农村生活污水无动力防堵塞人工湿地处理系统及处理工艺

本发明涉及环境污水治理，更具体的说是涉及一种农村生活污水无动力防堵塞人工湿地处理系统及处理工艺。

背景技术：

1、随着经济社会的快速发展，近年来我国农村地区的生活污水产生量与日俱增。据统计，全国农村生活污水低限产生量从2013年的74.69亿m3增加到2019年的110.37亿m3，增加了36.68亿m3；高限产生量从2013年的112.04亿m3增加到2019年的165.56亿m3，增加了53.52亿m3。2013年至2019年总增长率为47.78％，年均增长率为6.83％。然而，长期以来，由于经济、技术、文化习惯等多种因素的制约，致使我国大部分农村地区生活污水未采取有效处理措施并肆意排放，少数地区进行简单处理后亦难以实现达标排放。调查数据显示，2019年农村生活污水的处理比例约为31.50％，与城市地区(96.81％)比较相差甚远。农村生活污水的无序排放严重破坏农村水环境安全，妨害农村人居环境建设，对村民身心健康造成重大威胁，农村生活污水治理难题亟待解决。

2、我国大部分农村地区人口居住分散，城镇化水平较低，导致生活污水具有排放分散、排量小、排放波动大等特点，同时农村地区受限于资金短缺、技术人员匮乏、管理松散等短板，造成农村地区净化设施长期不到位、构造工艺不合理、后期维护不科学等问题，因此，研发一种绿色低碳、低本高效的农村生活污水处理工艺成为迫切需求。

3、目前，利用人工湿地进行水质净化是一种被证实有效的生态处理措施，被广泛应用于农村地区。传统人工湿地工艺结构单一，处理效果一般，应对复杂污染物类型和较高浓度污染物的生活污水效率较低。此外，为维持人工湿地的稳定运行，一般要求配备外部动力条件，增加了额外的成本开支。人工湿地由于长期接纳高污染水体，固体污染物的沉积作用以及微生物膜的固着，容易导致湿地基质填料发生堵塞，加之植物根系的生长蔓延，加剧了人工湿地的堵塞负效应。

4、专利cn214299508u一种防堵塞人工湿地装置，构造了一个多腔体的防堵塞装置，利用虹吸原理引导水流对堵塞的人工湿地进行反冲洗，但此设备制作流程复杂，不易制作和维护，反冲洗水易被填料消能，只能在极有限的范围内使用。

5、专利cn 215365378u一种变负荷防堵塞人工湿地水质净化结构，该发明设计了一套电机装置来清理基质上的附着污染物实现防堵塞功能，但此装置依赖外部电力机械，成本高，维护难，难以推广应用。

6、专利cn 216038857u一种防堵塞的可组卸式复合垂直流人工湿地系统，该发明设计了一种抽屉式结构装载填料来构筑成人工湿地的多层结构，但抽屉中的填料发生堵塞后需要将整个结构中的填料全部翻新，耗费大量人力物力，维护困难。

7、专利111233275a一种复合型农村污水处理装置，其包括依次连通的格栅、隔油池、一级人工湿地和二级人工湿地组成，能够提高污水净化效率，但此装置只能够减小堵塞概率，而不能防止堵塞发生。

8、因此，如何提供一种适用于农村生活污水处理的无动力防堵塞人工湿地处理系统及处理工艺是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种农村生活污水无动力防堵塞人工湿地处理系统及处理工艺，应用于农村生活污水的净化，可在无动力条件下缓解人工湿地长期运行状态下容易堵塞的问题，增强人工湿地净化效能，降低人工湿地管理维护成本，实现农村生活污水处理全过程将本增效。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种农村生活污水无动力防堵塞人工湿地处理系统，包括：由高到低依次连通设置的格栅沉砂池、化粪池、水解酸化池和防堵塞潜流人工湿地；

4、其中，所述防堵塞潜流人工湿地包括多个呈阶梯状分布的湿地单元。

5、上述技术方案的有益效果在于，上述四个部分的组合形成高度差，利用水的重力势能形成跌水，无需其他外部动力条件(电力、机械)辅助即可自动运行。

6、优选地，所述农村生活污水无动力防堵塞人工湿地处理系统还包括：黑灰分离模块，

7、所述黑灰分离模块与所述格栅沉砂池连接。

8、优选地，所述格栅沉砂池通过隔断墙分为黑水区和灰水区；

9、所述黑灰分离模块的黑水出水口与所述黑水区的黑水进口端连通，且所述黑水区的黑水出口端与所述化粪池连通；

10、所述黑灰分离模块的灰水出水口与所述灰水区的灰水进口端连通，且所述灰水区的灰水出口端与所述水解酸化池连通；

11、靠近所述黑水出口端与所述灰水出口端的同一侧设置有挡砂墙，且之间设有防堵板；

12、所述挡砂墙上设有格栅；

13、所述格栅沉砂池的顶部靠近黑水进口端与灰水进口端的一侧设有隔离板一；

14、所述隔离板一为水泥盖板；

15、所述格栅沉砂池的顶部靠近黑水出口端与灰水出口端的一侧设有检查口；

16、所述黑水主要是来自农户厕便器的冲厕水，包含被稀释的尿液、粪便等污染物的混合液及其他高浓度生活污水，具有水量小、污染物浓度高的特点；

17、所述灰水是来自便器以外的其他生活杂排水，包括厨房、洗衣、淋浴、盥水、清洁等日常产生的生活污水，具有水量大、污染低的特点。

18、上述技术方案的有益效果在于，通过格栅沉砂池过滤掉黑水中的大型固体垃圾，降低进入化粪池的难降解污染物的体量，提升化粪池微生物对有机污染物的降解效率。

19、优选地，所述化粪池包括一级有氧发酵池、二级厌氧处理池、三级澄清处理池；

20、其中，所述格栅沉砂池黑水出口端末端延伸至所述一级有氧发酵池的中下部；

21、所述一级有氧发酵池与所述二级厌氧处理池、所述二级厌氧处理池与所述三级澄清处理池之间设置有导流管；

22、所述三级澄清处理池的另一侧侧壁上设有出水管，并连接所述水解酸化池。

23、优选地，所述一级有氧发酵池的顶部设置有隔离网，底部设置有过滤层；所述隔离网为铁丝网；所述过滤层为秸秆垫料，厚度为20-30cm；

24、所述二级厌氧处理池底部设有厌氧菌污泥层，厚度为10-20cm；

25、所述二级厌氧处理池与所述三级澄清处理池顶部均覆盖有隔离板二；

26、所述隔离板二上设置有检查孔，用于清淤和检查；

27、所述隔离板二为混凝土挡板。

28、上述技术方案的有益效果在于，化粪池通过有氧和厌氧发酵对黑水中的大量难降解有机污染物实现了截留和降解，缓解了水解酸化池的工作压力，促进了水解酸化池的工作效率；同时，由于污染物与垫料、污泥混合后容易形成沉淀，当积累到一定程度时可通过检查孔对其进行清理；秸秆垫料与污水、颗粒污染物、微生物结合，经过微生物发酵反应后在发酵池底部形成高度膨胀的团聚体，在池底池壁挤压下固定在底部，不会随水位上升。

29、优选地，所述水解酸化池自上而下分为填料层、悬浮层和污泥层；

30、其中，所述填料层设有若干个平行排列的支架，填料悬挂在所述支架上；所述填料为具有高比表面积的填料；

31、所述悬浮层是介于填料层和污泥层中间的过渡层，由上层填料层微生物和下层污泥层微生物扩散后构成，是微生物物种多样性和功能复杂性最高的区域；

32、所述污泥层由布水管网和活性污泥组成，活性污泥厚度为10-15cm，布水管网的出水口高度比活性污泥表层高5cm以上，污泥更换时间为6-12个月；

33、所述污泥层底部还设有进水管，并分别与所述格栅沉砂池灰水出口端和所述三级澄清处理池侧壁的出水管连接；

34、所述污泥层的进水管与所述布水管网连通；

35、所述填料层的顶部设置出水口、排气管和检测口。

36、上述技术方案的有益效果在于，农村生活污水中难降解有机物在水解酸化池中经厌氧菌和兼性菌水解和酸化作用，将污水中悬浮性有机固体和难生物降解的大分子物质水解成溶解性有机物和易生物降解的小分子物质；活性污泥的密度比水大，在水中往往处于沉淀状态，且布水管网的出水口是向上喷出水流，能够有效防止污泥堵塞出水口。

37、优选的，所述防堵塞潜流人工湿地包括过滤加氧槽、植物种植模块和穿孔式溢流板；

38、其中，所述过滤加氧槽与所述填料层顶部的出水口连接；

39、所述过滤加氧槽与首个穿孔式溢流板之间设置有空腔；

40、所述穿孔式溢流板每2～3个板为一个湿地单元并设置同等高度，每个湿地单元包括4～12个植物种植模块。

41、优选地，所述过滤加氧槽上铺设有砾石，砾石的粒径为4-6cm；所述过滤加氧槽上设有流水孔，孔径为3cm；

42、上述技术方案的有益效果在于，通过砾石层可有效隔绝进入人工湿地的固体颗粒物，防止污染颗粒物在人工湿地中堆积造成堵塞，同时砾石的不规则形状和堆积形态迫使水流形成湍流，增加了水体与空气的接触面积，是污水在进入人工湿地前增加了溶氧量。

43、所述植物种植模块由陶粒-混凝土砌块和pvc管-植物种植筒构成；

44、所述陶粒-混凝土砌块呈长方体结构，中间设有内腔；所述陶粒的粒径为5-10mm；

45、所述pvc管-植物种植筒设置于陶粒-混凝土砌块内腔中；

46、所述pvc管-植物种植筒筒体上设有均匀分布的过水孔；

47、所述pvc管-植物种植筒筒体内填充有由纱布包裹的细颗粒填料；所述细颗粒填料包括但不限于沸石、石英砂；

48、所述细颗粒填料上种植有单棵、单丛或单簇净化植物；所述净化植物包括但不限于美人蕉、芦竹、芦苇、再力花、风车草、香根草等具有综合去污能力强、耐寒耐热、抗病虫害效果好特点的乡土植物。

49、上述技术方案的有益效果在于，由于陶粒的孔径大，透水透气性强，且稳定牢固，对放入内腔的种植筒提供稳定水流和强力支撑；同时，在长时间运行后，应植物根系生长代谢或水质原因造成局部堵塞时，可使用人力将种植筒取出，对植物进行整株收割，对筒内填料进行更换或冲洗晾晒后回用，实现防堵塞功能。

50、所述穿孔式溢流板由混凝土板浇筑而成；

51、所述穿孔式溢流板在顶部和底部依次交错设置有穿水孔；

52、所述穿水孔的孔径和数量为最大限度允许水流通过且不破坏混凝土板刚度为宜；

53、上述技术方案的有益效果在于，穿孔式溢流板一方面能够增加水流接触空气的几率，提升水流含氧量，提高填料层好氧微生物活性，增强污染物去除率；另一方面增加水流与基质填料接触机会，提升人工湿地工作效率；同时随水流方向逐步降低高度，控制水流形成上行/下行复合垂直流，并实现溢流。

54、优选地，所述植物种植模块之间铺设有粗颗粒或单一类型填料；

55、所述填料包括但不限于砾石、碎石、高炉矿渣。

56、上述技术方案的有益效果在于，通过铺设填料对水流进行过滤，为微生物提供生长载体，且因其粒径较大，类型单一，长时间运行不易造成堵塞。

57、一种农村生活污水无动力防堵塞人工湿地处理系统的污水处理工艺，包括以下步骤：

58、(1)将生活污水排入黑灰分离模块中进行黑水与灰水分离，分离后的黑水和灰水分别排入黑水进口端和灰水进口端流入格栅沉砂池，黑水进入格栅沉砂池，过滤掉大型固体垃圾后，通过黑水出口端排入一级有氧发酵池中，灰水进入格栅沉砂池，通过格栅沉砂池灰水出口端排入污泥层；

59、(2)黑水进入一级有氧发酵池后，通过隔离网向一级有氧发酵池中加入em菌剂，经导流管依次流经二级厌氧处理池和三级澄清处理池后，通过三级澄清处理池侧壁出水管排出；

60、(3)灰水与从三级澄清处理池排出的黑水通过污泥层的进水管进入布水管网，依次经过悬浮层、填料层进行微生物处理后，停留6-12小时后排出。

61、(4)经填料层排出的污水进入过滤加氧槽进行过滤和加氧，污水通过过滤加氧槽上的过水孔流出，沿穿孔式溢流板上的穿水孔进入潜流人工湿地位置最高的湿地单元中，通过溢流板上的穿水孔形成上行/下行交替进行的复合垂直流状态，经多个湿地单元净化后达标排出。

62、上述技术方案的有益效果在于，黑灰水分离降低了后续环节对污染物的处理量和处理难度；化粪池三级处理通过有氧无氧发酵实现难降解有机污染物的初级截留和初步降解；酸化水解池将难降解有机污染物进一步分化解离为易处理的小分子有机物；人工湿地的多个模块通过组合效应放大了微生物的降解作用，促进了水质净化效率。

63、优选地，所述步骤(2)中em菌剂与秸秆垫料比例为1:100，即100kg秸秆垫料使用1kg菌剂；

64、优选的，所述步骤(3)中污水在水解酸化池的停留时间可根据污染程度和季节进行调整。

65、上述技术方案的有益效果为，增加高效微生物的丰度和多样性，促进微生物发酵效率，提升有机污染物降解效率，针对污染程度较重的水体和温度较低的季节适当延长停留时间，增加微生物反应时长，实现重污染水体的有效净化，缓解低温环境对微生物生化反应的负面影响。

66、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种农村生活污水无动力防堵塞人工湿地处理工艺，具有如下有益效果：

67、1、低能耗，整个系统通过营造水位落差和势能、动能转换机制来实现水体在各个环节自由流动，无需借助外部动力如电力、燃油等的辅助即可实现污水净化，是一种绿色低碳的污水处理方法。

68、2、高效能，整个系统设置了四个关键环节来逐步净化农村生活污水，通过多个环节不同类型基质和各种微生物的有序配合及协同效应，对水体中多种类型污染物进行多重拦截，对高浓度污染物实现大幅削减，高效促进农村生活污水达标排放。

69、3、防堵塞，整个系统通过格栅沉砂池、化粪池和水解酸化池对农村生活污水进行高效拦截净化，去除了绝大部分固体颗粒污染物，保证污水在流入潜流人工湿地后不易发生堵塞。同时，对传统的潜流人工湿地结构进行升级改造，以植物种植模块为核心构造新型潜流人工湿地，通过简易的植物修剪、填料更新轻松实现人工湿地长期运行不堵塞。

70、4、易维护，整个系统因为不使用外部动力设备，因此无需针对设备进行额外保养和维修。同时，由于采用了植物种植模块作为人工湿地的核心装置，只需针对该装置中的植物进行简单的定期修剪，对填料进行简单的更换或回收清洗晾晒，即可保证人工湿地长期运行。