本发明公开了一种无动力一体化人工湿地污水处理技术。其特征在于垂直流污水生态净化槽分为上下两个分区；污水预处理系统为利用格栅、三格式沉淀池、厌氧池中的一种或几种前处理工艺，经前处理的生活污水经过水泵提升或依靠自然液位高差进入布水系统；预处理后的污水通过交叉布水管网均匀分布于垂直潜流式生态净化槽硝化区域上，依次垂直渗入硝化区域和反硝化区域的人工基质层；布水系统对生态净化槽实行间歇布水，并在上层硝化区域底部和内部设有无动力布气系统，对硝化区域实现连续复氧；上层硝化区域出水直接进入下层反硝化区域；下层反硝化区域内设有集水出水系统，集水口设于反硝化区域下方，出水口设于反硝化区域上方，使出水在反硝化区域内保持一定水位。本发明能够实现湿地无动力自然复氧，占地面积小，硝化反硝化一体化高效脱氮。
1.一种污水处理用无动力一体化人工湿地，包括由硝化区域和反硝化区域两部分组成的垂直流污水生态净化槽、填充槽内的人工基质、污水预处理系统、布水系统、集水系统、布气系统、排污系统和生长在人工基质上的植物，其特征在于：所述的垂直流污水生态净化槽分为上下两个分区：硝化区域和反硝化区域，硝化区域在上，反硝化区域在下，所述人工基质分别填充在硝化区域和反硝化区域中；
所述的污水预处理系统为利用格栅、三格式沉淀池、厌氧池中的一种或几种前处理工艺，对不同污染负荷的污水进行前处理，经前处理的生活污水经过水泵提升或依靠自然液位高差进入布水系统；
预处理后的污水通过交叉布水管网均匀分布于垂直潜流式生态净化槽硝化区域上，依次垂直渗入硝化区域和反硝化区域的人工基质层；
布水系统对生态净化槽实行间歇布水，并在上层硝化区域底部和内部设有无动力布气系统，对硝化区域实现连续复氧；
上层硝化区域出水直接进入下层反硝化区域，在此区域内进行兼氧作用和反硝化作用；下层反硝化区域内设有集水出水系统，集水口设于反硝化区域下方，出水口设于反硝化区域上方。
2.根据权利要求1所述的污水处理用无动力一体化人工湿地，其特征在于：所述布水系统为设置在上层污水硝化区域基质表层下5-10cm的布水管网，该布水管网包含有进水阀门、进水口、布水主管和多个与该布水主管连接的布水分支，布水主管和布水分支呈垂直“王”字分布或交叉“王”字分布，布水分支上开有布水小孔。
3.根据权利要求1所述的污水处理用无动力一体化人工湿地，其特征在于：所述集水口设在垂直集水分支末端，为圆形管路截面上开有的数个集水小孔组成，集水口距离整个池体底部的距离不大于反硝化区域总高度的1/3。
4.根据权利要求1或2或3所述的污水处理用无动力一体化人工湿地，其特征在于：所述布气系统为分布在上层一组或多组管身布满小孔的布气管网；每组布气管网由水平布气管、与水平布气管垂直相连的数个垂直布气分支组成；所述垂直布气分支一端连接位于上层硝化区域底部到距离上层硝化区域底部2/3高度之间的水平布气分支，另一端竖直伸出池体基质顶部，与外部空气相连通，垂直布气分支顶端高于基质层表面3-10cm，并设有防尘帽。
5.根据权利要求1或2或3所述的污水处理用无动力一体化人工湿地，其特征在于：所述垂直流污水生态净化槽的反硝化区域底部呈中间低凹状，低凹最低处设有排水管，排水管表面布有多个排水小孔，排水管一端封闭，另一端伸出槽外作为排污口，排污口设排污阀门。
6.根据权利要求1或2或3所述的污水处理用无动力一体化人工湿地，其特征在于：所述上层硝化区域内部人工基质从下到上的结构分层及材料厚度如下：排水层，采用粒径
8-16mm砾石，厚度10-35cm；过渡层，采用粒径4-8mm砾石，厚度8-15cm；生化处理过渡层，采用特殊级配0.2-6mm无泥粗砂，厚度50-60cm；表层，采用粒径8-16mm砾石，厚度4-8cm；
所述垂直流污水生态净化槽上部种植的植物选自芦苇、芦竹、香蒲、美人蕉、风车草、再力草、香根草、玫瑰、月季、万寿菊中的一种或多种。
7.根据权利要求1或2或3所述的污水处理用无动力一体化人工湿地，其特征在于：所述下层反硝化区域内部人工基质从下到上的结构分层及材料厚度如下：过渡层，采用粒径5-10mm砾石，厚度10-20cm；生化处理过渡层，采用煤渣基质层0.2-6mm，厚度50-60cm。
8.根据权利要求7所述的污水处理用无动力一体化人工湿地，其特征在于：所述过渡层下面有采用厚度为0.5mm以上的PE膜双面土工布或厚度为1-5cm的天然粘土防渗层。
9.根据权利要求1或2或3所述的污水处理用无动力一体化人工湿地，其特征在于：所述上层硝化区域四周侧壁呈0-10％的坡度；所述下层反硝化区域四周侧壁呈0-5％的坡度。
一种无动力一体化人工湿地污水处理技术
技术领域
[0001] 本发明涉及环境保护技术领域，尤其涉及污水处理生态工程技术。
背景技术
[0002] 人工湿地污水处理技术是20世纪70年代兴起的一种污水处理生态工程新技术，具有投资少、能耗低、管理方便、无二次污染等优点，正在逐渐被应用于广大农村和中小城镇生活污水处理领域。
[0003] 人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，一般由池体、人工填料基质、布水系统、集水系统和生长在人工基质上的植物组成，是一个独特的基质-植物-微生物生态系统。人工湿地生态系统水质净化的基本原理是：在一定的填料上种植特定的植物，将污水投加到人工建造的类似于沼泽的湿地上，当污水流过人工湿地时，经砂石、土壤过滤，植物根际的多种微生物活动，使得水质得到净化。根据实验和大量的工程实践证明，人工生态滤床能够很好地去除BOD、TSS、N、P，而且对病原细菌、难降解有机化合物以及金属离子的去除效果也十分有效。人工湿地对环境和经济的综合作用主要体现在以下几个方面：弥补或减少因农业和城市发展对天然湿地造成的影响；构建水生系统，产生食物和纤维；
调蓄雨水径流和防洪；进行污水处理，改善水质。
[0004] 潜流式垂直流人工湿地是人工湿地的一种类型，主要特点在于：布水系统平铺在上部基质中，将污水均布在基质水平断面后，污水均匀向下流动，流动过程中使污水得到净化；在湿地底部基质中铺设集水系统，收集处理后均布在水平断面的出水经汇集后排出。潜流式垂直流人工湿地充分利用了湿地空间，充分发挥了系统间的协同作用，污水处理后可去除大部分有机质并进行较充分硝化作用，已逐渐成为人工湿地技术发展的主流方向。但是传统的潜流式垂直流人工湿地对污水的反硝化效果不好，不能达到高效脱氮除磷的目的，由于处理过程中不能充分复氧，对污水进行的好氧脱有机物的效果也不甚理想。鉴于上述缺陷，研究人员发明了大量技术改进潜流式垂直流人工湿地，以增加污染物的处理效率。如中国专利CN 1263688C《生活污水垂直流-水平流复合人工湿地脱氮除磷方法》，披露了一种垂直流人工湿地在前，水平流人工湿地在后的串联式复合人工湿地处理工艺。在水平流湿地前人为补充未处理污水为碳源增加水平流人工湿地的反硝化作用效果。但垂直流湿地不能充分复氧，影响了硝化作用和好氧氧化的处理效果，两湿地串联占地面积大、造价高、实用性差。中国专利CN 1325397C《序批式潜流人工湿地污水处理工艺》，披露了一种利用机械自动化方式控制电磁阀对湿地间歇排水出水以实现阶段性复氧。其在一定程度上增加了垂直潜流式人工湿地的复氧效果，但其需外加动力控制系统，增加了投资，另外对于污水的反硝化脱氮无显著的促进作用。
发明内容
[0005] 本发明旨在提供一种能够实现湿地无动力自然复氧，占地面积小，硝化反硝化一体化高效脱氮的无动力一体化人工湿地污水处理技术。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种无动力一体化人工湿地污水处理技术，包括由硝化区域和反硝化区域两部分组成的垂直流污水生态净化槽、填充槽内的基质、污水预处理系统、布水系统、集水系统、布气系统、排污系统和生长在基质上的植物，其特征在于：
[0007] 所述的垂直流污水生态净化槽分为上下两个分区：硝化区域和反硝化区域，硝化区域在上，反硝化区域在下，所述人工基质分别填充在硝化区域和反硝化区域中；
[0008] 所述的污水预处理系统为利用格栅、三格式沉淀池、厌氧池中的一种或几种前处理工艺对不同污染负荷的污水进行前处理，经前处理的生活污水经过水泵提升或依靠自然液位高差进入布水系统；预处理后的污水通过交叉布水管网均匀分布于垂直潜流式生态净化槽硝化区域上，依次垂直渗入硝化区域和反硝化区域的人工基质层；布水系统对生态净化槽实行间歇布水，并在上层硝化区域底部和内部设有无动力布气系统，对硝化区域实现连续复氧，使污水在上层硝化区域内进行高效的好氧作用和硝化作用；上层硝化区域出水直接进入下层反硝化区域，在此区域内进行兼氧作用和反硝化作用；下层反硝化区域内设有集水出水系统，集水口设于反硝化区域下方，出水口设于反硝化区域上方，使出水在反硝化区域内保持一定水位。
[0009] 在垂直流污水生态净化槽内，污水通过与基质、微生物和植物根系的作用，实现物理净化、生物净化作用，达到降低污水的SS、BOD、COD、细菌和高效脱氮除磷的目的。
[0010] 作为优选，所述布水系统为设置在上层污水硝化区域基质表层下5-10cm的布水管网，该布水管网包含有进水阀门、进水口、布水主管和多个与该布水主管连接的布水分支，布水主管和布水分支呈垂直“王”字分布或交叉“王”字分布，布水分支上开有布水小孔。
[0011] 作为优选，所述集水系统为设置在下层反硝化区域的集水管网，该集水管网包含有集水口、垂直集水分支、水平集水分支、与垂直集水分支和水平集水分支连接的集水主管、出水口和出水阀门；集水主管和水平集水分支呈垂直“王”字分布或交叉“王”字分布，垂直集水分支与水平集水分支和集水主管之间呈空间垂直分布，中间管路相通；集水口设在垂直集水分支末端，为圆形管路截面上开有的数个集水小孔组成，集水口距离整个池体底部的距离不大于反硝化区域总高度的1/3；水平集水分支、集水主管和集水口位于同一水平高度，它们的水平位置为下层反硝化槽体顶端介于距反硝化槽体顶端2/3高度之间。
[0012] 作为优选，所述布气系统为分布在上层一组或多组管身开满小孔的布气管网；每组布气管网由水平布气管、与水平布气管垂直相连的数个垂直布气分支组成；所述垂直布气分支一端连接位于上层硝化区域底部到距离上层硝化区域底部2/3高度之间的水平布气分支，另一端竖直伸出池体基质顶部，与外部空气相连通，垂直布气分支顶端高于基质层表面3-10cm，并设有防尘帽，防止大颗粒物质进入管体堵塞布气管。
[0013] 作为优选，所述的垂直流污水生态净化槽反硝化区域底部可呈中间低凹状，低凹最低处设有排水管，排水管表面布满排水小孔，排水管一端封闭，另一端伸出槽外作为排污口，排污口设排污阀门，正常工作时排污阀门关闭，槽体冲洗时排污阀门开启。
[0014] 作为优选，上层硝化区域内部人工基质从下到上的结构分层及材料厚度如下：排水层，采用粒径8-16mm砾石，厚度10-35cm；过渡层，采用粒径4-8mm砾石，厚度8-15cm；生化处理过渡层，采用特殊级配0.2-6mm无泥粗砂，厚度50-60cm；表层采用粒径8-16mm砾石，厚度4-8cm；所述垂直流污水生态净化槽上部种植的植物选自芦苇、芦竹、香蒲、美人蕉、风车草、再力草、香根草、玫瑰、月季、万寿菊等中的一种或多种；
[0015] 所述下层反硝化区域内部基质从下到上的结构分层及材料厚度如下：防渗层，采用0.5mm以上PE膜双面土工布或厚度为1-5em的天然粘土防渗层；过渡层，采用粒径5-10mm砾石，厚度10-20cm；生化处理过渡层，采用煤渣基质层0.2-6mm，厚度50-60cm。
[0016] 作为优选，所述上层硝化区域四周侧壁可呈一定坡度，坡度范围0-10％；所述下层反硝化区域四周侧壁可呈一定坡度，坡度范围0-5％。
[0017] 本发明具有以下有益效果：
[0018] 硝化与反硝化一体化，采用除磷滤渣，高效脱氮除磷；结构简单、占地面积小，节约土地资源，进、出水落差小，污水不需回流，场地不受限制，处理规模不受限制；间歇式进水，上层好氧、下层兼氧巧妙设计，实现自然无动力复氧促进氧化、硝化等反应的进行，提高污染物好氧处理效率；种芦苇，芦竹等湿地植物，抗酸碱，可去除污染负荷大的污染物。
[0019] 本发明涉及的人工湿地污水处理系统具有结构简单、安装容易、布水均匀、水位调节自由方便、不耗电、成本低，可以用于多种类型污水处理，例如生活污水、垃圾渗滤液、农业污水、石油化工废水、城市暴雨地表径流以及湖泊河流污染控制等。选择合适的植物品种还有美化周边环境的作用。
附图说明
[0020] 图1为本发明的一种实施例结构示意图；
[0021] 图2为图1布水管网的一种结构示意图；
[0022] 图3为图1布水管网的另一种结构示意图；
[0023] 图4为图1排水管网的结构俯视图；
[0024] 图5为布水分支剖视图。
[0025] 图中：1-预处理池，2-水泵，3-进水阀门，4、湿地植物，5-布水管网，6-池体硝化区域，7-防尘帽，8-垂直布气分支，9-水平布气管，10-布气小孔，11-出水阀门，12-出水口，13-垂直集水分支，14-排污口，15-排污阀门，16-排水小孔，17-排水管，18-集水口，19-池体反硝化区域，20-进水口，21-布水主管，22-布水分支，23-布水小孔，24-水平集水分支，25-集水主管
具体实施方式
[0026] 下面通过实施案例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[0027] 在本实施例中，预处理通常在三格式沉淀池中完成，污泥将定期清理。对于浓度较高的污水，可在滤床前端加建厌氧池。良好的预沉淀处理是人工生态滤床长期有效运行的保证，同时也能起到调节污水水量和水质的作用。经过预处理的污水，由间歇式污水泵提升，按照设定的控制参数，均匀分配到垂直流污水生态净化槽上层硝化区域人工基质的表面。
[0028] 本发明的主体污水处理区域-垂直流污水生态净化槽，它被分隔为相连通的上、下两个区域，上层硝化区域四周侧壁呈5％坡度，下底与下层反硝化区域上部连通，下层反硝化区域为长方体池体；上层硝化区域池内填充人工基质作为污水过滤床和微生物好氧氧化及硝化床，下层反硝化区域填充的人工基质作为污水过滤床和微生物兼氧氧化及反硝化床。上层硝化区域填设的基质由下到上分别为：厚度10-35cm，粒径8-16mm的砾石层；厚度8-15cm，粒径4-8mm的砾石层；厚度50-60cm，粒径0.2-6mm的无泥粗砂层；厚度4-8cm，粒径
8-16mm砾石表层。生态净化床表层种植的湿地植物为芦苇和芦竹。
[0029] 经预处理的污水通过水泵2提升，经进水阀门3进入交叉布水管网5的布水主管21和布水分支22，最终通过布水分支22上的布水小孔23进入池体基质层。布水分支22与布水主管21在同一水平面上，与其垂直相连呈“王”字型(如图2所示)或交叉“王”字型(如图3所示)，布水分支22末端封闭，管体每隔10-20cm均匀开有布水小孔23，该布水小孔左右对称，且都位于管体的水平中心线以下。
[0030] 无动力布气系统由3-5组布气管网组成，它们均匀埋设在上层硝化池内部。每一组布气管网都由相连通的水平布气分支和垂直布气分支8组成，其中靠近池体外壁的垂直布气分支可沿池体坡度适当倾斜，管体上开有无数布气小孔10，其中垂直布气分支8上端伸出池体外的部分均加盖防尘帽。此无动力布气系统能够使池体基质自然富氧且富氧充分均匀，满足微生物好养反应的需要，另外从上层硝化区域流入下层反硝化区域的污水也可在流动过程在无动力布气系统的作用下增加溶解氧，使下层污水处理区域形成兼氧环境，提高污水的氧化效率。
[0031] 经上层硝化区域处理后的污水直接渗入下层反硝化处理区域，该区域内填设的基质由下到上依次为厚度10-20cm，粒径5-10mm的砾石；厚度50-60cm，粒径0.2-6mm的煤渣基质层。该池体内铺设有潜入式集水管网，具有如下特点：垂直集水分支13与水平集水分支24和集水主管25之间呈空间垂直分布，中间管路相通；集水口设在垂直集水分支13末端，为圆形管路截面上开有的数个集水小孔组成，集水口距离整个池体底部的距离不大于反硝化区域总高度的1/3；水平集水分支24、集水主管25和集水口位于同一水平高度，它们的水平位置为下层反硝化槽体顶端介于距反硝化槽体顶端2/3高度之间。上层硝化区域污水进入下层反硝化区域后继续垂直下渗，至反硝化区域底部，由于集水管网出水口设在反硝化槽体上部，经反硝化区域处理至池体底部的出水虽然在池体底部进入集水口，但并不能即刻出水，污水在底部向上聚积，待垂直集水分支的出水水位达到出水口高度后方可由出水口出水。潜入式集水管网的作用是使污水在下层反硝化床中停留时间增长，营造兼氧环境，使有机物和总氮的降解更加充分。
[0032] 如图1所示，本实施例底部设有排污管，排污管的管身开有大量排污小孔，通过排污口14与外界相连，排污口前设有排污阀门15。本人工湿地污水处理系统正常运行时排污阀门关闭。当滤床基质层发生堵塞或需要清理时，将排污阀门打开，向上部布水管网中通滤池冲洗水，冲洗后的污水通过排污管排出滤池外，达到系统维护的目的。
[0033] 本实施例的主要工艺参数如下：
[0034] 上层硝化区域面积120m2，高度1.0m，下层反硝化区域面积100m2，高度0.8m。污水处理量20-100t/d，水力停留时间1-4天。
[0035] 下表所示为某农村生活污水经本无动力一体化人工湿地的主要污染物处理效果：
[0036]水质指标 COD(mg/L) BOD(mg/L) SS(mg/L) NH3-N(mg/L) TP(mg/L)
进水 400 200 100 35 4
出水 42 15 13 4 0.4
