适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统

摘要

本发明提供一种适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统，包括：预处理系统、水车发电系统、表面流人工湿地和照明系统，水车发电系统包括水车设备和发电设备，水车设备的转动轴与发电设备的动力接收端连接，发电设备的电能输出端连接供电电源；照明系统包括多个植物生长灯，植物生长灯与供电电源连接。本发明能够实现在无法利用太阳能的山城地区或高差较大地区，改用水力发电作为清洁能源，利用植物生长灯实现植物24小时光合作用，且利于照明系统中板件镜面反光膜消除照明系统对日光的影响，以达到促进植物、微生物协同作用的目的，同等建设条件，提高了表面流人工湿地污水净化效率，系统结构简单合理，不需高成本投入，后期维护简便。

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统。

背景技术

运用人工湿地处理污水可追溯到1903年的英国，人工湿地在世界各地逐渐受到重视并被运用始于20世纪70年代，我国自1987年建成第一个人工湿地后，也开始了对人工湿地的研究，随后人工湿地技术广泛应用于污水处理行业，应用范围广、处理效果好的人工湿地为水平潜流和垂直流，表面流人工湿地较其他两种人工湿地占地面积大、处理效率低，目前国内很少用表面流人工湿地直接作为生活污水的二级处理，多用于微污染地表水的治理及景观型湿地建设，表面流人工湿地技术应用于污水处理有很大提升空间。

表面流人工湿地净化污水是湿地中植物、微生物和土壤相互之间的物理、化学、生物等过程协同作用的结果，主要通过植物的茎叶的拦截、吸收吸附，微生物的分解及污染物的自然沉降实现污染物的去除。

有研究表明，湿地植物根际效应是通过提高微生物的活性或数量，来提高污水中污染物的去除，而影响湿地植物生长的最大因素为光照时间。若要提高表面流人工湿地处理效率，则应提高湿地植物有效光照时间。据统计，中国日照时间最长的城市是拉萨，2990.1小时/年，中国日照时间最短的城市是重庆，1023.7小时/年，中国日照时间最短城市日均光照时间不足3小时，重庆又是山城的代表，山城地区普遍存在光照时间少的问题。如采用电网供电给植物生长灯将极大增加运营费用，体现不出人工湿地运行费用低的优势，且山城地区光照时间短显然不能利用太阳能发电。

因此，有必要提供一种适用于山城地区且处理效率高、不需能耗或少用能耗、建造成本低且运行成本低的表面流人工湿地系统。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明解决的技术问题在于提供一种适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统，包括：

预处理系统，包括污水沉淀装置和污水生化反应装置；所述污水沉淀装置的出水口与所述污水生化反应装置的入水口连接；

水车发电系统，包括水车设备和发电设备，所述水车设备的转动轴与所述发电设备的动力接收端连接，所述发电设备的电能输出端连接供电电源；所述污水生化反应装置的出水口排出的水流通过所述跌水结构排出到所述水车设备上，驱动所述水车设备转动；

表面流人工湿地，设置于所述水车设备的下方；

照明系统，包括多个植物生长灯，所有的所述植物生长灯沿着所述表面流人工湿地的长度方向均匀排布成多个灯列；每个所述灯列中的所有的所述植物生长灯沿着所述表面流人工湿地的宽度方向均匀排布，所有的所述植物生长灯均设置于所述表面流人工湿地的上方，所有的所述植物生长灯均与所述供电电源连接。

优选地，所述照明系统还包括多个横向支撑管件和多个保护板组件；所有的所述横向支撑管件固定设置，所述横向支撑管件与所述保护板组件一一对应，每个灯列上设有一个所述横向支撑管件，每个所述横向支撑管件的轴向与所述表面流人工湿地的宽度方向平行；

每个所述横向支撑管件处于相应的所述灯列的上方，每个所述横向支撑管件与相应的所述灯列的所有的植物生长灯连接；

所述保护板组件包括两个相连接的保护板件，两个所述保护板件均向下倾斜设置，两个所述保护板件形成尖顶结构，两个所述保护板件的上端均与所述横向支撑管件连接，每个所述保护板件的上表面和下表面均贴有镜面反光膜，每个所述保护板组件罩在相应的所述灯列的所有的所述植物生长灯的上方。

进一步地，每个所述植物生长灯的外部设有透光保护罩。

进一步地，每个所述植物生长灯通过牵引线与相应的所述横向支撑管件连接。

优选地，所述跌水结构为具有水位差且驱动水流自由跌落的输水管道或者具有水位差且驱动水流自由跌落的建筑结构。

优选地，所述表面流人工湿地包括由上到下依次设置的植物层和土层；所述植物层包括挺水植物和沉水植物，所述挺水植物和所述沉水植物间隔布置。

进一步地，所述挺水植物为紫芋、泽泻或慈姑中一种或多种。

进一步地，所述沉水植物为苦草、金鱼藻或眼子菜中的一种或多种。

进一步地，所述植物层与所述土层之间为蛭石填料层。

进一步地，所述土层为种植土。

如上所述，本发明的适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统，具有以下有益效果：

本发明能够实现在无法利用太阳能的山城地区或高差较大地区，改用水力发电作为清洁能源，利用植物生长灯实现植物24小时光合作用，且利于照明系统中板件镜面反光膜消除照明系统对日光的影响，以达到促进植物、微生物协同作用的目的，同等建设条件，大大提高表面流人工湿地污水净化效率，且系统结构简单合理，不需高成本投入，后期运营维护简单，适于在山城地区或落差较大地区推广使用。

附图说明

图1显示为本实施例的适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统的结构示意图。

图2显示为本实施例的适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统的照明系统的结构示意图。

图3显示为本实施例的适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统的供电电源与发电设备和植物生长灯连接的原理图。

附图标号说明

100 预处理系统

110 污水沉淀装置

120 污水生化反应装置

210 水车设备

220 发电设备

230 供电电源

300 跌水结构

400 表面流人工湿地

410 植物层

411 挺水植物

412 沉水植物

420 土层

430 蛭石填料层

440 防渗层

450 边坡结构

500 照明系统

510 植物生长灯

520 横向支撑管件

530 保护板件

540 透光保护罩

550 牵引线

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例的适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统，包括：

预处理系统100，包括污水沉淀装置110和污水生化反应装置120；污水沉淀装置110的出水口与污水生化反应装置120的入水口连接；

水车发电系统，包括水车设备210和发电设备220，水车设备210的转动轴与发电设备220的动力接收端连接，发电设备220的电能输出端连接供电电源230；污水生化反应装置120的出水口排出的水流通过跌水结构300排出到水车设备210上，驱动水车设备210转动；

表面流人工湿地400，设置于水车设备210的下方；

照明系统500，包括多个植物生长灯510，所有的植物生长灯510沿着表面流人工湿地400的长度方向均匀排布成多个灯列；每个灯列中的所有的植物生长灯510沿着表面流人工湿地400的宽度方向均匀排布，所有的植物生长灯510均设置于表面流人工湿地400的上方，所有的植物生长灯510均与供电电源230连接。

污水沉淀装置110能够沉淀污水中的固态杂质；污水生化反应装置120能够使污水进行厌氧、缺氧反应，以便于后续进行好养反应；

污水生化反应装置120的出水口与水车设备210具有水位差，污水生化反应装置120的出水口排出的水流通过跌水结构300排出到水车设备210上，则驱动水车设备210转动；水车设备210的转动轴与发电设备220的动力接收端连接，发电设备220的电能输出端连接供电电源230，水车设备210的动能转化电能后，电能存储于供电电源230中，供电电源230为蓄电池；供电电源230为植物生长灯510供电，植物生长灯510使表面流人工湿地400具备24小时光照条件。经过表面流人工湿地400的污水能够实现污染物的去除，最终向外排出。利用自然水位落差使污水与水车设备210上的转轮叶板撞击，污水与空气充分接触，使污水中溶解氧含量大大增加，减少人工曝气环节，为后续好氧反应提供必备条件，有利于提高污水处理效率，同时能够节省曝气增氧环节的占地、土建及设备费用。污水通过跌水结构300冲击水车设备210，水车设备210的转轮叶板转动，通过转轮叶板带动水车设备210的转动轴转动，使得发电设备220联动后发电，发电设备220发出的电能储存于供电电源230。

本发明能够实现在无法利用太阳能的山城地区或高差较大地区，改用水力发电作为清洁能源，利用植物生长灯510实现植物24小时光合作用，促进植物、微生物协同作用，同等建设条件，大大提高表面流人工湿地400污水净化效率，可作为污水处理二级工艺直接处理生活污水，且系统结构简单合理，不需高成本投入，后期运营维护简单，适于在山城地区或落差较大地区推广使用。24小时光照及污水中氮磷等养分持续补给条件下，表面流人工湿地400中的植物生长速率为常规植物的4倍以上，可视其生长条件收割，经处理后可作为畜牧业饲料或农业费肥料，实现经济价值。

污水沉淀装置110为沉淀池、调节池、隔油池中的一种或两种。根据污水水质不同，选择相应的具备沉淀功能的污水沉淀装置110，对污水进行预处理。

污水生化反应装置120为厌氧池、水解酸化池中一种或两种。据污水水质不同，选择相应的具备生化功能的污水生化反应装置120，对污水进行厌氧、缺氧反应，对生活污水进行初步降解，便于后续污水在表面流人工湿地400中进行好氧反应，如大分子有机物的降解，以提高生活污水生化处理的可行性。

跌水结构300为具有水位差且驱动水流自由跌落的输水管道或者具有水位差且驱动水流自由跌落的建筑结构。

跌水结构300的水位差不小于8m，当跌水结构300为输水管道时，输水管道采用PVC管或PE管，PVC管或PE管的摩擦系数小，且输水管道与水平面夹角不宜过小，输水管道与水平面夹角为60°～90°，以减小水头损失，最大化利用水位差。本实施例中，跌水结构300为输水管道

照明系统500还包括多个横向支撑管件520和多个保护板组件；所有的横向支撑管件520固定设置，横向支撑管件520与保护板组件一一对应，每个灯列上设有一个横向支撑管件520，每个横向支撑管件520的轴向与表面流人工湿地400的宽度方向平行；

每个横向支撑管件520处于相应的灯列的上方，每个横向支撑管件520与相应的灯列上的所有的植物生长灯510连接；

保护板组件包括两个相连接的保护板件530，两个保护板件530均向下倾斜设置，两个保护板件530形成尖顶结构，两个保护板件530的上端均与横向支撑管件520连接，每个保护板件530的上表面和下表面均贴有镜面反光膜，每个保护板组件罩在相应的灯列的所有的植物生长灯510的上方。

为了便于植物生长灯510的设置，每个植物生长灯510通过牵引线550与相应的横向支撑管件520连接。

每个植物生长灯510的外部设有透光保护罩540。透光保护罩540与横向支撑管件520连接，透光保护罩540的设置，延长了植物生长灯510的使用寿命，便于后期擦拭维护。本实施例中，透光保护罩540为圆形玻璃透光保护罩540。

每个保护板组件形成的尖顶结构罩设在相应的植物生长灯510的上方，由于表面流人工湿地400与周边落差较大，保护板件530能够保护下方植物生长灯510及透光保护罩540。

保护板件530的上表面和下表面均贴有镜面反光膜，太阳光具备有效光照时利用保护板件530的上表面上的镜面反光膜，将阳光反射至表面流人工湿地400，减小由于保护板件530遮光对光合作用的影响，保护板件530的下表面上的镜面反光膜在植物生长灯510启用时将光源折射、反射，以增强对表面流人工湿地400上的植物的光照强度，有利于减小植物生长灯510的功率，减小系统功耗，节约能源。

保护板件530采用2.5mm厚镀锌钢板，保护板件530的宽度20～30cm，保护板件530的宽度与表面流人工湿地400的宽度一致，保护板件530与相应的横向支撑管件520焊接牢固，两个保护板件530之间角度为90°～120°，由于表面流人工湿地400与周边落差较大，保护板件530还能保护下部的圆形玻璃透光保护罩540不受高处坠物损毁危害。保护板件530的上表面和下表面均粘贴3mm厚的镜面反光膜，镜面反光膜的长宽尺寸与保护板件530的长宽尺寸一致。

牵引线550为钢丝线，牵引线550采用公称直径9.8mm的钢绞线，用于悬吊透光保护罩540，牵引线550的两端采用绑扎形式连接横向支撑管件520和透光保护罩540，钢绞线应做好防腐处理。牵引线550下端连接透光保护罩540的中部。

圆形玻璃透光保护罩540的直径以三倍于植物生长灯510的灯径设置，圆形玻璃透光保护罩540的壁厚1.2～2mm，透光率＞90％，圆形玻璃透光保护罩540用于保护内部的植物生长灯510，防止植物生长灯510落灰，防止影响光照强度，防止下雨时溅水造成电路进水短路，防止蚊蛾等小型动物进入植物生长灯510的内部，影响植物生长灯510光照强度并增加管护难度。

植物生长灯510选用规格为直径26mm，长度1200mm，功率36W。根据有关研究表明，波长为400～520nm蓝色光线以及610～720nm红色光线对于光合作用贡献最大，植物生长灯510为LED植物灯，植物生长灯510选用红蓝组合光源，距常水位0.3～0.5m可为水生植物24小时提供有效光源，促进植物光合作用并使植物与微生物之间的协同作用最大化，将表面流人工湿地400的污染物去除效率最大化。

每个灯列中的所有植物生长灯510之间采用并联连接，便于后期维护，LED植物生长灯510中的LED光源之间采用串联连接，连接电线利用可拆卸、绝缘、防腐、防水、局部一定强度的材料密封，如PVC管，保障维护安全、系统稳定、维护便利。

照明系统500还包括多个纵向支撑管件，每个纵向支撑管件的轴向与表面流人工湿地400的宽度方向垂直，所有的纵向支撑管件间隔设置，每个纵向支撑管件均与所有的横向支撑管件520连接；所有的纵向支撑管件和所有的横向支撑管件520形成框架结构，框架结构用于支撑所连接的部件。横向支撑管件520采用公称直径32mm～50mm的加厚镀锌钢管，纵向支撑管件采用公称直径80mm～100mm的加厚镀锌钢管，应注意镀锌层质量，防止腐蚀。纵向支撑管件底部采用混凝土砌块固定，纵向支撑管件入土深度大于1.5m，纵向支撑管件设置于表面流人工湿地400的边坡结构450或堰顶处。

表面流人工湿地400包括由上到下依次设置的植物层410和土层420；植物层410包括挺水植物411和沉水植物412，挺水植物411和沉水植物412间隔布置。植物生长灯510位于沉水植物412的上方，挺水植物411不宜过高，以实现光照均匀，光能利用最大化。

挺水植物411为紫芋、泽泻或慈姑中一种或多种。该挺水植物411耐污能力强、净化效果好、根茎叶发达、利于微生物富集、且植株高度不影响周围植物光照。

沉水植物412为苦草、金鱼藻或眼子菜中的一种或多种。该沉水植物412耐污能力强、净化效果好、根茎叶发达、且利于微生物富集。

植物层410与土层420之间为蛭石填料层430，蛭石填料层430具有污染物吸附效果好、比表面积大、孔隙率大、重量轻、廉价等优点，其自身可吸附一部分污染物，并可为微生物提供生长界面，可供大量微生物休养生息，形成生物膜，所以蛭石填料层430在去除污水中污染物同时为微生物提供生存空间，达到去除污染物的目的。蛭石填料层430的厚度为15～30cm，蛭石填料层430中蛭石的粒径为2～5cm，

表面流人工湿地400的植物覆盖率100％，挺水植物411占比20％～40％，沉水植物412占比60％～80％。选择以上植物可使植物的根茎叶与水接触面积最大化，在蛭石填料层430基础上，为有益微生物提供更多的生长空间。在根部，形成植物根孔，构成发达的土壤大孔隙网络，植物根孔是植物和土壤之间的多介质界面，由水、气、土壤、微生物和植物根系组成，是一个多层次界面系统，空隙中水分、溶质和空气的传输，为微生物提供了良好的生长界面和条件，对污染物的净化和降解起到重要作用。进一步地，本实施例的中挺水植物411和沉水植物412对脱氮除磷具备长期有效的去除效果。同时，在24小时光照条件下，本实施例的中挺水植物411和沉水植物412可在24小时内进行光合作用，可持续吸收转化污染物，其分泌物量将大大增加，这些分泌物又可作为微生物的营养物质，使植物、微生物之间的协同作用最大化，有利于污染物的去除。

土层420为种植土。土层420选用种植土，透水性及疏松程度好，可为表面流人工湿地400的植物提供扎根空间，固定表面流人工湿地400的植物并为根际微生物提供生存场地，促进植物底部根系与根际微生物相互作用，在24小时光合作用条件下，根系分泌物可促进有益微生物大量繁殖生长，有利于污水中污染物的去除。污水经下设种植土及铺设蛭石填料层430，上种植挺水、沉水的表面流人工湿地400后，经充分的物理、化学及生物反应实现污水中污染物的去除，最终污水向外排出。

表面流人工湿地400还包括防渗层440，防渗层440处于土层420的下方。由于表面流人工湿地400处理的水为经一级处理后的生活污水，含大量污染物，防渗层440的设置能够有效防渗后防止生活污水污染地下水和周边地表水。防渗层440采用两布一膜土工布，其作用为使表面流人工湿地400与下部土壤层分隔，防止污水渗漏。表面流人工湿地400的相对的两侧为边坡结构450。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，停止使用水车发电系统，改用电网供电，即取消进水曝气环节。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，表面流人工湿地400中未设置蛭石填料层430。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，将表面流人工湿地400中的种植土换成普通土壤。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，停止保护板件530上设置镜面反光膜。

总结：

在表面流人工湿地表面水力负荷0.5m

评价用水采集自山城生活污水管网，初始统一测得生活污水中COD

表1

以上结果表明，实施例1、4出水可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级B标准，说明本发明的适用于山城地区生活污水处理的表面流人工湿地系统表能够用于二级处理工艺直接处理生活污水。

综上，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。