一种沟渠形防堵塞处理含氮废水的人工湿地系统

1.本实用新型属于污水处理技术领域，涉及污水净化处理的装置，尤其是一种沟渠形防堵塞处理氮磷废水的人工湿地系统。


背景技术：

2.在20世纪50年代，欧洲首次提出人工湿地技术，并于80年代得到迅速发展。顾名思义，人工湿地是人们通过模拟天然湿地系统的功能和特点而人为建造的一种生态系统。填料、植物和微生物作为人工湿地净化污水的三个主要组成部分，在填料的吸附、过滤，植物的吸收、固定、转化、代谢及湿地微生物的分解、利用、异化等过程的综合作用下实现对污水的净化处理。与其他传统污水处理工艺相比较，人工湿地污水生态处理技术具有基建投资省、运行费用低、美化景观和维持生态平衡等优点，在生活废水处理、流域水环境修复等领域具有突出的应用优势。
3.然而，人工湿地在长期运行过程中，由于系统内物理、化学和生物处理过程的产物不断累积易造成空隙堵塞问题，引起水流场分布不均，有效体积降低，严重时还会出现表面漫流现象，造成蚊蝇滋生，最终会导致系统瘫痪，直接影响湿地脱氮除磷效果。据美国环保署对实施运行的近百个潜流湿地系统堵塞状况进行了调查，结果表明数量近一半的潜流湿地在5年内出现了不同程度的堵塞问题。因而解决填料堵塞是使湿地可持续运行和推广应用的关键问题。
4.目前防治湿地堵塞的具体措施包括改善填料孔隙率、更换湿地基质，在满足湿地的处理要求前提下，采用较粗粒径的填料或采用多层滤料，以此提高填料的穿透深度，增加整个填料层的含污能力；采用休作与轮休，通过增强大气复氧能力以及微生物内源呼吸加快沉积污染物的降解；在人工湿地的前端加强预处理措施，可以去除污水中的部分悬浮物。
5.然而上述方法对人工调控要求高、投资费用高、维护管理不便，且对氮磷和有机物的去除能力较低。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的普通人工湿地易堵塞、脱氮除磷效率不足的技术问题，本实用新型的目的在于，提供一种沟渠形防堵塞处理含氮废水的人工湿地系统，该系统通过合理设计湿地构造与填料类型从而达到高效的脱氮除磷目的。
7.为了实现上述任务，本实用新型采用以下的技术解决方案：
8.一种沟渠形防堵塞处理含氮废水的人工湿地系统，包括人工湿地、曝气区、配水区及集水区，配水区上有第一进水口和第二进水口，其特征在于，所述人工湿地由多个沟渠湿地相连通构成，所述曝气区位于人工湿地中部，曝气区的底部有防渗层，且不填充任何填料，与相邻的沟渠湿地之间用多孔挡板分隔，在曝气区设置有转刷曝气机；
9.在每一个沟渠湿地的底部设置有防渗层，在防渗层上方依次并列设置陶粒层、沸石-石灰石层和生物炭层；
10.在所述陶粒层一侧设置有第一出水口和第二出水口，第一出水口上连接有第一配水主管，第二出水口上连接有第二配水主管；
11.在所述陶粒层、沸石-石灰石层、生物炭层和多孔隔板上方有种植区，种植区种植有植物。
12.本实用新型的其它特点是：
13.所述种植区由土壤和生物陶粒按1：2的体积比混合组成，填充厚度为 300mm。
14.所述转刷曝气机包括框架，在框架上方固定有转刷主体，转刷主体通过减速装置和电动机相连接。
15.所述陶粒层的填料选择粒径为30～50mm球形轻质陶粒。
16.所述沸石-石灰石层的填料选择粒径为10～30mm的沸石和石灰石，两者的体积比为1：1。
17.所述生物炭层的填料粒径为10-30mm的生物炭。
18.所述植物包括芦苇、菖蒲或美人蕉。
19.所述第一进水口和第二进水口上还有配套使用的进水装置，该进水装置由出水管、旋转手柄、固定环和进水管组成。
20.本实用新型的沟渠形防堵塞处理含氮废水的人工湿地系统，与现有技术相比，具有以下有益效果：
21.本实用新型针对普通人工湿地易堵塞、脱氮除磷效率不足这两点问题出发，提供一种沟渠形防堵塞处理含氮磷废水的人工湿地系统。首先沟渠形人工湿地采用了多个沟渠湿地相连通构成，具有池体狭长，池身较浅的构造，当污水从配水管道进入沟渠湿地床体，在多层填料单元的填料缝隙中流动，延长了污水流经湿地的水力停留时间，可以充分与滤料及滤料上的微生物接触从而被吸附、截留、去除。其次沟渠湿地内的流态是完全混合式的，具有某些推流式的特征，在曝气设备的下游，溶解氧浓度由高向低变动，甚至可能出些缺氧段。这种独特的水流状态，有利于微生物凝聚，而且可以将其分为富氧区、缺氧区，用以进行硝化和反硝化，取得脱氮除磷的效果。当沟渠湿地发生堵塞时，通过循环改变进水方向，利用反向进水水流冲洗初始进水口处滤料的堵塞颗粒，使得人工湿地进水、出水区域滤料能交替使用，提高人工湿地的使用寿命。沟渠湿地床体由陶粒层、沸石-石灰石层、生物炭层组成，利用不同粒径搭配来保证基质更高的孔隙率和渗透性，对防止基质堵塞具有一定作用，且进水端选用球状轻质陶粒更易于湿地堵塞时反向进水对滤料的冲刷作用，同时生物炭基质可为微生物硝化反硝化作用提供碳源从而进一步提高沟渠湿地的脱氮除磷效率。
附图说明
22.图1是本实用新型的沟渠形防堵塞处理含氮废水的人工湿地系统结构示意图；
23.图2是曝气区及其两侧沟渠湿地剖面示意图；
24.图3是转刷曝气器结构示意图；
25.图4是第一进水口(左图)、第二进水口(右图)配水管道结构示意图；
26.图5是进水装置结构示意图。
27.图中的标记分别表示：1、人工湿地，2、转刷曝气机，3、配水区，4、集水区，5、第一进水口，6、第一出水口，7、第二进水口，8、第二出水口， 9、第一配水主管，91、第一配水支管，
10、植物，11、种植区、12、陶粒层，13、沸石-石灰石层，14、生物炭层，15、第二配水主管，151、第二配水支管，16、防渗层，17、多孔隔板，181、出水管，182、旋转手柄，183、固定环，184、进水管，211、转刷主体、212、框架，213、电动机，214、减速装置。
28.以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
具体实施方式
29.需要说明的是，在以下的实施例中，将体积比为1：1的沸石和石灰石混合填料定义为沸石-石灰石层13。
30.如图1所示，本实施例给出一种沟渠形防堵塞处理含氮废水的人工湿地系统，主要包括人工湿地1、曝气区2、配水区3及集水区4，配水区3上有第一进水口5和第二进水口7。所述人工湿地1由多个沟渠湿地相连通构成，呈狭长弯曲状；所述曝气区2位于人工湿地1中部，曝气区2的底部有防渗层16，且不填充任何填料，与相邻的沟渠湿地之间用多孔挡板17分隔，在曝气区2设置有转刷曝气机；
31.在每一个沟渠湿地的底部设置有防渗层16，在防渗层16上方依次并列设置陶粒层12、沸石-石灰石层13和生物炭层14；
32.在所述陶粒层12一侧设置有第一出水口6和第二出水口8，第一出水口 6上连接有第一配水主管9，第二出水口8上连接有第二配水主管15；
33.在所述陶粒层12、沸石-石灰石层13和生物炭层14上方有种植区11，种植区11种植有植物10。
34.现有传统人工湿地的进水口与出水口相距较远，而本实施例给出的沟渠形防堵塞处理含氮废水的人工湿地系统，其中的沟渠湿地的进水口与出水口距离相近；第一进水口5与第二进水口7处分别设有第一配水主管9、第二配水主管15，如图4所示第一配水支管91、第二配水支管151分别安装在第一配水主管9、第二配水主管15上，为了提高布水的均匀性，第一、第二配水主管(9，15)位于沟渠湿地的床体侧面，采用穿孔管布水方式，管孔间距小于1m。
35.将本实施例给出的沟渠形防堵塞处理含氮废水的人工湿地系统进行区域划分，则靠近转刷曝气机的下游为富氧区，上游为低氧区，外环还可能成为缺氧区，这样的湿地构造能够为生物脱氮形成良好的环境条件。
36.在转刷曝气机下游溶解氧浓度高，随着与转刷曝气机距离的增加，溶解氧浓度不断降低，呈现好氧区-缺氧区的交替变化，使其具有良好的脱氮除磷功能。
37.人工湿地1根据转刷曝气机的安装位置一共分为2个阶段，以顺时针方向为主，从第一进水口5或第二进水口7经进水配水区3到曝气区2的转刷曝气机为第一阶段；转刷曝气机经集水区4到第一出水口6或第二出水口8 为第二阶段。
38.首先人工湿地1正常运行，打开第一进水口5和第一出水口6，关闭第二进水口7和第二出水口8后，使人工湿地1以第一阶段至第二阶段方向运行一段时间，直至进水前端滤料表面出现雍水现象，此时关闭第一进水口5 和第一出水口6，开启第二进水口7和第二出水口8，使人工湿地1的第二阶段至第一阶段一的方向反向进水，运行直至反向进水端滤料表面出现雍水，再关闭第二进水口7和第二出水口8，开启第一进水口5和第一出水口6，继续运行，该过程可以反复循环。
39.第一阶段与第二阶段中，人工湿地1的床体填料构造一致，床体填料有陶粒层12、沸石-石灰石层13和生物炭层14。相当于两个水平潜流人工湿地串联，以污水流经沟渠工湿地的过程如图2为例进行详细说明。
40.沟渠湿地的床体包括种植区11和主体净化填料区，种植区11为混合的土壤和生物陶粒组成，填充厚度为300mm，由土壤和生物陶粒按1：2的体积比混合形成，生物陶粒粒径3-5mm，种植(栽培)的植物10包括但不限于芦苇、菖蒲、美人蕉等挺水植物，植物10的根际环境分布大量好氧微生物，附着在种植区11中的土壤和生物陶粒表面。
41.以沟渠湿地床体的第一阶段为例，根据进水方向，主体净化填料区依次为陶粒层12、沸石-石灰石层13、生物炭层14，三种填料层体积比为1：2： 2，填充厚度都为700mm。陶粒层12优选粒径大小为30-50mm球形轻质陶粒，具有密度小、强度大、孔隙率大、比表面积大、化学稳定性好、附着物不易板结等诸多传统填料不具备的优点。沸石-石灰石层13选择填料粒径为 10-30mm的沸石和石灰石，两者的体积比为1：1，沸石有较大的比表面积，石灰石形状不规则，具有较高的渗透系数，两者协同使用，利于微生物的附着生长，可有效去除水中的氮磷元素。生物炭层14的填料粒径为10-30mm，由于生物炭具有良好的微孔结构、巨大的比表面积、高电荷密度以及离子交换能力，并且能够释放大量碳源，因此，将生物炭作为基质投加到人工湿地中通过直接或者间接作用，强化人工湿地中脱氮性能。人工湿地设置防渗层 16，防渗层16选用天然粘土堆砌。
42.曝气区2和相邻的沟渠湿地之间以多孔挡板17分隔，曝气区2内不填充任何填料。曝气区2的转刷曝气机构造如图3所示，主要由框架212、转刷主体211、电动机213、减速装置214组成。转刷曝气机使混合液中溶解氧的浓度增加到2～3mg/l。在这种充分充氧的条件下，微生物能得到足够的溶解氧来去除bod；同时，氨也被氧化成硝酸盐和亚硝酸盐，此时，混合液处于有氧状态。在转刷曝气机下游，水流由曝气区2的湍流状态变成之后的平流状态，水流维持在最小流速。微生物的氧化过程消耗了水中溶解氧，直到溶解氧值降为零，混合液呈缺氧状态。此时厌氧微生物将硝化过程累积的硝酸盐、亚硝酸盐经过反硝化作用转化为n2o、n2以达到脱氮的目的。
43.如图5所示，本实施例中，发明人设计了可与进水口配套使用的进水装置，由出水管181、旋转手柄182、固定环183、进水管184组成。固定环 183位于进水管184上，出水管181和固定环183连通，固定环183上连接旋转手柄182即可。
44.通过旋转手柄182可以改变出水管181方向，方便其在任何阶段与沟渠湿地的进水口连接，再将固定环183拧紧固定出水管184位置。此进水装置具有切换方便、易管理维护、节省占地面积等优点。
45.本实施例中给出的沟渠形防堵塞处理含氮废水的人工湿地系统，其工作原理是：
46.正常运行时，污水通过进水管流经第一阶段湿地滤床，水中溶解氧含量较高，好氧微生物产生硝化过程的生化反应，第一步先由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐；第二步再由硝酸菌将亚硝酸盐氧化为硝酸。随着硝化过程的进行水中的溶解氧含量逐渐降低至无形成缺氧区，在缺氧条件下，反硝化细菌将亚硝酸盐氮和硝酸盐氮还原为气态氮(n2)，同时生物炭填料可以大量释放有机物作为碳源及电子供体为反硝化脱氮提供有利条件。之后污水流入曝气区，补充水体溶解氧含量后再次流入第二阶段的沟渠湿地滤池，再一次形成好氧-缺氧区，进一步强化微生物硝化反硝化及提升水质作用。当进水前端滤料表面出现雍水现
象时，通过可旋转出水管方向的进水装置改变进水方向，由第一阶段至第二阶段方向改变为第二阶段至第一阶段方向进水，利用反向进水水流冲洗初始进水口处滤料的堵塞颗粒可延长湿地使用寿命和提高污染物去除效率。