申请日2009.11.03
公开(公告)日2010.04.07
IPC分类号C02F9/14; C02F3/34; C02F3/32
摘要
本发明公开了一种装配式填料人工垂直潜流湿地单元：包括顶部开口的外围容器(6)和置于其中的五个结构层，外围容器(6)中自上而下依次为渗水基质组成的种植层(1)、布水层(2)、填料层(3)、渗滤层(4)、集水层(5);以及该湿地单元在污水处理系统中的应用;还公开了一种污水处理工艺：污水首先进入调节池(7)中，然后流经预沉淀处理池(8)，再经蠕动泵(9)加压，并经过进水阀(10)进入湿地单元(11)，净化后由集水管(12)排出。本发明所提供的人工湿地单元以及包括该单元的污水处理系统不仅可以有效防止湿地系统的堵塞，还可以根据进水水质不同调节湿地单元的填料组分;而且其维护方便，发生堵塞时可及时更换堵塞部分而不影响其他湿地单元;同时，发生堵塞的单元通过更换内部填料能再次用于污水处理，避免了浪费。
权利要求书
1.一种装配式填料人工垂直潜流湿地单元，包括顶部开口的外围容器(6)和置于其中的五个结构层，其特征在于：外围容器(6)中自上而下依次为渗水基质组成的种植层(1)、布水层(2)、填料层(3)、渗滤层(4)、集水层(5)。
2.按照权利要求1所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元，其特征在于：布水层(2)、填料层(3)、渗滤层(4)和集水层(5)的基质铺设于孔隙直径小于基质粒径的塑料托盘上，种植层(1)的基质直接铺设在布水层(2)的上面。
3.按照权利要求1或2所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元，其特征在于：种植层(1)的基质由粒径<2mm的稻田土与细砂按照3∶1～4∶1的重量比混合组成;布水层(2)、集水层(5)的基质均由粒径为10～15mm的粗砂组成;填料层(3)的基质由粒径3～5mm的生物填料组成;渗滤层(4)的基质由过5mm筛网的稻田土和粒径0.25～0.35mm的细砂按照3∶2～2∶1的重量比混合组成。
4.按照权利要求1或2所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元，其特征在于：外围容器(6)的顶端高出种植层(1)10～30cm;种植层(1)的厚度为15～25cm;布水层(2)、集水层(5)的厚度均为10～15cm;填料层(3)、渗滤层(4)的厚度均为20～30cm。
5.按照权利要求1或2所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元，其特征在于：布水层(2)中设有布水支管，布水支管下部交替均匀开孔，开孔方向为斜向下;集水层(5)中布设有穿孔集水支管，水平均匀开孔。
6.按照权利要求5所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元，其特征在于：集水层(5)中还设有旋转弯头和控制阀、放空阀;渗滤层(4)与集水层(5)之间设有一层无纺布。
7.按照权利要求1或2所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元，其特征在于：湿地单元的床体长宽比为1∶1;且其底部设有1%～5%的坡度。
8.按照权利要求1或2所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元，其特征在于：湿地单元建造在原土层上，并在湿地单元与原土层之间设有防渗层。
9.按照权利要求8所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元，其特征在于：所述的防渗层采用厚度为0.5～1mm的高密度聚乙烯树脂或油毛毡密封铺垫。
10.按照权利要求1或2所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元，其特征在于：外围容器(6)用玻璃钢制作。
11.如权利要求1-10中任一项所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元在污水 处理系统中的应用。
12.一种污水处理湿地系统，包括调节池(7)、预沉淀处理池(8)、蠕动泵(9)和至少一个湿地单元(11)，其特征在于：调节池(7)连接污水排出管，调节池(7)、预沉淀处理池(8)、蠕动泵(9)、进水阀(10)、湿地单元(11)之间经过管道依次相连，集水管(12)与湿地单元(11)的出水口相接;所述的湿地单元(11)为装配式填料人工垂直潜流湿地单元：包括顶部开口的外围容器(6)和置于其中的五个结构层，外围容器(6)中自上而下依次为渗水基质组成的种植层(1)、布水层(2)、填料层(3)、渗滤层(4)、集水层(5)。
13.按照权利要求12所述的污水处理湿地系统，其特征在于：调节池(7)的进水处设有中格栅;预沉淀处理池(8)的前段设有细筛;相邻两个湿地单元(11)之间用卡箍固定。
14.按照权利要求13所述的污水处理湿地系统，其特征在于：中格栅的栅条间隔为10～40mm;细筛的孔径为1.6mm。
15.按照权利要求12或13所述的污水处理湿地系统，其特征在于：预沉淀处理池(8)的底部坡度为1%～2%，坡底端设有污泥收集槽(13)，槽底部设有排泥管(14)和阀门(15)。
16.用权利要求12-15中任一项所述污水处理湿地系统的污水处理工艺，其特征在于：污水首先进入调节池(7)中，然后流经预沉淀处理池(8)，再经蠕动泵(9)加压，并经过进水阀(10)进入湿地单元(11)，净化后由集水管(12)排出。
17.按照权利要求16所述的污水处理工艺，其特征在于：污水在调节池(7)和预沉淀处理池(8)中通过阻拦、自然沉降去除漂浮固体物和部分悬浮颗粒;进入湿地单元(11)后，依次流经种植层(1)、布水层(2)、填料层(3)、渗滤层(4)、集水层(5)，种植层(1)为污水中的微生物提供溶解氧并除去其中的大颗粒悬浮物、难溶性污染物和氮磷等元素，布水层(2)将污水均匀分布于处理区内，经填料层(3)除去其中的有机物，然后经渗滤层(4)进一步截留或降解有机物，处理后的出水经集水层(5)收集。
18.按照权利要求16或17所述的污水处理工艺，其特征在于：湿地单元(11)采用干湿交替运行，间歇进水方式。
19.按照权利要求18所述的污水处理工艺，其特征在于：湿地单元(11)每天进水2～3次，每次进水4～6h，间隔4～6h。
20.按照权利要求16或17所述的污水处理工艺，其特征在于：湿地单元(11)的水力负荷为0.15～0.45m3/(m2·d)，最佳水力负荷为0.25m3/(m2·d)。
21.按照权利要求16或17所述的污水处理工艺，其特征在于：调节池(7)中的水力停留时间为4～36h;污水在预沉淀处理池(8)中的停留时间为24～36h。
说明书
装配式填料人工垂直潜流湿地单元及其应用和污水处理工艺
技术领域：
本发明涉及一种装配式填料人工垂直潜流湿地单元、该湿地单元在污水处理系统中的应用以及污水处理工艺，属于污水处理技术领域。
背景技术：
目前，人工湿地应用于污水处理的工程越来越多。人工湿地主要由湿地植物、填料、微生物三部分组成，湿地通过三者之间的协同作用来完成对污水中污染物的去除作用。但是，湿地系统运行时间久了，有机负荷过高、系统内产生的生物量不断增加等因素都会引起堵塞，造成处理效率下降，出水水质不理想。若不及时处理就会使整个湿地系统趋于瘫痪，无法实现污水的净化作用。一般湿地系统采用改变进水方式、改变填料级配等方法来延缓湿地系统的堵塞，但其效果不太理想。
发明内容：
本发明的目的在于：提供一种装配式填料人工垂直潜流湿地单元、该湿地单元在污水处理系统中的应用和污水处理工艺。本发明针对一般湿地系统易堵塞、更换不方便等问题，所采用的污水处理湿地系统不仅可以有效防止湿地系统的堵塞，还可以根据进水水质不同调节湿地单元的填料组分，而且，在发生堵塞时也能及时更换堵塞部分而不影响其他湿地单元。
本发明是这样构成的：一种装配式填料人工垂直潜流湿地单元，包括顶部开口的外围容器和置于其中的五个结构层，外围容器中自上而下依次为渗水基质组成的种植层、布水层、填料层、渗滤层、集水层。
布水层、填料层、渗滤层和集水层的基质铺设于孔隙直径小于基质粒径的塑料托盘上，种植层的基质直接铺设在布水层的上面。
种植层的基质由粒径<2mm的稻田土与细砂按照3∶1～4∶1的重量比混合组成;布水层、集水层的基质均由粒径为10～15mm的粗砂组成;填料层的基质由粒径3～5mm的生物填料组成;渗滤层的基质由过5mm筛网的稻田土和粒径0.25～0.35mm的细砂按照3∶2～2∶1的重量比混合组成。所述的生物填料可以用脱水污泥、粉煤灰和黏土按照5∶4∶1的重量比例在1150℃温度下烧结25min制得。
外围容器的顶端高出种植层10～30cm;种植层的厚度为15～25cm;布水层、集水层的厚度均为10～15cm;填料层、渗滤层的厚度均为20～30cm。
布水层中设有布水支管，布水支管下部交替均匀开孔，开孔方向为斜向下;集水层中布设有穿孔集水支管，水平均匀开孔。
集水层中还设有旋转弯头和控制阀、放空阀。为了防止渗滤层的土壤沉陷堵塞集水管，在渗滤层与集水层之间设有一层无纺布。
湿地单元的床体长宽比为1∶1;为了便于排水，其底部设有1%～5%的坡度，最佳坡度为3%。
湿地单元建造在原土层上，并在湿地单元与原土层之间设有防渗层。
所述的防渗层采用厚度为0.5～1mm的高密度聚乙烯树脂或油毛毡密封铺垫。
外围容器可用塑料板等材料制作，最好采用玻璃钢制作。
以上所述的装配式填料人工垂直潜流湿地单元在污水处理系统中的应用。
一种污水处理湿地系统，包括调节池、预沉淀处理池、蠕动泵和至少一个湿地单元，其特征在于：调节池连接污水排出管，调节池、预沉淀处理池、蠕动泵、进水阀、湿地单元之间经过管道依次相连，集水管与湿地单元的出水口相接;所述的湿地单元为装配式填料人工垂直潜流湿地单元：包括顶部开口的外围容器和置于其中的五个结构层，外围容器中自上而下依次为渗水基质组成的种植层、布水层、填料层、渗滤层、集水层。
调节池的进水处设有中格栅;中格栅的栅条间隔为10～40mm。预沉淀处理池的前段设有细筛;细筛的孔径为1.6mm。相邻两个湿地单元之间用卡箍固定，更换时只需将卡箍松开，通过吊装安装即可，对其他部分的处理没有影响，保证了维护期间湿地系统的正常运行。
预沉淀处理池的底部坡度为1%～2%，坡底端设有污泥收集槽，槽底部设有排泥管和阀门。
采用上述污水处理湿地系统的污水处理工艺为：污水首先进入调节池(7)中，然后流经预沉淀处理池，再经蠕动泵加压，并经过进水阀进入湿地单元，净化后由集水管排出。
污水在调节池和预沉淀处理池中通过阻拦、自然沉降去除漂浮固体物和部分悬浮颗粒;进入湿地单元后，依次流经种植层、布水层、填料层、渗滤层、集水层，种植层为污水中的微生物提供溶解氧并截留其中的大颗粒悬浮物，吸附难溶性污染物，吸收氮磷等元素，布水层将污水均匀分布于处理区内，经填料层除去其中的有机物，然后经渗滤层进一步截留或降解有机物，处理后的出水经集水层收集。
湿地单元采用干湿交替运行，间歇进水方式。优选每天进水2～3次，每次进水4～6h，间隔4～6h。
湿地单元的水力负荷为0.15～0.45m3/(m2·d)，最佳水力负荷为0.25m3/(m2·d)。
调节池中的水力停留时间(HRT)为4～36h;污水在预沉淀处理池中的停留时间(HRT)为24～36h。
为了使本发明人工垂直潜流湿地在污水处理中发挥更大的作用，使其维护更加简便、省时、省力，发明人在提出合理的实验方案之前，综合考虑了以下几点：
1、人工垂直潜流湿地具有无表面水、占地面积小、使用率高、维护方便等特点。
2、为了易于调整，将潜流湿地分为若干个区，通过衔接使之构成一个整体，分区同时可以有效防止湿地植物的病虫害。
3、分区以后，能根据实际运行情况更换分区单元，使得湿地管理更加方便。
4、装配式填料人工湿地主要是针对小区生活污水及度假村生活污水。由于这些污水水量变化大，分区后可根据进水水量调整运行的湿地单元个数。
5、由于长期运行，湿地系统难免发生堵塞，装配式填料人工湿地处理系统可以根据堵塞情况更换堵塞部分，且装配式更换较为简便，对湿地运行的影响较小、易于实施。
6、湿地的分区单元可预先在工厂制作，根据湿地规模进行现场安装，安装工期短，有利于湿地系统的运行。
7、发生堵塞被更换的单元可以通过维修进行重复利用，无浪费现象。
以下便是发明人确定本发明技术方案的主要试验研究过程：
1、工艺流程
试验工艺为预沉淀处理池+人工潜流湿地，即：进水→调节池→预沉淀处理池→水泵→人工潜流湿地→出水
2、处理对象
本发明设计的装配式填料人工潜流湿地的处理对象主要为居民生活小区以及度假村等小范围内的生活污水。居民小区及度假村的生活污水具有水质变化大、水量不稳定等特点。
旅游和度假等餐饮污水排放集中、污染物含量较高，多含油及洗涤剂等成分，且一般均在城市排水服务区外的边缘地带或新区，污水排放具有明显季节性或时段性，这种污水所含的主要污染物为COD、BOD、NH3-N等，水量小且分散，但排入水体后很容易导致水体严重污染，引起富营养化。且度假区内的废水处理设施对环境要求较高，设计中必须避免二次污染特别是异味的产生，从生态以及环境协调方面考虑，构筑物尽量采用地埋式，池顶覆盖绿化。从景观视觉的角度出发，尽量利用周围景观进行掩饰，使色彩与周围景观环境一致。人工湿地用于小区及度假村生活污水处理，可以使处理设施很好地与自然融为一体，而且可以高效地去除污染物。
本发明采用的移动拼装式人工湿地系统可以根据不同的水量调整拼装的单元数来进行调整，避免了设计与实际处理量之间的矛盾。移动式可以根据不同地点的需要进行调整，具有简便快捷且出水水质好等特点。
3、进水水质
由于不同的度假村、居民小区的生活污水中所含的污染物的浓度不一致，因此实验处理进水水质参照一般生活污水水质。一般生活污水的基本水质情况如表1所示(单位为mg/L)。
表1一般生活污水水质
主要指标 CODCr BOD5 SS NH3-N TP 一般污水 250～300 100～150 150～200 30(TKN=40) 4～5
4、出水水质
为了防止环境污染，人工潜流湿地处理出水水质按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准执行。主要出水水质如表2所示。
表2出水基本控制项目最高允许排放浓度(日均值)单位：mg/L
5、湿地单元填料及进水、出水方式的选择
填料的类型以及比例是影响人工湿地处理污水的重要因素之一。填料对污染物的截留过程包括物理过滤、离子交换、专性与非专性吸附、螯合作用、沉降反应等。填料是人工湿地的重要组成部分，由于土壤通透性差，容易发生堵塞，从而形成短流或漫流，所以单纯以土壤为填料的人工湿地已经逐渐被砂石或混合填料所代替。采用混合填料作为人工湿地填料，既避免了单一填料长期使用可能导致堵塞、从而造成污水短路或填料长期区出现死水区的现象，也使得污水中的各种污染物得到较好的去除效果。近年来，一些通透性好、比表面积大、具有吸附能力的多孔介质也被填充到人工湿地系统里，大大提高了污染物、特别是氮磷的去除效果。
基质(即湿地单元中各结构层的填料，一般由土壤、细沙、粗砂、砾石、碎瓦片或灰渣等构成，按一定的厚度铺好，形成供植物生长和微生物附着的床体)的选用过程中通常需要考虑以下几个因素：(1)具有良好的吸附性能和离子交换性能，基质在磷的去除过程中主要是通过一些物理和化学(吸附、吸收、离子交换、络合反应等)作用实现，因而选择合适的基质对磷的去除率有着重要的影响。(2)基质的粒径不宜过大或过小，基质的水力传导率较小，容易造成堵塞，形成地表漫流;粒径太大，单位体积内微生物可附着的面积较小;目前选用的基质粒径范围在0～30mm，常用范围为4～16mm。(3)有利于生物膜的形成和更新，有利于提高有机物和氮的去除效率。(4)价廉，基质占湿地建设费用的比例最大，可达到50%～60%。
基质层厚度的确定取决于植物的根系生长深度、处理效率以及复氧效率。为了保证湿地床体中有足够的氧供好氧菌利用，湿地的基质层厚度(即湿地单元中各结构层的厚度之和)一般控制在0.6～0.8m之间，垂直流湿地的基质层厚度可相对较厚，一般在0.7～0.8m之间。人工湿地床体的设计深度一般是按水生植物根系自然扩展的深度来设计的，一般为0.6～0.7m。如香蒲、灯芯草湿地床深度以0.2～0.6m为宜。
垂直流湿地常采用多孔管进水。湿地的出水系统可采用沟排、管排、井排等方式，设计时应考虑受纳水体的特点、湿地系统的布置及现场条件等因素。为有效的.控制湿地水位，垂直流人工湿地排水系统一般是在基质层中布设穿孔集水管，并设置旋转弯头和控制阀门，同时在系统的必要部位设置控制阀和放空阀。
本发明潜流湿地主要由五部分组成：湿地从上部至底部依次为：种植层、布水层、填料层、渗滤层、集水层。种植层的厚度为15～25cm，主要成分为稻田土及细沙(d<2mm)，其重量比例为3∶1～4∶1。布水层的厚度为10～15cm，主要成分为粗砂，粒径为10～15mm。填料层的厚度为20～30cm，主要成分为自制的生物填料，其粒径在3～5mm。渗滤层的厚度为20～30cm，主要成分为用5mm筛网筛细的稻田土及粒径0.25～0.35mm的细沙(重量比例为3∶2～2∶1)。集水层的厚度为10～15cm，主要成分为粗砂，粒径为10～15mm。布水管及集水管的材质均为U-PVC，管径为De32。布水支管下部交替均匀开孔，开孔方向为斜向下30°;集水管支管开孔为水平均匀开孔。在渗滤层与集水层之间敷设一层无纺布，主要作用是为了防止渗滤层的土壤沉陷以堵塞集水管。外围容器的顶部超高设置为15cm。为防止湿地系统因渗漏而造成地下水污染，要求在工程施工时应尽量保持原土层，并在原土层上设置防渗层。防渗层的设置有多种方法，如采用厚度为0.5～1mm的高密度聚乙烯树脂、油毛毡密封铺垫等，防止床体填料尖角对薄膜的损坏，施工时可在塑料薄膜上预铺设一层细沙。本实验采用高密度聚乙烯树脂防渗。
6、湿地单元的制作材料
制作湿地单元外围容器的材质最好选用玻璃钢。玻璃钢具有如下特点：
(1)轻质高强
玻璃钢的相对密度在1.5～2.0g/cm3之间，只有碳钢的1/4～1/5，但其拉伸强度却与碳钢接近，甚至超过碳素钢，而比强度可与高级合金钢相比。
(2)耐腐蚀性能好
玻璃钢是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。
(3)电性能好
玻璃钢是优良的绝缘材料，可用于制造绝缘体。
(4)热性能良好
玻璃钢的热导率低，室温下为1.25～1.67kJ/(m·h·K)，只有金属的1/100～1/1000，是优良的绝热材料。
(5)可设计性好
玻璃钢可以根据需要，灵活地设计出各种结构的产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。
同时，用玻璃钢作为制作材料，可以观察到湿地单元内的水位动态变化。
7、植物的选择
植物不同，微生物数量不同，这主要是植物的根际效应在起作用。根分泌物种类繁多，数量各异，不仅有糖、有机酸、氨基酸等初生代谢产物，还有酮酚和胺等次生代谢产物以及一些不知名的代谢产物。作用于周围环境形成根际(一般指根-土界面不足1mm到几mm的范围的微区土壤)，产生根际效应。根分泌物直接影响根际微生物的种类和数量分布，不同植物或在不同土壤种植的植物或同一植物不同发育阶段根分泌物的种类和数量不同，从而有选择性地影响着根际微生物。根际微生物是聚居在根际土壤，以根际分泌物为主要营养的一群微生物，根分泌物为土壤微生物提供大量的营养和能源物质，根际微生物不仅种类和数量远高于非根际植物，而且其代谢活性也比非根际微生物高。植物的存在使人工湿地系统中的微生物如硝化细菌、反硝化细菌、磷细菌、纤维素分解菌的数量显著增加。
7.1种植方式的选择
湿地植物是影响湿地处理系统功效的重要因素，故其种植/移植和维护也是植物建设中的重要任务。湿地植物的种植/移植主要包括裸根幼苗移植、种子繁殖、收割植物的移植以及盆栽移植等。
(1)裸根幼苗移植
湿地植物幼苗可以从野外采集，也可以人工培育。无论是草本植物还是木本植物，都可以以幼苗形式进行移植并繁殖。培育湿地植物幼苗，需要在苗圃进行，几个月后，幼苗长到20～50cm高度，即可进行移植。将幼苗移出，除去原土，捆扎成束，采取措施保持幼苗湿度，进行临时储存，最后运往现场种植。裸根幼苗种植方法简单，用工具在预设地点挖一个浅坑，将幼苗插入，再将余下的空隙填实即可。裸根幼苗移植成活率比种子成活率高，一般可达到80%以上。因此，利用此法进行植物培养，可以在较短的时间里构建起浓密、单一品种的湿地植物，加快系统的启动和运行。如美人蕉的繁殖一般采用分株法，于3～4月将大块根分割为3cm左右带2～3个芽的小块，并在切割处涂草木灰或硫磺粉以防腐，即可按常规栽种，当年可见花，也可以在苗圃中等幼苗长出后再移植。
(2)种子繁殖、收割植物的移植
给定适宜繁殖介质、湿度、阳光和温度条件，湿地植物可以由种子直接进行繁殖。拟建湿地附近存在天然湿地时，可以通过收割的植物来构建新人工湿地植物群落。如芦苇、香蒲等湿地植物在具有较高区域水位时，可以进行湿地植物的移植。利用收割植物进行移植有时有利，有时也有弊。多数情况下，将从其他湿地中收获的湿地植物移植到新建湿地中时，其他种类的植物会随着根系及附带土壤同时引入。
(3)盆栽移植
将幼苗植于容器中进行培育，这种方法比较适合在湿地中构建木本湿地植物，因为其初期生长速度较草本植物较慢。如果将木本湿地植物和裸根幼苗移植到新建湿地，其生长可能完全被草本湿地植物覆盖。盆栽移植较种子移植或裸根幼苗种植具有更大的初期生长优势，但初期费用较高。因此对大规模湿地盆栽移植在经济上不占优势，因其生长、运输和栽种费用都很高。
7.2种植时间的选择
人工湿地污水处理系统中种植湿地植物的最佳时间是春天或初夏，湿地植物一般在此季节开始生长。此时段日照时间渐长，来自杂生植物和病虫害的影响最小，大多数植物能够适应性生长。而且，在湿地植物开始生长季节种植，既有充足的时间生长为成熟植物，又能在寒冷季节到来和植物生长速率减慢之前达到有效的覆盖率。
7.3种植密度的选择
湿地植物的种植密度主要由植物种类、污水处理效能、湿地类型、景观要求决定，对于水生植物来说，前者显得更为重要，水生植物种植主要为片植、块植与丛植，片植或块植一般都需要满种，竣工验收时要全部覆盖地面(水面)。
7.4湿地植物的选择
人工湿地植物的选择原则：
1.净化能力强
水生植物对污水中的BOD5、COD、TN、TP主要是靠附着生长在根区表面及附近的微生物去除的，因此应选择根系比较发达的水生植物。
2.具有抗逆性
1)抗病虫害能力
污水生态处理系统中的植物易滋生病虫害，抗病虫害能力直接关系到植物自身的生长与生存，也直接影响其在处理系统中的净化效果。
2)对周围环境的适应能力
由于人工湿地中的植物根系要长期浸泡在水中和接触浓度较高且变化较大的污染物，因此所选用的水生植物除了耐污能力要强外，对当地的气候条件、土壤条件和周围的动植物环境都要有很好的适应能力。一般应选用当地或本地区天然湿地中存在的植物。
3)易管理
管理简单、方便是人工湿地生态污水处理工程的主要特点之一。若能筛选出净化能力强、抗逆性相仿，而生长量较小的植物，将会减少管理上尤其是对植物体后处理上的许多麻烦。
4)综合利用价值高
若所处理的污水不含有毒、有害成分，其综合利用可从以下几个方面考虑：①作饲料，一般选择粗蛋白的含量>20%(干重)的水生植物。②作肥料，应考虑植物体含肥料有效成分较高，易分解。③生产沼气，应考虑发酵、产气植物的碳氮比，一般选用植物体的碳氮比为25～30。
5)美化景观
由于城镇污水的处理系统一般都靠近城郊，同时面积较大，故美化景观也是必须考虑的。
备选植物：
①灯芯草
多年生草本，根茎横走，密生须根。茎簇生，高40～120cm，直径1.5～4mm。低出叶鞘状，红褐色或淡黄色，长达15cm，叶片退化呈刺芒状。花序侧生，聚伞状，多花，密集或疏散;总苞片似茎的延伸，直立，长5～20cm;花长2～2.5mm，花被片6，条状披针形，边缘膜质;雄蕊3，极少为6，长约为花被的2/3。蒴果矩圆状，3室，顶端钝或微凹，长约与花被等长或稍垂。种子褐色。花期5～6月，果期6～7月。去除BOD、N、P效果较好。
②香蒲
为多年生宿根性沼泽草本植物，植株高1.4～2米，有的高达3米以上。根状茎白色，长而横生，节部处生许多须根，老根黄褐色。茎圆柱形，直立，质硬而中实。叶扁平带状，长达1米多，宽2～3厘米，光滑无毛。基部呈长鞘抱茎。花单性，肉穗状花序顶生圆柱状似蜡烛。雄花序生于上部，长10～30厘米，雌花序生于下部，与雄序等长或略长，两者中间无间隔，紧密相联。呈灰褐色。花小，无花被，有毛。雄花有雄蕊3枚，花粉黄色，每4粒聚成块，雌花无小苞片，子房线形，有柄，花柱单一。果序圆柱状，褐色，坚果细小，具多数白毛。内含细小种子，椭圆形。花期6～7月，果期7～8月。可用播种和分株繁殖，一般用分株繁殖。香蒲植物可以有效地净化城市生活废水及一些工业废水的磷、氮、CODCr、BOD5、总悬浮物(TSS)等污染物。
③菖蒲
多年水生草本植物。有香气，根状茎横走，粗状，稍扁，直径0.5～2cm，有多数不定根(须根)。叶基生，叶片剑状线形，长50～120cm，或更长，中部宽1～3cm，叶基部成鞘状，对折抱茎，中部以下渐尖，中助脉明显，两侧均隆起，每侧有3～5条平行脉;叶基部有膜质叶鞘，后脱落。花茎基生出，扁三棱形，长20～50cm，叶状佛焰苞长20～40cm。肉穗花序直立或斜向上生长，圆柱形，黄绿色，长4～9mm，直径6～12cm;花两性，密集生长，花被片6枚，条形，长2.5mm，宽1mm;雄蕊6枚，稍长于花被，花丝扁平，花药淡黄色;子房长圆柱形，长3mm，直径1.2mm，顶端圆锥状，花柱短，胚珠多数。浆果红色，长圆形，有种子1～4粒。花期6～9月，果期8～10月。对去除N有较好的效果。
④美人蕉
多年生球根草本花卉。株高可达100～150厘米，根茎肥大;地上茎肉质，不分枝。茎叶具白粉，叶互生，宽大，长椭圆状披针形。阔椭圆形。总状花序自茎顶抽出，花径可达20厘米，花瓣直伸，具四枚瓣化雄蕊。花色有乳白、鲜黄、橙黄、桔红、粉红、大红、紫红、复色斑点等50多个品种。花期北方6月～10月(北方);南方全年。可以净化水质，又具有一定的观赏价值。
⑤芦苇
芦苇是经常见到的水边植物，芦苇易和寒芒混淆，区别是芦苇的茎是中空的，而寒芒不是，另外，寒芒到处可见，而芦苇是择水而生。夏秋开花，圆锥花序，顶生，疏散，长10～40厘米，稍下垂，小穗含4～7朵花，雌雄同株，花序长约15～25公分，小穗长1.4公分，为白绿色或褐色，花序最下方的小穗为雄，其余均雌雄同花，花期为8～12月。芦苇的果实为颖果，披针形，顶端有宿存花柱。对COD有较好的去除效率。
根据以上原则选择灯芯草和美人蕉两种植物。两种植物交替种植，即相邻的两块湿地一块种植美人蕉，一块种植灯芯草，形成错落有致的人造景观。灯芯草的种植密度为40株/m2，美人蕉的种植密度为20株/m2。采用幼苗裸根移植，植物来自贵州省植物园，移植时间为四月份。
7.5湿地的启动
人工湿地的启动就是在处理系统中培养出合适的动植物群落。启动时间的长短与湿地类型、进水水质及季节有关。在运行初期，除了气候、植物的适应性等因素，水力负荷及人工湿地的床体水位是影响植物成活率及其生长的主要因素。在人工湿地植物栽植初期，水力负荷稍大且调节水位达到人工湿地保持轻度水淹，植物生长较快，成活率较高。否则较低水位的潜流人工湿地，由于夏季气温升高，造成上部砾石温度填料温度升高，会危害到植物的生存。温度高，蒸腾蒸发量大，也会造成水位降低，影响植物生存。因此湿地水位的调节在湿地启动中至关重要。
对于潜流型人工湿地来说，植物生长时，保持湿地的水位极其重要。在人工湿地植物达到较高成活率、生长稳定后，还需要对人工湿地植物根系的生长进行引导。一般做法是降低人工湿地床体水位，在植物根的趋水性作用下，刺激了植物根系向下生长，以满足生长对水的要求。
大量杂草特别是浅根旱生杂草的生长会降低人工湿地净化效率。由于杂草生命力强，在湿地启动初期可能成为优势物种，影响湿地植被的成熟。因此，在种植初期通过调节水位使床体表面淹水减少杂草或人工拔除来控制，不鼓励在湿地中使用杀虫剂。
8.进水方式
人工湿地传统的布水方式有固定式喷灌、移动式喷灌、淹灌和沟灌。在大多数情况下，布水方式取决于当地的地形、土壤、植物和气候条件。为了使人工湿地水流均匀分布以及增加湿地的溶解氧，研究人员开发了许多新型的布水方式。阶梯进水可避免处理床前部堵塞，使植物长势均匀，有利于后部的硝化脱氮作用;回流式可对进水进行一定的稀释，增加水中的溶解氧并减少出水中可能出现的臭味，促进填料床中的硝化和反硝化脱氮作用;综合式则一方面设置出水回流，另一方面还将进水分布至填料床的中部，以减少填料床前端的负荷。最近，科研人员还研究出一种新颖的辐射流人工湿地，水流由湿地的中心呈辐射状流向砾石床，在湿地的周边进行水的收集，此辐射流式布水能提高砾石基质的水力传导性。
根据水流方向不同，传统的人工湿地分为平行流与下行流两种。已有相当多的研究表明，平行流的传氧能力有限。下行流常采用分批进水的方式，污水由表面纵向流至床底，一批污水通过后，床体处于不饱和状态，氧由大气扩散至床体中，因此，较平行流系统具有较高的好氧处理能力。近年来，除平行流与下行流外，人们已开始对潮汐流进行研究，在这一类系统中，污水由下至上逐渐充满床体后，再被排出，排水的过程也是大气复氧的过程。空气中的氧经表面扩散和植物根系传输进人床体，床体上部处于微氧环境，再进水时，污染物可进行好氧降解。这种间歇流人工湿地可被视为一个复杂的微生物反应系统，附着于植物根系以及砾石表面的微生物群落进行好氧或厌氧代谢，从而去除水中的污染物。
人工湿地能够满足湿地植物对水分的需求，干湿交替的运行方式更有利于湿地植物的生长，地上生物量的增加，须根和根毛数量的增加，提高植物的输氧量，改善介质中氧化还原状态以促进有机物的降解和硝化细菌的生长。运行方式采用干湿交替运行，采用间歇进水方式。每天进水2～3次，每次进水4～6h，间隔约4～6h。间歇进水可以便于较低水力负荷时的布水均匀，充分利用湿地表面和体积。
9.调节池、预沉淀处理池
调节池的容积设定为1m3，有效容积为0.75m3。水力停留时间24h。调节池尺寸是边长为1m的立方体。材质为玻璃钢。
为防止堵塞，需设置预处理区，通过预沉淀作用将可沉淀物质去除。基于最大处理量，将预沉淀处理池的HRT设为36h。预沉淀处理池容积为1.25m3，有效容积为1.125m3。预沉淀处理池的尺寸：长×宽×高=1m×1m×1.25m。底部坡度为2%，一端设置污泥收集槽，尺寸为长×宽×高=0.25m×1m×0.3m。底部设排泥管，DN50钢管，并设置阀门。同时，预沉淀处理池在进水位置设置一细筛，主要是用以阻拦或去除流动状态下水或废水中的悬浮或漂浮固体物质。细筛的规格为孔径1.6mm的网筛，网筛的材料为不锈钢。
由于生活污水中的有机成分易于降解，且悬浮颗粒含量较大，潜流湿地处理单元前设置预处理区，通过自然沉降去除部分悬浮颗粒，减少后续处理单元发生堵塞的概率。
潜流湿地处理单元的床体规格对污水的处理效率有一定的影响。一般情况下，长宽比对BOD5、TSS和氨的去除有影响，故取长宽比为1∶1。潜流湿地面积较大，应当分区，这样可以均匀分配流量，利于植物的管理和保护植物免受病虫的危害。按长度将潜流湿地处理单元再等分为三部分。即最小的处理分格的尺寸为0.5m×0.5m，深度为0.91m。为了便于排水，底部坡度取为1%～5%。
10.处理负荷的确定
潜流人工湿地中，水面一般低于床表层5～10cm，系统处于饱和状态。通过查阅相关资料：人工潜流湿地一般的水力负荷为0.15～0.45m3/(m2·d)。由于湿地单元内的填料的不同设置，其净化效果也有所不同。因此，发明人通过下面的实验来确定装配式填料人工湿地的最佳水力负荷。
先将湿地系统分为6个部分，依次编号。通过进水阀控制流量。1～6号单元的水力负荷分别为：(单位：m3/(m2·d))
表3试验单元处理负荷及编号
1 2 3 4 5 6 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
以出水水质作为比较的因素，来确定最佳水力负荷。经过一周的运行，每天测进水、出水COD，观察各部分的COD的去除效果。图5、图6是7天中表3所示六个部分的出水COD变化情况。
图5显示的是在不同水量条件下，出水的COD值的变化，可知当水量越小时，出水COD会越小，即出水效果越好。图6说明随着水力负荷的增加以及时间的延长，COD的去除效果会有所降低。
从图7可以看出，系统的平均COD去除率在70～90%之间。根据比较，确定最佳水力负荷为0.25m3/(m2·d)，此时出水水质好且COD去除率较高，能充分利用人工湿地。
11.运行效果
在装配式填料人工湿地系统投入试运行后，进水、出水水样每隔2天测一次。测定方法均按照标准测定方法进行。
COD测定采用重铬酸盐法，BOD测定采用活性污泥曝气降解法，NH3-N测定采用纳氏试剂比色法。
(1)5月份湿地运行效果如表4所示：(单位mg/L)
表4五月份进水、出水水质数据记录
进水COD 出水COD 进水NH3-N NH3-N 进水BOD5 BOD5 5.1 296 46 26.7 7.5 96.5 19 5.4 318 52 25.3 6.2 101.8 17.5 5.7 256 48 29.5 8.2 120.2 21 5.10 291 38 32.5 5.6 106.7 16 5.13 306 53 31.7 5.1 86.5 10.5 5.16 285 35 26.4 5.6 100.9 16.5 5.19 268 36 23.5 6.7 96.5 20.5 5.22 298 26 29.5 7 112.6 16.7 5.27 263 29 25.4 4.7 120.8 13.8 5.30 345 52 19.8 5.1 110.6 17.2
由表4可知，五月份进水COD的范围为256～345mg/L之间，平均进水浓度为292.6mg/L，出水中COD浓度在26～53mg/L之间，平均出水浓度为41.5mg/L，出水水质都能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。五月份进水NH3-N浓度波动范围为19.8～32.5mg/L，进水NH3-N平均浓度为27mg/L，出水NH3-N浓度波动范围为4.7～8.2mg/L，平均出水浓度为6.17mg/L，出水水质都能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。五月份进水BOD5浓度波动范围为86.5～120.8mg/L，进水BOD5平均浓度为105.3mg/L，出水BOD5浓度波动范围为10.5～21mg/L，平均出水浓度为16.9mg/L，有两次出水BOD5超出一级B规定，其原因可能是由于运行初期，系统运行不稳定造成的。由图8-10可知，五月份人工湿地进水水质波动范围较大，出水水质波动范围很小。综上可知，五月份出水水质基本能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。
由图11可知，五月份COD的去除率在81.25%～91.28%之间变化，波动较小，平均去除率85.8%，COD的去除效果良好。由图12可知，五月份NH3-N的去除率变化较大，波动范围在71.49%～83.91%之间，平均去除率为76.86%，NH3-N的去除效果较好。由图13可知，BOD5的去除率变化范围为78.76%～88.58%，平均去除率为83.9%，去除效果良好。去除率的波动主要是由于进水水质变化造成的冲击负荷导致的。各种污染物的去除率随着运行时间的延长均表现出增加的趋势，主要原因是填料上固定的微生物适应了人工湿地系统内的环境，已经形成了良好的去除机制，对进水有较好的去除作用。
(2)6月份湿地运行效果如表5所示：(单位mg/L)
表5六月份进水、出水水质数据记录
进水COD 出水COD 进水NH3-N NH3-N 进水BOD5 BOD5 6.2 263 35 25.4 5.3 112.6 17.5 6.5 298 50 29.5 7.5 106.7 19.2 6.8 325 52 30.4 7.8 100.8 18.2 6.11 306 59 31.7 5.4 87.2 15.2 6.14 285 34 26.4 6.3 92.5 18.3 6.17 294 41 26.7 7.5 99.4 17.5 6.20 286 42 28.6 6.9 103.8 19.2 6.23 310 51 31.6 7.8 110.7 18.6 6.28 279 35 28.4 6.4 106.5 17.3
由表5可知，六月份进水COD的范围为263～325mg/L之间，平均进水浓度为294mg/L，出水COD浓度在34～59mg/L之间，平均出水浓度为44.3mg/L，出水水质能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。六月份进水NH3-N浓度波动范围为25.4～31.7mg/L，进水NH3-N平均浓度为28.74mg/L，出水NH3-N浓度波动范围为5.3～7.8mg/L，平均出水浓度为6.77mg/L，出水水质同样能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。六月份进水BOD5浓度波动范围为87.2～112.6mg/L，进水BOD5平均浓度为102.25mg/L，出水BOD5浓度波动范围为15.2～19.2mg/L，平均出水浓度为17.9mg/L。由图14～16可知，六月份人工湿地进水水质波动范围较小，出水水质波动范围也很小。综上可知，六月份出水水质都能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。
由图17可知，六月份COD的去除率在80.7%～88.07%之间变化，波动较小，平均去除率85%，证明COD的去除效果良好。由图18可知，六月份NH3-N的去除率变化较小，波动范围在71.9%～82.96%之间，平均去除率为76.41%，NH3-N的去除效果良好。由图19可知，BOD5的去除率变化范围为80.2%～85.46%，平均去除率为82.45%，去除效果良好。去除率的波动主要是由于天气变化导致的气温变化引起的。由图17-19可知，六月份各种污染物的去除率随着运行时间的延长基本呈现稳定的趋势，波动较小。主要原因是因为人工潜流湿地的运行系统已经成熟，各项去除作用也都形成了良好的运作，因此各项污染物的去除也趋于稳定。
(3)7月份湿地运行效果如表6所示：(单位mg/L)
表6七月份进水、出水水质数据记录
由表6可知，七月份进水COD的范围为279～325mg/L之间，平均进水浓度为301.4mg/L，出水COD浓度在31～55mg/L之间，平均出水浓度为45.7mg/L，出水水质能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。七月份进水NH3-N浓度波动范围为26～31.6mg/L，进水NH3-N平均浓度为28.76mg/L，出水NH3-N浓度波动范围为6.1～8.5mg/L，平均出水浓度为7.2mg/L，出水水质有一次超过一级B标准，其他出水水质均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。这是由于进水水质波动造成的，同时当天天气有中雨，影响了出水水质。七月份进水BOD5浓度波动范围为95.2～113.1mg/L，进水BOD5平均浓度为103.8mg/L，出水BOD5浓度波动范围为15.6～20.8mg/L，平均出水浓度为18.7mg/L，出水水质基本能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。由图20～22可知，七月份人工湿地进水水质波动范围很小，出水水质波动范围也很小。综上可知，七月份出水水质能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。
由图23可知，七月份COD的去除率在82.62%～87.21%之间变化，波动较小，平均去除率84.9%，表明COD的去除效果良好。由图24可知，七月份NH3-N的去除率变化较大，波动范围在70.9%～78.52%之间，平均去除率为74.9%，NH3-N的去除效果良好，出水能达标排放。由图25可知，BOD5的去除率变化范围为80.46%～84.68%，平均去除率为82.57%，去除效果良好。去除率的波动主要是由于进水水质变化引起的。由图23-25可知，七月份各种污染物的去除率随着时间的变化基本稳定，各项污染物的出水含量均低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准规定的值。
结论：
通过三个月的稳定运行，可知装配式填料人工潜流湿地的处理效果良好，出水水质能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。从最初运行的五月份到运行稳定的七月份，系统对各项污染物的降解效果也日趋稳定，去除效率也能维持在很高的水平。从平均效果可以看出，随着时间的推移，系统出水的各项指标的数据呈现增加的趋势，说明人工湿地系统的处理能力随着时间的延长会有所降低，适时更换湿地中的填料和基质是必要的。
与现有技术相比，本发明所提供的装配式填料人工垂直潜流湿地单元以及包括该单元的污水处理湿地系统不仅可以有效防止湿地系统的堵塞，还可以根据进水水质不同调节湿地单元的填料组分;而且其维护非常方便，在发生堵塞时可以及时更换堵塞部分而不影响其他湿地单元，保证了湿地系统的连续运行;同时，发生堵塞的单元通过更换内部填料又能重新被用于污水处理，避免了浪费。此外，采用本发明湿地系统进行污水处理的效果良好，对各项污染物的降解效果稳定，去除效率较高，出水水质好，能够满足城镇污水排放标准。