本發(fā)明涉及一種人工濕地基質結構系統(tǒng)，特別涉及一種垂直流型人工濕地處理系統(tǒng)，具體涉及一種利用泥鰍土壤層和砂石基質層相結合構成的人工濕地基質結構，屬于污水治理環(huán)境領域。

背景技術：

人工濕地污水處理系統(tǒng)源于對天然濕地的模擬，是利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學和生物的三重協(xié)同作用，來實現對污水的凈化，由填料床和其他種植的植物組成。濕地植物與在水中、填料中生存的動物、微生物形成一個獨特的動植物生態(tài)環(huán)境，污水流經床體表面和床體填料縫隙時，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解等作用，實現對污水的高效凈化處理。

人工濕地系統(tǒng)目前常用于農村生活污水的處理。人工濕地主要依靠填料上生長的微生物膜和植物根莖不斷繁殖迸行新陳代謝來處理污水的，則必然產生一些代謝產物、腐爛的植物根系，再加上污水中的一些懸浮物，不斷堵塞填料孔隙，影響濕地長期運行的穩(wěn)定性，甚至使?jié)竦叵到y(tǒng)失去其應有的功能。針對人工濕地填料堵塞的問題，常見的解決途徑為選取性能更佳的填料進行替換。張翔凌研究發(fā)現，與礫石相比生物陶瓷、鋼渣、沸石和蛭石不容易發(fā)生堵塞，透水性能較好。雖然新型填料在一定程度上可以減輕人工濕地堵塞現狀，但仍存在效果不明顯和成本較高的缺點。

造成人工濕地堵塞的因素是多方面的。有機負荷過高是堵塞的主要影響因素；當垂直流人工濕地用來治理含較多不易降解的ss成分時，堵塞容易發(fā)生；過多地種植植物和維護不及時也是造成堵塞的原因；有時厭氧條件加速了系統(tǒng)的堵塞；由于污水中連續(xù)的營養(yǎng)供應，系統(tǒng)內產生的生物量不斷增加也是造成堵塞的一個因素。

引起人工濕地基質堵塞的因素較多，相應的預防措施和恢復對策也很多，但是效果差別很大，往往治標不治本。主要因為人工濕地是一個“黑箱”系統(tǒng)，各影響因素的重要程度沒有得到量化。

中國專利(cn106115928a)公開了一種垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)，包括防滲結構和兩個以上的人工濕地基質結構單元，每個人工濕地基質結構單元包括吸附凈化模塊、防堵塞模塊和生態(tài)種植層；各個人工濕地基質結構單元在垂直方向上呈梯次落差設置；水流在人工濕地基質結構單元中呈蛇形流動；每個人工濕地基質結構單元中的水流，上下垂直流動；該人工濕地基質結構系統(tǒng)能有效解決常規(guī)濕地基質單一和易堵塞的問題，提高濕地運行效率和凈化效果。但是該結構系統(tǒng)設置復雜，且采用的基質填料需要經過特殊處理，成本較高。

技術實現要素：

針對現有的垂直流人工濕地存在易堵塞、凈化效率低、成本高的問題，本發(fā)明的目的是在于提供一種能有效防止基質堵塞，提高污水凈化效率，且能產生經濟效率，降低成本的垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)。

為了實現上述技術目的，本發(fā)明提供了一種垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)，該垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)由上至下依次為水生植物層、泥鰍土壤層、碎石層、砂石層和細沙層；

所述泥鰍土壤層厚度為250～350mm；

所述碎石層厚度為250～350mm，碎石粒度為20～30mm；

所述砂石層厚度為250～350mm，砂石粒度為5～10mm；

所述細砂層厚度為250～350mm，細砂石粒度為0.1～0.25mm。

本發(fā)明的技術方案中首次利用生物結合砂石基質來設置一種不易堵塞、過濾效果好的人工濕地基質結構。通過在土壤層種植水生植物和養(yǎng)殖泥鰍，利用水生植物和泥鰍來分解有機質，提高人工濕地基質的水力傳導性能以及對水體的凈化能力，同時利用泥鰍在水生植物根系和土壤中的來回穿梭的生活習性來增加基質上層的孔隙率，有效防止人工濕地基質堵塞。而特殊層次結構的砂石基質，大大不但提高了過濾凈化效率，而且能有效防止堵塞。

本發(fā)明的砂石基質具有特殊的層次結構，其由上至下，根據水流方向，沙石粒度依次減小。上層碎石層粒徑為20～30mm，主要用來阻隔和過濾污水中體積較大的物質，為后續(xù)的凈化做準備，而粒徑較小的砂石層(5～10mm)和細砂石層(0.1～0.25mm)相結合使用，主要用來附著和固定污水中的污染物，利用微生物的新陳代謝作用凈化污水。砂石基質層粒徑從上至下依次減小，為反級配基質系統(tǒng)，不但可以在一定程度上減輕堵塞現象的產生，而且對污水起到層層凈化作用，最終實現達標排放，提高凈化效率。

優(yōu)選的方案，所述泥鰍土壤層與碎石層之間設有網孔徑為2mm過濾篩網。過濾篩網是介于泥鰍土壤層和砂石層之間的金屬濾網，主要是用來阻隔泥鰍及土壤等進入下面砂石層。過濾篩網可以直接購買。

優(yōu)選的方案，所述泥鰍土壤層中種植有分解和吸收氮磷污染物的水生植物；較優(yōu)選的水生植物包括美人蕉、菖蒲、水芹菜中至少一種。選用的水生生物具有較高的分解吸收水中有機質的作用，與養(yǎng)殖的泥鰍搭配，兩者起到相互促進作用，泥鰍可以改善土壤結構，提供植物所需養(yǎng)分，植物為泥鰍提供良好的生長環(huán)境。兩者通過對土壤中有機質的分解作用，可以在一定程度上防止人工濕地的堵塞問題。

相對現有技術，本發(fā)明的技術方案帶來的有益技術效果：

1)本發(fā)明的垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)將包括水生植物和泥鰍的生物層和特殊結構的砂石層聯(lián)合使用，能有效解決垂直潛流型人工濕地易堵塞問題，增加人工濕地系統(tǒng)的使用壽命。

2)本發(fā)明的垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)能提高人工濕地對污水的凈化能力。

3)本發(fā)明的垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)結構設置簡單，有利于推廣應用。

4)本發(fā)明的垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)具有較高的副產值，可以降低整個系統(tǒng)的使用成本。

附圖說明

【圖1】為本發(fā)明的垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)結構簡圖；

【圖2】為人工濕地基質結構系統(tǒng)對污水凈化效率隨時間變化曲線；

其中，1為水生植物層，2為泥鰍土壤層，3為過濾篩網，4為碎石層，5為砂石層，6為細砂層，n1為進水口，n2為出水口。

具體實施方式

以下實施例旨在進一步說明本發(fā)明內容，而不是限制本發(fā)明權利要求的保護范圍。

實施例1

垂直流型人工濕地進水預處理方法，包括以下步驟：

步驟1，該人工濕地處理系統(tǒng)從上至下主要由泥鰍土壤層和基質層構成；

步驟2，泥鰍土壤層中種植有水生植物層，水生植物層一般采用對氮磷污染物有較高吸收能力的水生植物，常見的植物類型有美人蕉、菖蒲、水芹菜等等；

步驟3，根據項目所在地的進水水質，對泥鰍進行馴化，選擇能夠適用該項目生存環(huán)境的泥鰍品種；

步驟4，基質結構從上至下依次為300mm厚的泥鰍土壤層、孔徑為2mm物理過濾篩、300mm厚的碎石層(粒徑為20～30mm)、300mm厚的砂石層(粒徑為5～10mm)、300mm厚的細沙層(0.1～0.25mm)；

步驟5，待處理的污水經過此系統(tǒng)的層層過濾，出水水質能夠達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級a標準，養(yǎng)殖的泥鰍可以定期打撈，產生部分經濟效益。

為驗證垂直流人工濕地基質系統(tǒng)的出水效果，進行三組實驗對照。實驗組為按實施例1設置的基質結構系統(tǒng)；對照組1為不放養(yǎng)馴化泥鰍，其他條件與實驗組相同的基質結構系統(tǒng)；對照組2中的基質順序從上之下依次為300mm厚的細沙層(0.1～0.25mm)、300mm厚的砂石層(粒徑為5～10mm)、300mm厚的碎石層(粒徑為20～30mm)，其他條件與實驗組相同，評判標準為城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準，具體對比情況見下表所示。

實驗結果表明，按實施例1設置的垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)，其出水可達《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級a標準；而不放養(yǎng)馴化泥鰍的對照組1和基質順序不按實施例1鋪設的對照組2，其出水水質只能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級b標準，出水效果較差。

表1污水處理效率

常見潛流人工濕地一般會在運行后的2年內去除效率明顯下降，一般為建成后去除率的50％左右，在3至5年內基本完全堵塞，必須對基質進行清理和更換才能繼續(xù)使用。而按實施例1設置的垂直流人工濕地基質結構系統(tǒng)可以有效解決堵塞問題。實驗數據表明，采用實施例1的人工濕地結構系統(tǒng)，各污染物的去除率在2年內基本變化不大，仍在75％以上。由此可見，新型人工濕地基質結構系統(tǒng)可以有效緩解堵塞問題的產生，具體實驗數據見下圖2所示(x軸表示不同月份，y軸表示相應去除率)。