工湿地系统。

一种抗堵塞人工湿地系统，包括湿地主体填料区，其上端设置横向抗堵塞系统，底部外侧设置强化抗堵塞系统；所述强化抗堵塞系统通过底部过水口与所述湿地主体填料区连通，所述强化抗堵塞系统的上端设置垂向抗堵塞系统，所述强化抗堵塞系统包括穿孔斜板和覆盖在所述穿孔斜板上的强化过滤膜，所述抗堵塞人工湿地系统对应所述强化抗堵塞系统的侧面上设置排空管；所述垂向抗堵塞系统、横向抗堵塞系统的上方设置模块化可拆卸区域；所述垂向抗堵塞系统、横向抗堵塞系统的内部均布置有可在水中悬浮的抗堵塞填料。

所述抗堵塞填料的材质可采用现有技术中已有的可在水中悬浮的材料，优选为可悬浮的轻质陶粒等。

所述抗堵塞人工湿地系统两侧分别设置进水口和出水口，所述进水口位于所述模块化可拆卸区域和垂向抗堵塞系统之间，所述出水口位于所述模块化可拆卸区域和横向抗堵塞系统之间或所述横向抗堵塞系统侧面；所述模块化可拆卸区域和垂向抗堵塞系统之间靠近所述横向抗堵塞系统一侧设有溢流口，所述进水口底端不低于所述溢流口底端，所述溢流口底端高于所述出水口底端。

所述进水口低于模块化可拆卸区域并高于垂向抗堵塞系统。优选地，所述进水口底端比所述出水口底端高50～100mm，所述进水口、出水口分别独立安装蝶阀、球阀、电磁阀等中的一种或多种的组合。

优选地，所述溢流口宽度与所述抗堵塞人工湿地系统宽度一致，并由孔径小于抗堵塞填料粒径的尼龙、铁丝网等中的一种或几种材料组成。

所述横向抗堵塞系统包括抗堵塞填料及其外壳。优选地，所述横向抗堵塞系统内部装填有粒径大小为10～20mm的抗堵塞填料，四周为由硬质或软质的网状材料组成的网状结构，其材质为尼龙、铁丝网、无纺布等中的一种或几种的组合，其孔径小于抗堵塞填料的粒径大小，且其内部的抗堵塞填料填充体积比为60％～90％之间。

所述垂向抗堵塞系统包括抗堵塞填料及其外壳。所述垂向抗堵塞系统的底端与所述强化抗堵塞系统的顶端连通，无水时所述垂向抗堵塞系统内的抗堵塞填料堆积在所述强化抗堵塞系统的强化过滤膜上，所述强化过滤膜的孔径小于所述垂向抗堵塞系统内的抗堵塞填料的孔径，有水时，所述垂向抗堵塞系统内的抗堵塞填料会在水的浮力作用下悬浮。优选地，所述垂向抗堵塞系统内部装填有粒径大小为10～25mm的抗堵塞填料，抗堵塞填料填充体积比为30％～90％之间。

所述湿地主体填料区内布置湿地主体填料。优选地，所述湿地主体填料区内的湿地主体填料为陶粒、无烟煤、钢渣、沸石、碎石等中的一种或几种的组合，其粒径为20～50mm之间。

所述底部过水口为由孔径小于湿地主体填料粒径的尼龙、铁丝网等中的一种或几种材料组成的网状结构，其宽度和高度优选与所述强化抗堵塞系统一致。

优选地，所述模块化可拆卸区域包括基底和设于所述基底中的强化处理系统、第一通风管和第二通风管；

所述模块化可拆卸区域的底部为网格状，其材质为尼龙、无纺布、铁丝等中的一种或几种组合，其孔径小于所述基底粒径，用于承托所述基底；

所述基底为砾石、碎石、沸石、陶粒、无烟煤、钢渣等中的一种或几种的组合，粒径为10～30mm，所述基底的厚度为200mm；

所述强化处理系统为装有与所述基底相同材质和粒径规格的模块化湿地、浮岛等中的一种或几种的组合，其大小可以不固定，可根据实际空间情况确定；所述强化处理系统上种植有水生植物，所述水生植物为挺水植物，具体为美人蕉、菖蒲、鸢尾、千屈菜、再力花等中的一种或几种的组合，种植密度为6-30株/平；所述水生植物的根系位于所述横向抗堵塞系统、垂向抗堵塞系统之上或穿插于所述横向抗堵塞系统、垂向抗堵塞系统中；

所述第一通风管、第二通风管由所述强化处理系统隔开并分别埋入所述横向抗堵塞系统的不同深度位置，所述第二通风管下端位于所述横向抗堵塞系统底部，所述第一通风管下端位于所述横向抗堵塞系统上部，所述第一通风管、第二通风管的上端与所述强化处理系统平面圈梁相持平。本发明中，将所述第一通风管称之为i型通风管，其形状可以是粗短，将所述第二通风管称之为ii型通风管，其形状可以是细长。

优选地，所述穿孔斜板与水平面的夹角小于45度，所述穿孔斜板的目数为10～45目；所述强化过滤膜的目数为45～120目，材质为尼龙、无纺布等中的一种或几种的组合。

优选地，所述排空管通过安装在其上的蝶阀、球阀、电磁阀等中的一种或多种的组合控制开合；所述排空管内侧安装过滤网，所述过滤网的材质为尼龙、铁丝网等中的一种或几种的组合，且孔径小于所述垂向抗堵塞系统装填的抗堵塞填料的粒径大小。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

1、进水进入垂向抗堵塞系统后，垂向抗堵塞系统内的抗堵塞填料在水的浮力作用下悬浮并相互碰撞，其上不断有生物膜的增长和脱落，可使从进水中截留下来的易引起堵塞的物质(如悬浮物ss等)沉降掉落，并进一步被穿孔斜板和强化过滤膜截留，最后可通过排空管排出，这样就在抗堵塞的同时避免了垂向抗堵塞系统内抗堵塞填料的更换。而且，自垂向抗堵塞系统沉降下来的ss和脱落的生物膜等进入到强化抗堵塞系统，定期(如一年后短暂停止进水后再正常进水运行)或不定期通过排空管排空存水，使得垂向抗堵塞系统内抗堵塞填料也沉降到强化过滤膜上，通过剪切力破坏上面的生物膜以实现表面“自清洁”起到避免膜堵塞的风险；同时，经过强化过滤膜的过滤后水透过穿孔斜板向湿地主体填料区均匀布水，实现了进一步的抗堵塞，减少了进入后端系统的污染物浓度。

2、当水量过大，多的水流通过上部溢流口进入横向抗堵塞系统。类似于垂向抗堵塞系统，横向抗堵塞系统内的抗堵塞填料在水的浮力作用下悬浮并相互碰撞，可使从来水中截留下来的易引起堵塞的物质(如ss等)、生物膜掉落并随水流经出水口排出。而且，水生植物的根系会向下生长，甚至插入横向抗堵塞系统内，可起到对来水中污染物、生物膜等的吸附截留和吸收转移转化作用，与横向抗堵塞系统内的抗堵塞填料一起协同抗堵塞。

附图说明

图1为实施例抗堵塞人工湿地系统的结构示意图；

图中：

1-进水口2-抗堵塞人工湿地系统3-模块化可拆卸区域

4-基底5-强化处理系统6-水生植物

7-水生植物根系8-第一通风管9-第二通风管

10-横向抗堵塞系统11-抗堵塞填料12-垂向抗堵塞系统

13-抗堵塞填料14-湿地主体填料15-强化抗堵塞系统

16-穿孔斜板17-强化过滤膜18-排空管

19-底部过水口20-溢流口21-出水口。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

如图1所示，本实施例的抗堵塞人工湿地系统2包括湿地主体填料区14，其上端设置横向抗堵塞系统10，底部外侧设置强化抗堵塞系统15；强化抗堵塞系统15通过底部过水口19与湿地主体填料区14连通，强化抗堵塞系统15的上端设置垂向抗堵塞系统12，强化抗堵塞系统15包括穿孔斜板16和覆盖在穿孔斜板16上的强化过滤膜17，抗堵塞人工湿地系统2对应强化抗堵塞系统15的侧面上设置排空管18；垂向抗堵塞系统12、横向抗堵塞系统10的上方设置模块化可拆卸区域3；垂向抗堵塞系统12、横向抗堵塞系统10的内部均布置有可在水中悬浮的抗堵塞填料11、13。抗堵塞填料11、13的材质为可悬浮的轻质陶粒等。

抗堵塞人工湿地系统2两侧分别设置进水口1和出水口21，进水口1位于模块化可拆卸区域3和垂向抗堵塞系统12之间，出水口21位于模块化可拆卸区域3和横向抗堵塞系统10之间或横向抗堵塞系统10侧面；模块化可拆卸区域3和垂向抗堵塞系统12之间靠近横向抗堵塞系统10一侧设有溢流口20，进水口1底端不低于溢流口20底端，溢流口20底端高于出水口21底端。

进水口1低于模块化可拆卸区域3并高于垂向抗堵塞系统12。进水口1底端比出水口21底端高50～100mm，进水口1、出水口21分别独立安装蝶阀、球阀、电磁阀等中的一种或多种的组合。

溢流口20宽度与抗堵塞人工湿地系统2宽度一致，并由孔径小于抗堵塞填料11、13粒径的尼龙、铁丝网等中的一种或几种材料组成。

横向抗堵塞系统10包括抗堵塞填料11及其外壳。横向抗堵塞系统10内部装填有粒径大小为10～20mm的抗堵塞填料11，四周为由硬质或软质的网状材料组成的网状结构，其材质为尼龙、铁丝网、无纺布等中的一种或几种的组合，其孔径小于抗堵塞填料11的粒径大小，且其内部的抗堵塞填料11填充体积比为60％～90％之间。

垂向抗堵塞系统12包括抗堵塞填料13及其外壳。垂向抗堵塞系统12的底端与强化抗堵塞系统15的顶端连通，无水时垂向抗堵塞系统12内的抗堵塞填料13堆积在强化抗堵塞系统15的强化过滤膜17上，强化过滤膜17的孔径小于垂向抗堵塞系统12内的抗堵塞填料13的孔径，有水时，垂向抗堵塞系统12内的抗堵塞填料13会在水的浮力作用下悬浮。垂向抗堵塞系统12内部装填有粒径大小为10～25mm的抗堵塞填料13，抗堵塞填料13填充体积比为30％～90％之间。

湿地主体填料区14内布置湿地主体填料。湿地主体填料区14内的湿地主体填料为陶粒、无烟煤、钢渣、沸石、碎石等中的一种或几种的组合，其粒径为20～50mm之间；

底部过水口19为由孔径小于湿地主体填料粒径的尼龙、铁丝网等中的一种或几种材料组成的网状结构，其宽度和高度与强化抗堵塞系统15一致。

模块化可拆卸区域3包括基底4和设于基底4中的强化处理系统5、第一通风管8和第二通风管9。

模块化可拆卸区域3的底部为网格状，其材质为尼龙、无纺布、铁丝等中的一种或几种组合，其孔径小于基底4粒径，用于承托基底4。

基底4为砾石、碎石、沸石、陶粒、无烟煤、钢渣等中的一种或几种的组合，粒径为10～30mm，基底4的厚度为200mm；

强化处理系统5为装有与基底4相同材质和粒径规格的模块化湿地、浮岛等中的一种或几种的组合，其大小可以不固定，可根据实际空间情况确定；强化处理系统5上种植有水生植物6，水生植物6为挺水植物，具体为美人蕉、菖蒲、鸢尾、千屈菜、再力花等中的一种或几种的组合，种植密度为6-30株/平；水生植物根系7位于横向抗堵塞系统10、垂向抗堵塞系统12之上或穿插于横向抗堵塞系统10、垂向抗堵塞系统12中。

第一通风管8粗短、第二通风管9细长，由强化处理系统5隔开并分别埋入横向抗堵塞系统10的不同深度位置，第二通风管9下端位于横向抗堵塞系统10底部，第一通风管8下端位于横向抗堵塞系统10上部，第一通风管8、第二通风管9的上端与强化处理系统5平面圈梁相持平。

穿孔斜板16与水平面的夹角小于45度，穿孔斜板16的目数为10～45目；强化过滤膜17的目数为45～120目，材质为尼龙、无纺布等中的一种或几种的组合。

排空管18通过安装在其上的蝶阀、球阀、电磁阀等中的一种或多种的组合控制开合；排空管内侧安装过滤网，其材质为尼龙，且孔径小于垂向抗堵塞系统装填的抗堵塞填料的粒径大小。

应用例1

本应用例构造了外形(进水口、出水口和排空管位置，管径均为20mm)和规模均为长*宽*高＝800mm*500mm*550mm的传统水平潜流人工湿地(对照组)和采用了上述实施例抗堵塞人工湿地系统(实验组)的两套装置，并选取一段河道使用其作为进水来源开展对比示范，处理水量为160l/d。传统人工湿地填料为碎石(粒径为20mm)，植物类型与配置与上述实施例人工湿地系统一致。启动运行3个月后，考察两组对比试验系统的ss、codcr、氨氮和tp去除效果。

本应用例对上述实施例抗堵塞人工湿地系统进行具体细化：

进水口比出水口高80mm，进水口与出水口分别安装球阀；

进水口低于模块化可拆卸区域并略高于垂向抗堵塞系统上部；

出水口安装于横向抗堵塞系统出水一侧；

湿地主体填料为碎石，其粒径为20mm；

底部过水口由孔径小于湿地主体填料粒径的尼龙材料组成；

溢流口由孔径小于抗堵塞填料粒径的尼龙材料组成；

排空管通过球阀控制开合；

模块化可拆卸区域底部材质为尼龙；

基底为碎石，粒径为20mm；

强化处理系统为装有与基底有相同材质和粒径规格的浮岛，其大小为市面上标准的六边形产品；

水生植物为挺水植物，具体为菖蒲，种植密度为15株/平；

植物根系置于横向抗堵塞系统和垂向抗堵塞系统之上，在运行过程中根系会生长，可能会插入到横向抗堵塞系统和垂向抗堵塞系统中；

第二通风管下端埋进横向抗堵塞系统且置于底部上方50mm，第一通风管下端埋进横向抗堵塞系统且置于上部30mm；

横向抗堵塞系统长*宽*高为500mm*500mm*150mm；

横向抗堵塞系统四周由硬质的网状材料组成，其材质为铁丝网构成，且孔径小于由轻质陶粒等组成的抗堵塞填料的粒径大小(15mm)，且抗堵塞填料填充比为70％。

垂向抗堵塞系统位于进水口和强化抗堵塞系统之间，长*宽*高为300mm*500mm*300mm，并装填有抗堵塞填料，且抗堵塞填料填充比为70％；

穿孔斜板与水平面夹角小于45度，且穿孔斜板目数为15；

强化过滤膜平铺在穿孔斜板之上，且其目数为60，材质为无纺布。

本应用例中，实验组对污染物的去除效果优于对照组(传统水平潜流人工湿地)。其中，实验组对ss、codcr、氨氮和tp的去除率分别为81.25％、55.56％、93.50％和91.74％；而对照组对去除率分别为50.00％、38.89％、84.72％和82.64％。

应用例2

本应用例与应用例1的区别主要是处理水量为900l/d，部分时段进水通过溢流口进入到横向抗堵塞系统，其余均与应用例1相同。

在本应用例中，实验组对污染物的去除效果明显优于对照组。其中，实验组对ss、codcr、tn和tp的去除率分别为78.20％、42.58％、67.46％和71.22％；而对照组去除率分别为46.17％、37.64％、44.38％和42.61％。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。