适用于污水厂外排尾水的复合垂直流人工湿地净化系统的制作方法

本发明涉及一种污水厂外排尾水的生态净化系统，特别是一种适用于污水厂外排尾水的复合垂直流人工湿地净化系统。

背景技术：

当前，我国水环境污染问题较为严重，水资源短缺、环境流量不足、河流水质差是我国水环境面临的严峻问题。以河南省为例，河南省辖淮河、海河、黄河3个流域53条主要河流中，有35条无源头水，河道中基本上是污水厂处理后的城市污水和工业废水，即使污水处理厂执行最严格的污水排放标准(《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准)也难以满足《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)V类标准，碳氮比低是污水处理厂外排尾水的显著特点，尤其是污水中氮磷污染物的去除是污水处理的难题；再加上河道上修筑闸坝、裁弯取直等人工改造措施，日积月累，致使河流富营养化问题凸显、自净能力弱。

人工湿地污水处理技术是20世纪70年代兴起的一种污水生态处理技术，其具有投资少、运行费用低、管理方便、无二次污染等优点，近年来已成功用于生活污水、农村点源和面源污染、暴雨径流、以及湖泊富营养化等方面的治理，并取得了显著的成效。人工湿地分为表面流湿地、水平潜流湿地、垂直流湿地三种类型，结合我国污水厂外排尾水水质、土地利用率高的现状，污染负荷高、占地面积小的垂直流人工湿地备受青睐。但是垂直流人工湿地在实际应用过程中也暴露出了很多问题，如易受气候条件和温度的影响(冬季气温低，植物枯萎，微生物活性降低，造成处理效果差)，基质易饱和堵塞，去污功能单一，运行管理不合理等，这些问题在一定程度上限制了垂直流人工湿地的推广应用。

目前，国内外虽然在垂直流人工湿地的构造、基质组配、布水方式、复氧方式、植物配置、保温措施等方面开展了大量的研究，但是仍有许多待解决问题，如根据水质状况适时调整污水在湿地床内的水力停留时间和水位、提升同步脱氮除磷净化效果、保障低温季节处理效果等。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述污水处理厂外排尾水碳氮比低、湿地同步脱氮除磷能力低、冬季净污效果差等共性问题，提供一种结构设计合理、布水收水均匀、同步脱氮除磷能力强和冬季运行效果好的复合垂直流人工湿地系统，该系统的基质配置与铺设可以显著提高垂直流湿地系统的脱氮除磷能力，进水和收水系统可以调节系统水力停留时间和水位，从而保证污水净化效果，并且运行维护简单。

本发明解决的技术方案是，一种适用于污水厂外排尾水的复合垂直流人工湿地净化系统，包括进水渠、收水渠和基质床体，基质床体内自上而下沿竖向分别铺设有米石层、硫磺层和石灰石层，构成净化基质，净化基质上均布有伸入石灰石层的通气管，通气管上均布有内外贯通的通气孔，基质床体内设置有分隔墙，分隔墙将基质床体的内腔隔置成互不导通的上行流床体腔和下行流床体腔，上行流床体腔的底部铺设有进水管，进水管呈一端开口、一端密封，其开口端伸入进水渠，位于上行流床体腔内的进水管上均布有内外贯通的布水孔，下行流床体腔的底部铺设有收水管，呈一端开口、一端密封，其开口端伸入收水渠，位于下行流床体腔内的收水管上均布有内外贯通的收水孔，分隔墙上部装有两端密封且两端分别水平伸入上行流床体腔和下行流床体腔的米石层内的收水-布水管,伸入部分的收水-布水管上均布有内外贯通的收水-布水孔，伸入上行流床体腔部分的收水-布水管与进水管相对应，构成上行流导流净化结构，伸入下行流床体腔部分的收水-布水管与收水管相对应，构成下行流导流净化结构。

所述的进水管伸入进水渠的一端上装有第一旋转弯头，旋转第一旋转弯头，调节进水口高度，从而控制水流在上行流床体腔内的水力停留时间，收水管伸入收水渠的一端上装有第二旋转弯头，旋转第二旋转弯头，调节出水口高度，从而控制下行流床体腔的水位，以适应季节和水质变化，保证湿地净化系统的净化效果。

所述的米石层上种植有湿地植物，三个基质层的搭配，结合通气管的溶解氧调控和湿地植物的同化作用及光合作用，有利于提高湿地净化系统的同步脱氮除磷能力。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明结构新颖独特，易建造，成本低，在进水口处设置可旋转弯头，可以根据实际需要控制水流在上行流床体腔内的水力停留时间和水位，从而保证污水净化效果；在出水处设置可旋转弯头，可以根据区域气候环境特点，结合进水水质状况，适时调控基质床内水位，湿地潮汐式湿干交替运行，既能提高基质床内水体溶解氧浓度、避免基质床堵塞，也能保障复合垂直流人工湿地冬季的处理效果。

本发明将硫磺层、石灰石层等基质材料应用于湿地构建当中，硫单质有利于水体中氮的脱除，湿地系统对污水处理外排尾水TN的去除率在90％以上，湿地系统在硫自养反硝化过程会产生Ca²⁺，当Ca²⁺与PO₄^3-的浓度达到一定程度，其活度积就会超过溶度积，使磷酸盐通过沉淀作用去除，去除率可达50％以上，出水总磷浓度低于0.3mg/L，并且运行维护简单，使用方便，效果好，有良好的社会和经济效益。

附图说明

图1为本发明的剖面主视图，其中箭头A表示水流在上行流床体腔内的流动方向，箭头B表示水流在下行流床体腔内的流动方向。

图2为本发明剖面侧视图。

图3为本发明基质床体床底结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1-3给出，本发明包括进水渠2、收水渠15和基质床体1，基质床体1内自上而下沿竖向分别铺设有米石层12、硫磺层13和石灰石层14，构成净化基质，净化基质上均布有伸入石灰石层的通气管10，通气管10上均布有内外贯通的通气孔，基质床体1内设置有分隔墙5，分隔墙5将基质床体1的内腔隔置成互不导通的上行流床体腔和下行流床体腔，上行流床体腔的底部铺设有进水管3，进水管3呈一端开口、一端密封，其开口端伸入进水渠2，位于上行流床体腔内的进水管上均布有内外贯通的布水孔4，下行流床体腔的底部铺设有收水管8，呈一端开口、一端密封，其开口端伸入收水渠15，位于下行流床体腔内的收水管上均布有内外贯通的收水孔9，分隔墙5上部装有两端密封且两端分别水平伸入上行流床体腔和下行流床体腔的米石层内的收水-布水管6,伸入部分的收水-布水管6上均布有内外贯通的收水-布水孔7，伸入上行流床体腔部分的收水-布水管与进水管3相对应，构成上行流导流净化结构，伸入下行流床体腔部分的收水-布水管与收水管8相对应，构成下行流导流净化结构。

为保证使用效果，所述的进水管3伸入进水渠2的一端上装有第一旋转弯头3a，旋转第一旋转弯头，调节进水口高度，可控制上行流床体腔内的水位，进而控制上行流床体内的水力停留时间，收水管8伸入收水渠15的一端上装有第二旋转弯头8a，旋转第二旋转弯头，调节出水口高度，从而控制下行流床体腔的水位，以适应季节和水质变化，保证湿地净化系统的净化效果，所述第一旋转弯头3a和第二旋转弯头8a均采用PVC材料制成，可180°旋转，通过角度变化对进口/出口高度进行调整。

所述的米石层12由米石颗粒构成，米石颗粒的粒径为0.5-1.0cm，铺设厚度为30cm，所述的硫磺层13由硫磺构成，硫磺的粒径为1.0-3.0cm，铺设厚度40cm，所述的石灰石层14由石灰石构成，石灰石的粒径为3.0-8.0cm，铺设厚度70cm，米石层12上种植有湿地植物11，三个基质层的搭配，结合通气管10的溶解氧调控和湿地植物11的同化作用及光合作用，有利于提高湿地净化系统的同步脱氮除磷能力；所述的湿地植物主要有西伯利亚鸢尾、再力花等，种植密度株距40cm、行距40cm。

所述基质床体1为上部开口的矩形中空结构，长宽比例为2∶1，内腔深度为1.7m，基质床体1的床底铺设有防渗水层16，防渗水层16是由夯实的20cm厚的素土层16-3、1.5mm高密度聚乙烯防渗布16-2和夯实的10cm厚的粘土层16-1构成的复合底层。

所述进水管3、收水-布水管6、收水管8均采用PVC管制成，管径为15cm，两两布水孔4、两两收水-布水孔7和两两收水孔9的间距均为30cm，布水孔4、收水-布水孔7和收水孔9的孔径均为0.7cm。

所述通气管10采用PVC管制成，管径1.5cm，两两通气孔的间距为8cm，孔径为0.3cm，通气管10沿基质床体纵向均匀布设，布设间距1.5m。

由上述结构可以清楚的看出，使用时，进水渠2的水通过上行流床体腔自下而上的净化和下行流床体腔自上而下的净化处理，从收水管的末端排入收水渠，收水管末端采用180°可旋转弯头，通过调节旋转角度以控制下行流基质床体内部的水位，冬季运行时降低湿地床内水位，充分利用地热的保温效果，湿地床内潮汐式湿干交替运行，避免湿地床基质堵塞。

基质床体内自上而下竖向铺设米石层、硫磺层、石灰石层，硫磺可以提供电子供体，提高湿地硫自养反硝化的生物脱氮效果，有效的去除污水中的氮元素，污水中的PO₄^3-同反硝化过程产生的Ca²⁺通过沉淀作用得以去除，结合湿地植物的同化及光合作用，保证湿地的同步脱氮除磷效果，还原态硫(S^2-，S⁰，S₂O₃^2-)作为电子供体可提高湿地的硫自养反硝化脱氮效果，其中硫磺颗粒微溶于水，具有来源广泛、价格低廉、脱氮效果好等优点，较其他自养反硝化技术操作简单、经济节能、具有广阔的应用空间，经实地应用和测试，出水COD≤30mg/L、氨氮≤1.5mg/L、TP≤0.3mg/L、BOD₅≤6mg/L等主要水质指标均低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类标准。