CN110745958B - 一种强化脱氮无动力复氧的潜流人工湿地系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种强化脱氮无动力复氧的潜流人工湿地系统及其应用，所述潜流人工湿地系统包括：湿地床体，与湿地床体连通的注水部件和排水部件；所述湿地床体还设置有曝气部件；其中，所述排水部件包括集水直管和出水渠，所述集水直管呈倒U型设置；所述曝气部件包括导气管，所述导气管埋设于湿地床体内部；且导气管管壁上设置有通孔；所述曝气部件还包括一对通气管，所述通气管竖直设置，所述通气管一端与导气管一端连接，另一端延伸至湿地床体外部。其有效克服了现有技术存在的脱氮效果差、能耗高、运行费用高等缺点，可实现无动力运行，同时脱氮效率大幅度提高，具有良好的实际应用之价值。

Description

一种强化脱氮无动力复氧的潜流人工湿地系统及其应用

技术领域

本发明属于生态水处理技术领域，具体涉及一种强化脱氮无动力复氧的潜流人工湿地系统及其应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

由于集中式污水处理在农村和中小城镇地区的局限性，这些地区的污水通常采用分散式处理系统进行净化，其中人工湿地具有结构简单、投资小、运行维护方便且费用低等优点，实用性强。

人工湿地运行过程中，硝化细菌、反硝化细菌分别在好氧、缺氧环境发生硝化、反硝化作用，完成生物脱氮过程，但其淹水构造以及植物和微生物的呼吸作用，造成系统内部的溶解氧不足，处于缺氧或厌氧状态，大大限制了硝化作用，降低了脱氮效果。此外，人工湿地的厌氧环境也会造成悬浮物、微生物胞外聚合物不能得到降解而积累，造成堵塞。

为实现高效复氧、提高湿地脱氮效率，研究人员做了大量的研究，提出了跌水曝气、人工间歇曝气、潮汐流人工湿地等多种技术改良，其中，人工间歇曝气、潮汐流人工湿地技术应用较为广泛。人工间歇曝气是人工利用气泵使人工湿地基质形成交替的好氧、缺氧环境，可大幅提高湿地的脱氮效果，也可缓解堵塞现象，延长湿地寿命。但间歇曝气需要气泵等动力设备的运行，操作复杂、运行费用昂贵，能耗高。潮汐流人工湿地是近年来由伯明翰大学提出的，它在运行过程中周期性被充满水和排干，床体充水过程中空气被挤出，排水过程中新鲜的空气被带入床内，污水就像一个定时的气泵，提供交替的缺氧、好氧环境，提高了脱氮效果，潮汐流人工湿地因为操作管理简单、去除效率高的优点而被大量应用推广，但其运行过程中仍需要水泵等耗能设备来创造潮汐，运行费用高的问题仍未解决；与此同时，也有研究者指出，潮汐流人工湿地排空复氧阶段的充氧并不充足。在潮汐流人工湿地进水淹没阶段，可以在很短时间内把排空复氧所吸入的氧气消耗殆尽，造成其基质在进水淹没阶段的大部分时间仍为厌氧或缺氧环境。因此，潮汐流人工湿地存在有运行费用昂贵、复氧能力差的缺陷。

综上，现有的技术存在有脱氮效果差、能耗高、运行费用昂贵、复氧能力弱、湿地易堵塞等缺陷，尚不能满足高效复氧脱氮的需求，缺乏有效解决措施、技术。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种强化脱氮无动力复氧的潜流人工湿地系统及其应用，其有效克服了现有人工湿地存在的脱氮效果差、能耗高、运行费用高等缺点，可实现无动力运行，且不易堵塞，同时复氧能力强、脱氮效率得到大幅度提高，因此具有良好的实际应用之价值。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：

本发明的第一个方面，提供一种强化脱氮无动力复氧的潜流人工湿地系统，所述潜流人工湿地系统包括：

湿地床体，与湿地床体连通的注水部件和排水部件；

所述湿地床体还设置有曝气部件；

其中，所述排水部件包括集水直管和出水渠，所述集水直管呈倒U型设置，用于收集人工湿地系统内处理的污水并排入出水渠，同时可触发产生虹吸作用；

所述曝气部件包括导气管，所述导气管埋设于湿地床体内部；且导气管管壁上设置有通孔；

所述曝气部件还包括一对通气管，所述通气管竖直设置，所述通气管一端与导气管一端连接，另一端延伸至湿地床体外部；两个通气管长度不同；优选的，所述通气管之间高差为0.5-1.2m，例如0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m或1.2m。

本发明的一个或多个实施例中，所述通气管延伸至湿地床体外部的一端端部设置有通气帽，防止杂物落入。

本发明的一个或多个实施例中，所述注水部件至少包括进水渠和穿孔进水管，所述穿孔进水管埋设于湿地床体内部；从而将进水渠的污水分配到床体内部；其埋设位置与湿地床体地表之间的距离小于导气管埋设位置与湿地床体地表之间的距离。

本发明的一个或多个实施例中，所述穿孔进水管管壁设置小孔孔径为2-5mm，例如2mm、3mm、4mm或5mm；为防止小孔堵塞，可采用薄膜等进行包裹，确保污水从小孔流出同时防止外部杂质颗粒堵塞小孔；

本发明的一个或多个实施例中，所述穿孔进水管埋设位置的水平高度与集水直管顶部水平高度持平。

本发明的一个或多个实施例中，所述湿地床体底部还设置放空部件，可定期实现湿地落干，防止湿地堵塞，延长湿地使用寿命。所述放空部件包括放空管和设置在放空管上的阀门。

本发明的一个或多个实施例中，所述湿地床体由上至下(由湿地床体地表至湿地床体地底)依次设置为细卵石层、粗卵石层和卵石底层；

本发明的一个或多个实施例中，所述细卵石层厚度控制为20-40cm，例如20cm、30cm或40cm；所述细卵石粒径为1-3cm，例如1cm、2cm或3cm；

本发明的一个或多个实施例中，所述粗卵石层厚度控制为50-80cm，例如50cm、60cm、70cm或80cm；所述粗卵石粒径为3-5cm，例如3cm、4cm或5cm；

本发明的一个或多个实施例中，所述卵石底层厚度控制为20-50cm，例如20cm、30cm、40cm或50cm；底层卵石粒径为5-8cm，例如5cm、6cm、7cm或8cm。

本发明的一个或多个实施例中，上述基质层也可用砾石、碎石、沸石、砂砾、等中的一种或几种。

本发明的一个或多个实施例中，所述穿孔进水管埋设于细卵石层，穿孔进水管管间距设置为湿地宽度的8-10％，例如8％、9％或10％；更加便于将污水均布于整个潜流人工湿地系统中。

本发明的一个或多个实施例中，所述导气管设置于湿地床体高度1/3-2/3处，例如1/3、1/2或2/3；可选在粗卵石层，床体沿长度方向内部每隔30-100cm(例如30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm或100cm)均匀设置，导气管管壁均匀设置有2-5mm(例如2cm、3cm、4cm或5cm)直径的通孔，导气管两端连接有高差为0.5-1.2m(例如0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m或1.2m)的通气管，它在水位下落时，可利用管道通风，增加床体内的溶解氧浓度。

本发明的一个或多个实施例中，可在湿地床体上栽培水生植物；所述水生植物包括但不限于芦苇、菖蒲、鸢尾、美人蕉等；通过栽培水生植物既可形成一定的经济、景观价值，同时也有助于加强污水渗滤作用，提高人工湿地系统污水处理效率。

本发明的一个或多个实施例中，所述潜流人工湿地系统长宽比设计为不大于于3:1，例如1:1、2:1或3:1，水深为0.6-1.5m，例如0.6m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m或1.5m。

本发明的一个或多个实施例中，所述潜流人工湿地系统为水平潜流式，采用混凝土结构，底部作防渗处理。

本发明的第二个方面，提供上述潜流人工湿地系统在污水处理中的应用。

本发明的第三个方面，提供一种污水处理的方法，具体来说即上述人工潜流湿地系统的运行方法，所述方法包括将污水置于上述潜流人工湿地系统进行处理，所述潜流人工湿地系统按照潮汐周期性运行，水力停留时间(HRT)控制为4～8h(优选为6h)，分为淹没、排空两个阶段。

其中，淹没阶段：通过均匀分布的穿孔进水管，将进水渠的污水均匀分配到床体内部，污水通过渗透、流动经过床体内细卵石、粗卵石等填料。随着污水的进入，导气管被污水浸没，湿地内部呈现缺氧环境，提高了湿地的反硝化作用。淹没阶段，污水也充分与床体内的基质、微生物反应，净化污水。

排空阶段：随着污水的不断进入，床体水位不断升高，当污水水位达到集水直管顶部时，触发虹吸作用，集水直管开始排水，水位也随之下降，水位下降的同时产生了孔隙吸力，大气中的氧气被吸入，下降过程中，位于湿地内部的导气管暴露，利用虹吸原理的负压抽吸作用与大气压差实现管道通风，再次增加了床体内部溶解氧浓度。提高了湿地对有机物、氨氮的处理效果。直到水位降低到集水直管的底部，空气进入，虹吸被破坏，集水直管不再排水，水位再次上升。

水位上升时，导气管又被堵塞，湿地内部又呈现出缺氧(或厌氧)环境。如此这样，循环往复，在无动力的条件下，实现连续进水、间歇排水，在湿地基质形成交替的缺氧、好氧环境。此外，该湿地将集水直管、导气管的耦合，二者在排空复氧阶段相互结合，充氧效果更佳。

本发明具有以下优点：

(1)本发明潜流人工湿地系统结构简单，运行期间不需要水泵、气泵，可实现无动力运行，没有能源消耗，运行费用低。

(2)湿地床体上部设置有通气管，底部以导气管相连通，导气管管壁均匀的打孔，可利用大气压力实现管道通风充氧，增加湿地内溶解氧浓度。在克服传统潜流人工湿地内部溶解氧浓度低缺点的同时，也省却了传统耗能的鼓风曝气设备，节省了建设、运行费用。

(3)湿地在床体末端设置有集水直管，利用虹吸原理，实现集水直管自动排水，实现水位的自动升降。可在湿地内部形成交替的缺氧、好氧环境，实现时间上的序批式脱氮A/O工艺，增加了湿地内微生物的多样性，脱氮效率大幅升高。

(4)该装置实现了水位的自动升降和导气管曝气的耦合。水位下降时，在饱和浸润面下降同时产生的孔隙吸力作用下，氧气被吸入，与此同时，导气管被暴露，导气管利用虹吸作用的负压抽吸与大气压差实现管道通风，再次增加了床体内部溶解氧浓度，促进了微生物的硝化作用，克服了传统人工湿地TN去除率不高的限制因素。水位上升时，导气管再次浸没在水中，湿地内部又呈现出缺氧(或厌氧)环境。因此，该湿地充氧效果优于仅靠潮汐过程的充氧效果，处理效果也更好。

(5)该湿地营造出交替的缺氧、好氧环境，而不是传统潜流人工湿地厌氧、缺氧环境，避免了悬浮物、胞外聚合物的积累，有效防止土壤堵塞，延长了湿地的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1中的潜流人工湿地系统整体结构示意图；

图2为本发明实施例1中的潜流人工湿地系统横截面图。

附图标号说明

1-可移动盖板；2-湿地植物；3-通气管；4-通气帽；5-进水渠；6-穿孔进水管；7-集水直管；8-出水渠；9-放空管；10-导气管。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对潜流人工湿地系统及其污水处理方法进行更全面的描述。附图中给出了潜流人工湿地系统及其污水处理方法的首选实施例。但是，潜流人工湿地系统及其污水处理方法可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对潜流人工湿地系统及其污水处理方法的公开内容更加透彻全面。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“多个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

现结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

如前所述，现有人工湿地在污水处理中普遍存在脱氮效果差、能耗高、运行费用昂贵、复氧能力弱、湿地易堵塞等缺陷。

有鉴于此，本发明的一个典型实施方式中，提供一种强化脱氮无动力复氧的潜流人工湿地系统，所述潜流人工湿地系统采用混凝土结构，底部做防渗处理，长宽比设计为1:1-3:1，水深为0.6-1.5m。湿地整体主要由进水渠5、出水渠8、床体三部分组成。在湿地进水渠、床体、出水渠设置有穿孔进水管6、放空管9、集水直管7。穿孔集水管均匀分布位于上部细卵石层(厚度为20-40cm，细卵石粒径1-3cm)，其间距设计为湿地宽度的8％-10％，穿孔管管壁均匀打有2-5mm直径的小孔，并用薄膜包裹，防止堵塞。放空管位于床体右侧底部，并装有蝶阀。集水直管设计为倒U型，一端与湿地内集水管连接，收集湿地内处理的污水，一端在出水渠悬空，其顶部高度与穿孔进水管齐平，底部与床体底齐平，防止出现死水区。湿地的填料从上到下依次为细卵石层、粗卵石层(厚度为50-80cm，粗卵石粒径为3-5cm)、卵石底层(厚度为20-50cm，底层卵石粒径为5-8cm)，也可用砾石、碎石、沸石、砂砾等基质的一种或几种。上层土壤种植有芦苇、菖蒲、鸢尾、美人蕉等水生植物。导气管10位于湿地高度1/3-2/3处，床体沿长度方向内部每隔30-100cm均匀设置，其管壁均匀打有2-5mm直径的小孔，导气管两端连接有高差为0.5-1.2m的通气管3，它在水位下落时，可利用管道通风，增加床体内的溶解氧浓度。通气管上加装通气帽4，防止杂物进入。

潜流人工湿地系统设计呈潮汐周期性运行，水力停留时间(HRT)设计为6h，分为淹没、排空两个阶段。

淹没阶段：通过均匀分布的穿孔进水管6，将进水渠5的污水均匀分配到床体内部，污水通过渗透、流动经过床体内细卵石、粗卵石等填料。随着污水的进入，导气管10被污水浸没，湿地内部呈现缺氧环境，提高了湿地的反硝化作用。淹没阶段，污水也充分与床体内的基质、微生物反应，净化污水。

排空阶段：随着污水的不断进入，床体水位不断升高，当污水水位达到集水直管7顶部时，触发虹吸作用，集水直管开始排水，水位也随之下降，水位下降的同时产生了孔隙吸力，大气中的氧气被吸入，下降过程中，位于湿地高度1/3-2/3处的导气管10暴露，它与连接的两个高低不一的通气管3利用大气压实现管道通风，再次增加了床体内部溶解氧浓度。提高了湿地对有机物、氨氮的处理效果。直到水位降低到集水直管7的底部，空气进入，虹吸被破坏，集水直管不再排水，水位再次上升。

水位上升时，导气管10又被堵塞，湿地内部又呈现出缺氧(或厌氧)环境。如此这样，循环往复，在无动力的条件下，实现连续进水、间歇排水，在湿地基质形成交替的缺氧、好氧环境。此外，该湿地将集水直管7、导气管10的耦合，二者在排空复氧阶段相互结合，充氧效果更佳。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

该无动力强化复氧人工湿地在工程中具体设计为水平潜流式，混凝土结构，底部设有防渗层，进水流量为10m³/d，尺寸设计为5.00m×2.00m×1.35m。主要由进水渠5、床体、出水渠8这三部分构成，进水渠设计有9根均匀分布的DN25穿孔进水管6均匀流入湿地床体内部，穿孔管间距20cm，管壁均匀打直径为4mm的小孔并用薄膜包裹，防止堵塞。基质层设计为30cm厚的粒径为1cm的细卵石层、70cm厚的粒径为3cm的粗卵石层、35cm厚的粒径为6cm的卵石底层等填料，在床体末端设置有一根DN50的集水直管7，将处理后的水排至出水渠。床体右下底部设置有一个0.3m×0.3m集水坑并连接有一根DN50的放空管9，可定期实现湿地落干，防止湿地堵塞，延长湿地使用寿命。在粗卵石层中部每隔1m均匀设计一根导气管10，并将其管壁均匀打直径为4mm的小孔，导气管高度设计在距湿地底0.7m处，两端连接有高低不一的通气管3，其高差设计为1m，通气管3上加装通气帽4。设计湿地上方种植有美人蕉，可具有一定的经济、景观价值。

本实施例人工湿地具体使用时，污水从湿地进水渠DN25穿孔进水管均匀进入床体，然后在床体内部水平流动并由上而下地经过床体细卵石层、粗卵石层和卵石底层。水位随着进水而不断升高，直到到达集水直管7的顶端。到达集水直管7顶端时，会触发虹吸作用，水位迅速下降，产生的孔隙吸力会吸入大气中的氧，与此同时，床体内设计的导气管10也被暴露，利用管道通风再次复氧，增加了湿地内溶解氧浓度，强化湿地内微生物得新陈代谢作用。水位下降到集水直管7的底端时，空气进入，虹吸作用被破坏，集水直管7不再出水，而穿孔管仍在进水，水位因此再次上升，淹没基质，形成缺氧环境。

在实际运行中，设置空白对照组。湿地进水为一级B标准，进水平均COD为60mg/L、平均氨氮为15mg/L。具体数据如下表：

	COD处理率	NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N处理率	电费(元)
				实验组	85.6％-89.2％	58.5％-63.2％	0
对照组	65.8％-69.7％	38.6％-43.8％	4642

注：对照组湿地运行过程中需要一台1kw的气泵，每天24h运行，电费按0.53KWh算。

COD、氨氮的高去除率，也说明集水直管与导气管的耦合使湿地内溶解氧更加充足，硝化反应更加充分，而运行过程中无动力输入，这也使得该湿地在应用中运行费用低廉，优势凸显。

综上，该无动力复氧人工湿地在不用水泵、气泵等耗能设备的前提下，实现水位自动、连续地升降，而且强化了排空阶段对湿地的充氧效果。湿地系统在运行期间，不断处于缺氧、好氧交替的环境，实现了时间上的序批式A/O工艺，取得了对有机物、氮的优异处理效果，具有建设、运行费用低廉，操作管理简便、出水水质好的优点，十分适合于我国村镇生活污水的处理。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种强化脱氮无动力复氧的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述潜流人工湿地系统包括：

湿地床体，与湿地床体连通的注水部件和排水部件；

所述湿地床体还设置有曝气部件；

其中，所述排水部件包括集水直管和出水渠，所述集水直管呈倒U型设置；

所述曝气部件包括导气管，所述导气管埋设于湿地床体内部；且导气管管壁上设置有通孔；

所述曝气部件还包括一对通气管，所述通气管竖直设置，所述通气管一端与导气管一端连接，另一端延伸至湿地床体外部；

所述通气管延伸至湿地床体外部的一端端部设置有通气帽；

所述注水部件至少包括进水渠和穿孔进水管，所述穿孔进水管埋设于湿地床体内部；

所述穿孔进水管埋设位置的水平高度与集水直管顶部水平高度持平；

所述导气管设置于湿地床体高度1/3-2/3处；所述导气管沿湿地床体长度方向每隔30-100cm均匀设置，导气管管壁均匀设置有2-5mm直径的通孔，导气管两端连接有高差为0.5-1.2m的通气管。

2.如权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述穿孔进水管管壁设置小孔孔径为2-5mm。

3.如权利要求2所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，进一步的，所述穿孔进水管小孔采用薄膜进行包裹。

4.如权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述湿地床体底部设置放空部件。

5.如权利要求4所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述放空部件包括放空管和设置在放空管上的阀门。

6.如权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述湿地床体由上至下依次设置为细卵石层、粗卵石层和卵石底层。

7.如权利要求6所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述细卵石层厚度控制为20-40cm；所述细卵石粒径为1-3cm。

8.如权利要求6所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述粗卵石层厚度控制为50-80cm；所述粗卵石粒径为3-5cm。

9.如权利要求6所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述卵石底层厚度控制为20-50cm；所述卵石底层的卵石粒径为5-8cm。

10.如权利要求6所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，穿孔进水管埋设于细卵石层，穿孔进水管管间距设置为湿地宽度的8-10%。

11.如权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述湿地床体栽培有水生植物。

12.如权利要求11所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，所述水生植物包括芦苇、菖蒲、鸢尾和美人蕉。

13.权利要求1-3任一项所述潜流人工湿地系统在污水处理中的应用。

14.一种污水处理的方法，其特征在于，所述方法包括将污水置于权利要求1-3任一项所述潜流人工湿地系统进行处理，所述潜流人工湿地系统按照潮汐周期性运行，水力停留时间控制为4~8h。

15.一种污水处理的方法，其特征在于，所述方法包括将污水置于权利要求1-3任一项所述潜流人工湿地系统进行处理，所述潜流人工湿地系统按照潮汐周期性运行，水力停留时间控制为6h。

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