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(fā)明屬于生活污水和工業(yè)廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)及污水處理工藝，包括依次連通的初沉池、二沉池、集水區(qū)和人工濕地，其中，所述初沉池為筒狀結(jié)構(gòu)，其自上而下依次設(shè)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(jié)構(gòu)，排渣管與漏斗結(jié)構(gòu)的最底端連接；初沉池的中下部位與污水進(jìn)水管連接，所述污水進(jìn)水管上設(shè)置有格柵；所述集水區(qū)的橫截面上設(shè)置有反應(yīng)滲透墻，反應(yīng)滲透墻自上而下依次設(shè)置有濾網(wǎng)、填充墻和反應(yīng)介層。初沉池、二沉池、反應(yīng)滲透墻的有機(jī)結(jié)合不僅實(shí)現(xiàn)了分隔、滲透和促進(jìn)反應(yīng)的功能，而且解決了傳統(tǒng)濕地易堵塞的難題。

權(quán)利要求書

1.一種集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)，其特征在于：包括依次連通的初沉池、二沉池、集水區(qū)和人工濕地，其中，所述初沉池為筒狀結(jié)構(gòu)，其自上而下依次設(shè)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(jié)構(gòu)，排渣管與漏斗結(jié)構(gòu)的最底端連接；初沉池的中下部位與污水進(jìn)水管連接，所述污水進(jìn)水管上設(shè)置有格柵；二沉池的結(jié)構(gòu)與初沉池的結(jié)構(gòu)相同；所述集水區(qū)的橫截面上設(shè)置有反應(yīng)滲透墻，反應(yīng)滲透墻將集水區(qū)分隔為上集水室和下集水室；反應(yīng)滲透墻自上而下依次設(shè)置有濾網(wǎng)、填充墻和反應(yīng)介層；反應(yīng)介層內(nèi)由納米零價(jià)鐵和有機(jī)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(jù)權(quán)利要求1所述的集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求1所述的集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)，其特征在于：反應(yīng)介層中，納米零價(jià)鐵的質(zhì)量份為2-7%，有機(jī)黏土的質(zhì)量份為93-98%，%為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)，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(qū)之間的連接管道的高度大于污水進(jìn)水管的高度。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)，其特征在于：污水進(jìn)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(jù)權(quán)利要求1所述的集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)，其特征在于：下集水室與人工濕地之間的連接管道上設(shè)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(shè)置于人工濕地的植物層內(nèi)；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(shè)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(nèi)設(shè)置有單向閥，空氣泵的電路上設(shè)置有光敏開關(guān)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)，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(shè)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(jù)權(quán)利要求7所述的集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)，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(shè)置有水位感應(yīng)器，陶瓷膜的下方設(shè)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(jìn)行預(yù)沉降，收集的固體顆粒通過底部排渣口排出；經(jīng)過預(yù)沉降的污水進(jìn)入集水區(qū)，依次經(jīng)過濾網(wǎng)過濾、填充墻和反應(yīng)介層后，被泵送至人工濕地的植物層，污水經(jīng)過植物層、砂礫層、卵石層和膜過濾裝置處理后，外排。

10.根據(jù)權(quán)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(dāng)沒有太陽時，通過空氣泵向植物層泵入空氣，當(dāng)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(dāng)有太陽時，釋放儲存的二氧化碳，并向植物層泵入二氧化碳?xì)怏w，供植物進(jìn)行光合作用。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)及污水處理工藝。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：第一方面，本發(fā)明提供一種集成型人工濕地污水處理系統(tǒng)，包括依次連通的初沉池、二沉池、集水區(qū)和人工濕地，其中，所述初沉池為筒狀結(jié)構(gòu)，其自上而下依次設(shè)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(jié)構(gòu)，排渣管與漏斗結(jié)構(gòu)的最底端連接；初沉池的中下部位與污水進(jìn)水管連接，所述污水進(jìn)水管上設(shè)置有格柵；二沉池的結(jié)構(gòu)與初沉池的結(jié)構(gòu)相同；所述集水區(qū)的橫截面上設(shè)置有反應(yīng)滲透墻，反應(yīng)滲透墻將集水區(qū)分隔為上集水室和下集水室；反應(yīng)滲透墻自上而下依次設(shè)置有濾網(wǎng)、填充墻和反應(yīng)介層；反應(yīng)介層內(nèi)由納米零價(jià)鐵和有機(jī)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(jié)構(gòu)，污水在停留期間，污水中的固體顆粒發(fā)生沉降，通過漏斗匯集外排，經(jīng)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(shè)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(zhì)，以防止它們進(jìn)入下集水室。這有助于保持下集水室的清潔，并減少后續(xù)處理過程中的污染物負(fù)擔(dān)。也有助于調(diào)節(jié)水平滲透，防止過多的水分進(jìn)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(yīng)介層主要由納米零價(jià)鐵和有機(jī)黏土組成。通常，在廢水處理中，納米零價(jià)鐵等材料的應(yīng)用可能導(dǎo)致以下一些典型反應(yīng)：1、還原反應(yīng)：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(jī)化合物中的氯化物離子。

2、吸附和沉淀：納米零價(jià)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(jī)物和重金屬的吸附。同時，一些還原后的產(chǎn)物或反應(yīng)生成物可能形成沉淀，從而被有效地去除。

3、氧化反應(yīng)：在一些情況下，可能與氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生氧化鐵等物質(zhì)。這樣的反應(yīng)可能有助于氧化某些有機(jī)物。

至于有機(jī)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(jī)物。

在一些實(shí)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(jìn)廢水處理的結(jié)構(gòu)。此外，填充墻由具有高比表面積的材料構(gòu)成，以增加反應(yīng)表面，促使水體中的污染物更好地與填充墻上的材料發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)。這樣的結(jié)構(gòu)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(jù)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(jìn)生物降解、提供特定的催化反應(yīng)等。

砂的粒徑為0.1~1.0mm，其作用為提供均勻的孔隙結(jié)構(gòu)，有助于過濾和滲透，以去除水中的懸浮顆粒和固體物質(zhì)；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(yǎng)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(jié)構(gòu)，用于吸附有機(jī)物和重金屬離子，促進(jìn)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(jìn)水流的分布，為微生物提供生長表面，促進(jìn)廢水中有機(jī)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(jié)構(gòu)，有助于吸附有機(jī)物和改善氣味，同時可能提供微生物附著的場所，促進(jìn)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(yōu)點(diǎn)：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(tǒng)中的吸附效果；生物降解性：秸稈是天然的有機(jī)材料，易于生物降解，在填充墻中使用秸稈可以促進(jìn)微生物的生長，有助于廢水中有機(jī)物的生物降解；成本低廉：秸稈通常是農(nóng)業(yè)廢棄物，因此在某些地區(qū)可能是一種成本較低的廢棄物利用方式。

在一些實(shí)施例中，反應(yīng)介層中，納米零價(jià)鐵為2-7%，有機(jī)黏土為93-98%，%為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

反應(yīng)介層的主要作用如下：反應(yīng)介層內(nèi)的納米零價(jià)鐵和有機(jī)黏土等材料具有對污染物的去除能力。納米零價(jià)鐵用于還原和吸附重金屬、有機(jī)物等污染物，而有機(jī)黏土具有吸附有機(jī)污染物的能力。

反應(yīng)介層的設(shè)計(jì)有助于引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，如還原反應(yīng)、氧化反應(yīng)等，有助于將廢水中的某些污染物轉(zhuǎn)化為較為無害的產(chǎn)物。

通過在反應(yīng)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(zhì)。

在一些實(shí)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(qū)之間的連接管道的高度大于污水進(jìn)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(jìn)入二沉池的過程中，污水中的固體顆粒會進(jìn)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(qū)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(jìn)入集水區(qū)。

二沉池與集水區(qū)之間的連接管道、初沉池與二沉池之間的連接管道均設(shè)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(yīng)滲透墻的有機(jī)結(jié)合不僅能分隔廢水和處理單元、實(shí)現(xiàn)物質(zhì)滲透、促進(jìn)生物反應(yīng)、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(yōu)選的，污水進(jìn)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(yōu)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(shí)施例中，下集水室與人工濕地之間的連接管道上設(shè)置有提升泵。

優(yōu)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(shè)置于人工濕地的植物層內(nèi)。

在人工濕地的植物層內(nèi)豎向設(shè)置有多孔布水管，污水在提升泵的泵送下產(chǎn)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(jìn)而使污水均勻流過植物層，得到植物層的均勻凈化。

進(jìn)一步優(yōu)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(jìn)入，以保證植物的正常生長。

更進(jìn)一步優(yōu)選的，鋼化玻璃殼體的頂部均布通孔。便于殼體內(nèi)外氣體的交換。

更進(jìn)一步優(yōu)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(shè)置有閥門。

二氧化碳儲存箱的設(shè)計(jì)可以采用現(xiàn)有的二氧化碳儲存方式，如吸附劑吸附儲存，具體如下：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：外殼：儲存箱通常由耐壓和耐腐蝕的材料構(gòu)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(yīng)該具備有效的密封結(jié)構(gòu)，以防止二氧化碳的泄漏，保持儲存環(huán)境的穩(wěn)定性。

壓力調(diào)節(jié)器：儲存箱內(nèi)可能配備壓力調(diào)節(jié)器，以維持適當(dāng)?shù)膬Υ鎵毫Α?/span>

填充的二氧化碳存儲介質(zhì)：吸附劑：填充二氧化碳存儲箱的介質(zhì)通常是一種高效的吸附劑，用于吸附和存儲二氧化碳?xì)怏w。例如，可使用分子篩、活性炭、金屬有機(jī)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(tài)儲存介質(zhì)：在一些情況下，液體或壓縮態(tài)的二氧化碳也可用作存儲介質(zhì)，取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和要求。

監(jiān)測和控制系統(tǒng)：1、二氧化碳檢測器：為確保儲存箱內(nèi)的二氧化碳濃度處于安全范圍內(nèi)，可以安裝二氧化碳檢測器，用于實(shí)時監(jiān)測氣體濃度。

2、自動控制系統(tǒng)：儲存箱內(nèi)可能集成有自動控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)儲存條件，確保儲存環(huán)境的穩(wěn)定性。

優(yōu)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(nèi)設(shè)置有單向閥，空氣泵的電路上設(shè)置有光敏開關(guān)。用于在夜晚啟動空氣泵，向人工濕地內(nèi)通入空氣，以供植物的呼吸作用。

在一些實(shí)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(yōu)選的，植物層的底部為土壤層，土壤層的下方依次設(shè)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(wěn)定層面、促進(jìn)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(jìn)一步優(yōu)選的，所述膜過濾裝置的膜為陶瓷膜，陶瓷膜的上方設(shè)置有水位感應(yīng)器，陶瓷膜的下方設(shè)置有出水管。

膜過濾裝置中采用的陶瓷膜具有微孔結(jié)構(gòu)，可選擇性地去除廢水中的特定污染物，如溶解有機(jī)物、重金屬離子等。在人工濕地系統(tǒng)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(tǒng)人工濕地易堵塞而致使處理效率降低的問題。其穩(wěn)定性和耐壓性能使其能夠在復(fù)雜的濕地環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)行。同時，陶瓷膜還可以實(shí)現(xiàn)對廢水中特定污染物的有選擇性去除，從而進(jìn)一步提高廢水處理的效果。

第二方面，本發(fā)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(jìn)行預(yù)沉降，收集的固體顆粒通過底部排渣口排出；經(jīng)過預(yù)沉降的污水進(jìn)入集水區(qū)，依次經(jīng)過濾網(wǎng)過濾、填充墻和反應(yīng)介層后，被泵送至人工濕地的植物層，污水經(jīng)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(shí)施例中，當(dāng)沒有太陽時，通過空氣泵向植物層泵入空氣，當(dāng)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(dāng)有太陽時，釋放儲存的二氧化碳，并向植物層泵入二氧化碳?xì)怏w，供植物進(jìn)行光合作用。

柱形人工濕地系統(tǒng)在處理廢水的同時，經(jīng)自動化控制，系統(tǒng)可以監(jiān)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?xì)怏w，以便在植物進(jìn)行光合作用時重新供給。這一創(chuàng)新不僅提高濕地系統(tǒng)廢水利用率，還符合“雙碳戰(zhàn)略”要求。

上述本發(fā)明的一種或多種實(shí)施例取得的有益效果如下：所述初沉池、二沉池、反應(yīng)滲透墻的有機(jī)結(jié)合不僅實(shí)現(xiàn)了分隔、滲透和促進(jìn)反應(yīng)的功能，而且解決了傳統(tǒng)濕地易堵塞的難題，通過巧妙設(shè)計(jì)避免較大浮渣堵塞人工濕地，從而大幅延長濕地系統(tǒng)的使用壽命。反應(yīng)滲透墻不僅實(shí)現(xiàn)了廢水的分隔和物質(zhì)滲透，還促進(jìn)了生物反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)一步提高了廢水處理效率。這種設(shè)計(jì)使人工濕地系統(tǒng)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(tǒng)通過自動化控制，監(jiān)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?xì)怏w，以便再次供給植物呼吸作用。不僅提高廢水處理效率，還實(shí)現(xiàn)了濕地“降碳”的目標(biāo)。

所述膜過濾裝置的主體部分采用高強(qiáng)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(huán)境下的穩(wěn)定性和耐壓性能，為系統(tǒng)在惡劣工況下穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的支持。

（發(fā)明人：莊濤;高舒嘉;左志玲;王武斌）