一种强化氮磷吸收的落干式人工湿地系统及方法与流程

本发明涉及人工湿地污水处理系统及方法，尤其涉及一种强化氮磷吸收的落干式人工湿地系统及方法。

背景技术：

人工湿地作为一种工程化的生态处理系统，通过人为设计改造来强化自然过程，保留湿地性质且有目的性处理污水，其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类微生物的作用。

人工湿地在实现脱氮除磷功能上投资和运行成本低，管理简单，在农村生活污水处理工程中备受青睐。人工湿地对氮素的去除主要是通过微生物的氨化、硝化、反硝化和植物的吸收，以及基质的吸附、沉淀和过滤等途径。湿地中的氨化菌、硝化菌和反硝化菌在适宜的湿地环境中通过氨化、硝化和反硝化作用将氮去除。人工湿地系统床体中的氧环境与有机物、氨氮等污染物的降解去除密切相关，直接影响湿地系统对污染物的净化效果及正常运转。

目前应用最广泛的湿地有表面流人工湿地、垂直潜流和水平潜流人工湿地。表面流湿地占用面积大，温度较低时会发生表面结冰导致系统的处理效果大幅下降，不能充分利用填料及丰富的植物根系，并且在处理不当的情况下还会滋生蝇蚊，产生臭味。传统水平潜流人工湿地中，由于基质长时间处于饱和的状态，植物根系分泌物及大气输氧成为了湿地复氧主要来源，但由于非常有限，因此湿地床体整体表现为缺氧状态。与水平潜流人工湿地相比，垂直流人工湿地床中水流在重力作用下在基质中非饱和流动可以改善湿地床体的氧环境，但改善效果有限。因此为提高污水处理效果，提高湿地床体复氧能力，改善湿地基质内部氧环境至关重要。

传统人工湿地系统采取在根部布水的方式，即利用微生物硝化/反硝化作用、植物根茎吸收作用以及湿地填料吸附作用进行脱氮除磷。然而采取根部布水的方式，一方面有限的复氧能力和较差的氧环境造成的硝化不完全会导致净水效果较差、湿地占地面积过大、湿地植物营养缺乏等问题；另一方面，一般根部吸收的营养物质，在湿地植物生长的旺盛时期，难以满足作物生长需要，造成营养缺乏，产量和品质下降。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种强化氮磷吸收的落干式人工湿地系统及方法。本发明利用叶面-根茎循序双重布水的方式，提高植物对氮磷的吸收，增强湿地的净化效果。

技术方案：本发明所述的强化氮磷吸收的落干式人工湿地系统，包括池体和进水干管，所述池体内部设有用以种植湿地植物的三层湿地填料，所述池体底部设有通往出水槽的出水管，所述池体上方设有与所述进水干管连接并带有喷头的微喷灌支管，所述微喷灌支管的设置高度高于所述湿地植物的生长高度，所述进水干管上设有进水总阀、加压泵以及用于控制进水总阀和加压泵开关的第一定时器，所述出水管上设有出水总阀以及用于控制出水总阀和喷头开关的第二定时器。

优选地，所述微喷灌支管的一端设有进水支阀，另一端设有用以保护管路安全的泄水支阀，所述第二定时器用于控制进水支阀和泄水支阀的开关。

优选地，所述进水干管的前端连接有过滤器，污水先经过滤器过滤处理去除悬浮物后再进入池体。

优选地，所述湿地植物包括空心菜、水芹、龟背竹、绿萝、黑麦草或香蒲中的一种或几种。这几种湿地植物的叶面对氮磷吸收效果良好，根据季节变化和湿地植物自身的生长习性进行分批换茬，以保证湿地始终有植物存活，确保湿地出水水质达标，因此冬春季节种植黑麦草、水芹，夏秋季节种植龟背竹、绿萝、空心菜、香蒲。

优选地，所述湿地填料从上至下依次为20～30cm厚的滤料层、20～25cm厚的过滤层、20～25cm厚的滤水层。

优选地，所述滤料层为10～15mm粒径的细砾石，过滤层为20～25mm粒径的陶粒，滤水层为30～50mm粒径的砾石。

优选地，所述池体边缘设有用以支撑微喷灌支管的凹槽。

利用上述落干式人工湿地系统实现强化氮磷吸收的方法，包括以下步骤，将污水送入进入人工湿地，通过微喷灌支管对植物叶面进行喷洒，植物叶面吸收氮磷，然后污水落入池体内，利用微生物硝化/反硝化作用、植物根茎吸收作用以及湿地填料吸附作用进行脱氮除磷，停留后从池体内排空。

本发明的落干式人工湿地系统采用“进水—滞留—排水—闲置”周期运行，利用床体浸润面周期性变化而将大气中氧吸入湿地，提高湿地氧传输量，改善湿地氧环境，提高湿地脱氮效果。通过喷头喷洒，利用生物处理尾水先喷洒在植物叶面上，然后落在根茎上，这种叶面-根茎循序双重布水的方式可以有效提高植物对氮磷的吸收，增强湿地的净化效果，并且在跌水过程中，污水与大气中的氧充分接触，可以提高充氧效果，从而增强硝化作用，强化污水脱氮。湿地选用叶面对氮磷吸收良好的植物，植物叶面将污水中氮磷用作自身生长所需肥料的同时净化了污水，并且叶面施肥比在根茎施肥吸收快，可以在短时间内补充植物需要的养分，弥补根部对养分吸收的不足。湿地植物选取分别适应不同季节的空心菜、水芹作为蔬菜作物，龟背竹、绿萝作为观赏植物以及黑麦草和香蒲，从而保证湿地始终有植物存活，通过分批换茬保证湿地出水水质达标，另外经济型作物在净化污水同时可带来经济收入，同时具有环境效益和经济价值。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点是：(1)本发明叶面-根茎循序双重布水的方式总氮tn去除率为69.76％，总磷tp去除率为74.45％，相比于传统方法根部布水的方式tn、tp的去除率分别为61.80％、68.20％有明显提高；(2)本发明通过叶面喷洒，植物的生物量也明显高于传统方法；(3)本发明的人工湿地系统简单，实施容易，有较大的实用价值，在农村和郊区具有推广前景。

附图说明

图1是本发明的人工湿地系统图；

图2是本发明的布水结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，人工湿地系统包括池体1和进水干管2，池体1内部设置有用以种植湿地植物3的三层湿地填料，池体1底部设有通往出水槽4的出水管5，池体1上方设置有与进水干管2连接并带有喷头13的若干条微喷灌支管6，微喷灌支管6的设置高度高于湿地植物3的最大生长高度，进水干管2上设有进水总阀7、加压泵15和第一定时器8，第一定时器8用于控制进水总阀7和加压泵15的开闭，出水管5上设有出水总阀9和第二定时器10，第二定时器10用于控制出水总阀9和喷头13的开闭。考虑到人工湿地内每排可能种植不同的湿地植物，因生长习性的差异，浇水时间或次数也存在差异，如图2所示，在每条微喷灌支管6的一端设有进水支阀11，另一端设有用以保护管路安全的泄水支阀12，第二定时器10用于控制进水支阀11和泄水支阀12的开闭，可根据实际需要，分别控制对每条微喷灌支管6进行控制。进水干管2的前端连接有过滤器14，过滤器14的内部设有滤膜21，污水先经过滤器14过滤处理去除悬浮物后再进入池体1，以放堵塞管道或池体。进水干管8上还设有压力表16。池体1边缘设有用以支撑微喷灌支管6的凹槽17。本发明所涉及的管路均采用耐氧化、耐高温、耐腐蚀的pvc材质制成。

池体1内的三层湿地填料从上至下依次为20～30cm厚的滤料层18、20～25cm厚的过滤层19、20～25cm厚的滤水层20。其中，池体1内部的最下层铺设粒径为30～50mm的砾石作为滤水层20，作为湿地的集水区与磷素的吸附介质；其上层填充粒径为20～25mm的陶粒作为过滤层19，其主要化学元素组成有o，si，ca，al，fe等，具有良好的离子交换性、膨润性、催化性、可塑性等，研究结果表明陶粒对磷素具有良好的吸附效果，另外陶粒表面粗糙，便于植物根系和微生物附着；填料最上层为粒径为10～15mm的细砾石作为滤料层18，防止轻质陶粒漂浮，同时保证湿地对磷的去除效果。

本发明的落干式人工湿地系统，通过叶面喷洒，形成叶面-根茎循序双重布水，可以强化湿地植物对氮磷的强化吸收，具体工艺流程为：

生活污水在进入人工湿地系统之前，先经过生物处理单元的前处理，以去除污水内的有机物，然后再进入过滤器14过滤去除悬浮物，第一定时器8控制开启加压泵15和进水总阀9，过滤后的污水流经进水干管2后进行分流，分别流经多条微喷灌支管6，持续进水50min。根据喷水的实际需要，第二定时器10控制开启对应微喷灌支管6上的进水支阀11，污水经小流量的喷头13对植物进行喷洒，每个喷头可喷洒5株空心菜或8株水芹或5株龟背竹或6株绿萝或0.5m²黑麦草或0.5m²香蒲，相邻两条微喷灌支管6的间距为0.7m，其上相邻两个喷头13的间距为0.7m。微喷灌支管6的末端装有泄水支阀12，保护管道安全。微喷灌支管6上的喷头13由第二定时器10控制，轮流对池体1内的各部分植物进行喷洒，每块区域一日喷洒两次，每次喷洒30min，既保证出水水质，又确保湿地植物正常生长。污水喷洒在湿地植物叶面，植物生长需要大量氮磷营养盐，首先由叶面吸收水中的氮磷，再掉落在湿地地表进入湿地填料中，停留8h，通过植物根茎吸收作用、微生物硝化/反硝化作用以及湿地填料的吸附作用进一步去除污水内的氮磷。污水经人工湿地系统处理之后，第二定时器10控制开启出水总阀9，出水管5将净化后的污水排入出水槽4中，排水10min后，人工湿地进入落干期，闲置为3h。

本发明的落干式湿地采用“进水—滞留—排水—闲置”周期运行，利用床体浸润面周期性变化而将大气中氧吸入湿地，提高湿地氧传输量，改善湿地氧环境，提高湿地脱氮效果。设置湿地进水50min，滞留8h，排水10min，闲置3h，周期为12h。

叶面施肥一般施用量少，而且水溶液浓度低，所以含氮磷污水喷在叶面上要保持一定的湿润状态，才能通过叶面吸收进入叶片的角质层，以溶液态在角质层及原生质膜外围发挥其养分源的作用，在高温、强光、干燥、雨天等环境中施叶面肥，效果较差，因此在午后或傍晚前启动进水。

本发明的湿地植物选取叶面对氮磷吸收良好植物：空心菜、水芹蔬菜作物，龟背竹、绿萝观赏性作物，以及黑麦草和香蒲，空心菜和水芹生长速度快，具有强大的网状根系结构，密实的根系垫层为微生物提供了更大的附着面积，微生物浓度高，同时叶片数量和面积大，相应的根系活力和光合作用强，实验结果表明有很好的脱氮除磷效果。龟背竹和绿萝根系发达，实验结果发现对氨氮和硝态氮的吸收效果显著，且具有观赏价值。黑麦草生物量大，四季常青，根系发达，可以弥补传统湿地因冬季温度过低，植物生长不良甚至枯萎凋残，导致湿地出水水质较差等缺陷。不同植物生长周期不同，对营养物质需求不同，通过植物搭配种植，可以保证湿地始终有植物存活，确保湿地出水水质达标。除此之外，种植蔬菜、花卉在净化污水的同时还能带来一定的经济收入，兼具环境效益和经济效益，在农村和郊区推广具有实际意义。

将本发明叶面-根茎循序双重布水的人工湿地系统与传统方法根部布水的人工湿地系统进行比较，除布水方式不同外，其他条件均相同，即种植相同的湿地植物，以10～15mm粒径的细砾石、20～25mm粒径的陶粒、30～50mm粒径的砾石作为三层湿地填料，设置湿地进水50min，滞留8h，排水10min，闲置3h。比较两种不同布水方式的对污水中的氮磷吸收情况，以及植物的生长情况，测试结果见表1。

表1不同布水方式的人工湿地系统氮磷去除率

由表1可看出，相比于根部布水，本发明叶面-根茎循序双重布水的方式可以有效提高植物对氮磷的吸收，增强湿地的净化效果。

表2不同布水方式的人工湿地系统的植物生物量

由表2看出，相比于根部布水，本发明叶面-根茎循序双重布水的方式水芹、空心菜、龟背竹和绿萝的生物量较高，虽然黑麦草的生物量提高不明显，但色泽更绿。这是因为叶面施肥比在根茎施肥吸收快，可以在短时间内补充植物需要的养分，弥补根部对养分吸收的不足，因此植物生长较快。