申请日2018.11.30
公开(公告)日2019.02.19
IPC分类号C02F3/32
摘要
本发明提供一种基质空间改进型人工湿地系统及污水净化方法，包括进水装置、出水装置和用于过滤和净化污水的基质层，基质层包括至少两层功能区，功能区内设置有用于过滤污水的填料，各功能区之间设置有用于分隔各层填料的分隔装置，实现人工湿地基质空间的优化，有助于保障系统长期、高效、安全地运行;本发明还提供了一种基质空间改进型人工湿地系统的污水净化方法，将污水通入基质层下层的功能区，污水上行逐一流经各个功能区，并通过设置在上层功能区的出水装置排出到指定区域，使污水的逐层过滤和净化，实现对污染物质的转化、固定和转移。
权利要求书
1.一种基质空间改进型人工湿地系统，其特征在于：包括进水装置、出水装置和用于过滤和净化污水的基质层，所述基质层包括至少两层功能区，所述功能区内设置有用于过滤和净化污水的填料，所述功能区之间设置有分隔装置。
2.根据权利要求1所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征在于：所述基质层包括两层功能区，分别为位于下层的第一功能区和位于上层的第二功能区，所述分隔装置为可透水的透水分隔装置;所述进水装置与第一功能区的底部连通，所述出水装置与第二功能区的顶部连通;污水通过所述进水装置输入所述第一功能区的底部并向上流动，穿过所述透水分隔装置从而进入第二功能区的底部，并从第二功能区底部向上流动到达第二功能区的顶部，使第二功能区填料处于饱和状态，再由所述出水装置排出。
3.根据权利要求1所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征在于：所述基质层包括两层功能区，分别为位于下层的第一功能区和位于上层的第二功能区，所述分隔装置为不透水的防渗透分隔装置，所述防渗透分隔装置上设置有穿透管，所述穿透管穿透所述防渗透分隔装置，所述穿透管下端置于第一功能区中，上端向上延伸至第一功能区上部;所述进水装置与第一功能区的底部连通，所述出水装置与第二功能区的底部连通，污水通过所述进水装置输入所述第一功能区的底部并向上流动，从所述穿透管下端进入穿透管，污水在穿透管内继续上行，并从穿透管上端将污水分配到第二功能区的上部，并在重力作用下向下渗流到第二功能区底部，由所述出水装置排出，使第二功能区填料处于不饱和状态。
4.根据权利要求2或3所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征在于：所述第一功能区设置软式填料或/和漂浮填料，用于形成生物膜或为微生物提供附着载体;所述软式填料包括多空隙填料、可形成颗粒悬浊液的絮凝体填料的至少一种;所述可形成颗粒悬浊液的絮凝体填料包括硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁、聚丙烯酰胺、硅藻土、粘土、活性炭颗粒、污泥、藻体、菌体、植物纤维碎屑、絮凝剂、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铁、聚合硫酸铁的任意一种或其组合;所述漂浮填料漂浮在第一功能区内的水体上方，但包括密度比水小的颗粒填料、片状填料体或搭配浮体以漂浮的其它类型填料。
5.根据权利要求4所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征在于：所述第一功能区为结构分隔的完全独立空间，或局部分隔形成的相对空间，所述第一功能区设置结构支撑骨架以支撑所述第二功能区的压力，所述结构支撑骨架为金属、塑料、碳纤维、砖混或砼造的支撑结构。
6.根据权利要求2或3所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征在于：所述第二功能区内设置硬质过滤填料，包括砾石、砂石、金属、树脂、陶粒、活性炭、生物炭，所述硬质过滤填料中混合有轻质填料。
7.根据权利要求1所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征在于：湿地基质层的第一、第二功能区内设置有多个水平或/和垂直的子功能区，使污水按设定路径流经各子功能区。
8.根据权利要求1所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征还在于：还包括至少一个补充功能装置，用于向不同区域的基质空间输入溶液、气体、固体等调节物质以调节基质空间内组分的理化生性质;所述调节物质包括硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁、聚丙烯酰胺、硅藻土、粘土、活性炭颗粒、污泥、藻体、菌体、植物纤维碎屑、絮凝剂、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铁、聚合硫酸铁、酸碱溶液、空气、甲烷、发酵产气体、糖类、油脂、有机酸、有机酸酯、小分子醇的任意一种或其组合。
9.根据权利要求8所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征在于：所述补充功能装置包括气体补充装置，所述气体补充装置包括布气装置、输气管和气源，所述布气装置设置在基质层中;所述输气管上设置有物质补充口，布气装置包括布气通道，通过布气管道向基质层补充所述调节物质。
10.根据权利要求1所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征还在于：所述基质层内设置有振动源，其发出的振动带动水体发生相应的振动，使得污水与填料之间产生相对运动，从而促进填料上附着的微生物与水体内营养物质的有效接触，同时促进生物膜更新。
11.根据权利要求1所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征还在于：设置有排淤装置，包括泥水泵、排淤管和固液分离器，用于排出沉积在所述基质层底部的沉积物和更新絮凝体填料，所述泥水泵将第一功能区底部的沉积物或/和絮凝体填料通过排淤管抽至固液分离器中分离。
12.根据权利要求1所述的基质空间改进型人工湿地系统，其特征还在于：使用截留干化池作为所述固液分离器，用于收集并过滤所述排淤装置排出的沉积固体，所述截留干化池使用开顶容器构建，内部设有过滤填料或/和过滤袋，所述容器内种植植物，所述容器底部设置有污水回流装置，用于将过滤出的污水回流至设定区域，所述截留干化池放置于第二功能区填料上部或湿地外部。
13.一种基质空间改进型人工湿地系统的污水净化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10：将人工湿地基质层设置为至少两层功能区，各功能区内设置用于过滤污水的填料，并设置分隔装置将各功能区隔开;
S20：启动进水装置，将污水通入基质层的下层功能区;
S30：污水逐一流经各个功能区，在各功能区的作用下进行过滤和净化;
S40：污水到达上层功能区，并通过设置在上层功能区的出水装置排出到指定区域;
S50：启动振动源，促进水体与填料之间产生相对运动;
S60：启动泥水泵，将第一功能区的沉积物抽至固液分离器中分离，并转移分离出的固体沉积物;
S70：输入新的絮凝体填料，向基质空间输入调节物质;
S80：调节湿地基质空间的气态物质成份或/和输入调节物质。
14.根据权利要求13所述的一种基质空间改进型人工湿地系统的污水净化方法，其特在于：在实施步骤S40时，污水通过透水分隔装置从上层功能区的底部进入该功能区并向上流，到达上层功能区上部，上层功能区处于饱和状态，然后从设置在上层功能区上部的出水装置排出;或在实施步骤S40时，污水通过防渗透分隔装置的穿透管分布至上层功能区上部，并在重力作用下向下渗流，使上层功能区处于不饱和状态，到达上层功能区下部，然后从设置在上层功能区下部的出水装置排出。
15.根据权利要求13所述的一种基质空间改进型人工湿地系统的污水净化方法，其特在于：在实施步骤S30过程中，向相应的功能区内补充用于调节污水理化生性质的调节物质。
说明书
一种基质空间改进型人工湿地系统及污水净化方法
技术领域
本发明涉及环境水体净化领域，尤其涉及一种基质空间改进型人工湿地系统及污水净化方法。
背景技术
人工湿地作为典型的生态处理技术，具有投资及维护费用低、出水水质好、二次污染小等特点，迄今为止被广泛应用于世界各地的各类污水处理。
然而，人工湿地作为一门新型技术仍然面临许多挑战，从目前已有的工程实践来看，现有工艺人工湿地大量使用砂石等高密度硬质填料作基质，而且填料坚硬不具弹性，所形成的孔隙空间有限且固定，增加了日后维护的难度和花费，并且维护过程会影响系统的运作;另一方面，单纯的植物收割并不能完全将人工湿地所净化的污染物移除，净化衍生的固态衍生物，如微生物残体、胞外聚合物、未来得及降解或分解的有机物、化学沉淀物等会被截滤在过滤基质中，形成占据基质空隙间的淤积物，在现有系统构建下很难被移除，其存在会逐渐导致过滤基质的物理堵塞和湿地净化功能的丧失。
所以，现有人工湿地构建模式下基质空间的理化生条件是不能长期保持稳定的，使湿地系统的长期安全运行缺乏保障，运行后期易因堵塞，净化功能退化，甚至泄漏污染物等现象。
因此，需要针对上述现有技术中存在的问题，提供一种技术改进方案使人工湿地的基质空间得以维持相对稳定的理化生条件，保持污水净化效率，保障系统长期、高效、安全地运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基质空间改进型人工湿地系统，以优化人工湿地的基质空间，并提供基于该基质空间改进型人工湿地系统的污水净化方法，实现污水的逐层过滤，以解决人工湿地堵塞现象和提高人工湿地污水净化效率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
提供了一种基质空间改进型人工湿地系统，包括进水装置、出水装置和用于过滤和净化污水的基质层，所述基质层包括至少两层功能区，所述功能区内设置有用于过滤和净化污水的填料，所述功能区之间设置有分隔装置。
作为上述技术方案的改进，所述基质层包括两层功能区，分别为位于下层的第一功能区和位于上层的第二功能区，所述分隔装置为可透水的透水分隔装置;所述进水装置与第一功能区的底部连通，所述出水装置与第二功能区的顶部连通;污水通过所述进水装置输入所述第一功能区的底部并向上流动，穿过所述透水分隔装置从而进入第二功能区的底部，并从第二功能区底部向上流动到达第二功能区的顶部，使第二功能区填料处于饱和状态，再由所述出水装置排出。
作为上述技术方案的进一步改进，所述基质层包括两层功能区，分别为位于下层的第一功能区和位于上层的第二功能区，所述分隔装置为不透水的防渗透分隔装置，所述防渗透分隔装置上设置有穿透管，所述穿透管穿透所述防渗透分隔装置，所述穿透管下端置于第一功能区中，上端向上延伸至第一功能区上部;所述进水装置与第一功能区的底部连通，所述出水装置与第二功能区的底部连通，污水通过所述进水装置输入所述第一功能区的底部并向上流动，从所述穿透管下端进入穿透管，污水在穿透管内继续上行，并从穿透管上端将污水分配到第二功能区的上部，并在重力作用下向下渗流到第二功能区底部，由所述出水装置排出，使第二功能区填料处于不饱和状态。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一功能区设置软式填料或/和漂浮填料，用于形成生物膜或为微生物提供附着载体;所述软式填料包括多空隙填料、可形成颗粒悬浊液的絮凝体填料的至少一种;所述可形成颗粒悬浊液的絮凝体填料包括硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁、聚丙烯酰胺、硅藻土、粘土、活性炭颗粒、污泥、藻体、菌体、植物纤维碎屑、絮凝剂、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铁、聚合硫酸铁的任意一种或其组合;所述漂浮填料漂浮在第一功能区内的水体上方，但包括密度比水小的颗粒填料、片状填料体或搭配浮体以漂浮的其它类型填料。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一功能区为结构分隔的完全独立空间，或局部分隔形成的相对空间，所述第一功能区设置结构支撑骨架以支撑所述第二功能区的压力，所述结构支撑骨架为金属、塑料、碳纤维、砖混或砼造的支撑结构。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第二功能区内设置硬质过滤填料，包括砾石、砂石、金属、树脂、陶粒、活性炭、生物炭，所述硬质过滤填料中混合有轻质填料。
作为上述技术方案的进一步改进，湿地基质层的第一、第二功能区内设置有多个水平或/和垂直的子功能区，使污水按设定路径流经各子功能区。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括至少一个补充功能装置，用于向不同区域的基质空间输入溶液、气体、固体等调节物质以调节基质空间内组分的理化生性质;所述调节物质包括硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁、聚丙烯酰胺、硅藻土、粘土、活性炭颗粒、污泥、藻体、菌体、植物纤维碎屑、絮凝剂、聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铁、聚合硫酸铁、酸碱溶液、空气、甲烷、发酵产气体、糖类、油脂、有机酸、有机酸酯、小分子醇的任意一种或其组合。
作为上述技术方案的进一步改进，所述补充功能装置包括气体补充装置，所述气体补充装置包括布气装置、输气管和气源，所述布气装置设置在基质层中;所述输气管上设置有物质补充口，布气装置包括布气通道，通过布气管道向基质层补充所述调节物质。
作为上述技术方案的进一步改进，所述基质层内设置有振动源，其发出的振动带动水体发生相应的振动，使得污水与填料之间产生相对运动，从而促进填料上附着的微生物与水体内营养物质的有效接触，同时促进生物膜更新。
作为上述技术方案的进一步改进，设置有排淤装置，包括泥水泵、排淤管和固液分离器，用于排出沉积在所述基质层底部的沉积物和更新絮凝体填料，所述泥水泵将第一功能区底部的沉积物或/和絮凝体填料通过排淤管抽至固液分离器中分离。
作为上述技术方案的进一步改进，使用截留干化池作为所述固液分离器，用于收集并过滤所述排淤装置排出的沉积固体，所述截留干化池使用开顶容器构建，内部设有过滤填料或/和过滤袋，所述容器内种植植物，所述容器底部设置有污水回流装置，用于将过滤出的污水回流至设定区域，所述截留干化池放置于第二功能区填料上部或湿地外部。
还提供了一种基质空间改进型人工湿地系统的污水净化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10：将人工湿地基质层设置为至少两层功能区，各功能区内设置用于过滤污水的填料，并设置分隔装置将各功能区隔开;
S20：启动进水装置，将污水通入基质层的下层功能区;
S30：污水逐一流经各个功能区，在各功能区的作用下进行过滤和净化;
S40：污水到达上层功能区，并通过设置在上层功能区的出水装置排出到指定区域;
S50：启动振动源，促进水体与填料之间产生相对运动;
S60：启动泥水泵，将第一功能区的沉积物抽至固液分离器中分离，并转移分离出的固体沉积物;
S70：输入新的絮凝体填料，向基质空间输入调节物质;
S80：调节湿地基质空间的气态物质成份或/和输入调节物质。
作为上述技术方案的改进，在实施步骤S40时，污水通过透水分隔装置从上层功能区的底部进入该功能区并向上流，到达上层功能区上部，上层功能区处于饱和状态，然后从设置在上层功能区上部的出水装置排出;或在实施步骤S40时，污水通过防渗透分隔装置的穿透管分布至上层功能区上部，并在重力作用下向下渗流，使上层功能区处于不饱和状态，到达上层功能区下部，然后从设置在上层功能区下部的出水装置排出。
作为上述技术方案的进一步改进，在实施步骤S30过程中，向相应的功能区内补充用于调节污水理化生性质的调节物质。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种基质空间改进型人工湿地系统，包括进水装置、出水装置和用于过滤和净化污水的基质层，所述基质层包括至少两层功能区，所述功能区内设置有用于过滤污水的填料，所述功能区之间设置有用于分隔各层填料的分隔装置，实现人工湿地基质空间的优化，有助于保障系统长期、高效、安全地运行;还提供了一种基质空间改进型人工湿地系统的污水净化方法，使污水逐一流经湿地基质空间各个功能区净化的同时，通过湿地排淤防堵，功能调控，增强湿地系统对污染物质的转化、固定和转移能力，提升湿地的应用效果。
