申请日2019.10.31
公开(公告)日2020.02.04
IPC分类号C02F3/32; C02F3/30; C02F3/34
摘要：
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。
权利要求书
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。
2.如权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，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;
优选的，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。
3.如权利要求1所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，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;
优选的，所述穿孔进水管管壁设置小孔孔径为2-5mm，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3所述的潜流人工湿地系统，其特征在于，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。
5.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;优选的，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;
优选的，所述细卵石层厚度控制为20-40cm;所述细卵石粒径为1-3cm
优选的，所述粗卵石层厚度控制为50-80cm;所述细卵石粒径为3-5cm;
优选的，所述卵石底层厚度控制为20-50cm;所述粗卵石粒径为5-8cm。
7.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%;或，
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。
8.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;优选的，所述水生植物包括芦苇、菖蒲、鸢尾和美人蕉。
9.权利要求1-8任一项所述潜流人工湿地系统在污水处理中的应用。
10.一种污水处理的方法，其特征在于，所述方法包括将污水置于权利要求1-8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(优选为6h)。
说明书
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。（作者：张建;陆佳兴;郭子彰;庄林岚;梁爽）