公布日：2024.03.29
申請日：2024.02.23
分類號：C02F9/00(2023.01)I;C02F3/32(2023.01)N;C02F1/44(2023.01)N;C02F1/28(2023.01)N;C02F1/70(2023.01)N;C02F1/72(2023.01)N
摘要
本發明屬于生活污水和工業廢水處理技術領域，公開了一種集成型人工濕地污水處理系統及污水處理工藝，包括依次連通的初沉池、二沉池、集水區和人工濕地，其中，所述初沉池為筒狀結構，其自上而下依次設置有雨水篦子、第一多孔承重墻、活性炭層、第二多孔承重墻和排渣管，其中，初沉池的底部為漏斗結構，排渣管與漏斗結構的最底端連接；初沉池的中下部位與污水進水管連接，所述污水進水管上設置有格柵；所述集水區的橫截面上設置有反應滲透墻，反應滲透墻自上而下依次設置有濾網、填充墻和反應介層。初沉池、二沉池、反應滲透墻的有機結合不僅實現了分隔、滲透和促進反應的功能，而且解決了傳統濕地易堵塞的難題。
權利要求書
1.一種集成型人工濕地污水處理系統，其特征在于：包括依次連通的初沉池、二沉池、集水區和人工濕地，其中，所述初沉池為筒狀結構，其自上而下依次設置有雨水篦子、第一多孔承重墻、活性炭層、第二多孔承重墻和排渣管，其中，初沉池的底部為漏斗結構，排渣管與漏斗結構的最底端連接；初沉池的中下部位與污水進水管連接，所述污水進水管上設置有格柵；二沉池的結構與初沉池的結構相同；所述集水區的橫截面上設置有反應滲透墻，反應滲透墻將集水區分隔為上集水室和下集水室；反應滲透墻自上而下依次設置有濾網、填充墻和反應介層；反應介層內由納米零價鐵和有機黏土制備而成；下集水室通過管道與所述人工濕地連接。
2.根據權利要求1所述的集成型人工濕地污水處理系統，其特征在于：所述填充墻由20-40份砂、10-20份磷灰石、15-25份沸石、20-30份秸稈和5-15份生物炭制備而成；或，砂的粒徑為0.1~1.0mm；沸石的粒徑為0.5~2.0mm；秸稈的長度為5~20cm；生物炭的粒徑為0.2~5mm。
3.根據權利要求1所述的集成型人工濕地污水處理系統，其特征在于：反應介層中，納米零價鐵的質量份為2-7%，有機黏土的質量份為93-98%，%為質量百分數。
4.根據權利要求1所述的集成型人工濕地污水處理系統，其特征在于：初沉池和二沉池之間的連接管道的高度大于二沉池與集水區之間的連接管道的高度大于污水進水管的高度。
5.根據權利要求4所述的集成型人工濕地污水處理系統，其特征在于：污水進水管的高度為初沉池高度的1/4-1/2處；初沉池與二沉池之間的連接管道位于初沉池高度的1/2-2/3處。
6.根據權利要求1所述的集成型人工濕地污水處理系統，其特征在于：下集水室與人工濕地之間的連接管道上設置有提升泵；下集水室與人工濕地之間的連接管道的末端為多孔布水管，多孔布水管豎向設置于人工濕地的植物層內；人工濕地的植物層位于地上，其殼體采用鋼化玻璃；或，鋼化玻璃殼體的頂部均布通孔；或，鋼化玻璃殼體通過二氧化碳管道與二氧化碳儲存箱連接，二氧化碳管道上設置有閥門；或，鋼化玻璃殼體通過空氣管道與空氣泵連接，空氣管道內設置有單向閥，空氣泵的電路上設置有光敏開關。
7.根據權利要求1所述的集成型人工濕地污水處理系統，其特征在于：所述植物層中的植物選自美人蕉、華克拉莎、苦草或狗尾草；植物層的底部為土壤層，土壤層的下方依次設置有砂礫層、第一多孔承重墻、卵石層、第二多孔承重墻和膜過濾裝置。
8.根據權利要求7所述的集成型人工濕地污水處理系統，其特征在于：所述膜過濾裝置的膜為陶瓷膜，陶瓷膜的上方設置有水位感應器，陶瓷膜的下方設置有出水管。
9.一種集成型人工濕地污水處理工藝，其特征在于：包括如下步驟：將污水依次通入初沉池和二沉池進行預沉降，收集的固體顆粒通過底部排渣口排出；經過預沉降的污水進入集水區，依次經過濾網過濾、填充墻和反應介層后，被泵送至人工濕地的植物層，污水經過植物層、砂礫層、卵石層和膜過濾裝置處理后，外排。
10.根據權利要求9所述的集成型人工濕地污水處理工藝，其特征在于：當沒有太陽時，通過空氣泵向植物層泵入空氣，當植物層中的二氧化碳濃度高時，將二氧化碳泵送存儲在二氧化碳儲存箱中；當有太陽時，釋放儲存的二氧化碳，并向植物層泵入二氧化碳氣體，供植物進行光合作用。
發明內容
針對現有技術存在的不足，本發明的目的是提供一種集成型人工濕地污水處理系統及污水處理工藝。
為了實現上述目的，本發明是通過如下的技術方案來實現：第一方面，本發明提供一種集成型人工濕地污水處理系統，包括依次連通的初沉池、二沉池、集水區和人工濕地，其中，所述初沉池為筒狀結構，其自上而下依次設置有雨水篦子、第一多孔承重墻、活性炭層、第二多孔承重墻和排渣管，其中，初沉池的底部為漏斗結構，排渣管與漏斗結構的最底端連接；初沉池的中下部位與污水進水管連接，所述污水進水管上設置有格柵；二沉池的結構與初沉池的結構相同；所述集水區的橫截面上設置有反應滲透墻，反應滲透墻將集水區分隔為上集水室和下集水室；反應滲透墻自上而下依次設置有濾網、填充墻和反應介層；反應介層內由納米零價鐵和有機黏土制備而成；下集水室通過管道與所述人工濕地連接。
初沉池和二沉池均為筒狀結構，污水在停留期間，污水中的固體顆粒發生沉降，通過漏斗匯集外排，經過初沉和二沉后，污水中的固體顆粒物被有效去除，可以有效防止對人工濕地造成堵塞。
初沉池和二沉池的頂部均設置有活性炭層，不但可以有效過濾吸附雨水中的固體懸浮物，還可以有效吸收初沉池和二沉池中污水的臭氣，防止臭氣外溢。
填充墻通常用于過濾和攔截固體顆粒、沉積物和其他懸浮物質，以防止它們進入下集水室。這有助于保持下集水室的清潔，并減少后續處理過程中的污染物負擔。也有助于調節水平滲透，防止過多的水分進入下集水室。這有助于控制水文過程，防止地下水位過高或過低。
反應介層主要由納米零價鐵和有機黏土組成。通常，在廢水處理中，納米零價鐵等材料的應用可能導致以下一些典型反應：1、還原反應：將某些污染物中的金屬離子還原為金屬，從而將其去除。例如，可以還原某些有機化合物中的氯化物離子。
2、吸附和沉淀：納米零價鐵通常具有較大的比表面積，因此具備吸附污染物的能力。這可能包括對某些有機物和重金屬的吸附。同時，一些還原后的產物或反應生成物可能形成沉淀，從而被有效地去除。
3、氧化反應：在一些情況下，可能與氧氣反應，產生氧化鐵等物質。這樣的反應可能有助于氧化某些有機物。
至于有機黏土，其主要特性包括較大的比表面積和吸附能力，因此可能通過物理吸附的方式，吸附廢水中的有機物。
在一些實施例中，所述填充墻由20-40份砂、10-20份磷灰石、15-25份沸石、20-30份秸稈和5-15份生物炭制備而成。
填充墻通常是一種用于增加表面積以促進廢水處理的結構。此外，填充墻由具有高比表面積的材料構成，以增加反應表面，促使水體中的污染物更好地與填充墻上的材料發生物理或化學反應。這樣的結構有助于提高廢水處理效果。填充墻的材料包括砂、磷灰石、沸石、秸稈和生物炭等，根據它們的特性，可以提供一些特定的功能，例如增加吸附表面、促進生物降解、提供特定的催化反應等。
砂的粒徑為0.1~1.0mm，其作用為提供均勻的孔隙結構，有助于過濾和滲透，以去除水中的懸浮顆粒和固體物質；磷灰石的作用為吸附磷酸鹽，有助于減少水中的磷含量，對防止水體富營養化有積極作用；沸石的粒徑為0.5~2.0mm，具有較大的比表面積和多孔結構，用于吸附有機物和重金屬離子，促進水的凈化；秸稈的長度為5~20cm，其作用為提供填充墻中的空隙和水流通道，促進水流的分布，為微生物提供生長表面，促進廢水中有機物的降解；生物炭的粒徑為0.2~5mm，具有良好的吸附性能和孔隙結構，有助于吸附有機物和改善氣味，同時可能提供微生物附著的場所，促進生物降解。
所述秸稈選自稻谷、小麥、玉米的秸稈。這些秸稈具有以下優點：多孔性：秸稈本身是多孔的，具有較大的比表面積，有助于提高廢水處理系統中的吸附效果；生物降解性：秸稈是天然的有機材料，易于生物降解，在填充墻中使用秸稈可以促進微生物的生長，有助于廢水中有機物的生物降解；成本低廉：秸稈通常是農業廢棄物，因此在某些地區可能是一種成本較低的廢棄物利用方式。
在一些實施例中，反應介層中，納米零價鐵為2-7%，有機黏土為93-98%，%為質量百分數。
反應介層的主要作用如下：反應介層內的納米零價鐵和有機黏土等材料具有對污染物的去除能力。納米零價鐵用于還原和吸附重金屬、有機物等污染物，而有機黏土具有吸附有機污染物的能力。
反應介層的設計有助于引發化學反應，如還原反應、氧化反應等，有助于將廢水中的某些污染物轉化為較為無害的產物。
通過在反應介層中引入特定材料，可以提高對于特定污染物的處理效能，從而改善水質。
在一些實施例中，初沉池和二沉池之間的連接管道的高度大于二沉池與集水區之間的連接管道的高度大于污水進水管的高度。
初沉池與二沉池之間的連接管道的高度最大，初沉池中的污水在溢流進入二沉池的過程中，污水中的固體顆粒會進行較好的沉淀，沉積在初沉池的底部，便于通過排渣管道排出。
二沉池與集水區之間的連接管道低于初沉池與二沉池之間的連接管道，便于二沉池中的污水順利進入集水區。
二沉池與集水區之間的連接管道、初沉池與二沉池之間的連接管道均設置于較高的位置處，可以有效避免污水的流動對固體顆粒的沉降造成擾動。
初沉池、二沉池、反應滲透墻的有機結合不僅能分隔廢水和處理單元、實現物質滲透、促進生物反應、控制水流和壓力，還能避免較大浮渣堵塞人工濕地的問題，能有效延長濕地的使用壽命。
優選的，污水進水管的高度為初沉池高度的1/4-1/2處；初沉池與二沉池之間的連接管道位于初沉池高度的1/2-2/3處。
優選的，初沉池和二沉池的排渣口通過斜管連通。便于將沉積的固體顆粒外排。
在一些實施例中，下集水室與人工濕地之間的連接管道上設置有提升泵。
優選的，下集水室與人工濕地之間的連接管道的末端為多孔布水管，多孔布水管豎向設置于人工濕地的植物層內。
在人工濕地的植物層內豎向設置有多孔布水管，污水在提升泵的泵送下產生一定的水壓，使得污水通過多孔布水管的通孔處噴出，均勻分布于植物層，進而使污水均勻流過植物層，得到植物層的均勻凈化。
進一步優選的，人工濕地的植物層位于地上，其殼體采用鋼化玻璃。便于陽光的進入，以保證植物的正常生長。
更進一步優選的，鋼化玻璃殼體的頂部均布通孔。便于殼體內外氣體的交換。
更進一步優選的，鋼化玻璃殼體通過二氧化碳管道與二氧化碳儲存箱連接，二氧化碳管道上設置有閥門。
二氧化碳儲存箱的設計可以采用現有的二氧化碳儲存方式，如吸附劑吸附儲存，具體如下：結構設計：外殼：儲存箱通常由耐壓和耐腐蝕的材料構成，例如不銹鋼或合金材料，以確保安全的存儲和防止氣體泄漏。
密封裝置：儲存箱應該具備有效的密封結構，以防止二氧化碳的泄漏，保持儲存環境的穩定性。
壓力調節器：儲存箱內可能配備壓力調節器，以維持適當的儲存壓力。
填充的二氧化碳存儲介質：吸附劑：填充二氧化碳存儲箱的介質通常是一種高效的吸附劑，用于吸附和存儲二氧化碳氣體。例如，可使用分子篩、活性炭、金屬有機框架（MOF）或氧化物材料，這些材料具有高度選擇性和吸附能力。
液體或壓縮態儲存介質：在一些情況下，液體或壓縮態的二氧化碳也可用作存儲介質，取決于系統設計和要求。
監測和控制系統：1、二氧化碳檢測器：為確保儲存箱內的二氧化碳濃度處于安全范圍內，可以安裝二氧化碳檢測器，用于實時監測氣體濃度。
2、自動控制系統：儲存箱內可能集成有自動控制系統，用于調節儲存條件，確保儲存環境的穩定性。
優選的，鋼化玻璃殼體通過空氣管道與空氣泵連接，空氣管道內設置有單向閥，空氣泵的電路上設置有光敏開關。用于在夜晚啟動空氣泵，向人工濕地內通入空氣，以供植物的呼吸作用。
在一些實施例中，所述植物層中的植物選自美人蕉、華克拉莎、苦草或狗尾草。
優選的，植物層的底部為土壤層，土壤層的下方依次設置有砂礫層、第一多孔承重墻、卵石層、第二多孔承重墻和膜過濾裝置。
砂礫層中，砂礫的粒徑為10~50mm，砂礫層的作用為提供支撐和穩定層面、促進水的滲透以及在某些情況下起到過濾作用。
卵石層中，卵石的粒徑為50mm以上，卵石層的作用為提供更大的孔隙空間，增加水的流通性，并且也可以用于生物附著和提供微生物生長的場所。
進一步優選的，所述膜過濾裝置的膜為陶瓷膜，陶瓷膜的上方設置有水位感應器，陶瓷膜的下方設置有出水管。
膜過濾裝置中采用的陶瓷膜具有微孔結構，可選擇性地去除廢水中的特定污染物，如溶解有機物、重金屬離子等。在人工濕地系統中，陶瓷膜作為膜過濾裝置的核心組成部分，有效緩解了傳統人工濕地易堵塞而致使處理效率降低的問題。其穩定性和耐壓性能使其能夠在復雜的濕地環境中長期穩定運行。同時，陶瓷膜還可以實現對廢水中特定污染物的有選擇性去除，從而進一步提高廢水處理的效果。
第二方面，本發明提供一種集成型人工濕地污水處理工藝，包括如下步驟：將污水依次通入初沉池和二沉池進行預沉降，收集的固體顆粒通過底部排渣口排出；經過預沉降的污水進入集水區，依次經過濾網過濾、填充墻和反應介層后，被泵送至人工濕地的植物層，污水經過植物層、砂礫層、卵石層和膜過濾裝置處理后，外排。
在一些實施例中，當沒有太陽時，通過空氣泵向植物層泵入空氣，當植物層中的二氧化碳濃度高時，將二氧化碳泵送存儲在二氧化碳儲存箱中；當有太陽時，釋放儲存的二氧化碳，并向植物層泵入二氧化碳氣體，供植物進行光合作用。
柱形人工濕地系統在處理廢水的同時，經自動化控制，系統可以監測濕地中的二氧化碳濃度閾值，并收集由植物釋放的二氧化碳氣體，以便在植物進行光合作用時重新供給。這一創新不僅提高濕地系統廢水利用率，還符合“雙碳戰略”要求。
上述本發明的一種或多種實施例取得的有益效果如下：所述初沉池、二沉池、反應滲透墻的有機結合不僅實現了分隔、滲透和促進反應的功能，而且解決了傳統濕地易堵塞的難題，通過巧妙設計避免較大浮渣堵塞人工濕地，從而大幅延長濕地系統的使用壽命。反應滲透墻不僅實現了廢水的分隔和物質滲透，還促進了生物反應的進行，進一步提高了廢水處理效率。這種設計使人工濕地系統能更全面地處理不同特性和污染物的廢水。
所述柱形人工濕地系統通過自動化控制，監測濕地中的二氧化碳濃度閾值，并積極收集植物釋放的二氧化碳氣體，以便再次供給植物呼吸作用。不僅提高廢水處理效率，還實現了濕地“降碳”的目標。
所述膜過濾裝置的主體部分采用高強度陶瓷膜，具備微孔過濾和選擇性分離功能，能高效去除廢水中的特定污染物。其在高壓環境下的穩定性和耐壓性能，為系統在惡劣工況下穩定運行提供了強有力的支持。
（發明人：莊濤;高舒嘉;左志玲;王武斌）
