申请日2019.07.12
公开(公告)日2019.09.06
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明提供了一种深层处理污水的人工红树林湿地系统，其包括依次连接的沉淀池、水平潜流湿地床、增氧湿地床、垂直流湿地床、水平表面流湿地床;所述沉淀池内填充有纳米氧化硅砾石;所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床的底部均设有填料层和海砂层，所述填料层包括纳米氧化硅砾石层，所述海砂层位于纳米氧化硅砾石层的上方，所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床种植有红树植物;所述增氧湿地床的墙体为蜂窝状粗糙毛面，所述蜂窝状粗糙毛面设有含纳米氧化硅的砾石块;所述水平表面流湿地床内设有“S”型堤坝。采用本发明的技术方案，增大了水体中氮磷等污染物的去除效率，进一步提高了脱氮除磷及有毒有害物质的降解效率，保证了污水的深度净化效率。
权利要求书
1.一种深层处理污水的人工红树林湿地系统，其特征在于：其包括依次连接的沉淀池、水平潜流湿地床、增氧湿地床、垂直流湿地床、水平表面流湿地床;
所述沉淀池内填充有纳米氧化硅砾石;
所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床的底部均设有填料层和海砂层，所述填料层包括纳米氧化硅砾石层，所述海砂层位于纳米氧化硅砾石层的上方，所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床种植有红树植物;
所述增氧湿地床的墙体为蜂窝状粗糙毛面，所述蜂窝状粗糙毛面设有含纳米氧化硅的砾石块;
所述水平表面流湿地床内设有“S”型堤坝。
2.根据权利要求1所述的深层处理污水的人工红树林湿地系统，其特征在于：所述垂直流湿地床的纳米氧化硅砾石层的砾石中纳米氧化硅的含量高于水平潜流湿地床的;所述垂直流湿地床的纳米氧化硅砾石层的纳米氧化硅砾石的粒径小于水平潜流湿地床的;所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床的纳米氧化硅砾石层的下方设有砾石层。
3.根据权利要求2所述的深层处理污水的人工红树林湿地系统，其特征在于：所述水平潜流湿地床或垂直流湿地床中，所述纳米氧化硅砾石层的砾石的粒径小于砾石层的砾石的粒径;所述水平潜流湿地床的纳米氧化硅砾石层的砾石中纳米氧化硅的质量百分比含量为5-8%;所述垂直流湿地床的纳米氧化硅砾石层的砾石中纳米氧化硅的质量百分比含量为10-20%。
4.根据权利要求3所述的深层处理污水的人工红树林湿地系统，其特征在于：水平潜流湿地床中，纳米氧化硅砾石层的砾石粒径为1-3cm，纳米氧化硅砾石层的深度为15~30cm;砾石层的深度为15~30cm，砾石层的砾石的粒径为3-5cm;海砂层的海砂粒径为0.1-0.3cm，海砂层的深度为30-50cm;
垂直流湿地床中，纳米氧化硅砾石层的砾石粒径为0.5-1cm，纳米氧化硅砾石层的深度为15~30cm;砾石层的深度为15~30cm，砾石层的砾石的粒径为1-3 cm;海砂层的海砂粒径为0.1-0.3cm，海砂层的深度为30-50cm;
所述水平潜流湿地床的床体末端设有用于收集初步净化后的污水的集水区;
所述红树植物包括秋茄、桐花树、木榄中的至少一种，密度为3-5棵/m2。
5.根据权利要求1所述的深层处理污水的人工红树林湿地系统，其特征在于：所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床放养有蟹类穴居动物;蟹类穴居动物为方蟹科和沙蟹科中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的深层处理污水的人工红树林湿地系统，其特征在于：水平表面流湿地床中，所述堤坝在靠近水面30-50cm内的坡度为10°- 20°;所述堤坝的宽度不小于1m，所述堤坝高于水面10-50cm。
7.根据权利要求1所述的深层处理污水的人工红树林湿地系统，其特征在于：所述增氧湿地床的坡度为45°-60°;
所述蜂窝状粗糙毛面随机布设有砾石块，所述砾石块含有10~20%质量百分比的纳米氧化硅;所述增氧湿地床的墙体的蜂窝为深度5-15mm，直径5-10cm，间距10-20cm。
8.根据权利要求1所述的深层处理污水的人工红树林湿地系统，其特征在于：所述沉淀池包括依次相连的一级沉淀池和二级沉淀池，所述一级沉淀池填充有砾石，砾石填充至一级沉淀池的1/3~3/4深度;
所述二级沉淀池内填充有纳米氧化硅砾石;所述纳米氧化硅砾石的填充深度为不超过二级沉淀池的3/4深度。
9.根据权利要求8所述的深层处理污水的人工红树林湿地系统，其特征在于：一级沉淀池中的砾石的粒径为3-5cm，二级沉淀池中的纳米氧化硅砾石的粒径为1-3cm，所述纳米氧化硅砾石中纳米氧化硅的质量百分比含量为1~5%;
所述一级沉淀池的宽度为100~500cm，深度为300-600cm，其中砾石填充至一级沉淀池的1/2深度。
10.根据权利要求1~9任意一项所述的深层处理污水的人工红树林湿地系统，其特征在于：红树植物生长半年到一年，控制红树植物高度低于2.5 m，使其侧向生长，增加树冠覆盖度;每隔15-20年，将红树植物全部砍伐，并更换海砂和填料，重新种植红树植物。
说明书
一种深层处理污水的人工红树林湿地系统
技术领域
本发明属于生态修复、环保工程及污水处理技术领域，尤其涉及一种深层处理污水的人工红树林湿地系统。
背景技术
当前，城镇污水由管道收集，集中在污水处理厂净化后直接排入附近河流，由河流汇集后排入海洋。按照国家污水综合排放标准，即使尾水标准达到最高水平(一级A标准)，其中总氮含量仍高于15mg.L-1，而且，因为出水标准对其它有害微量元素、致病微生物含量没有明确规定，大量的尾水直接由河流入海，易使海岸敏感生物致病死亡，生物多样性降低，从而破坏海洋生态系统平衡。但按照当前污水处理厂的净化技术工艺，除非增加大量的去污化学物质，否则难以进一步提高尾水出水标准、降低污染物含量;而增加的去污化学物质残留在水体中，对自然生态系统的危害较大。另外，也有部分污水未接入排水管道系统，未经任何处理直接排入河道或入海，严重影响水体环境。
人工湿地污水处理系统自上世纪七、八十年代兴起以来，以其投资成本低、净化效率高、维护简单等优点在全世界迅速发展，广泛建立并用于工业、农业和生活污水的处理，有效去除氮、磷等营养盐，同时，植物通过根系放氧等生物化学活动，也利于除去一些微量有害元素及微生物，非常适合面源生活污水、富营养化水体或尾水的深度净化。
红树林是热带亚热带海岸潮间带特有的木本植物群落，具有高生物多样性、高生产力、高归还率和高分解率的特性，其营养循环和能量流动均非常迅速，是热带亚热带海岸带的生态关键区，能净化污水，对维持沿海一带的生态平衡有重要作用，具有“海上森林”的美称，对整个地球环境保护和生物资源开发也有着不可忽视的作用。大量研究已证明，红树林人工湿地可以作为一种高效、低成本、环保型的污水深度处理系统，不仅解决了一年生草本植物每年需收割的问题，而且因其为多年生常绿木本植物，生长无明显季节差异，用于污水深度净化具有持久性、高效性和稳定性;另外，红树植物的耐盐性能，也解决了近海感潮河流盐度较高、普通水生植物难于成活的问题;同时，经系统中的填料、红树植物根系放氧及微生物的共同作用，去除了污水中的大部分有毒有害成分，充分发挥了红树林净化污水、给近海生物提供洁净食物的优点，红树林人工湿地系统中的红树植物为人工种植，有助于维持近海海岸生态系统平衡。
但当前尾水多为直接入河道或近海，中间缺少生物深度净化步骤，一方面可能因尾水中的有毒有害物质危害海岸生态系统(包括原生红树林植被)，破坏生态平衡，另一方面也使得红树林在污染净化、近海生态平衡维持方面的功能没有完全发挥出来。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种深层处理污水的人工红树林湿地系统，提高了脱氮除磷及有毒有害物质的降解效率，从而保证了污水的深度净化效率，提高了污染物的降解效率。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种深层处理污水的人工红树林湿地系统，其包括依次连接的沉淀池、水平潜流湿地床、增氧湿地床、垂直流湿地床、水平表面流湿地床;所述沉淀池内填充有纳米氧化硅砾石;所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床的底部均设有填料层和海砂层，所述填料层包括纳米氧化硅砾石层，所述海砂层位于纳米氧化硅砾石层的上方，所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床种植有红树植物;所述增氧湿地床的墙体为蜂窝状粗糙毛面，所述蜂窝状粗糙毛面设有含纳米氧化硅的砾石块;所述水平表面流湿地床内设有“S”型堤坝。
其中，沉淀池：主要用于去除污水中的大块垃圾及悬浮物。水平潜流湿地床主要对污水进行初步净化，去除臭味、可溶性悬浮物及部分氮磷营养盐。垂直流湿地床主要解决污水的深度净化问题。增氧湿地床主要解决初步净化污水的充分曝气增氧。水平表面流湿地主要为提高深度净化水体的氧气含量，同时营造鸟类等生物的栖息地。
采用此技术方案，选择去污能力强的木本红树林植物作为湿地植物，建立红树林人工湿地污水深度净化复合系统。面源污水或尾水经抽滤系统或自然流入沉淀池，沉淀后的污水先进入水平潜流红树林湿地床，初步净化后进入增氧湿地床，充分曝氧后进入垂直流红树林湿地进行深度净化，最后经水平表面流湿地排入河道或直接入海。潜流和垂直流红树林湿地采用新型材料作为填料，即含有纳米氧化硅新型材料的填料，提高了水体中氮磷的去除效率;同时，潜流和垂直流人工湿地以及增氧湿地床的复合配置，营造了多种厌氧、好氧、兼性好氧等组合的微环境，适宜各种功能微生物的生长繁殖，从而保证了污水的深度净化效率。塘内通过建立“S”型缓坡堤坝延长出水在塘内的停留时间以提高水体溶解氧含量，同时，缓坡且弯曲的堤坝适宜鸟类或其它生物的栖息觅食，解决了水鸟等生物栖息地的问题;最后，氧气含量充足的尾水经水闸直接排入河道或入海。
该套红树林湿地污水深度净化复合系统，既大大降低了尾水中的氮磷及有害物质的含量，增加了水体中溶解氧的浓度，又具有较好的景观和生物多样性维持功能，缓坡型的自然流湿地增大了滩涂面积，为水鸟的栖息觅食提供了多样化的生境，非常适合粤港澳乃至华南沿海地区以及热带亚热带地区的入海河口面源污水、漏排污水、污水厂尾水或其它富营养化水体的深度净化(以下统称为污水)。
作为本发明的进一步改进，所述垂直流湿地床的纳米氧化硅砾石层的砾石中纳米氧化硅的含量高于水平潜流湿地床的;所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床的纳米氧化硅砾石层的下方设有砾石层。进一步的，所述垂直流湿地床的纳米氧化硅砾石层的纳米氧化硅砾石的粒径小于水平潜流湿地床的。采用上述技术方案，更好的提高污水中的氮磷去除效率。
作为本发明的进一步改进，所述水平潜流湿地床或者垂直流湿地床中，纳米氧化硅砾石层的砾石的粒径小于砾石层的砾石的粒径。进一步的，所述水平潜流湿地床的纳米氧化硅砾石层的砾石中纳米氧化硅的质量百分比含量为5-8%;所述垂直流湿地床的纳米氧化硅砾石层的砾石中纳米氧化硅的质量百分比含量为10-20%。
作为本发明的进一步改进，所述水平潜流湿地床的床体末端设有用于收集初步净化后的污水的集水区;集水区的宽度为100-150cm。
作为本发明的进一步改进，所述水平潜流湿地床的下部或底部设有进水口;所述水平潜流湿地床的上部设有出水口;所述出水口的管道顶部比海砂层的顶部低5-10cm。
作为本发明的进一步改进，水平潜流湿地床中，纳米氧化硅砾石层的砾石粒径为1-3cm，纳米氧化硅砾石层的深度为15~30cm;砾石层的深度为15~30cm，砾石层的砾石的粒径为3-5cm;海砂层的海砂粒径为0.1-0.3cm，海砂层的深度为30-50cm。
进一步的，水平潜流湿地床的床体为钢筋混凝土或其它防水材料结构。沉淀池的污水经管道由潜流人工湿地床体底部流入，由床体上部流出，床体末端设置集水区，用于收集初步净化后的污水。
作为本发明的进一步改进，垂直流湿地床中，纳米氧化硅砾石层的砾石粒径为0.5-1cm，纳米氧化硅砾石层的深度为15~30cm;砾石层的深度为15~30cm，砾石层的砾石的粒径为1-3 cm;海砂层的海砂粒径为0.1-0.3cm，海砂层的深度为30-50cm。
作为本发明的进一步改进，所述红树植物包括秋茄、桐花树、木榄中的至少一种，密度为3-5棵/m2。进一步优选的，所述红树植物的种植株距为0.3～0.6m、行距为0.3～0.6m。所种红树均宜选择一年生袋装苗，苗的高度控制在50-60cm，不同红树可单种或混种。
垂直流湿地床的床体为钢筋混凝土或其它防水材料结构。进一步的，垂直流湿地床底部排水孔均匀分布，位于床体底部，孔径9-12cm，孔间距10cm。深度净化后的污水从湿地床底部进入集水区，然后流入或水泵抽进水平表面流湿地。
进一步的，垂直流湿地床体的进水管水平平行铺于人工湿地表层，3/4露出地面，水由管底进入湿地床，管道掩埋深度以污水不露出地面为宜，可适当调整。进水管的末端有阀门，管与管的间距约20-30cm。管底分布有许多小孔，孔径优选为Ø 8-10mm，孔间距10-15mm，每10m处设置一个接头阀门，便于维修更换管道堵塞、破损等问题。
作为本发明的进一步改进，红树植物生长半年到一年，控制红树植物高度低于2.5m，使其侧向生长，增加树冠覆盖度。
可以采用每隔15-20年，将红树植物全部砍伐，并更换海砂和填料，重新种植红树植物。砍伐的红树植物可粉碎发酵后做绿肥，也可直接用于简易的园林景观制作;更换出的填料经消毒、混匀等处理后，可用于路面铺设或花草种植。
作为本发明的进一步改进，所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床的深度为80~150cm。
作为本发明的进一步改进，所述水平潜流湿地床、垂直流湿地床放养有蟹类穴居动物。进一步的，蟹类穴居动物为方蟹科和沙蟹科中的至少一种。进一步优选的，螃蟹放养密度为2-4只/m2，雌雄比不小于2：1。其中，红树植物生长半年至一年后，在红树植物种植土层人工放养蟹类穴居动物。其中方蟹科包括但不限于无齿相手蟹、褶痕相手蟹等。所述沙蟹科包括但不限于弧边招潮蟹、马氏招潮蟹等。各地区宜选择当地原生优势种。采用此技术方案，人工放养以沙蟹科和方蟹科为主的穴居动物，一方面解决湿地堵塞的问题，另一方面，蟹类的穴居习性，可增加湿地床内氧气含量，弥补红树植物根系放氧的不足，促进氮磷营养盐及有毒有害物质的分解，从而提高污染物的降解效率。
作为本发明的进一步改进，水平表面流湿地床中，所述堤坝在靠近水面30-50cm内的坡度为10°- 20°;所述堤坝的宽度不小于1 m，所述堤坝高于水面10-50cm。其中所述堤坝不种植任何植物，保留裸滩。
作为本发明的进一步改进，所述水平表面流湿地床的周边种植高度小于2m的低矮植物，堤岸上种植乔木。进一步的，周边种植芦苇、老鼠簕、海漆、桐花树中至少一种，海漆、桐花树的种植株距为0.3～0.5m、行距为0.5～0.7m;芦苇、老鼠簕直接扦插，株距为0.3～0.4m、行距为0.2～0.3m。进一步的，乔木包括木麻黄和苦楝中的至少一种，乔木每隔10-15m种植一株;
进一步的，所述水平表面流湿地床的深度为3~5m，四周为普通塘基，坡度大于60°。
作为本发明的进一步改进，所述增氧湿地床的坡度为45°-60°;所述蜂窝状粗糙毛面随机布设有形状不规则的含有10~20%质量百分比的纳米氧化硅的砾石块;所述增氧湿地床的墙体的蜂窝为深度5-15mm，直径5-10cm，间距10-20cm;进一步的，所述砾石块的粒径5-8cm，所述砾石块为每平方米设置10-15块。
作为本发明的进一步改进，所述增氧湿地床的顶部设有深度5-10cm的水平槽;水从水平槽垂直流经增氧床床体。水平槽的进水面及侧面均高于出水面5-10cm，以控制水流方向。宜低于潜流人工湿地集水区的出水高度，以便于水流在重力作用下在湿地床上流入垂直流湿地;如果增氧湿地床顶部高于潜流人工湿地集水区的出水高度，则集水区的水需由水泵抽提至增氧湿地床顶部。
进一步的，所述增氧湿地床的床体的高度差为1~3m，坡度45°~60°。
增氧湿地床主要解决初步净化污水的充分曝气增氧，同时还增加该工艺的景观效果。床体可以为钢筋水泥墙，墙体为蜂窝状粗糙毛面并布设砾石块，顶部为水平槽，宜低于潜流人工湿地集水区的出水高度，以便于水流在重力作用下在湿地床上流入垂直流湿地;如果增氧湿地床顶部高于潜流人工湿地集水区的出水高度，则集水区的水需由水泵抽提至增氧湿地床顶部。
作为本发明的进一步改进，所述沉淀池包括依次相连的一级沉淀池和二级沉淀池，所述一级沉淀池填充有砾石，砾石填充至一级沉淀池的1/3~3/4深度;所述二级沉淀池内填充有纳米氧化硅砾石;所述纳米氧化硅砾石的填充深度为不超过二级沉淀池的3/4深度。
作为本发明的进一步改进，一级沉淀池中的砾石的粒径为3-5cm，二级沉淀池中的纳米氧化硅砾石的粒径为1-3cm，所述纳米氧化硅砾石中纳米氧化硅的质量百分比含量为1~5%。
进一步的，所述一级沉淀池的宽度为100~500cm，深度为300-600cm，其中砾石填充至一级沉淀池的1/2深度。
进一步的，所述一级沉淀池的上部设有进水管，所述一级沉淀池的下部设有与第二沉淀池连接的连接管，所述连接管和进水管位于一级沉淀池相对的两个侧面。进一步的，所述进水管的内径为Ø9-30cm;所述连接管为多个，连接管的管间间距10-20cm;进一步的，所述连接管的内径为Ø9-12cm;
进一步的，所述二级沉淀池的宽度为100~500cm，深度为300-500cm;所述二级沉淀池内填充有纳米氧化硅砾石;所述纳米氧化硅砾石的粒径为1-3cm，所述纳米氧化硅砾石中纳米氧化硅的质量百分比含量为1~5%;所述纳米氧化硅砾石的填充深度为不超过二级沉淀池的3/4深度;所述二级沉淀池的上部设有出水管。所述出水管的内径为Ø9-20cm。
进一步的，二级沉淀池的出水管距离顶部1/4处，内径为Ø9-20cm。便于后期安装带阀门的出水管道，使得污水以水泵抽提或在重力作用下自然流入潜流湿地床。
采用上述技术方案，污水从顶部进入一级沉淀池初步沉淀，经底部管道进入二级沉淀池深层沉淀后由进入潜流人工湿地。沉淀池底部侧面另外再安装一个出水阀门用于清淤时排干污水或泥浆。
进一步的，采用弯曲蔓延堤坝围成的水平自然流人工湿地，增加水体停留时间，使溶解氧含量上升，以确保污水排放到自然河道或近海海岸的生态安全性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，本发明的技术方案采用含有纳米氧化硅石砾作为填料，增大了水体中氮磷等污染物的去除效率，同时潜流和垂直流人工湿地以及增氧湿地床的复合配置，营造了多种厌氧、好氧、兼性好氧等组合的小微环境，适宜各种功能微生物的生长繁殖，进一步提高了脱氮除磷及有毒有害物质的降解效率，从而保证了污水的深度净化效率。
第二，本发明的技术方案采用木本植物红树林作为人工湿地植物有利于污水净化效率的稳定性、持续性和高效性，也解决了一年生湿地草本植物需要收割的问题。植物生长半年到一年，通过控制红树植物高度，促进侧向生长，增加树冠覆盖度，提高净化效率。并在红树植物种植土层人工放养以方蟹科和沙蟹科为主的穴居动物，可以减少湿地堵塞，增加湿地土壤含氧量，利于提高净化功能。
第三，本发明的系统具有占地面积小、深度净化的效率高、景观与鸟类等生物栖息地得到恢复等优点，充分发挥了红树林湿地在深度净化、为近海的生物提供洁净食物、维持生物多样性等方面的优点，非常适合粤港澳乃至华南地区以及热带亚热带地区入海河口漏排污水的净化、污水处理厂尾水的深度净化及其它富营养化水体的深度净化处理等。
