螺旋式复合人工湿地系统

摘要

本发明公开了一种螺旋式复合人工湿地系统，包括主撑体和设置在主撑体上的螺旋状阶梯支撑架，所述螺旋状阶梯支撑架在空间上从上到下设置若干个串联连接的人工湿地反应器，所述人工湿地反应器包括潜流人工湿地和表流人工湿地。本发明能够在高效净化污水的基础上提高了空间利用率、节约了土地，同时具有环境美化的功能，对在土地紧张的情况下建设人工湿地将产生积极意义。

权利要求

1.一种螺旋式复合人工湿地系统，其特征是，包括主撑体和设置在主撑体上的螺旋状阶梯支撑架，所述螺旋状阶梯支撑架在空间上从上到下设置若干个串联连接的人工湿地反应器，所述人工湿地反应器包括潜流人工湿地和表流人工湿地的组合；

相邻的两个人工湿地反应器中的上一个人工湿地反应器的出水口经过出水曝气管与下一个人工湿地反应器的进水口连通；人工湿地的水流从第一个人工湿地进水口进入，出水口流出，流出的水经过出水曝气管进行充分跌水曝气后进入下一个人工湿地，直到最后一个人工湿地；

所述出水曝气管的前端1/3部分采用无孔管，后面2/3部分采用管壁开孔的滤水管，水从滤水管段滴落到下一个人工湿地；无孔管段部分与上一个人工湿地的出水口连接，管壁开孔的滤水管再接一无孔管段后与下一个人工湿地的进水口连接。

2.如权利要求1所述的螺旋式复合人工湿地系统，其特征是，所述的潜流人工湿地和表流人工湿地以1:n数量比且从潜流人工湿地开始交替串联，其中n＝1、2、3或4。

3.如权利要求1所述的螺旋式复合人工湿地系统，其特征是，所述的潜流人工湿地和表流人工湿地以n：1数量比且从表流人工湿地开始交替串联，其中n＝1、2、3或4。

4.如权利要求1所述的螺旋式复合人工湿地系统，其特征是，所述潜流人工湿地至少包括土壤层、沸石层和砾石层，所述土壤层上方种植湿地植物，土壤层中设置有第一水暖管道，沸石层设置有第二水暖管道，所述砾石层设置有第三水暖管道，所述的第一水暖管道、第二水暖管道和第三水暖管道首尾相接。

5.如权利要求1所述的螺旋式复合人工湿地系统，其特征是，所述表流人工湿地包括土壤层和沸石层，所述土壤层上方种植湿地植物，土壤层中设置有第一水暖管道，沸石层设置有第二水暖管道，所述的第一水暖管道和第二水暖管道首尾相接。

6.如权利要求1所述的螺旋式复合人工湿地系统，其特征是，所述人工湿地反应器的进水口位于人工湿地反应器的上部，出水口位于人工湿地反应器的下部，且进水口和出水口分别位于人工湿地反应器的两侧。

7.如权利要求1所述的螺旋式复合人工湿地系统，其特征是，所述人工湿地反应器的水暖管道由导热材料制成，且上层的水暖管道的水管间距小于下层水暖管道的水管间距。

8.如权利要求1所述的螺旋式复合人工湿地系统，其特征是，湿地植物为菖蒲植物。

说明书

螺旋式复合人工湿地系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种螺旋式复合人工湿地系统，具体地说是一种充分利用空间的新型螺旋式复合人工湿地系统，属于污水处理技术领域。

背景技术

[0002] 目前我国处理废水主要依靠污水处理厂，其运行成本高，管理运营复杂。人工湿地是模拟天然湿地建造的，利用土壤、基质、植物以及微生物协同作用净化污水的工程化湿地系统，可以处理几乎所有类型的废水，如生活污水、雨水径流、农业径流、工业排放和受污染的河流水等。人工湿地除了具有废水处理功能外，还具有良好的景观功能、生态保护、水资源重复利用、区域气候调节及教育和娱乐使用。

[0003] 传统的人工湿地一般需要大量的面积。然而，基于庞大的人口基数和快速扩大的城市规模，我国很多地区的土地资源无论是耕地还是商业用地都越来越紧张。一方面我国耕地面积总量虽然很大但人均耕地面积不及世界平均水平，因此耕地红线不能跨越。另一方面像北京、上海这些高人口密度的城市，适用于建设人工湿地的土地越来越少，而这些地区恰恰是污水排放量很高的地方，2017年上海一年的废水排放总量高达21.20亿吨，几乎是安徽省全省的年排放总量。

[0004] 因此，如何在有限的土地面积上建设高效处理污水的人工湿地，是一个需要解决的问题。另外，城镇内大量屋顶、立交桥的雨水是加重水污染的重要因素，如何充分利用这些高层建筑物的水头，解决人工湿地的水流动力，也是我们面临的问题。

发明内容

[0005] 为了解决上述问题，本发明提出了一种螺旋式复合人工湿地系统，能够提高空间利用率、节约土地，同时具有环境美化的功能。

[0006] 本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

[0007] 本发明实施例提供的一种螺旋式复合人工湿地系统，包括主撑体和设置在主撑体上的螺旋状阶梯支撑架，所述螺旋状阶梯支撑架在空间上从上到下设置若干个串联连接的人工湿地反应器，所述人工湿地反应器包括潜流人工湿地和表流人工湿地的各种组合。

[0008] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述的潜流人工湿地和表流人工湿地以1:n数量比且从潜流人工湿地开始交替串联，其中n＝1、2、3或4。

[0009] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述的潜流人工湿地和表流人工湿地以n：1数量比且从表流人工湿地开始交替串联，其中n＝1、2、3或4。

[0010] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述潜流人工湿地至少包括土壤层、沸石层和砾石层，所述土壤层上方种植湿地植物，土壤层中设置有第一水暖管道，沸石层设置有第二水暖管道，所述砾石层设置有第三水暖管道，所述的第一水暖管道、第二水暖管道和第三水暖管道首尾相接。

[0011] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述表流人工湿地包括土壤层和沸石层，所述土壤层上方种植湿地植物，土壤层中设置有第一水暖管道，沸石层设置有第二水暖管道，所述的第一水暖管道和第二水暖管道首尾相接。

[0012] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述人工湿地反应器的进水口位于人工湿地反应器的上部，出水口位于人工湿地反应器的下部，且进水口和出水口分别位于人工湿地反应器的两侧。

[0013] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述相邻的两个人工湿地反应器中的上一个人工湿地反应器的出水口经过出水曝气管与下一个人工湿地反应器的进水口连通；人工湿地的水流从第一个人工湿地进水口进入，出水口流出，流出的水经过出水曝气管进行充分跌水曝气后进入下一个人工湿地，直到最后一个人工湿地。这样的结构充分利用自然水头，减小了抽水环节，可以充分跌水曝气，有利于提高溶解氧浓度和污染物去除效率。

[0014] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述出水曝气管的前端1/3部分采用无孔管，后面2/3部分采用管壁开孔的滤水管，水从滤水管段滴落到下一个人工湿地；无孔管段部分与上一个人工湿地的出水口连接，管壁开孔的滤水管再接一无孔管段后与下一个人工湿地的进水口连接，这样设计加上跌落过程，极大增加了水体与大气的接触面积，曝气充分，有利于提高溶解氧浓度和污染物去除效率。

[0015] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述人工湿地反应器的水暖管道由导热材料制成，且上层的水暖管道的水管间距小于下层水暖管道的水管间距。

[0016] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述湿地植物为菖蒲植物。

[0017] 本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

[0018] 相对于目前人工湿地占地面积较大，不适合在城市建设，本发明提出了一种充分利用空间的新型螺旋式复合人工湿地系统，人工湿地采用空间螺旋阶梯型结构布置，相比较传统的湿地具有极大节省土地的效果，可广泛应用于城市土地紧张地区。

[0019] 本发明在空间上从上到下由多个小型湿地反应器串联构成，且潜流人工湿地和表流人工湿地的串联方式可以灵活组合，因地制宜形成不同复合湿地类型，可以是潜流‑表流‑潜流模式、表流‑潜流‑表流模式或潜流‑潜流‑表流模式等等多种组合模式，提高人工湿地净化效率的有效方法，充分发挥两种人工湿地的优点。

[0020] 相对于传统的湿地反应器为长方形，本发明的螺旋式复合人工湿地具有良好的观赏性。

[0021] 相对于以往的人工湿地可能会需要通过抽水实现污水的运移，本发明设计的螺旋阶梯式复合人工湿地相对于普通复合湿地可使污水从高处跌落，解决了污水的运移问题，省去了抽水环节。

[0022] 本发明的螺旋阶梯型结构人工湿地具有较高的水头，有充分的跌水曝气，可以增加污水中溶解氧的含量，有利于水中污染物的去除。

[0023] 本发明人工湿地的水流从第一阶人工湿地进水口进入，出水口流出，流出的水经过充分的跌水曝气后进入第二阶人工湿地，直到最后一个人工湿地。这样的结构充分利用自然水头，减小了抽水环节，可以充分跌水曝气，有利于提高溶解氧浓度和污染物去除效率。

[0024] 本发明在人工湿地出水口处接出水曝气管，出水曝气管1/3长采用无孔管，2/3长采用管壁开孔的滤水管，水从滤水管段滴落；无孔管段先与湿地出水口连接，开孔的滤水管再接无孔管段，这样的设计加上跌落过程，极大增加了水体与大气的接触面积，曝气充分，有利于提高溶解氧浓度和污染物去除效率。

[0025] 本发明能够在高效净化污水的基础上提高了空间利用率、节约了土地，同时具有环境美化的功能，对在土地紧张的情况下建设人工湿地将产生积极意义。附图说明：

[0026] 图1是根据一示例性实施例示出的一种螺旋式复合人工湿地系统的结构图；

[0027] 图2是根据一示例性实施例示出的一种螺旋式复合人工湿地系统的现场实验结构示意图；

[0028] 图3是一种前端1/3部分采用无孔管、后面2/3部分采用管壁开孔的跌水曝气管的结构示意图；

[0029] 图4根据一示例性实施例示出的一种利用小山、土包做成螺旋阶梯型湿地系统的场景示意图；

[0030] 图5是一种现有技术中普通复合人工湿地的结构示意图；

[0031] 图6是一种普通复合人工湿地与本发明的依附边坡建设的阶梯型人工湿地和新型螺旋式复合人工湿地的占地面积与人工湿地的关系图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

[0033] 为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

[0034] 图1是根据一示例性实施例示出的一种螺旋式复合人工湿地系统的结构图。本发明实施例提供的一种螺旋式复合人工湿地系统，包括主撑体1和设置在主撑体上的螺旋状阶梯支撑架b1、b2、b3、…bn…，所述螺旋状阶梯支撑架在空间上从上到下设置若干个串联连接的人工湿地反应器，所述人工湿地反应器包括潜流人工湿地和表流人工湿地。

[0035] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述的潜流人工湿地和表流人工湿地以1:n数量比且从潜流人工湿地开始交替串联，其中n＝1、2、3或4。

[0036] 如图2所示，作为本实施例一种可能的实现方式，所述的潜流人工湿地和表流人工湿地以1:1且从潜流人工湿地开始交替串联，即最上一阶人工湿地b1为表流人工湿地B1，第二阶人工湿地b2为潜流人工湿地B2，第三阶人工湿地b3为表流人工湿地B3，依次连接。潜流人工湿地和表流人工湿地交替组合是一种提高人工湿地净化效率的有效方法，能充分发挥两种人工湿地的优点。当水中溶解氧含量较高时，有利于好氧菌和植物生长，可以提高COD的去除率，另外，好氧环境有利于硝化反应的进行，可以明显提高NH4+‑N的转化率，提高NH4+‑N的净化效率。

[0037] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述的潜流人工湿地和表流人工湿地以2:1且从潜流人工湿地开始交替串联。

[0038] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述的潜流人工湿地和表流人工湿地以n：1数量比且从表流人工湿地开始交替串联，其中n＝1、2、3或4。

[0039] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述的潜流人工湿地和表流人工湿地以1：1且从表流人工湿地开始交替串联。

[0040] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述的潜流人工湿地和表流人工湿地以1：2且从表流人工湿地开始交替串联。

[0041] 本发明在空间上从上到下由多个小型湿地反应器串联构成，其串联方式可以灵活组合，因地制宜形成不同复合湿地类型。

[0042] 几种优选的人工湿地串联组合结构，第一种型式是潜流‑表流‑潜流组合模式，如图2所示，即最上一阶湿地为表流人工湿地B1，第二阶为潜流人工湿地B2，第三阶为表流人工湿地B3，依次连接。第二种型式是表流‑潜流‑表流组合模式，即最上一阶湿地为潜流人工湿地，第二阶为表流人工湿地，第三阶为潜流人工湿地，依次连接。第三种型式是潜流‑潜流‑表流组合模式，即两个潜流湿地接一个表流湿地。第四种组合形式是表流‑表流‑潜流组合模式，即两个表流接一个潜流湿地。上述组合模式的螺旋形湿地，其潜、表流人工湿地交替组合是一种提高人工湿地净化效率的有效方法，能充分发挥两种人工湿地的优点。当水中溶解氧含量较高时，有利于好氧菌和植物生长，可以提高COD的去除率，另外，好氧环境有利于硝化反应的进行，可以明显提高NH4+‑N的转化率，提高NH4+‑N的净化效率。

[0043] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述潜流人工湿地至少包括土壤层、沸石层和砾石层，所述土壤层上方种植湿地植物，土壤层中设置有第一水暖管道，沸石层设置有第二水暖管道，所述砾石层设置有第三水暖管道，所述的第一水暖管道、第二水暖管道和第三水暖管道首尾相接。

[0044] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述表流人工湿地包括土壤层和沸石层，所述土壤层上方种植湿地植物，土壤层中设置有第一水暖管道，沸石层设置有第二水暖管道，所述的第一水暖管道和第二水暖管道首尾相接。

[0045] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述人工湿地反应器的进水口位于人工湿地反应器的上部，出水口位于人工湿地反应器的下部，且进水口和出水口分别位于人工湿地反应器的两侧。

[0046] 作为本实施例一种可能的实现方式，申请人在进行试验时，将所述人工湿地反应器的进水口设置在人工湿地反应器的上方，使水流加上跌落过程，极大增加了水体与大气的接触面积，曝气充分，有利于提高溶解氧浓度和污染物去除效率。

[0047] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述相邻的两个人工湿地反应器中的上一个人工湿地反应器的出水口经过出水曝气管与下一个人工湿地反应器的进水口连通；人工湿地的水流从第一个人工湿地进水口进入，出水口流出，流出的水经过出水曝气管进行充分跌水曝气后进入下一个人工湿地，直到最后一个人工湿地。这样的结构充分利用自然水头，减小了抽水环节，可以充分跌水曝气，有利于提高溶解氧浓度和污染物去除效率。

[0048] 作为本实施例一种可能的实现方式，如图3所示，所述出水曝气管的前端1/3部分采用无孔管，后面2/3部分采用管壁开孔的滤水管，水从滤水管段滴落到下一个人工湿地；无孔管段部分与上一个人工湿地的出水口连接，管壁开孔的滤水管再接一无孔管段后与下一个人工湿地的进水口连接，这样设计加上跌落过程，极大增加了水体与大气的接触面积，曝气充分，有利于提高溶解氧浓度和污染物去除效率。

[0049] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述人工湿地反应器的水暖管道由导热材料制成，且上层的水暖管道的水管间距小于下层水暖管道的水管间距。所述水暖管道具有良好导热性能的材料制成，铺设时在上层植物根系区较密(垂向间距较小)，下层较疏(垂向间距较大)，这样既可以保证植物根系区的温度，避免植物冻死，也可以防止气温较低时湿地表层被冻结。

[0050] 作为本实施例一种可能的实现方式，所述湿地植物为根系比较粗大的菖蒲植物，可增大人工湿地中的孔隙，使得人工湿地的容水体积变大，水体中的磷可以有较长时间的反应，增加了人工湿地系统对TP的去除率。

[0051] 本发明的复合人工湿地系统可以利用废弃的建筑、立交桥改建而成，也可以因地制宜，利用小山、土包做成螺旋阶梯型湿地系统，如图4所示。

[0052] 为了验证本发明人工湿地，发明人实验室内进行了实验。

[0053] 实验分为螺旋复合人工湿地(以下称B组，见图2)和普通复合人工湿地(以下称A组，见图5)，均由五个湿地反应器构成。A组为对照组湿地反应器之间使用蠕动泵进行抽水以实现污水在湿地间的运移。B组为潜流‑表流‑潜流串联的螺旋阶梯状，用来模拟螺旋式复合人工湿地，如图2所示。其中A1、A3、A5、B1、B3和B5湿地为潜流人工湿地，每个湿地反应器长×宽×高为0.4m×0.25m×0.25m，基质填高为0.21m。A2、A4、B2和B4湿地为表面流人工湿地，湿地反应器长×宽×高为0.4m×0.25m×0.2m，基质填高为0.08m，水位保持在0.07m左右。实验使用NKP蠕动泵抽水，湿地种植野生石菖蒲，为使植物有充足的生长空间，种植密度为30株/m2。实验结果如下：

[0054] 湿地基质要选择有较好净化效果、获取途径简单、价格低廉且安全无毒的，同时也要考虑到基质比表面积、孔隙度等，这样既能对污水有较强的净化能力又能有效控制成本投入，有利于体现人工湿地技术节约成本的特点。

[0055] 本实验根据取材方便、价格低等特点选用砾石、沸石和砂壤土作为湿地基质。湿地基质经过筛选、冲洗、晾干后依照粒径从下至上递减的原则进行填充，潜流人工湿地共3层，表面流人工湿地共2层，每一层的厚度和粒径见表1和表2。

[0056] 表1：潜流人工湿地的基质层设计

[0057]

[0058] 表2：表面流人工湿地的基质层设计

[0059]

[0060] 两组湿地实验均采用间歇进水方式，水力停留时间为1～2天。由于温度太低或太高均会降低人工湿地的净化能力，所以实验选在秋季进行，实验室温度在23℃～26℃。待湿地运行和植物生长状况稳定后，在各湿地出水口处每隔3天取一次水样进行测定，共进行45天，取样15次，主要测定项目有COD、NH4+‑N以及TP，测定方法见表3。

[0061] 表3：污染物测定方法

[0062]

[0063] 湿地出水经过滤后进行检测，水样检测使用的主要仪器为检测NH4+‑N和TP的分光光度计，以及COD消解仪。

[0064] 经过实验，污染物去除效果如下：

[0065] ①COD去除效果。结果表明，两组湿地对COD的去除效率都比较稳定，两组人工湿地进水COD浓度均为198.50mg/L，A组平均出水浓度为53.14mg/L，平均去除率为73.23％，最高去除率仅为74.50％；而B组平均出水浓度为39.21mg/L，平均去除率为80.25％，最高去除率达到了81.53％。可以看到，但在相同的试验条件下，B组去除率更高。

[0066] ②氨氮去除效果。人工湿地进水NH4+‑N浓度为28.50mg/L，A组平均出水浓度为10.80mg/L，去除率为62.11％，最高去除率为64.35％。由于跌水曝气可以使污水富氧，并且两个潜流人工湿地之间的表面流人工湿地给潜流人工湿的缺氧环境提供了缓冲，使得硝化反硝化反应的进行更加顺利，因此B组平均出水浓度低至7.81mg/L，去除率达到72.60％，最高去除率为75.40％。就平均去除效果而言，阶梯型复合人工湿地优于普通复合人工湿地，且去除率高了10％。

[0067] ③A组平均出水浓度为0.54mg/L，去除率为77.56％，最高去除率为79.58％。B组平均出水浓度为0.44mg/L，去除率为81.50％，最高去除率为83.16％。由于基质吸附和植物吸收是主要去除方式，所以两组湿地对TP的去除效果差别不大，但由于氧气含量的提高有利于植物的生长，阶梯型的构造优于普通构造。

[0068] 为了更直观的展示该新型螺旋式复合人工湿地节省土地面积的优点，以实验用的湿地反应器为例进行估算，展示并比较了三种不同结构人工湿地的占地面积。它们分别是普通复合人工湿地、依附边坡建设的阶梯型人工湿地和新型螺旋式复合人工湿地，如图6所示，图中分别用普通、边坡和螺旋表示。

[0069] 为了更直观的展示该新型螺旋式复合人工湿地节省土地面积的优点，以实验用的湿地反应器为例进行估算(潜流人工湿地反应器尺寸为0.4m×0.25m×0.25m，表流人工湿地反应器尺寸为0.4m×0.25m×0.20m)，展示并比较了三种不同结构人工湿地的占地面积。它们分别是普通复合人工湿地、依附边坡建设的阶梯型人工湿地和新型螺旋式复合人工湿地。当湿地数量低于5个时，三种湿地的占地面积差别不大，都随着湿地数量的增加而增加；
湿地数量为5～7个时，螺旋式人工湿地的占地面积稍高于其他两种。但是当湿地数量达到
10个时，螺旋式人工湿地的占地面积仅为0.91m2，比普通复合人工湿地的1m2和阶梯型人工湿地的1.15m2都要小，而且湿地数量超过10个时需要的土地面积恒定为0.91m2不再增加，而其它两种湿地占地面积呈线性增长模式。可以看出，螺旋阶梯式的结构在占地面积上优于其他两种，且该优势在湿地数量越多的情况下越为明显。

[0070] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。