专利名称：北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法
技术领域：
本发明涉及一种人工湿地深度处理污水的方法，具体涉及具有保温措施、适于在冬季气候寒冷、冰冻期较长的北方地区使用的且净化效果良好的北方人工湿地净化污水的方法。
背景技术：
随着工业的发展，水污染的加剧，同时淡水资源短缺与人民生活水平提高之间的矛盾日益加剧，水环境保护的任务也越来越艰巨。近年来，环境科学研究在迅速发展，正在积极探索水环境污染全球效应问题，各种水处理污染的方法层出不穷，其中生态处理技术——人工湿地技术由于其低投资，出水水质好，抗冲击力强，操作简单，建造和运行费用低(仅为传统二级污水处理厂的1/10～1/2)，维护方便，氨、氮去除率高，同时可使污水处理与环境生态建设有机结合，在处理污水同时创造城市生态景观等特点逐步被越来越多的国家接受，并广泛应用。
目前我国人工湿地在长江以南发展较快，广州、深圳最快，其次是上海、云南，再次之南京、武汉，长江以北就很少使用人工湿地技术，其主要原因是北方地区冬季气候寒冷、冰冻期较长，易造成普通人工湿地系统中的管道结冰、冻裂，而且在这段时期内，人工湿地中的植被枯萎或停止生长；另外，低水温也严重影响到微生物的生长，进而影响到污水的治理效果。上述种种不利因素导致了普通的人工湿地处理系统在北方不能过冬使用或存在着治理效果差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够克服上述不利因素的人工湿地净化污水的方法，其不仅具有常规人工湿地投资低、操作简单、维护和运行费用低、能改善生态环境等特点，而且适宜于在北方全年运行，并在冬季能够正常进行污水处理，保障经处理的污水达标排放或回用。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是根据经预处理的污水浓度的高低，选用多种不同粒径、不同种类的人工填料基质，配置多层填料层，合理搭配其层次结构，增强人工湿地的物理、化学处理效果，增设的保温增生层除与其它填料层共同组成巨大的微生物载体网络外，还起保温增生作用，促进人工湿地形成巨大的生物膜系统；采用多层管网布局结构，在冬季结冰期间采用保温增生层或冻土层以下的布水管网布水，能够防止布水管网的堵塞、冻裂。
原污水经过混凝沉淀和完全混合曝气的预处理后，污水COD降至300mg/L以下，将其上清液引入人工湿地处理，所述人工湿地由基坑、围堰、布水管网、集水管网、填料层、依附于填料层的微生物群落及植被构成，基坑底和围堰作加固、防渗处理，对于处理低浓度污水的人工湿地，从下至上分布有以下填料层大颗粒石子层厚度30～50cm粒径40～80mm中颗粒石子层厚度30～50cm粒径20～40mm保温增生层 厚度5～20cm表土层 厚度10～30cm粒径2～5mm对于处理高浓度污水的人工湿地，从下至上分布有以下填料层小颗粒石子层厚度30～50cm粒径10～20mm细小颗粒石子层 厚度30～50cm粒径5～10mm炉渣层 厚度5～15cm 粒径5～20mm保温增生层 厚度5～20cm表土层 厚度10～30cm粒径2～5mm在以上所述垂直潜流式人工湿地的填料层中至少具有两层布水管网，每层布水管网按一定顺序排列，布水管网上分布有一定孔径的出水孔，在填料层10～50cm之间选择布水管网的埋入深度，至少使一层布水管网位于保温增生层或冻土层之下，并用阀门控制使每层布水管网分别独立工作，冬季霜冻期使用保温增生层或冻土层以下的布水管网，其余非霜冻期使用最上层布水管网。
作为本发明的优选方案，在以上所述的人工湿地的保温增生层之下还设置有以下填料层大砂层 厚度30～50cm粒径0.5～2mm米石层 厚度20～40cm粒径5～10mm本发明中配置于填料层中的保温增生层的基质材料可以由生物纤维和锯末混合而成，可有效保温增温和促进微生物生长；所述各粒级石子层和米石层可选用石灰石、石碳石、砾石、花岗岩碎石、页岩；所述表土层可选用的基质材料有风化砂、膨润土、泥炭和铝矾土等。
人工湿地中的每层布水管网由两排平行支管道和与其垂直相连主管道构成，管径由出水量决定，每条布水支管下部两侧分布有与水平方向呈40～50°的出水孔，出水孔直径5～8mm，孔间距5～10cm。
为方便控制，可每层布水管网的控制阀门均配置于阀门井当中，阀门井上方加盖井盖。
所述人工湿地基坑长宽比在1∶1～1∶3之间，开挖的池底坡度为1％～8％，向集水管出口方向倾斜，基坑深0.5～2.5m，坑池之间可串联、并联。人工湿地中的集水管网由长、短管道构成，管径由出水量决定，长管为主要集水管道，长管上部两侧分布有与水平方向呈40～50°的进水孔，埋入池底收集整池集水，短管用于排出由于池底坡度而滞留的水。集水管道进水孔直径5～15mm，进水孔分布间距5～10cm。
在所述人工湿地的表土层上种植适应北方生长的根系发达、生物量较大、耐污能力强的植物品种，如芦苇、风车草、美人蕉、查莆、水冬青或水莲子等。
所述人工湿地在冬季运行期间，在人工湿地表面覆盖植被秸秆和塑料薄膜，起到保温作用。
所述人工湿地的建造地点，可根据气候条件因地制宜地选择在背风、向阳的地带。
本发明具有以下优点及突出性效果1.创新了人工湿地填料种类、深度及配置比例，北方垂直潜流式人工湿地填料层深度一般在1.5～2.5m左右(根据当地气温而定)，填料采用风化石、风化砂、石灰石等多种可用残渣，并配置保温增生层，组成科学的微生物载体网络，能够快速形成生物膜系统，增强了人工湿地系统的净化功能。
2.创立了深层潜伏式多层布水管网布局结构，解决了冬季结冰期的防冻、防裂、防溢、防渗的治理技术问题。
3.在无法依赖湿地植物净化功能的情况下，还可依靠湿地多层次的基质填料和巨大的生物膜系统达到去除有害物质、净化水质的目的。
4.多种冬季保温措施和技术措施的应用，使填料床内被处理的废水温度保持在15～20℃左右，可保证湿地生化反应得以正常进行，从而解决人工湿地在北方不能过冬使用的问题或治理效果差的问题。
图1为一种处理低浓度污水的北方垂直潜流式人工湿地填料层布置图；图2为一种处理高浓度污水的北方垂直潜流式人工湿地填料层布置图；图3为一种北方垂直潜流式人工湿地的管道布置结构纵剖图；图4为图3的D-D剖视图；图5为图3的A-A剖视图；图6为图3的B-B剖视图；图7为图3的C-C剖视图。
图中1-围堰、2-基坑底、3-大颗粒石子层(厚度40cm、粒径40～80mm)、4-中颗粒石子层(厚度40cm、粒径20～30mm)、5-大砂层(厚度40cm、粒径0.5～2mm)、6-米石层(厚度30cm、粒径5～10mm)、7-保温增生层(厚度10cm)、8-表土层(厚度20cm、粒径2～5mm)、9-芦苇、10-小颗粒石子层(厚度40cm、粒径10～20mm)、11-细小颗粒石子层(厚度40cm、粒径5～10mm)、12-筛洗煤渣层、13-大砂层(厚度45cm、粒径0.5～2mm)、14-米石层(厚度30cm、粒径5～10mm)、15-基坑、16-集水长管、17-下层布水管网、18-上层布水管网、19-布水支管出水孔、20-布水支管、21-集水管进水孔、22-布水管网主管、23-集水短管、24-阀门、I-布水支管排水孔横剖放大图、II-集水支管集水孔横剖放大图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述实施例1 甲造纸厂污水处理工程实施本发明的技术方案设计处理能力600吨/天(最大负荷能力为1000吨/天)，人工湿地总面积1400m2，分二格，每格700m2，两格并联，分别进水。
原污水经过格栅进入混凝沉淀池沉淀后，然后进入曝气池充氧氧化，再将经过预处理的COD降至300mg/L以下的上清液引入人工湿地处理。人工湿地由基坑15、围堰1、上、下布水管网18、17、集水管16、23、填料层、依附于填料层的微生物群落及芦苇9构成，基坑底2和围堰1作加固、防渗处理，每格人工湿地从下至上依次分布以下填料层，如图2所示小颗粒石子层(厚度40cm，选用风化石子、粒径10～20mm)10；细小颗粒石子层(厚度40cm，选用风化石子、粒径5～10mm)11；炉渣层(厚度10cm，选用筛洗煤渣、粒径5～20mm)12；
大砂层(厚度45cm，砂子粒径0.5～2mm)13；米石层(厚度20cm，米石粒径5～10mm)14；保温增生层(厚度10cm)7；表土层(厚度20cm，选用风化砂、粒径2～5mm)8。
在填料层设置有两层布水管网17、18，上层布水管网18位于风化层8内，埋入深度10cm，下层布水管网位于米石层6，埋入深度距地面40cm，上、下两层布水管网按一定顺序排列，如图3、图4所示。每层布水管网由两排平行支管道20和与其垂直相连主管道22构成，管径由出水量决定，每条布水支管下部两侧分布有与水平方向呈45°的出水孔20，出水孔20处铺设碎石以防堵塞。采用配置于阀门井中的阀门24控制每一层布水管网分别独立工作，冬季霜冻期使用下层布水管网17，其余非霜冻期使用最上层布水管网18，使污水净化的效果可达到最佳。
保温增生层7的基质材料采用生物纤维类物质和经发酵的锯末混拌而成，既有效保温增温(提高温度5～8℃)，又可提高生物附着力，促进微生物的生长、吸附及对污染体的分解消化。
开挖的每格人工湿基坑长宽比为1∶1，基坑深1.9m，坑池底1坡度2％，向集水管16、23出口方向倾斜。集水管网由两长两短管道构成，管径由出水量决定，长管16为主要集水管道，集水管上部两侧分布有与水平方向呈45°的进水孔21，进水孔直径5～15mm，分布间距5～10cm。长管16埋入池底收集整池集水，短管23用于排出由于池底坡度而滞留的水，如图7所示。
在表土层8上种植适应北方生长的根系发达、生物量较大、耐污能力强、具有一定经济价值的芦苇9。
冬季把秋末收割的芦苇9平铺在人工湿地表面，上面再覆盖一层塑料薄膜，起到保温作用(填料床内被处理的废水温度可保持在15～20℃)；在冬季还要对裸露在湿地外的输水管道进行保温防冻处理。
人工湿地的建造地点选择在冬季背风、向阳的地带。
该项处理工程于2005年7月底开始运行，从近一年的试运行情况看，处理效果稳定、出水水质较好(附环保部门2006年6月份验收、监测结果，见表1)。
尤其是冬季采用保温措施后，能满足达标排放的处理要求。
实施例2 乙造纸厂污水处理工程实施本发明的技术实施方案设计处理能力为2000吨/天(1年后可负荷3000吨/天)，人工湿地总面积3000m2，分6格，每格500 m2，采用并联形式运行，每格单独进、排水。开挖的每格人工湿地池形长宽比为1∶1.1，池深1.8m，池底2坡度2％，向集水管16、23出口方向倾斜。每格人工湿地均采用如图1所示的填料层结构(从下至上)大颗粒石子层(厚度40cm，选用石灰石、粒径40～80mm)3；中颗粒石子层(厚度40cm，选用青石子，粒径20～30mm)4；大砂层(厚度40cm，砂子粒径0.5～2mm)5；米石层(厚度30cm，米石粒径5～10mm)6；保温增生层(厚度10cm)7；表土层(厚度20cm、选用风化砂，粒径2～5mm)8。
原污水进入生化塘处理后，进入接触氧化池，在好氧微生物的作用下，氧化、降解废水中的有机物，接触氧化池出水自流进入斜板沉淀池进行沉淀处理，上清液自流进人工湿地处理。接触氧化、混凝沉淀工序去除率为84％，人工湿地进水COD可保持在300mg/L以下。废水定量加菌进入湿地，在床内停留24～48小时后排放，出水达到国家排放标准(附环保部门验收、监测结果，见表2)。
其它处理过程及人工湿地的结构布置的实施同实施例1。
该项处理工程于2006年2月竣工，同年4月底开始运行，处理效果稳定，各项技术指标达到设计要求。
表1 进出水质检测情况(2006年6月)
表2 进出水质检测情况(2006年7月)
权利要求
1.一种北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，原污水经过混凝沉淀和完全混合曝气的预处理后，污水COD降至300mg/L以下，将其上清液引入人工湿地处理，所述人工湿地由基坑、围堰、布水管网、集水管网、由透水性基质组成的具有一定层数结构的填料层、依附于填料层的微生物群落及植被构成，基坑底和围堰作加固、防渗处理，其特征是对于处理低浓度污水的人工湿地，从下至上分布有以下填料层大颗粒石子层厚度30～50cm 粒径40～80mm中颗粒石子层厚度30～50cm 粒径20～40mm保温增生层 厚度5～20cm表土层 厚度10～30cm 粒径2～5mm所述垂直潜流式人工湿地至少具有两层布水管网，每层布水管网按一定顺序排列，布水管网上分布有一定孔径的出水孔，在填料层10～50cm之间选择布水管网的埋入深度，至少使一层布水管网位于保温增生层或当地冬季冻土层之下，并采用阀门控制使每层布水管网分别独立工作，冬季霜冻期使用保温增生层或冻土层以下的布水管网，其余非霜冻期使用最上层布水管网。
2.一种北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，原污水经过混凝沉淀和完全混合曝气的预处理后，污水COD降至300mg/L以下，将其上清液引入人工湿地处理，所述人工湿地由基坑、围堰、布水管网、集水管网、由透水性基质组成的具有一定层数结构的填料层、依附于填料层的微生物群落及植被构成，基坑底和围堰作加固、防渗处理，其特征是对于处理高浓度污水的人工湿地，从下至上分布有以下填料层小颗粒石子层 厚度30～50cm 粒径10～20mm细小颗粒石子层厚度30～50cm 粒径5～10mm炉渣层厚度5～15cm 粒径5～20mm保温增生层厚度5～20cm表土层厚度10～30cm 粒径2～5mm所述垂直潜流式人工湿地至少具有两层布水管网，每层布水管网按一定顺序排列，布水管网上分布有一定孔径的出水孔，在填料层10～50cm之间选择布水管网的埋入深度，至少使一层布水管网位于保温增生层或冻土层之下，并采用阀门控制使每层布水管网分别独立工作，冬季霜冻期使用保温增生层或冻土层以下的布水管网，其余非霜冻期使用最上层布水管网。
3.根据权利要求1或2所述的北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，其特征是在保温增生层之下还分布有以下填料层大砂层厚度30～50cm 粒径0.5～2mm米石层厚度20～40cm 粒径5～10mm
4.根据权利要求1或2所述的北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，其特征是保温增生层的基质材料由生物纤维和锯末混合而成，可有效保温增温和促进微生物生长；所述各粒级石子层和米石层的基质材料可选用石灰石、石碳石、砾石、花岗岩、页岩；所述表土层可选用的基质材料有风化砂、膨润土、泥炭和铝矾土。
5.根据权利要求1或2所述的北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，其特征是每层布水管网的控制阀门均置于阀门井当中，阀门井上方有井盖。
6.根据权利要求1或2所述的北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，其特征是每层布水管网由两排平行支管道和与其垂直相连主管道构成，管径由过水量决定，每条布水支管下部两侧分布有与水平方向呈40～50°的出水孔，出水孔直径5～8mm，孔间距5～10cm。
7.根据权利要求1或2所述的北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，其特征是所述人工湿地基坑长宽之比在1∶1～1∶3之间，开挖的基坑底坡度为1％～8％，向集水管出口方向倾斜，基坑深0.5～2.5m，基坑池之间可串联、并联；所述集水管网由长、短管道构成，管径由出水量决定，长管为主要集水管道，在其上部两侧分布有与水平方向呈40～50°的进水孔，进水孔直径为5～15mm，分布间距5～10cm，长管埋入池底收集整池集水，短管用于排出由于池底坡度而滞留的水。
8.根据权利要求1或2所述的北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，其特征是在表土层上种植适应北方生长的根系发达、生物量较大、耐污能力强的植物品种，如芦苇、风车草、美人蕉、查莆、水冬青或水莲子。
9.根据权利要求1或2所述的北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，其特征是冬季在人工湿地表面覆盖植被秸秆和塑料薄膜，起保温作用。
10.根据权利要求1或2所述的北方垂直潜流式人工湿地净化污水的方法，其特征是人工湿地的建造地点，根据气候条件选择在背风、向阳的地带。
全文摘要
本发明涉及一种污水深度处理方法，特别是涉及一种有保温措施、适于在冬季气候寒冷、冰冻期较长的北方地区使用的且净化效果良好的人工湿地净化污水的方法。本发明创新了填料种类、深度及配置比例，并配置保温增生层，组成科学的微生物载体网络，能够快速形成生物膜系统，使湿地系统在无法依赖湿地植物净化功能的情况下，也可依靠湿地基质填料、生物膜系统达到去除有害物质、净化水质的目的；采用深层潜伏式多层布水管网布局结构，解决了冬季结冰期的防冻、防裂、防溢、防渗的治理技术问题；采用的多种保温技术措施，冬季可保持填料床内被处理的废水温度在15～20℃左右，解决了人工湿地在北方不能过冬使用或冬季治理效果差的问题。
文档编号C02F3/32GK101028951SQ200610107078
公开日2007年9月5日 申请日期2006年9月21日 优先权日2006年9月21日
发明者张四海, 王培名 申请人:河南亚神环保科技有限公司, 张四海