一种人工湿地产业化构建方法

摘要

本发明涉及一种高效高产人工湿地产业化构建方法，包括下列步骤，（1）构建塑料大棚；（2）塑料大棚内构建多级纯水培垂直流人工湿地；（3）用植物纤维制作苗床；（4）在苗床上培育目标植物；（5）将带目标植物的苗床安置入垂直流湿地；（6）一段时间后将苗床与植物整体取走作为生物材料或经济产品。本发明通过目标植物营养生长盛期对污染物的最大化吸收利用达到高效净化和植物材料高产的目的，从而能够实现产业化构建模式，高效净化生活污水、养殖废水、工业废水以及污水处理厂中水等污水，同时产生高经济价值。具有占地少，不受季节和地域影响，经济高效的特点，特别适合在工厂园区、乡村、污染水体周围构建，能达到治污与经济双赢的效果。

说明书

技术领域

本发明属于生态修复技术领域，具体涉及一种高效高产人工湿地产业化构建方法。

背景技术

人工湿地能够利用生态系统中物理、化学和生物的三重作用实现对污水的强化净化。利用人工湿地去污与其他水质处理方法相比具有构建经济、管理方便、耗能少等优点；目前在世界各地得到了越来越广泛的重视。兼顾去污能力和经济效益的人工湿地是下一代构造湿地研究和应用的发展趋势。

按照布水方式，人工湿地可分为表面流湿地、潜流湿地和垂直流湿地。垂直流人工湿地表面布水均匀，水流输入、输出和停留时间具有高度可控性，从湿地上层进入，易于曝气复氧。因此，垂直流人工湿地对于快速复氧和协助植物快速生长最为有利。

一般人工湿地中使用各种填料作为基质，这些基质最初能够吸附氮磷等污染物质，但均存在会饱和的问题，饱和后如不及时更换基质，反而会释放污染物进入水体，成为污染源。

随着人口增加和经济增长，我国的水质污染问题日益突出，而污水处理能力尚显不足。截止到2010年，全国建市城市污水处理率仅为77.4%，农村生活污水搜集还处于起步阶段；2013年，全国工业和城镇废水排放总量695.4亿吨，污水处理率87%，而同年，农村生活污水处理率仅为8%。构建能够产业化的高效人工湿地，在净化污水的同时，能够收获高额的经济回报，对于解决我国的水污染将起到重要作用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的技术目的在于设计一种人工湿地产业化构建方法，通过构建塑料大棚、多级纯水培垂直流人工湿地、植物材料苗床和高效经济植物的选择，为经济高效人工湿地的建设提供技术支撑。

具体技术方案为：

一种人工湿地产业化构建方法，包括以下步骤：

（1）构建塑料大棚：

塑料大棚由白色塑料薄膜和钢筋支架组成，薄膜可拆卸，气温低于20℃时盖上塑料薄膜，气温高于20℃时去掉塑料薄膜。大棚规模根据实际需要建造，目的是保证高效高产人工湿地不受季节和地域的影响。塑料大棚构建在污水源头附近，用于维持温度的恒定，保证目标植物的生长不受温度制约。

（2）构建多级纯水培垂直流人工湿地：

垂直流人工湿地为宽度2米的水泥池，长度依据大棚长度而定，以利于更换苗床等人工操作。所构建的垂直流人工湿地无填充基质，营造纯水培条件；纯水培条件布水均匀，污染物分布也随之均匀，方便植物根系吸收；跟沙质基质的垂直流人工湿地相比，同样污水负荷和植物生长条件下，纯水培条件可提高30%以上的氮和磷去除率，20%左右的BOD₅和COD去除率；水位在20～50cm之间，依据目标植物的大小而定；入水管与水面相平，出水管离水底5cm，防止被沉降淤积物堵塞。所构建的垂直流人工湿地分为3个等级，初级净化池，次级净化池和末级净化池。污水在进入初级净化池前经沉淀池预处理，沉淀不可溶污染物后进入初级净化池，初级净化池接纳污水，次级净化池接纳来自初级池净化后的水，末级净化池接纳次级池净化后的水。次级和末级净化池依次低于初级净化池水平面20-50cm，使出水管与下级净化池进水管水平，保证池与池之间水体流动无需动力。初级净化池作用是去除有毒有害污染物，待有毒有害污染物去除率达到中水回用标准时排入次级净化池；次级净化池用于去除氮磷等营养物质，通过植物根系的吸收作用，进一步去除营养盐，达到达到地表水环境质量标准（GB3838-2002）IV类水以上时将水排入末级净化池；末级净化池用于培育目标植物幼苗，幼苗会继续吸收水中营养物质，进一步净化水质，出水达到国标地表水III类标准。其中，初级净化池、次级净化池和末级净化池均可根据水质净化要求或经济效益要求重复构建若干个。其中，初级净化池接纳的污水中总氮浓度高于1000mg/L时，用末级净化池出水对污水进行稀释，达到500mg/L或以下，避免对植物根部产生毒害。

多级纯水培垂直流人工湿地的构建，不仅提供了高效高净化率的人工湿地，还为高产和经济效益提供了保障。

（3）用植物纤维制作苗床：

苗床由初级净化池中目标植物的纤维编制育苗兜和支架，可带植物一起整体更换。植物纤维来源于初级净化池中的目标植物的全株植物体或苗床，经草绳机制作成待用的草绳。

植物纤维的苗床一方面由于松散，不阻碍溶氧和污染物均匀扩散，能够为目标植物根部缠绕提供基质；另一方面能够吸附一些沉淀的颗粒物，协助净化水质，为植物生长提供养分。植物纤维制作的苗床，包括育苗兜、支架和固定绳；所述的育苗兜宽度10-20cm，高度5-20cm，由植物纤维编织而成，纤维直径和育苗兜网孔大小依据目标植物大小而定，直径范围0.5-1cm，网孔直径1-2cm，以既能为植物根部提供缠绕支撑从而固定植物，又不阻碍水体自由流动为准；所述的支架，两侧为直径5cm的粗钢筋，固定在垂直流湿地的外侧，上端为植物纤维编织的直径5cm的粗绳，两端固定于钢筋柱上，中间悬空在垂直流湿地的水面上，供悬挂育苗兜；所述的固定绳由直径5cm的植物纤维编织而成，将支架的粗绳固定在两端的钢筋柱上，也将育苗兜固定在支架的粗绳上。

（4）在苗床上培育目标植物：

目标植物的培育在末级净化池中进行。目标植物选择高效去污和经济植物，根据不同污水类型和净化池级别而定，初级净化池选择芦苇、香蒲、灯芯草和莎草等高效去污的植物，次级净化池选择牧草、人工草坪、花卉和蔬菜经济植物，如草坪、花卉、牧草、蔬菜等，末级净化池用于培养目标植物的幼苗，在幼苗达到营养生长盛期前移入初级或次级净化池；待目标植物营养生长盛期结束后，整体更换初级和次级净化池中的苗床和植物，被更换的植物和苗床用于产生经济效益，根据目标植物种类的不同，可用做生物材料、燃料、草坪、饲料、花卉或蔬菜等。

（5）将苗床和植物一起放入垂直流人工湿地：

经过末级净化池培育后的目标植物，已经跟苗床紧密结合在一起，可以与苗床整体移入初级或次级净化池中，利用植物的快速生长，迅速吸收水体中的污染物，达到既净化水体，又生产大量生物量的目的。

（6）更换苗床：

初级净化池中的植物营养生长期结束、生长速率开始下降时，与苗床一起取出，一部分作为编织苗床的植物纤维，其余部分作为生物材料（造纸、生物燃料等）出售；次级净化池中的植物达到可出售要求的规格后取出，用于创造经济价值；末级净化池中的植物达到快速生长期之前，与苗床一起整体移入初级或次级净化池。

本发明设计的人工湿地产业化构建方法具有如下有益效果：

1、本发明的人工湿地产业化构建方法能够实现人工湿地处理系统的工业化生产。

2、本发明的方法通过构建高效高产的人工湿地单元，能够有效净化水质，使水体中污染物去除率达到90%以上，同时产生高经济价值；占地少，环保高效，经济效益高，且不受季节和地域影响，兼具治污与发展经济的双赢目的，特别适合在工厂园区、乡村、污染水体周围构建。

3、采用本发明方法构建的垂直流人工湿地，由于布水均匀，污染物分布也随之均匀，方便植物根系吸收；跟沙质基质的垂直流人工湿地相比，同样污水负荷和植物生长条件下，纯水培条件可提高30%以上的氮和磷去除率，20%左右的BOD₅和COD去除率，因此，从长远角度看，完全水培条件的人工湿地对可溶污染物的去除效果反而超过含基质人工湿地，净化效率更高。

4、采用本发明方法构建的垂直流人工湿地，去污效果主要赖于植物吸收利用，植物生长快时，营养盐去除速率也快；因此，利用植物生长最快的营养生长期对污水进行处理，能够迅速达到净化污水的效果，植物也因为有充足和均匀的营养来源，生长不受制约。

5、采用本发明方法构建的垂直流人工湿地，采用系统中产生的目标植物作为植物纤维的来源编织植物育苗兜和苗床，植物、育苗兜和育苗床能够成为一个材质上的整体，可整体迁移和回收利用，从而使人工湿地中的植物可循环利用、高效生产，节约时间、材料和成本，持续产生经济效益。

附图说明

图1是本发明构建的人工湿地示意图；

图示：1、塑料大棚；2、初级净化池；3、次级净化池；4、末级净化池。

图2是本发明构建的植物纤维苗床示意图；

图示：2-1、目标植物；2-2、固定绳；2-3、育苗兜；2-4、钢筋支架。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面以具体实施例进一步地阐述说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种人工湿地产业化构建方法，用于净化生活污水和养殖废水，同时生产蔬菜或牧草，包括：

（1）构建塑料大棚：

塑料大棚由白色塑料薄膜和钢筋支架组成，薄膜可拆卸，大棚宽度5米，高度5米，长度35米，气温低于20℃时盖上塑料薄膜，气温高于20℃时去掉塑料薄膜。

（2）构建多级纯水培垂直流人工湿地：

垂直流人工湿地水泥池宽度2米，初级净化池长度5米，高度60cm，宽度2米；次级净化池长度5米，高度40cm，宽度2米；末级净化池长度20米，高度30cm，宽度2米。所构建的垂直流人工湿地无填充基质，营造纯水培条件；初级净化池水位50cm；次级净化池水位30cm，末级净化池水位20cm。污水在进入初级净化池前经沉淀池预处理，沉淀不可溶污染物后进入初级净化池，初级净化池接纳污水，次级净化池接纳来自初级池净化后的水，末级净化池接纳次级池净化后的水。其中，初级净化池接纳的污水中总氮浓度高于1000mg/L时，用末级净化池出水对污水进行稀释，达到500mg/L或以下，避免对植物根部产生毒害。次级净化池低于初级净化池水平面25cm，末级净化池低于次级净化池15cm，使出水管与下级净化池进水管水平，保证池与池之间水体流动无需动力。

（3）用植物纤维制作苗床：

如图2所示，植物纤维制作的苗床，包括育苗兜、支架和固定绳；所述的育苗兜宽度20cm，高度20cm，由植物纤维编织而成，纤维直径和育苗兜网孔大小依据目标植物大小而定，为初级净化池培育目标植物的纤维直径1cm，育苗兜网孔直径2cm；为次级净化池培育目标植物的纤维直径0.5cm，育苗兜网孔直径1cm；所述的支架，两侧为直径5cm的粗钢筋，固定在垂直流湿地的外侧，上端为植物纤维编织的直径5cm的粗绳，两端固定于钢筋柱上，中间悬空在垂直流湿地的水面上，供悬挂育苗兜；所述的固定绳由直径5cm的植物纤维编织而成，将支架的粗绳固定在两端的钢筋柱上，也将育苗兜固定在支架的粗绳上。

（4）在苗床上培育目标植物：

目标植物的培育在末级净化池中进行。由于养殖废水中存在部分重金属、抗生素以及氮磷和COD等污染物，在初级净化减少氮磷和COD之后，可用于花卉、草坪等植物的培育。因此，苗床上培育的植物选择芦苇、香蒲、灯芯草、莎草、合萌、水芹、吉祥草和羊蹄等高效净化污水的植物用于初级净化池；全球在人工湿地中使用过的植物有80多种，这几种植物是使用频率最高且被公认污水净化效果最好的植物，且兼顾净温室效应潜力和环境美化；同时也培育花卉、草坪等植物用在次级净化池；如检测出无有毒有害污染物，也可在次级净化池中培育蔬菜。在末级净化池中，培育上述植物的幼苗，在进入营养生长盛期之前，用于更替初级和次级净化池中的植物。

（5）将苗床和植物一起放入垂直流人工湿地：

经过末级净化池培育后的目标植物，已经跟苗床紧密结合在一起，可以与苗床整体移入初级或次级净化池中，利用植物的快速生长，迅速吸收水体中的污染物，达到既净化水体，又生产大量生物量的目的。

（6）更换苗床：

初级净化池中的植物营养生长期结束、生长速率开始下降时，与苗床一起取出，一部分作为编织苗床的植物纤维使用，其余用作生物材料（造纸、生物燃料等）；次级净化池中的植物达到可出售要求的规格后取出，用于创造经济价值；末级净化池中的植物达到快速生长期之前，与苗床一起整体移入初级或次级净化池。

实施例2

本实施例的一种人工湿地产业化构建方法，用于净化工厂污水和生产草坪及花卉等经济植物，包括：

（1）构建塑料大棚：

塑料大棚由白色塑料薄膜和钢筋支架组成，薄膜可拆卸，大棚宽度15米，高度5米，长度55米，气温低于20℃时盖上塑料薄膜，气温高于20℃时去掉塑料薄膜。

（2）构建多级纯水培垂直流人工湿地：

垂直流人工湿地水泥池宽度2米，初级净化池长度10米，高度60cm，宽度2米；次级净化池长度20米，高度30cm，宽度2米；末级净化池长度20米，高度20cm，宽度2米。所构建的垂直流人工湿地无填充基质，营造纯水培条件；初级净化池水位50cm；次级净化池水位20cm，末级净化池水位10cm。污水在进入初级净化池前经沉淀池预处理，沉淀不可溶污染物后进入初级净化池，初级净化池接纳污水，次级净化池接纳来自初级池净化后的水，末级净化池接纳次级池净化后的水。其中，初级净化池接纳的污水中总氮浓度高于1000mg/L时，用末级净化池出水对污水进行稀释，达到500mg/L或以下，避免对植物根部产生毒害。次级净化池低于初级净化池水平面15cm，末级净化池低于次级净化池5cm，使出水管与下级净化池进水管水平，保证池与池之间水体流动无需动力。

（3）用植物纤维制作苗床：

植物纤维制作的苗床，包括育苗兜、支架和固定绳；所述的育苗兜宽度10cm，高度10cm，由植物纤维编织而成，纤维直径和育苗兜网孔大小依据目标植物大小而定，为初级净化池培育目标植物的纤维直径1cm，育苗兜网孔直径2cm；为次级净化池培育目标植物的纤维直径0.1cm，育苗兜网孔直径0.5cm；所述的支架，两侧为直径5cm的粗钢筋，固定在垂直流湿地的外侧，上端为植物纤维编织的直径5cm的粗绳，两端固定于钢筋柱上，中间悬空在垂直流湿地的水面上，供悬挂育苗兜；所述的固定绳由直径5cm的植物纤维编织而成，将支架的粗绳固定在两端的钢筋柱上，也将育苗兜固定在支架的粗绳上。

（4）在苗床上培育目标植物：

目标植物的培育在末级净化池中进行。由于工业废水中大多数含有重金属，目标植物只能选择净化效果好和人畜不食用的。因此，苗床上培育的植物选择芦苇、香蒲、灯芯草、合萌和莎草等高效净化污水的植物用于初级净化；草坪、花卉等人畜不直接食用的植物用于次级净化；如检测出无有毒有害污染物，也可在次级净化池中培育蔬菜。在末级净化池中，培育上述植物的幼苗，在进入营养生长盛期之前，用于更替初级和次级净化池中的植物。

（5）将苗床和植物一起放入垂直流人工湿地：

经过末级净化池培育后的目标植物，已经跟苗床紧密结合在一起，可以与苗床整体移入初级或次级净化池中，利用植物的快速生长，迅速吸收水体中的污染物，达到既净化水体，又生产大量生物量的目的。

（6）更换苗床：

初级净化池中的植物营养生长期结束、生长速率开始下降时，与苗床一起取出，作为编织苗床和生物材料（造纸、生物燃料等）使用；次级净化池中的植物达到可出售要求的规格后取出，用于创造经济价值；末级净化池中的植物达到快速生长期之前，与苗床一起整体移入初级或次级净化池。

实施例3

本实施例的一种人工湿地产业化构建方法，用于净化农业面源污染和污水处理厂排出的中水，包括：

（1）构建塑料大棚：

塑料大棚由白色塑料薄膜和钢筋支架组成，薄膜可拆卸，大棚宽度20米，高度5米，长度15米，气温低于20℃时盖上塑料薄膜，气温高于20℃时去掉塑料薄膜。

（2）构建多级纯水培垂直流人工湿地：

垂直流人工湿地水泥池宽度2米，初级净化池长度5米，高度30cm，宽度2米；次级净化池长度5米，高度20cm，宽度2米；无需构建3级净化池。所构建的垂直流人工湿地无填充基质，营造纯水培条件；初级净化池水位20cm；次级净化池水位10cm。污水在进入初级净化池前经沉淀池预处理，沉淀不可溶污染物后进入初级净化池，初级净化池接纳污水，次级净化池接纳来自初级池净化后的水。次级净化池低于初级净化池水平面5cm，使出水管与下级净化池进水管水平，保证池与池之间水体流动无需动力。

（3）用植物纤维制作苗床：

植物纤维制作的苗床，包括育苗兜、支架和固定绳；所述的育苗兜宽度5cm，高度5cm，纤维直径0.1cm，育苗兜网孔直径0.5cm；所述的支架，两侧为直径5cm的粗钢筋，固定在垂直流湿地的外侧，上端为植物纤维编织的直径5cm的粗绳，两端固定于钢筋柱上，中间悬空在垂直流湿地的水面上，供悬挂育苗兜；所述的固定绳由直径5cm的植物纤维编织而成，将支架的粗绳固定在两端的钢筋柱上，也将育苗兜固定在支架的粗绳上。

（4）在苗床上培育目标植物：

目标植物的培育在次级净化池中进行。由于农业面源污水和污水处理厂排出的中水中有毒有害污染物含量相对较少，主要是氮磷等营养物质。因此，苗床上培育的植物选择牧草、花卉等植物。在进入营养生长盛期之前，与苗床一起整体移入初级净化池中培育。如检测出无农药和重金属以及有机物污染，也可在次级净化池中培育蔬菜；否则，可以删减次级净化环节。

（5）将苗床和植物一起放入垂直流人工湿地：

经过次级净化池培育后的目标植物，已经跟苗床紧密结合在一起，可以与苗床整体移入初级净化池中，利用植物的快速生长，迅速吸收水体中的污染物，达到既净化水体，又生产大量生物量的目的。

（6）更换苗床：

初级净化池中的植物营养生长期结束、生长速率开始下降时，与苗床一起取出，用于创造经济价值；次级净化池中的植物达到快速生长期之前，与苗床一起整体移入初级或次级净化池。