CN110510747A - 一种自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动反冲洗垂直替流复合型人工湿地装置，属于人工湿地领域，涉及一种利用水力虹吸原理实现下部生物过滤处理区自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置。包括内部的处理区，外部的反冲洗储水区；处理区由过水孔板分隔成上下两个部分，上部为人工湿地处理区，下部为生物过滤处理区；反冲洗储水区包括上部的有效储水区和下部的过水区；处理区位于反冲洗储水区的中心位置；在处理区中部设置虹吸罩、虹吸反冲洗管。本发明提供一种新型的垂直替流复合型人工湿地结构形式，具有管理简单、性能高效、纳污能力强、长期稳定运行的优点。

Description

一种自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置

技术领域

本发明属于人工湿地领域，涉及一种内部为处理区，外部为反冲洗储水区，并且处理区的上部为人工湿地处理区，下部为生物过滤处理区，利用水力虹吸原理能够实现下部生物过滤处理区自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置。

背景技术

人工湿地是由人工建造并控制运行，利用植物吸收、微生物分解转化、基质的吸附等机理使污水得到净化的一种生态处理工艺。按照进水、布水和集水方式的不同可将人工湿地分为替流和表面流。在潜流人工湿地中，水平潜流人工湿地对有机物有较好的去除效率，垂直潜流人工湿地对N，P的去除有较明显的优势。随着我国水污染治理工作的开展，垂直替流人工湿地以其复氧能力好、污染负荷大、占地面积小，出水水质好等优势得到了较为广泛地推广应用。

人工湿地运行过程中悬浮物、胶体以及无机颗粒增多并填充于基质间的孔隙，造成出水水质严重下降可判为人工湿地堵塞。由于受到基质材料性质、进水悬浮物含量、有机物积累和污染负荷等影响，许多替流型人工湿地在较短的运行周期内就出现了堵塞现象。随着堵塞的加重，人工湿地出现了水力传导性能降低、处理效果下降和表面雍水等现象，严重影响了替流型人工湿地的使用寿命和出水水质。

相关研究表明，基质堵塞的最主要的影响因素是基质孔隙率。增大基质的孔隙率有利于延缓基质的堵塞，但是相应的降低了基质在人工湿地中的作用，影响人工湿地的污水处理效能。目前大部分人工湿地采用不同级配的基质组合延缓其堵塞作用。解决堵塞最直接有效的手段是更换基质，但此法经济效益低，环境效益较差，劳动强度较大，可操作性较低；同时对于人工湿地恢复正常运行也需要较长时间。因此如何通过解决人工湿地堵塞问题从而延长人工湿地的使用年限成为更大程度发挥人工湿地效能的一大难题。

发明内容

本发明是针对现有人工湿地技术存在的上述问题，提供一种既保留垂直潜流人工湿地的原有功能属性，又加强了生物过滤功能；借鉴水力虹吸的工作原理，在生物过滤功能区实现自动反冲洗，促进其长期高效运行的自动反冲洗垂直替流复合型人工湿地装置。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现。

一种自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，包括内部的处理区，外部的反冲洗储水区，处理区为上方敞口的长方体立体结构，由过水孔板分隔成上下两个部分，上部为人工湿地处理区，下部为生物过滤处理区。反冲洗储水区包括上部的有效储水区和下部的过水区。有效储水区为上、下两端敞口的中空长方体，过水区为上端敞口下端密封的中空倒棱台。处理区由支撑柱支撑在过水区底板上，处理区中部设置有虹吸罩、虹吸反冲洗管，人工湿地处理区上部设置进水布水管、布水支管，有效储水区右上方设置出水管。

上述的处理区布置于反冲洗储水区的中心部位，由处理区前挡板、处理区后挡板、处理区左挡板、处理区右挡板和处理区底板围挡组成。

上述的处理区由处理区前挡板、处理区后挡板、处理区左挡板和处理区右挡板均为矩形平面薄板，处理区底板为穿孔的矩形平面薄板。在处理区底板上均匀地设有配水孔，总面积占处理区底板上表面面积的15%~20%。

上述的有效储水区由储水区前挡板、储水区后挡板、储水区左挡板、储水区右挡板围挡组成。

上述的储水区前挡板、储水区后挡板、储水区左挡板、储水区右挡板均为矩形平面薄板。

上述的过水区由过水区前挡板、过水区后挡板、过水区左挡板、过水区右挡板、过水区底板围挡组成。

上述的过水区前挡板、过水区后挡板、过水区左挡板、过水区右挡板、过水区底板均为矩形平面薄板。过水区各挡板上沿分别与储水区各挡板下沿紧密连接。

上述的过水孔板为穿孔的矩形平面薄板，与处理区前挡板、处理区后挡板、处理区左挡板、处理区右挡板紧密连接。在过水孔板上均匀地设有过水孔，总面积占过水孔板上表面面积的15%~20%。

上述的虹吸罩为上封口、下开口的中空圆柱体，垂直设置于过水孔板的中心位置，下部垂直穿出过水板，并与其密封连接。其外壁分别与过水板上下表面各4块三角支撑板紧密连接。虹吸反冲洗管为两端敞口的圆形管道，垂直设置于虹吸罩的内部，其回转中轴线与虹吸罩的回转中轴线重合，下部垂直穿出处理区底板以及过水区底板，并与其紧密连接。

上述的进水布水管、布水支管均为水平设置的圆柱形中空管道，进水布水管两侧对称分布有10根布水支管，即进水布水管与10根布水支管呈“丰”字型布置。各布水支管上均设有布水孔。布水孔为圆形小孔，以各布水支管的管中轴线为对称轴，对称分布于每根布水支管的圆形外壁上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）管理简单，运行高效。在结构设计上既保留了垂直潜流人工湿地处理区，又增加了生物过滤处理区，保证了***去除污染物的高效性。同时通过自动反冲洗功能的设计，在减少人力输出的同时，反冲洗后人工湿地也能较快的恢复正常工作，较好地实现了人工湿地运行管理上简单方便的工艺特点。

（2）纳污能力强。通过反冲洗作用，生物过滤处理区内的污染物可及时排出湿地内部，在保证水质的情况下，本发明的承纳污染物的能力是其他人工湿地的数倍。

长期稳定运行。通过自动反冲洗功能，实现了反冲洗工序的精确控制；周期性清除内部堵塞物，延长人工湿地的使用寿命。为本发明的长期高效稳定运行提供了保证。

附图说明

图1为本发明一种自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置的俯视图。

图2为本发明一种自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置的正视图。

图3为本发明一种自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置的侧视图。

图4为图1的Ⅰ-Ⅰ剖视图。

图5为图1的Ⅱ-Ⅱ剖视图。

图6为图4的Ⅲ-Ⅲ剖视图。

图7为图4的Ⅳ-Ⅳ剖视图。

图8为图6的A点大样图。

图9为图7的B点大样图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图1-9，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

一种自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，包括内部的处理区1，外部的反冲洗储水区2。处理区1为上方敞口的长方体立体结构，由过水孔板106分隔成上下两个部分，上部为人工湿地处理区11，下部为生物过滤处理区12。反冲洗储水区2包括上部的有效储水区21和下部的过水区22。有效储水区21为上、下两端敞口的中空长方体，过水区22为上端敞口下端密封的中空倒棱台。处理区1由支撑柱107支撑在过水区底板225上。在处理区1中部设置虹吸罩121、虹吸反冲洗管122，在人工湿地处理区11上部设置进水布水管111，在有效储水区21右上方设置出水管215。

所述的处理区1由处理区前挡板101、处理区后挡板102、处理区左挡板103、处理区右挡板104和处理区底板105围挡组成，各挡板之间以及各挡板与处理区底板105之间均紧密连接。所述的处理区前挡板101、处理区后挡板102、处理区左挡板103、处理区右挡板104均为矩形平面薄板，各挡板尺寸结构相同。处理区底板105为穿孔的矩形平面薄板，在处理区底板105上设有配水孔1051。

处理区1的横截面积为有效储水区21横截面积的15%~30%，并布置于反冲洗储水区2的中心部位，即处理区1的垂直中心线与反冲洗储水区2的垂直中心线重合。处理区1的上沿高出反冲洗储水区2的上沿的距离为有效储水区21垂直高度的1.5~2.0倍。处理区1的底部即处理区底板105距离过水区底板225的高度为过水区22垂直高度的1/4~1/3。

所述的配水孔1051为圆形小孔，均匀布置在处理区底板105上。配水孔1051的总面积占处理区底板105上表面面积的15%~20%。

所述的过水孔板106为穿孔的矩形平面薄板，与处理区底板105的距离为处理区1高度的40%~50%。过水孔板106与处理区前挡板101、处理区后挡板102、处理区左挡板103、处理区右挡板104紧密连接。在过水孔板106上设置过水孔1061。

所述的过水孔1061为圆形小孔，均匀布置在过水孔板106上，可使上部人工湿地处理区11的水均匀流入下部生物过滤处理区12。过水孔1061的总面积占过水孔板106上表面面积的15%~20%。

所述的支撑柱107为横截面为矩形的长方体空心立柱，在处理区底板105的四个边角上各布置一根，一共四根。各支撑柱上端均垂直于处理区底板105并与其紧密连接，支撑柱107的下端垂直支撑于过水区底板225的上表面。

所述的进水布水管111为水平设置的圆柱形中空管道，直径为虹吸反冲洗管122的45%~65%。进水布水管111左端垂直穿过处理区左挡板103的中心偏上部位，右端与处理区右挡板104的内壁垂直密封连接，进水布水管111距处理区1上沿的中心距为处理区1总高度的1/22，其两侧对称分布有10根布水支管112，即进水布水管111与10根布水支管112呈“丰”字型布置。

所述的布水支管112为圆柱形中空管道，直径为进水布水管111的30%~40%，以进水布水管111的管中线为对称轴，左右对称布置，等径等长。各布水支管112的起端均垂直于进水布水管111管中线，分别与进水布水管111的出水口密封连接。各布水支管112的末端分别垂直于处理区前挡板101、处理区后挡板102，并分别与其密封连接。各布水支管112上均设有布水孔1121。

所述布水孔1121为圆形小孔，以各布水支管112的管中轴线为对称轴，对称分布于每根布水支管112的圆形外壁上。所述的虹吸罩121为上端封口、下端开口的中空圆柱体，其直径约为虹吸反冲洗管122直径的两倍，垂直设置于过水孔板106的中心位置，其上顶盖距进水布水管111的净距为进水布水管111直径的1倍，其下部垂直穿过过水板106，并与其密封连接，为保证其稳固，其外壁分别与过水板106的上下表面通过8块三角支撑板123紧密连接，即过水板106上下表面各4块三角支撑板123，以虹吸罩121的旋转轴线为对称中心，360°环形阵列平均布置，即各个三角支撑板123之间的夹角为90°，并以过水板106为对称轴，相互之间上下对称布置。

所述的虹吸反冲洗管122为两端敞口的圆形管道，垂直设置于虹吸罩121的内部，其回转中轴线与虹吸罩121的回转中轴线重合。虹吸反冲洗管122上端与虹吸罩121顶盖之间的净距约为虹吸反冲洗管122直径的1/2，其下部垂直穿出处理区底板205以及过水区底板225，并与处理区底板205以及过水区底板225密封连接。虹吸反冲洗管122底端伸出过水区底板225的直管段长度约为其直径的5倍。

所述的有效储水区21由储水区前挡板211、储水区后挡板212、储水区左挡板213、储水区右挡板214围挡组成，各挡板之间紧密连接。所述的储水区前挡板211、储水区后挡板212、储水区左挡板213、储水区右挡板214均为矩形平面薄板，各挡板结构尺寸相同。

所述的过水区22由过水区前挡板221、过水区后挡板222、过水区左挡板223、过水区右挡板224、过水区底板225围挡组成，各挡板之间以及各挡板与底板之间均紧密连接，且过水区前挡板221、过水区后挡板222、过水区左挡板223、过水区右挡板224的上沿分别与储水区前挡板211、储水区后挡板212、储水区左挡板213、储水区右挡板214的下沿紧密连接，即过水区22的垂直中心线与有效储水区21的垂直中心线重合。所述的过水区前挡板221、过水区后挡板222、过水区左挡板223、过水区右挡板224、过水区底板225均为矩形平面薄板。过水区前挡板221、过水区后挡板222、过水区左挡板223、过水区右挡板224的结构尺寸相同。过水区底板225的面积为过水区22横截面积的30%~50%。

所述的出水管215为圆柱形中空管道，其直径是进水布水管111直径的1.5倍，其左端与储水区右挡板214所开的出水孔密封连接。出水管215的中心位于储水区右挡板214的垂直中线的上部，其管顶与储水区右挡板214上沿的距离为出水管215直径的1倍。

另外，本发明的主体（处理区1，反冲洗储水区2）可由8~10mm厚的PE、PVC或PPP材料模压制成，也可由1mm~3mm厚的不锈钢板钣金焊接制成，或是由混凝土浇筑与防渗膜铺装而成。处理区1高度为2000~2500mm、长度和宽度为800~1500mm，反冲洗储水区2高度为1400~1900mm、长度和宽度为3000~3500mm。虹吸反冲洗管的直径为130~200mm，进水布水管111、布水支管112、虹吸罩121、出水管225的直径根据上述与虹吸反冲洗管直径的相互比例关系选取。配水孔的直径为20~30mm，布水孔的直径为6~10mm。

本发明的工作原理是：

（1）填充基质。装置组装完成后，需要在处理区1内填充基质。根据人工湿地处理区11与生物过滤处理区12所设置的不同处理功能，在人工湿地处理区11与生物过滤处理区12可以填充不同类型或不同尺寸的基质或者基质组合。人工湿地处理区11内适当选择粒径较大、较均匀而且机械和化学性质都较稳定的基质增加其原始纳污能力。在生物过滤处理区12填充粒径较小、孔隙比较大的基质，以保证其较好的挂膜能力和出水水质。

（2）栽种植物。基质填充好后可在人工湿地处理区11的上方移栽或种植多种不同类型的具有相应净水功能的水生植物。植物品种应选择阻截进水悬浮污染物能力较好、泌氧能力较强、根系发达、地上生物量较大的水生植物品种。植物移栽度过缓苗期，可配制营养液，促使植物根茎生长，从而使植物尽快适应新的人工湿地基质环境。

（3）启动。待植物生长稳定后，可由进水布水管111间歇性注入污水，并通过水位高低的调节，促使植物根系向基质深处生长。然后可逐渐增加进水频次，以达到对于基质中的微生物进行驯化的目的。直至达到正常的进水水质和水量后，监测进水和出水水质，待出水水质稳定后可认为人工湿地完成启动阶段。

（4）运行。污水从进水布水管111流向布水支管112，经布水孔1121均匀布水，进入人工湿地处理区11，通过过水孔板106上的过水孔1061均匀流入生物过滤处理区12。若处理区1运行正常，则经处理区1处理后的污水可全部从处理区底板105上的配水孔1051流入过水区22。过水区22水位升高，进入有效储水区21，当水位升高至出水管215口时，处理后的污水由出水管215溢流出水。

当生物过滤处理区12的堵塞程度逐渐增大时，生物过滤处理区12的出水量逐渐减少，处理区1水位逐渐升高。当水位高过虹吸罩121下沿时，部分污水进入虹吸罩121与虹吸反冲洗管122间的环形间隙。当水位高过过水孔板106时，污水通过过水孔1061进入人工湿地处理区11，此时环形间隙的水位也一同升高。当环形间隙水位高过虹吸反冲洗管122管顶时，污水溢流进入虹吸反冲洗管122内，排出处理区1，满足虹吸反冲洗形成条件，反冲洗作用形成。通过虹吸的抽吸作用，处理区1的水位不断下降。当水位将要下降至虹吸罩121下沿时，反冲洗储水区2的水不断地通过处理区底板105上的配水孔1051回流至生物过滤处理区12，反冲洗开始。流速较大的反冲洗水流使得基质有一定膨胀度，污物在水流的剪切力与基质的摩擦力双重作用下脱落，并不断地通过虹吸反冲洗管122排出。当反冲洗储水区2的水位下降到有效储水区21底端下沿时，空气进入环形间隙内，虹吸作用停止，反冲洗结束，处理区1恢复正常运行进水流入人工湿地处理区11，流出生物过滤处理区12进入过水区22，过水区水位升高至有效储水区21并由出水管215溢流出水。运行一段时期后，基质堵塞，孔隙率减少，水头损失增加，基质上水位升高，则重复上述自动反冲洗过程。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神实质作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，包括内部的处理区，外部的反冲洗储水区，其特征在于：处理区为上方敞口的长方体立体结构，由过水孔板分隔成上下两个部分，上部为人工湿地处理区，下部为生物过滤处理区；反冲洗储水区包括上部的有效储水区和下部的过水区；有效储水区为上、下两端敞口的中空长方体，过水区为上端敞口下端密封的中空倒棱台；处理区由支撑柱支撑在过水区底板上；处理区中部设置有虹吸罩、虹吸反冲洗管，人工湿地处理区上部设置进水布水管、布水支管，有效储水区右上方设置出水管。

2.根据权利要求1所述的自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，其特征在于：所述的处理区布置于反冲洗储水区的中心部位，由处理区前挡板、处理区后挡板、处理区左挡板、处理区右挡板和处理区底板围挡组成。

3.根据权利要求2所述的自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，其特征在于：所述的处理区由处理区前挡板、处理区后挡板、处理区左挡板和处理区右挡板均为矩形平面薄板，处理区底板为穿孔的矩形平面薄板，在处理区底板上均匀地设有配水孔，总面积占处理区底板上表面面积的15%~20%。

4.根据权利要求1所述的自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，其特征在于：所述的有效储水区由储水区前挡板、储水区后挡板、储水区左挡板、储水区右挡板围挡组成。

5.根据权利要求4所述的自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，其特征在于：所述的储水区前挡板、储水区后挡板、储水区左挡板、储水区右挡板均为矩形平面薄板。

6.根据权利要求1所述的自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，其特征在于：所述的过水区由过水区前挡板、过水区后挡板、过水区左挡板、过水区右挡板、过水区底板围挡组成。

7.根据权利要求6所述的自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，其特征在于：所述的过水区前挡板、过水区后挡板、过水区左挡板、过水区右挡板、过水区底板均为矩形平面薄板，过水区各挡板上沿分别与储水区各挡板下沿紧密连接。

8.根据权利要求1所述的自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，其特征在于：所述的过水孔板为穿孔的矩形平面薄板，与处理区前挡板、处理区后挡板、处理区左挡板、处理区右挡板紧密连接，在过水孔板上均匀地设有过水孔，总面积占过水孔板上表面面积的15%~20%。

9.根据权利要求1所述的自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，其特征在于：所述的虹吸罩为上封口、下开口的中空圆柱体，垂直设置于过水孔板的中心位置，下部垂直穿出过水板，并与其密封连接，其外壁分别与过水板上下表面各4块三角支撑板紧密连接，虹吸反冲洗管为两端敞口的圆形管道，垂直设置于虹吸罩的内部，其回转中轴线与虹吸罩的回转中轴线重合，下部垂直穿出处理区底板以及过水区底板，并与其紧密连接。

10.根据权利要求1所述的自动反冲洗的垂直替流复合型人工湿地装置，其特征在于：所述的进水布水管、布水支管均为水平设置的圆柱形中空管道，进水布水管两侧对称分布有10根布水支管，即进水布水管与10根布水支管呈“丰”字型布置，各布水支管上均设有布水孔，布水孔为圆形小孔，以各布水支管的管中轴线为对称轴，对称分布于每根布水支管的圆形外壁上。