一种应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统

摘要

一种应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统，它涉及一种应用于寒冷地区小城镇的湿地系统。本发明要解决现有寒冷地区小城镇人工湿地无法全年运行，运行成本高，管理复杂，水中溶解氧低，处理效果不佳的技术问题。本发明由槽体、进水管、出水管、布水管、集水管、曝气管、太阳能板供电装置和挡水板组成；挡水板设置在冰冻线以下并将槽体分割成上下两层，穿孔曝气管设置在槽体的下层底部，穿孔曝气管与空气泵的出气口连通，空气泵的电源输入端与太阳能板供电装置连接。本发明可以在寒冷小城镇全年运行，冰封期运行出水水质符合国家污水排放标准，运行成本低，操作简单。本发明应用于污水处理领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于寒冷地区小城镇的湿地系统。 

背景技术

目前我国众多小城镇都缺乏必要的污水处理系统，由于小城镇以及农村基础设施比较落后，很多地方存在排水管道建设不建全，由家畜、水产养殖和农药形成的污水直接排入河湖水体，已成为重要的污染源。而小城镇污水一方面存在水质水量变化波动大，污染物浓度较低等特点；另一方面要求处理系统投资运行成本低，运行控制简单，因此利用现有大型污水处理厂成熟工艺(要求水质水量稳定，投资运行成本高，控制复杂)无法解决小城镇污水处理问题。寒冷地区小城镇污水处理系统还要求在冬季冰封期可以正常运行，并保证出水水质达标。 

现有污水处理工艺中的人工湿地系统是解决小城镇污水处理问题的最好工艺选择之一，但是寒冷地区人工湿地的全年运行则是一个亟待解决问题。 

(1)现有人工湿地在寒冷地区冬季尤其是冰封期均无法运行，即使采取一定的保暖措施也无法全年运行。现有的寒冷地区人工湿地工程中主要利用大棚来提供保暖措施，但在实际运行当中，这种保暖措施只能延长运行时间1-2个月。不加保暖措施的寒冷地区人工湿地每年运行时间在6-8个月，而采取保暖措施的人工湿地运行时间则为8-10个月，仍无法全年运行。在全年最为寒冷的2个月左右，保暖措施仍无法使人工湿地不被冰封，若采取加热或增加保温层等措施，则投资运行费用就会大大提高。 

(2)现有人工湿地的低温强化措施既增加运行成本，又使运行管理复杂化。不利于在小城镇推广。 

(3)现有人工湿地在低温运行期间，由于水中溶解氧的降低，处理效果不理想，甚至过低的溶解氧使留在基质层的植物根系发生烂根，污水变臭，进一步污染水质。 

发明内容

本发明是要解决现有寒冷地区小城镇人工湿地无法全年运行，并且低温强化措施既增加运行成本，又使运行管理复杂化，现有人工湿地在低温运行期间，由于水中溶解氧的降低，处理效果不理想的技术问题，从而提供一种应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统。 

本发明的一种应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统由矩形的 槽体(16)、进水管(1)、出水管(2)、上层穿孔布水管(3)、下层穿孔布水管(4)、上层穿孔集水管(5)、下层穿孔集水管(6)、多组穿孔曝气管(7)、上层布水阀(8)、下层布水阀(9)、挺水植物(10)、上层基质(11)、下层基质(12)、空气泵(13)、太阳能板供电装置(14)和挡水板(15)组成； 

本发明的应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统的外层是一个矩形的槽体(16)，挡水板(15)设置在冰冻线以下并将矩形的槽体(16)分割成上下两层，在矩形的槽体(16)的两端分别设置进水管(1)和出水管(2)，进水管(1)分别与设置在矩形的槽体(16)上层底部的上层穿孔布水管(3)和矩形的槽体(16)下层底部的下层穿孔布水管(4)相连通，在进水管(1)与上层穿孔布水管(3)和下层穿孔布水管(4)相连通的管道处分别设置上层布水阀(8)和下层布水阀(9)，出水管(2)分别与设置在矩形的槽体(16)上层底部的上层穿孔集水管(5)和设置在矩形的槽体(16)下层底部的下层穿孔集水管(6)相连通，上层基质(11)和下层基质(12)分别填充在矩形的槽体(16)的上层和下层中，挺水植物(10)种植在矩形的槽体(16)的上层表面，多组穿孔曝气管(7)设置在矩形的槽体(16)的下层底部，多组穿孔曝气管(7)与空气泵(13)的出气口连通，空气泵(13)的电源输入端与太阳能板供电装置(14)连接，太阳能板供电装置(14)安装在矩形的槽体(16)之外且阳光能充分照射的地方；所述的多组穿孔曝气管(7)的长度大于矩形的槽体(16)长度的4/5并且小于矩形的槽体(16)的长度；所述的空气泵(13)的充气流量为1L/min～2L/min。 

冰冻线是地面以下冻结水与非冻结水的分界线。 

本发明的工作原理： 

本发明的挡水板(15)使得矩形的槽体(16)的上下两层之间的水不互相流通，本发明分为冰封期和非冰封期两种运行方式，非冰封期使用矩形的槽体(16)上层的人工湿地系统，开启上层布水阀(8)，同时关闭下层布水阀(9)，由进水管(1)进水，通过上层的穿孔布水管(3)均匀进入系统，利用上层基质(11)、微生物和挺水植物(10)净化污水，污水流经上层系统后经由穿孔集水管(5)从出水管(2)出水。冰封期使用矩形的槽体(16)下层系统，下层系统在冰冻线以下，开启下层布水阀(9)，同时关闭上层布水阀(8)，由进水管(1)进水，在下层的穿孔布水管(4)均匀进入系统，利用下层基质(12)和微生物净化污水，污水流经下层系统后经由下层穿孔集水管(6)从出水管(2)出水。下层的多组穿孔曝气管(7)在有太阳光照射时曝气，无阳光时休息，无需人为控制。下层的曝气系统的作用是为下层基质层间歇充氧，使下层处于好氧—缺氧的循环，一方面可 以提高系统对污水的处理效果，另一方面也可以防止由于长期厌氧而导致的污水发臭问题，太阳能板供电装置(14)能够为空气泵(13)提供电能。 

本发明具有以下优点： 

本发明的应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统可以在寒冷地区全年运行，冰封期运行出水水质符合国家污水排放标准； 

本发明的曝气系统为太阳能供能，即有日照时自动开始曝气，无日照(夜晚或阴天时)自动停止曝气，运行成本低，节省能源，省去了人为管理的复杂性，一方面可以在不增加能耗的基础上给人工湿地系统充氧，另一方面可以再实际运行中利用自然阳光照射的变化来自动控制曝气时间，运行控制简单；本发明的曝气系统的作用是在不增加系统能耗的同时为冰封期基质层间歇充氧，使冰封期基质层内形成好氧—缺氧—好氧循环，提高污水处理效果，防止由长时间厌氧导致的污水变臭，使充氧效果不留死角。 

本发明的系统非冰封期对COD去除率保持在90％以上，氨氮的去除率在80％以上，总磷的去除率在80％以上；冰封期对COD去除率在80％以上，氨氮的去除率在90％以上，总磷的去除率在80％以上。 

附图说明

图1是本发明的应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统的主视图，其中1是进水管、2是出水管、3是上层穿孔布水管、4是下层穿孔布水管、5是上层穿孔集水管、6是下层穿孔集水管、7是多组穿孔曝气管、8是上层布水阀、9是下层布水阀、10是挺水植物、11是上层基质、12是下层基质、13是空气泵、14是太阳能板供电装置、15是挡水板、16是矩形的槽体； 

图2是图1的a-a剖视图，其中1是进水管、3是上层穿孔布水管、4是下层穿孔布水管、7是多组穿孔曝气管、8是上层布水阀、9是下层布水阀、10是挺水植物、11是上层基质、12是下层基质、15是挡水板、16是矩形的槽体。 

具体实施方式

具体实施方式一：结合附图1和2，本实施方式的应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统由矩形的槽体(16)、进水管(1)、出水管(2)、上层穿孔布水管(3)、下层穿孔布水管(4)、上层穿孔集水管(5)、下层穿孔集水管(6)、多组穿孔曝气管(7)、上层布水阀(8)、下层布水阀(9)、挺水植物(10)、上层基质(11)、下层基质(12)、空气泵(13)、太阳能板供电装置(14)和挡水板(15)组成； 

本实施方式的应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统的外层是 一个矩形的槽体(16)，挡水板(15)设置在冰冻线以下并将矩形的槽体(16)分割成上下两层，在矩形的槽体(16)的两端分别设置进水管(1)和出水管(2)，进水管(1)分别与设置在矩形的槽体(16)上层底部的上层穿孔布水管(3)和矩形的槽体(16)下层底部的下层穿孔布水管(4)相连通，在进水管(1)与上层穿孔布水管(3)和下层穿孔布水管(4)相连通的管道处分别设置上层布水阀(8)和下层布水阀(9)，出水管(2)分别与设置在矩形的槽体(16)上层底部的上层穿孔集水管(5)和设置在矩形的槽体(16)下层底部的下层穿孔集水管(6)相连通，上层基质(11)和下层基质(12)分别填充在矩形的槽体(16)的上层和下层中，挺水植物(10)种植在矩形的槽体(16)的上层表面，多组穿孔曝气管(7)设置在矩形的槽体(16)的下层底部，多组穿孔曝气管(7)与空气泵(13)的出气口连通，空气泵(13)的电源输入端与太阳能板供电装置(14)连接，太阳能板供电装置(14)安装在矩形的槽体(16)之外且阳光能充分照射的地方；所述的多组穿孔曝气管(7)的长度大于矩形的槽体(16)长度的4/5并且小于矩形的槽体(16)的长度；所述的空气泵(13)的充气流量为1L/min～2L/min。 

冰冻线是地面以下冻结水与非冻结水的分界线。 

本实施方式的工作原理： 

本实施方式的挡水板(15)使得矩形的槽体(16)的上下两层之间的水不互相流通，本实施方式分为冰封期和非冰封期两种运行方式，非冰封期使用矩形的槽体(16)上层的人工湿地系统，开启上层布水阀(8)，同时关闭下层布水阀(9)，由进水管(1)进水，通过上层的穿孔布水管(3)均匀进入系统，利用上层基质(11)、微生物和挺水植物(10)净化污水，污水流经上层系统后经由穿孔集水管(5)从出水管(2)出水。冰封期使用矩形的槽体(16)下层系统，下层系统在冰冻线以下，开启下层布水阀(9)，同时关闭上层布水阀(8)，由进水管(1)进水，在下层的穿孔布水管(4)均匀进入系统，利用下层基质(12)和微生物净化污水，污水流经下层系统后经由下层穿孔集水管(6)从出水管(2)出水。下层的多组穿孔曝气管(7)在有太阳光照射时曝气，无阳光时休息，无需人为控制。下层的曝气系统的作用是为下层基质层间歇充氧，使下层处于好氧—缺氧的循环，一方面可以提高系统对污水的处理效果，另一方面也可以防止由于长期厌氧而导致的污水发臭问题，太阳能板供电装置(14)能够为空气泵(13)提供电能。 

本实施方式具有以下优点： 

本实施方式的应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统可以在寒冷地区全年运行，冰封期运行出水水质符合国家污水排放标准； 

本实施方式的曝气系统为太阳能供能，即有日照时自动开始曝气，无日照(夜晚或阴天时)自动停止曝气，运行成本低，节省能源，省去了人为管理的复杂性，一方面可以在不增加能耗的基础上给人工湿地系统充氧，另一方面可以再实际运行中利用自然阳光照射的变化来自动控制曝气时间，运行控制简单；本发明的曝气系统的作用是在不增加系统能耗的同时为冰封期基质层间歇充氧，使冰封期基质层内形成好氧—缺氧—好氧循环，提高污水处理效果，防止由长时间厌氧导致的污水变臭，使充氧效果不留死角。 

本实施方式的系统非冰封期对COD去除率保持在90％以上，氨氮的去除率在80％以上，总磷的去除率在80％以上；冰封期对COD去除率在80％以上，氨氮的去除率在90％以上，总磷的去除率在80％以上。 

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：矩形的槽体(16)上层填充上层基质(11)的孔隙率为59.97％。其他与具体实施方式一相同。 

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：矩形的槽体(16)下层填充下层基质(12)的孔隙率为65.67％。其它与具体实施方式一或二之一相同。 

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的挺水植物(10)为菖蒲、芦竹、美人蕉、水葱或芦苇中的一种。其它与具体实施方式一至三之一相同。 

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的上层基质(11)为砾石、页岩、炉渣或火山岩中的一种。其它与具体实施方式一至四之一相同。 

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的下层基质(12)为砾石、页岩、炉渣或火山岩中的一种。其它与具体实施方式一至五之一相同。 

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的上层基质(11)的粒径为0.05mm～0.25mm。其它与具体实施方式一至六之一相同。 

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的下层基质(12)的粒径为0.5mm～1mm。其它与具体实施方式一至七之一相同。 

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的挡水板(15)的材质为混凝土。其它与具体实施方式一至八之一相同。 

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述的穿孔曝气管(7)的孔径为0.5mm～1mm。其它与具体实施方式一至九之一相同。 

通过以下试验验证本发明的有益效果： 

试验一：结合附图1和2，本试验为应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人 工湿地系统由矩形的槽体(16)、进水管(1)、出水管(2)、上层穿孔布水管(3)、下层穿孔布水管(4)、上层穿孔集水管(5)、下层穿孔集水管(6)、多组穿孔曝气管(7)、上层布水阀(8)、下层布水阀(9)、挺水植物(10)、上层基质(11)、下层基质(12)、空气泵(13)、太阳能板供电装置(14)和挡水板(15)组成； 

本试验的所述的应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统的外层是一个矩形的槽体(16)，挡水板(15)设置在冰冻线以下并将矩形的槽体(16)分割成上下两层，在矩形的槽体(16)的两端分别设置进水管(1)和出水管(2)，进水管(1)分别与设置在矩形的槽体(16)上层底部的上层穿孔布水管(3)和矩形的槽体(16)下层底部的下层穿孔布水管(4)相连通，在进水管(1)与上层穿孔布水管(3)和下层穿孔布水管(4)相连通的管道处分别设置上层布水阀(8)和下层布水阀(9)，出水管(2)分别与设置在矩形的槽体(16)上层底部的上层穿孔集水管(5)和设置在矩形的槽体(16)下层底部的下层穿孔集水管(6)相连通，上层基质(11)和下层基质(12)分别填充在矩形的槽体(16)的上层和下层中，挺水植物(10)种植在矩形的槽体(16)的上层表面，多组穿孔曝气管(7)设置在矩形的槽体(16)的下层底部，多组穿孔曝气管(7)与空气泵(13)的出气口连通，空气泵(13)的电源输入端与太阳能板供电装置(14)连接，太阳能板供电装置(14)安装在矩形的槽体(16)之外且阳光能充分照射的地方；所述的多组穿孔曝气管(7)的长度为矩形的槽体(16)长度的9/10；所述的空气泵(13)的充气流量为1.5L/min；矩形的槽体(16)上层填充上层基质(11)的孔隙率为59.97％；矩形的槽体(16)下层填充下层基质(12)的孔隙率为65.67％；所述的挺水植物(10)为菖蒲；所述的上层基质(11)为火山岩；所述的下层基质(12)为火山岩；所述的上层基质(11)的粒径为0.05mm～0.25mm；所述的下层基质(12)的粒径为0.5mm～1mm；所述的挡水板(15)的材质为混凝土；所述的穿孔曝气管(7)的孔径为0.5mm～1mm。 

冰冻线是地面以下冻结水与非冻结水的分界线。 

本试验具有以下优点： 

本试验的应用于寒冷地区小城镇的太阳能潜层间歇曝气人工湿地系统可以在寒冷地区全年运行，冰封期运行出水水质符合国家污水排放标准； 

本试验的曝气系统为太阳能供能，即有日照时自动开始曝气，无日照(夜晚或阴天时)自动停止曝气，运行成本低，节省能源，省去了人为管理的复杂性，一方面可以在不增加能耗的基础上给人工湿地系统充氧，另一方面可以再实际运行中利用自然阳光照射的变化来自动控制曝气时间，运行控制简单；本试验的曝气系统的作用是在不增加系统能耗的同 时为冰封期基质层间歇充氧，使冰封期基质层内形成好氧—缺氧—好氧循环，提高污水处理效果，防止由长时间厌氧导致的污水变臭，使充氧效果不留死角。 

本试验的系统非冰封期对COD去除率保持在90％以上，氨氮的去除率在80％以上，总磷的去除率在80％以上；冰封期对COD去除率在80％以上，氨氮的去除率在90％以上，总磷的去除率在80％以上。