利用水生植物处理被污染水或废水的净化系统

摘要

本发明提供了一种水生植物处理系统(5),其中从已被传统系统处理过的水中消除了氮和磷成分以及其他污染物质。根据本发明的水生植物处理系统(5)包括用于暂时存放送入的废水以将其分配到下一阶段的分配单元(51);用于通过过滤层(104a)过滤废水并用于通过过滤层(104a)内的眼子菜属植物消除氮和磷成分的第一单元(52);其内种植有用于净化来自第一单元(52)的水的凤眼蓝的第二单元(53);其的水面上种植有用于净化来自第二单元(53)的水的大浮萍的第三单元(54);以及其内设置有过滤层(104b),且其内种植有眼子菜属植物的第四单元(55)。

说明书

本发明涉及一种用于处理被污染或废弃的水的水生植物处理系统，更具体地说，本发明涉及一种利用水生植物的水处理系统，其处理已在利用水中微生物分解有机物质的传统的废水处理系统中生物处理过的水，从而消除存在于水中的氮和磷成份。此外，本发明涉及一种净化已在利用水中微生物分解有机物质的传统的废水处理系统中生物处理过的水的方法，从而消除存在于水中的氮和磷成份，水的净化是在多个水生植物单元内进行。

目前，各种废水和被污染的水污染河流和土壤，由此如何处理他们已成为严重的问题。从城镇家庭中排出的废水和从工厂和其他设施排出的废水使其严重性与日俱增。尤其是，学校、宿营露天场地、温泉、高尔夫场地、工厂、牲畜粪便处理工厂、牲畜废弃材料处理工厂以及类似处排出大量的废水而污染河流和土壤。因此，这些废水的有效处理已成为紧迫的问题。

在处理废水中，迄今生物方法已广泛使用。在生物处理方法中，利用微生物以使污染物分解，从而降低BOD(生物氧需求)。一般地，传统的生物处理厂包括：用于暂时存放到来的废水的存放池；用于利用微生物分解有机材料的曝气池；用于沉淀残渣的沉淀池；以及用于暂时存放被处理的水的最终存放池。

被生物处理过的水被排放到河流及海洋中，或是在其被排放到河流和海洋之前进行二次处理。在生物处理过的水中，有机物质被大部分清除，而残留下大量的氮和磷。剩余的氮和磷合成为诸如植物性浮游生物和苔藓的有机物质，结果产生了绿水(green water)。

为了从生物处理过的水中消除掉氮和磷，已尝试了多种方法，但目前还没有成功的。一种已尝试的方法为采用砂粒过滤和活性过滤来进行二次处理。然而，在这种方法中伴随有各种缺点，如处理效率低，操纵及设备成本高以及操纵技术苛刻，因此，这种方法不能投入实际使用。在另一方法中，诸如欧合叶子或类似物的特殊植物被试验性地尝试。例如，欧合叶子被种植在宽广的潮湿场地内以使其吸收氮和磷成份。或为了相同的目的而种植其他的植物。然而，在这个方法中，处理效率低，而另外，这些植物在冬季会枯萎。从而证实这种方法不可靠。

在本文中，本发明人已开发了一种可以加入到生物处理厂中以消除剩余的氮和磷成份的系统。

本发明的目的是提供一种水生植物处理系统，其可以进一步从已由传统的生物水处理系统处理过的水中消除氮和磷成份。

本发明的另一目的是提供一种水生植物处理系统，其可以附加地安装到传统的生物水处理系统上，或与其安装到一起。

本发明的再一目的是提供一种水生植物处理系统，其可以高效地从已由传统的生物水处理系统处理过的水中消除未处理的氮和磷成份。

本发明的另一目的是提供一种水生植物处理系统，其可以利用生物处理系统的废热随水生植物的生长在四季工作，即使在冬季。

本发明的另一目的是提供一种环境相适应的水处理系统，是因为仅由使用水生植物就消除了氮和磷成份，而不用任何化学品。

本发明的另一目的是提供一种水生植物处理系统，其构建和操纵成本适中，耐久性好，并且操作管理容易。

本发明的另一目的是提供一种水生植物处理系统，其具有缓慢的过滤方法以及回流冲洗，而可以使其净化效率最高。

本发明的其他目的和优点将从随后的公开物和所附的权利要求清楚地看出。

本发明提供了一种水生植物处理系统5，其中从已由传统系统生物处理过的水中消除氮和磷以及其他污染物质。根据本发明的水生植物处理系统5包括：用于暂时存放送入的废水以将其分配到下一阶段的分配单元51；用于通过过滤层104a过滤分配单元51的废水并用于通过过滤层104a的眼子菜属植物消除氮和磷成份的第一单元52；其内种植有用于净化来自第一单元52的水的凤眼蓝的第二单元53；其的水面上种植有用于净化来自第二单元53的水的大浮萍，并用于基于脱氮反应方法将氮气蒸发到外部大气中的第三单元54；以及其内设置有用于净化来自第三单元54的水的过滤层104b，并且其内种植有用于消除残余的氮和磷成份的眼子菜属植物的第四单元55。

从而，根据本发明，水生植物处理系统5安装在传统的曝气池2之上，并且在该系统5之上，安装有温室22以覆盖该系统5，因此，从曝气池2中产生的热量可以被利用。在该系统不能安装在曝气池2上的情况下，曝气池2可以安装在地基上，而水生植物处理系统5可以安装在建筑物的顶部。从而来自曝气池2的热气可以通过通气管道23到达水生植物处理系统5以将其加热。

水生植物处理系统5的过滤层104安装在分配盒105上，且过滤层104由六层构成。第一层201包含平均直径为30-60mm的卵石，而第六层包含平均直径为0.2-0.45mm的砂粒。

废水被第一单元52的过滤层104a和第四单元55的过滤层104b处理两次。因此，可以完全滤掉污染物。在流过过滤层104期间的水流速度为5-30m/天，从而提供了缓慢的过滤方法。

如果污染物质累积在过滤层104之内，就会增大流动阻力，导致流速下降。尤其是，如果通过第一单元52的过滤层104a的流速下降，那么分配单元51的水平面就会升高。在这种情况下，自动阀114、115、116和117被开启，以便水生植物处理系统5的水回流到存放池1。通过这种回流，已累积在过滤层104内的外来物质被冲洗掉。当回流系统完成其工作后，自动阀114、115、116和117关闭，而净化工作重新开始。

参照附图，可以更好地理解本发明的水生植物处理系统。

图1是废水处理系统的方块图，本发明的水生植物处理系统被用于传统的废水处理系统；

图2是根据本发明的水生植物处理系统的方块图；

图3是根据本发明的水生植物处理系统的横截面图；

图4是剖面的构造图，表示了本发明的水生植物处理系统安装在传统的废水处理系统上方的废水处理系统的一个实施例；

图5是剖面的构造图，表示了本发明的水生植物处理系统安装在传统的废水处理系统上方的废水处理系统的另一个实施例；

图6是表示应用于本水生植物处理系统的第一和第四单元的过滤层的结构的剖面视图。

从市区内的家庭中排放的废水，以及各种从学校、宿营露天场地、温泉、高尔夫场地、工厂、牲畜粪便处理工厂、牲畜废弃材料处理工厂以及类似处排出的废水被生物处理一次，然后使其流到河流及海洋中。通常，传统的生物处理设施包括：用于暂时存放到来的废水的存放池；用于利用微生物分解有机物料的曝气池；用于沉淀残渣的沉淀池；以及用于暂时存放处理过的水的最终存放池。在曝气池内，有机物质被微生物分解，并因此在此产生二氧化碳，并同时消耗氧气。

传统的生物处理过的水含有大量的有机物质以及氮和磷成分，特别是，剩余的氮和磷合成为诸如植物性浮游生物和苔藓等有机物质，结果产生了绿水(green water)，从而使水污染。

在本发明中，生物处理过的水通过利用水生植物再处理，从而消除了残余的氮和磷成份。

图1是示出根据本发明的水生植物处理系统的构成的方块图，图2是示出根据本发明的水生植物处理系统的方块图。该系统包括：分配单元、微生物在其内起作用的第一到第四单元、以及用于使第一到第四单元的水反向流动的回流系统。

图3是根据本发明的水生植物处理系统的剖面视图，图4示出了将水生植物处理系统加到传统的生物处理系统中的实例。

如图4所示，废水存放在存放池1内，且废水被泵13传送到曝气池2。有机物质被曝气池2内的微生物分解，且被处理的水通过一U形管传送到沉淀池3。在沉淀池中，残渣沉到池底，而处理过的水通过一溢水口(weir)18传送到最终存放池4以在此存放。

存放池1的上游可以设置一具有过滤网12的预存放池11，以便可以过滤掉固体物料。在存放池1和曝气池2之下安装有一通过鼓风机14喷出空气的充气装置15。通过充气装置15在存放池1内喷射空气的原因在于，可以防止水发臭味及淀析，从而使废水均匀。将空气喷射到曝气池2中的原因是有机物质必须被微生物分解。在曝气池2内，有机物质被需氧微生物分解，并因此消耗氧气，同时产生二氧化碳。通常，曝气池2由多个池构成，并在此产生热量。由于这个原因，热气流通过池顶升起。

当在曝气池2中的生物处理完成时，被处理的水流过U形管17而进入最终存放池4内。U形管17是用于扩散所产生的热量。在沉淀池3内，残渣沉淀到池底，以便排到外边。沉淀池3处理过的水通过溢水口18传送到最终存放池4内，且已处理的水被泵19供给到水生植物处理系统5。

被处理的废水暂时存放在水生植物处理系统5内，其内维持一定的水位高度。然后通过水生植物，在第一到第四单元52、53、54和55内将水净化，并在最后处理过的水最终被放掉之前，通过水管24、热交换器20和另一个水管25收集到排放池6内。热交换器20通过利用水生植物处理系统5的第四单元55的水的高温来将存放池1内的冷水加温。热交换器20升高了在存放池1和曝气池2之间的间隔内的冷水的温度。

水生植物处理系统5应优选地在曝气池2被混凝土覆盖后装设在曝气池2上方。如果采用这种方法，要被净化的水可以从曝气池2传送到水生植物处理系统5而不会损失热量。如果不可能这样安装，那么可以按以下方式安装。

在图4的特定的实例中，本发明的水生植物处理系统5被布置在曝气池2上方，并在其上安装一温室22。从而，本发明的水生植物处理系统容放在暖房之内。水生植物处理系统5具有混凝土结构或FRP结构的形式，并由支柱16支撑。支柱16可以采取钢筋混凝土、钢梁或桁架结构的形式。这将容易地由本领域技术人员完成。水生植物处理系统5的安装区域应根据设施容量的不同而不同。然而，其高度优选地为在第一和第四单元内的水深为1.2-1.5m。然而，这不是绝对的界限。

定位在上部底板上的水生植物处理系统5由鼓风机14的压缩热量和摩擦热量以及由在曝气池2内的微生物产生的氧化热量加热。系统5还通过温室的暖房的热量加热。因此，水生植物可以全年生长，而不用输入外部能量。在阴天或雨天，水生植物呈现较低的碳同化作用，并由此可以安装多个电灯泡21，从而供给所需的光量。以下将参照图3详细地描述该水生植物处理系统5。

图5示出了一特定的实例，其中本发明的水生植物处理系统5与传统的生物废水处理系统相组合。在图5的实例中，根据本发明的水生植物处理系统5不可安装在传统的生物处理系统曝气池2的顶部上。或者如果其不能安装在其上面，曝气池2可以安装在地下室上，而水生植物处理系统5安装在建筑物的顶部。从而，来自曝气池2的热气可以通过通气管道23输送到水生植物处理系统5以将其加热。

如图5中所示，废水或被污染的水被暂时存放在存放池1中，并然后由泵13输送到曝气池2，以便废水的有机物质可以被微生物分解。已被处理的水被输送到沉淀池3，在此残渣下沉到池底。然后如此处理的水被输送到最终存放池4，以便由泵19输送到水生植物处理系统5的分配单元51。

可以在存放池1的上游设置一预存放池11，以便废水中的固体物质可以被滤掉。存放池1和曝气池2的下游设置有充气装置15，由鼓风机14将空气喷射于其中。曝气池2一般由多个池构成。在曝气池2之内，产生有氧化热量(由微生物)，压缩热量以及摩擦热量(由鼓风机14)。这个热量被传导到其内安装有水生植物处理系统5的温室22。

被处理的废水暂时存放在水生植物处理系统5中，并在分配单元51内维持一定的水位高度。然后，水在第一到第四单元52、53、54和55内被水生植物净化，此后将如此处理过的水排放出。温室22容放图5的水生植物处理系统5，并从而该水生植物处理系统设置在暖房之内。在图5的特定实例中，氧化作用的热量(由微生物)以及压缩热量和摩擦热量(由鼓风机14)从曝气池2被传送到其内容放有水生植物处理系统5的温室22内。从而水生植物处理系统5维持在温暖的状态。此外，温室22还有助于水生植物处理系统5的加热，因此，水生植物可以在无外部能量供给的情况下生长。

图3是根据本发明的水生植物处理系统5的剖面图。在水生植物处理系统5中，从已由传统系统生物处理过的水中去除了氮和磷成份以及其他污染物质。本发明提供了一种水生植物处理系统5，其中氮和磷成份以及其它污染物质被从已由传统系统生物处理过的水中去除。根据本发明的水生植物处理系统5包括：用于暂时存放供入的废水以将其分配到随后各阶段的分配单元51；用于通过过滤层104a过滤分配单元51的废水，并用于通过过滤层104a的眼子菜属植物(water cltrops)消除氮和磷成份的第一单元52；其内种植有凤眼蓝(water hyacinths)的第二单元53，用于净化来自第一单元52的水；其水面上种植有大浮萍(great duckweeds)的第三单元54，用于净化来自第二单元53的水以及用于基于脱氮反应方法将氮气蒸发到外部大气中；以及其内设置有用于净化来自第三单元54的水的过滤层104b，且其内种植有用于消除残留的氮和磷成份的眼子菜属植物的第四单元55。

因此，根据本发明，水生植物处理系统5安装在传统的曝气池2上面，并且在系统5上方，安装有温室22以覆盖系统5，因此可以利用从曝气池2产生的热量。在其不能安装在曝气池2上的情况下，曝气池2可以安装在地下室上，而水生植物处理系统5可以安装在建筑物的顶部。从而，来自曝气池2的热气可以通过通气管道23输送到水生植物处理系统5中以将其加热。

水生植物处理系统5的过滤层104安装在分配盒105上部，且过滤层104由6层构成。第一层201包含平均直径为30-60mm的卵石，且第六层包含平均直径为0.2-0.45mm的砂粒。

废水由第一单元52的过滤层104a和第四单元55的过滤层104b两次处理。因此，可以完全滤除污染物。穿过过滤层104期间水的流速为5-30m/天，从而提供了缓慢的过滤方法。

如果污染物质累积在过滤层104内，那么流动阻力会增大，导致流动速度下降。尤其是，如果通过第一单元52的过滤层104a的流速减慢，那么分配单元51的水位就会升高。在这种情况下，自动阀114、115、116和117就会开启，以便水生植物处理系统5的水可以回流到存放池1内。通过这些回流的水，已累积在过滤层104内的异物被冲刷掉。当回流系统完成其工作时，自动阀114、115、116和117关闭，且净化工作重新开始。

已被引入分配单元51的水通过排放溢水口111并通过多个排放管道102被输送到安装在第一单元52之下的分配盒层105a。然后水向上流过过滤层104a。在水流经期间，有机物质黏着在卵石和砂粒上，这些有机物质被微生物分解。在供水领域内过滤层104的技术是公知的，然而，这项技术首先被本发明人用于净化废水。图6是示出设置在第一单元52和第四单元55内的过滤层结构的剖面图。

如图6所示，过滤层104安装在分配盒层105之上，并且过滤层104由第一层201到第六层206构成。在第一单元52的过滤层104内，第一层包含平均直径为30-60mm的大卵石，第二层202包含平均直径为5-30mm的卵石，第三层203包含平均直径为5-15mm的小的卵石，第四层204包含平均直径为2-5mm的粗砂粒，第五层205包含平均直径为0.45-0.7mm的砂粒，而第六层206包含平均直径为0.3-0.45mm的细砂粒。第一到第五层优选地具有20-50mm的厚度，而第六层优选地具有30-70的厚度，但是他们并不绝对地局限于这些厚度。穿过第一单元52的过滤层104期间的水流速度为5-30m/天，从而提供了缓慢的过滤方法。因此，在流过这个层期间，大部分污染物被去除。更优选地是，通过过滤层104的流速为10m/天。

在过滤期间，眼子菜属植物的根部在第六和第五层206和205内生长，且眼子菜属植物在第六层206的水内繁盛。眼子菜属植物吸收氮和磷成份，并由于这种植物的新陈代谢作用，消耗二氧化碳，同时产生氧气。结果，第一单元52在太阳光束或人工照明之下保持有氧状态。在夜间，人工供给氧气。

已被第一单元52处理的水流过水平溢水口108而到达第二单元53。在第二单元53内种植有凤眼蓝106。凤眼蓝将其叶片暴露在水面上，而他们的根部延伸到水中。在第二单元53内，凤眼蓝的根吸收氮和磷成份，且他们阻止氧气的溶解，而氧气被微生物消耗。他们的根部非常发达、很长且象纤维一样，并因此这些根部作用为微生物的接触介质，同时容纳大量的微生物。从而促进了氧气的消耗。因此，第二单元会导致缺氧状态。

已被第二单元53处理过的水流过多个通道109到达第三单元。在第三单元内种植有大浮萍107。大浮萍将其叶片暴露在水面上，而将其根部延伸入水中。大浮萍的根部比凤眼蓝的短得多。在第三单元54内，大浮萍的根部吸收氮和磷成份，同时他们的叶片阻止氧气进入水中。因此，第三单元54保持脱氧状态。

已被第三单元54处理过的水流过排放溢水口112和多个排放管道110到达第四单元55。第四单元55的组成与第一单元52的相类似。然而，引入到第四单元55内的水已被第一到第三单元处理过，并因此其过滤层104b与第一单元52的稍微不同。即，第一单元52的过滤层104a的第六层206包含平均直径为0.3-0.4mm的砂粒，而第四单元55的过滤层104b的第六层206包含平均直径为0.2-0.3mm的砂粒。被第四单元55处理过的水通过排放管道26放掉。

如果污染物质累积在过滤层104内，那么水流阻力就会升高，导致流速下降。尤其是，如果通过第一单元52的过滤层104a的流速下降，那么分配单元51的水位会升高。若分配单元51达到一定高度，水位控制器101将触发以开启自动阀114。水位控制器101和自动阀114由一控制器(未示出)自动触发，并且这个控制器可以由本领域技术人员制造。如果自动阀114开启，第一单元52和分配单元51内的水通过回流管道118被输送到存放池1内。在这种情况下，粘附在过滤层104a的卵石和砂粒上的外来物质将被冲洗掉。在过滤层104中，应当种植眼子菜属植物，原因如下：即，眼子菜属植物的根部不是分叉的，而是笔直并平行地延伸。因此他们对水流呈现较小的阻力，并在选择性地去除一些根部的情况下，他们不会缠结，同时在水回流期间根部很容易被冲洗。

如果阀115、116和117开启以使水回流，那么第二到第四单元也可以被冲洗。然而，第二到第四单元冲洗的间隔周期可以比第一单元的长。在普通废水的情况下，第一单元的回流可以每月进行两次，而第四单元的回流可以每年进行几次。然而，这些间隔周期可以根据废水的情况加以适当地调整。阀115、116和117的自动化可以通过利用控制器(未示出)容易地实现。当回流完成时，自动阀115、116和117关闭，且净化工作重新开始。

在本发明的水生植物处理系统5中，眼子菜属植物103种植在第一单元和第四单元52和55的过滤层104内，且凤眼蓝种植在第二单元53的水面上，而大浮萍种植在第三单元54的水面上。在第一和第四单元52和55内可以种植苔藓以取代眼子菜属植物。

眼子菜属植物103为每年枯萎的植物，在水中生长，且在冬季残存生长缓慢。他们在七到八月结果实，然后根部的尖部切掉，而茎浮到水面上，同时果实掉到水底以便随后发芽。眼子菜属植物的茎利用耙清除，附着在茎上的果实被收集起来以便来年播种。另一种眼子菜属植物为由根部繁殖。这两种眼子菜属植物可以组合着使用。

凤眼蓝106和大浮萍107在水处理功能和生长特性方面彼此类似。如果水温保持在7-8℃，并且如果供给有阳光，他们持续生长并繁殖。如果凤眼蓝过渡繁殖，可以用耙清除一部分，同时，如果大浮萍过渡繁殖，可以用不锈钢网去除一部分。在大型设施的情况下，他们由传送装置自动清除。本领域技术人员可以轻易地进行管理这些植物。

在本发明的水生植物处理系统5中，温室22覆盖该系统5，且该系统5由曝气池2产生的热量来内部加热。因此，白天的温度可以维持在20-30℃，而夜晚的温度可以维持在10-20℃。因此，本发明的净化过程可以继续，即使在冬季不能接收外部热量的情况下。

以上，基于本发明优选实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员，在不背离本发明的精髓和范围下显而易见地可以施加各种变化和改进。这种变化和改进应落在本发明的范围内。