技术领域
[0001] 本
发明涉及污
水生态处理领域，特别是涉及一种高效去除有机质的工程湿地系统及方法。
背景技术
[0002] 工程湿地指由人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，其设计和建造是通过对湿地自然
生态系统中的物理、化学和
生物作用的优化组合来进行废
水处理。
[0003] 工程湿地
废水处理技术是20世纪七八十年代发展起来的一种污水生态处理技术，一般由人工基质和生长在其上的水生
植物(如芦苇、香蒲等)组成，是一个独特的
土壤(基质)-植物-
微生物生态系统。当污水通过系统时，其中污染物质和营养物质被系统吸收、转化或分解，从而使水质得到
净化。
[0004] 工程湿地的显著特点之一就是具有较强的有机物去除能
力。一方面，废水中的不溶性有机物通过湿地床中填料的截留作用而被去除，并可为部分兼性或厌
氧微生物所利用；另一方面，废水中的溶解性污染物则通过植物根系及填料表面
生物膜的
吸附，吸收及生物代谢作用而被降解去除，即湿地床的有机物去除是物理的截留沉淀和生物的吸收降解作用的结果。废水中大部分有机物的最终归宿是被异养微生物转化为微生物体及二氧化
碳和水。
[0005] 但是
现有技术仍存在净化效率低下、占地面积大等缺点。因此需要新的技术和方法，以解决现有技术中存在不足。
发明内容
[0006] 发明目的：为了至少部分克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高效去除有机质的工程湿地系统及方法。
[0007] 技术方案：根据本发明的一方面，提供一种高效去除有机质的工程湿地系统，包括：
发酵池(10)以及净化池(20)，
[0008] 其中，所述发酵池(10)包括发酵池体(11)、不溶性有机质(12)、过滤层(13)、漂浮隔离层(14)、发酵池喷雾装置(15)、发酵池出水管(16)以及在所述发酵池体(11)底部上的进水口(17)，所述不溶性有机质(12)沉淀在发酵池体底部，过滤层设置在发酵池体中部，且距离所述不溶性有机质(12)顶部一定距离；所述漂浮隔离层(14)漂浮在发酵池体中的水面表层；所述发酵池喷雾装置(15)和发酵池出水管(16)与发酵池体的连通口均设置在过滤层(13)的上方；
[0009] 所述净化池(20)包括净化池体(21)、植物生长区(22)、空置区(23)以及曝气区(24)，氧化还原电位检测器(25)、pH检测器(26)以及净化池进水管(27)；
[0010] 其中，所述植物生长区(22)、空置区(23)以及曝气区(24)设置在净化池体中，所述植物生长区(22)包括基质层(222)、生长在基质层(222)上的挺水植物(221)以及设置在基质层(222)中的净化池出水口(223)；基质层(222)包括上部的矿质土壤层(2221)、下部的砂砾石或者建筑拆除垃圾材料层(2222)以及二者之间的间隔层(2223)；氧化还原电位检测器(25)以及pH检测器(26)设置在所述植物生长区(22)中；所述植物生长区(22)、空置区(23)以及曝气区(24)三者之间通过分隔层(28)进行分隔开，分隔层上形成有连通孔，使得各个区之间
水体连通；
[0011] 所述发酵池喷雾装置(15)以及发酵池出水管(16)二者的出口通向所述植物生长区(22)。
[0012] 优选地，所述漂浮隔离层(14)为颗粒
泡沫层。
[0013] 优选地，所述过滤层(13)为三层间隔一定距离设置的长纤土工布层。
[0014] 优选地，所述挺水植物选自芦苇、香蒲、灯心草、荷花、水芹、茭白荀、荸荠。
[0015] 优选地，所述间隔层(2223)为短纤土工布层。
[0016] 优选地，所述净化池进水管(27)为喷雾进水管。
[0017] 优选地，所述空置区(23)中添加有用于调节水体pH值的糠
醛渣和
钢渣。
[0018] 根据本发明的另一方面，还提供一种利用工程湿地系统高效去除有机质的方法，所述方法包括以下步骤：
[0019] 1)在发酵池体(11)中加入污水初滤所得的不溶性有机质，通过进水口(17)注入厌氧污水，使得漂浮隔离层(14)漂浮在发酵池体中的水面表层，然后关闭进水口(17)进行厌氧发酵适当时间，例如3-5天；
[0020] 2)再次打开进水口(17)注入厌氧污水，同时打开发酵池喷雾装置(15)，使得流入发酵池内的流量与从发酵池喷雾装置(15)流出到所述净化池(20)的流量基本相等；当所述净化池(20)内的水位上升到所述基质层(222)之上一定高度(30cm左右)时，关闭进水口(17)以及发酵池喷雾装置(15)；
[0021] 3)通过氧化还原电位检测器(25)测量净化池内水体的氧化还原电位，若氧化还原电位小于400mV，通过曝气区(24)向水体曝气，若氧化还原电位大于600mV，通过发酵池出水管(16)使发酵池内厌氧水通向净化池，使氧化还原电位维持在400～600mV；
[0022] 4)通过pH检测器(26)测量净化池水体的pH值，在保证氧化还原电位维持在400～600mV的前提下，在空置区加入呈酸性的糠醛渣或呈
碱性的钢渣，使水体酸碱度维持在中性附近，由此有利于微生物和植物的生长和代谢，促进有机质的净化；
[0023] 5)检测废水中有机质浓度，当满足排放标准，打开净化池出水口(223)排水；
[0024] 6)利用净化池进水管(27)将待处理的污水喷雾进入净化池(20)中，当所述净化池(20)内的水位上升到所述基质层(222)之上一定高度(30cm左右)时，关闭净化池进水管(27)；
[0025] 7)重复步骤3)-6)。
[0026] 优选地，所述有机质浓度为BOD或COD。
[0027] 优选地，所述方法还包括，当步骤3)中净化池内水位过高时，打开净化池出水口(223)排水，排出的水通过进水口(17)注入发酵池体中。
[0028] 优选地，所述方法还包括，在净化池(20)去除有机质效率降低或者更换净化池基质层(222)时，利用发酵池(10)来重复步骤1)-5)。
[0029] 优选地，所述方法还包括在所述植物生长区(22)中栽培挺水植物。
[0030] 优选地，所述方法还包括，在步骤1)之前在发酵池体(11)中加入一定量的
石膏粉。
[0031] 优选地，所述方法还包括栽培或者栽种植物，优选对植物进行干旱培养，以形成发达植物根系。植物生长区矿质土壤层下设短纤土工布层，短纤土工布层下设砂砾石或者建筑拆除垃圾材料层，这样的结构利于排水实现干旱条件，对基质水势或者说含水率较易控制，刚刚栽种完水生植物，控制土壤水势或者含水率在较小情况下，例如土壤水势可以控制在-8巴～-0巴，有利于形成发达植物根系，有益于之后利用植物除有机质效率的提高；土壤水势可用土壤水势仪测量得到其值。
[0032] 有益效果：本发明通过氧化还原电位计监测净化区内废水氧化还原电位，用喷雾、气管曝气、矿质土壤上水生植物氧化根周的方式增氧，关闭喷雾、曝气装置以及打开发酵池出水管向净化池内排入厌氧水和微生物消耗的方式降低净化区水中溶氧，使水体氧化还原
定位维持在400～600mV，提高有机质氧化速度，通过pH计测量在空置区加入呈酸性的糠醛渣或呈碱性的钢渣，是水体酸碱度维持在中性附近，以利于微生物和植物的生长和代谢；发酵池的引入增加了净化池内微生物的浓度，加快了有机质去除的速度；利用建筑拆除垃圾作为基质，以及钢渣的利用，实现了废物的资源化，石膏粉的加入可以抑制
温室气体甲烷的产生。
附图说明
[0033] 图1为根据本发明的实施方案的工程湿地系统的结构示意图。
具体实施方式
[0034] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035] 图1为根据本发明的实施方案的工程湿地系统的结构示意图。如图1所示，本发明的高效去除有机质的工程湿地系统可以包括：发酵池(10)以及净化池(20)，其中，发酵池(10)可以通过管道将其中水排入净化池(20)中。
[0036] 如图所示，所述发酵池(10)可以包括发酵池体(11)、不溶性有机质(12)、过滤层(13)、漂浮隔离层(14)、发酵池喷雾装置(15)、发酵池出水管(16)、在所述发酵池体(11)底部上的进水口(17)以及与进水口连接的发酵池进水管(18)。
[0037] 发酵池体(11)用于废水的发酵厌氧处理。所述不溶性有机质(12)沉淀在发酵池体底部。例如，所述不溶性有机质可以来源于污水通过拦污栅等拦截装置截留下来的不溶性有机质。过滤层(13)设置在发酵池体中部，且距离所述不溶性有机质(12)顶部一定距离。更2
具体地，所述过滤层(13)可以是长纤土工布，例如单位面积
质量可以为约280-320g/m ，例如300g/m2，可以上下分隔设置三层，例如间距可以为20-70cm，50cm，最底层的土工布距离不溶性有机质顶部具有一定距离，以保证良好的过滤效果，例如距离可以为约2米。所述漂浮隔离层(14)漂浮在发酵池体中的水面表层，用于隔离或减少发酵池水-大气界面氧气输送。例如所述漂浮隔离层(14)可以是颗粒泡沫层。
[0038] 所述发酵池喷雾装置(15)和发酵池出水管(16)与发酵池体的连通口均设置在过滤层(13)的上方；由此通过它们流出的水均经过过滤层(13)进行了过滤。发酵池可以在整体上设置为高于净化池(20)，由此便于发酵池中的水流入净化池(20)中。也即，便于发酵池中的水通过所述发酵池喷雾装置(15)以及发酵池出水管(16)二者的出口流向所述植物生长区(22)。所述发酵池喷雾装置(15)能够将发酵池中的水以喷雾的方式喷洒到净化池(20)中，由此呈雾状与空气
接触进行富氧，同时也
蒸发了一部分水，使得落到净化池内的发酵水体得到进一步浓缩。
[0039] 为了实现良好以及快速的厌氧分解处理，从发酵池进水管18流入发酵池内的水优选为过滤后无不溶物的厌氧水。
[0040] 所述净化池(20)可以包括净化池体(21)、植物生长区(22)、空置区(23)以及曝气区(24)，氧化还原电位检测器(25)、pH检测器(26)以及净化池进水管(27)；所述植物生长区(22)、空置区(23)以及曝气区(24)设置在净化池体中，三者之间通过分隔层(28)进行分隔开，分隔层上形成有连通孔(未示出)，使得各个区之间水体连通。净化池体(21)的底部及四周可以还设置有防渗层(未示出)，以防止渗漏，例如可以采用天然黏土、人工聚乙烯膜、
聚合物水泥等建筑防水材制成。本领域技术人员对此易于理解，在此并不赘述。
[0041] 参考附图，所述植物生长区(22)可以包括基质层(222)、生长在基质层(222)上的挺水植物(221)以及设置在基质层(222)中的净化池出水口(223)；基质层(222)包括上部的矿质土壤层(2221)、下部的砂砾石或者建筑拆除垃圾材料层(2222)以及二者之间的间隔层(2223)。上部的矿质土壤层(2221)其厚度例如可以为50-70cm，以供植物生长。下部的砂砾石或者建筑拆除垃圾材料层(2222)的粒径例如可以为5cm～30cm。所述间隔层在二者之间起到滤土排水的作用。例如间隔层可以是短纤土工布，单位面积质量可以为约380-430g/m2，例如400g/m2。净化池出水口(223)设置在颗粒尺寸较大的砂砾石或者建筑拆除垃圾材料层(2222)中，可以实现良好的排水效果。
[0042] 所述挺水植物可以选自芦苇、香蒲、灯心草、荷花、水芹、茭白荀、荸荠。可以同时种植多种植物，实现更好的效果。
[0043] 氧化还原电位检测器(25)以及pH检测器(26)设置在所述植物生长区(22)中，用于检测水体中的氧化还原电位以及pH值。
[0044] 如图所示，所述空置区(23)设置在所述植物生长区(22)与曝气区(24)之间，当然也可以是其他合适布置。空置区(23)可用于添加糠醛渣和钢渣，以调节调节水体pH值。糠醛渣是
生物质类物质如玉米芯、玉米秆、稻壳、
棉籽壳以及农副产品加工下脚料中的聚戊糖成分
水解生产糠醛(呋喃甲醛)产生的生物质类废弃物，呈酸性，含有大量的
纤维素、半
纤维素、木质素，能够用于调节系统pH值，为微生物提供适当的营养物质。糠醛渣可以具有适当的粒径，例如2mm-8mm。钢渣是一种工业固体废物，碱性，可以具有适当的粒径，例如5mm-20mm。另外，通过呈酸性的糠醛渣和呈碱性的钢渣配合使用，可以调节工程湿地系统水体酸碱度，使水体保持中性附近，实现高效的有机质去除。如果所加的糠醛渣和钢渣较多时，可以例如采用挖泥船进行清除。
[0045] 可以通过所述净化池进水管(27)将待处理的污水引入到空置区(23)。例如所述净化池进水管(27)可以为喷雾进水管，由此待处理的污水可以以喷雾的形式富氧进入净化池。
[0046] 曝气区(24)用于对净化池进行曝气，例如可以设置气
泵，通过管道将气体通向曝气区底部。
[0047] 下面进一步详细说明利用本发明的上述系统来实施有机质去除的过程。
[0048] 1)用户将通过拦污栅等拦截装置截留下来污水中的不溶性有机质(12)，松散堆放到发酵池体(11)底部，厚度例如可以为约1m，并加入适量的石膏粉，在距离不溶性有机质顶部一定距离(例如2m)处固定一道土工布，每间隔预定距离(例如50cm)再设置两道土工布，在最上面一层土工布上面撒一定量碎泡沫；
[0049] 2)在发酵池喷雾管
阀门、发酵池出水管关闭的情况下，通过发酵池进水管(18)，将无不溶性物质的厌氧水从发酵池体底部流入发酵池(10)内，在水流冲击下，不溶性有机质不停搅动，在三层土工布的作用下，不溶性有机质得到过滤，使不溶性有机质保持在发酵池底与土工布之间，碎泡沫随水面上升而上升，均匀
覆盖在水体表面，起到水-大气界面减少氧气传输的作用，注意发酵池内水不要溢出发酵池；不溶性有机质在厌氧条件下进行发酵分解，生成各种低分子酸、醇等，而这些溶解的有机碳可以为其他微生物所利用。另外，石膏粉的加入，可以抑制甲烷的产生，以减少温室气体的排放。发酵池内主要的两个厌氧过程是发酵和甲烷生成，甲烷是一种温室气体，且甲烷的
温室效应要比二氧化碳大上25倍，石膏粉的加入，相当于加入了SO42-，可以使甲烷的产量减少,不溶性有机质在厌氧条件下进行发酵，生成各种低分子酸、醇等，而这些溶解的有机碳可以为其他微生物所利用。
[0050] 3)打开发酵池进水管18、发酵池喷雾装置15，且要做到流入发酵池体(11)内的流量与从发酵池喷雾装置15流出的流量基本相等，发酵池内不溶性有机质在流入水流冲击下而不停搅拌，整个发酵池内的发酵产物各种低分子酸、醇等也得到充分搅拌，在发酵池水体内分布较均匀，水体通过发酵池喷雾装置的喷头喷出，呈雾状与空气接触进行富氧，同时也蒸发了一部分水，使得落到净化池内的发酵水体得到进一步浓缩；
[0051] 4)待净化池(20)内水位上升到使挺水植物根部淹没一定深度，例如约30cm左右时，关闭发酵池进水管18以及发酵池喷雾装置15；通过氧化还原电位计测量净化池内经
过喷雾富氧的发酵水的氧化还原电位，使氧化还原电位维持在400～600mV,若氧化还原电位小于400mV，打开气泵
开关，气管通向曝气区底部，若氧化还原电位大于600mV，关闭气泵停止曝气，打开发酵池进水管18以及发酵池出水管16，使发酵池内厌氧水通向净化池，若净化池内水位过高，可以打开净化池出水口(223)，放出的水可收集然后通过发酵池进水管18排入发酵池；有机质的氧化(给出
电子)，当有末端电子受体如O2、NO32-、Mn4+、Fe3+、SO42-可利用时有机质就被氧化而分解，当有氧气存在时，有机质分解速度最快，而氧化还原电位在400～600mV时的有氧氧化，氧气自身就是终端电子受体；
[0052] 5)在保证氧化还原电位维持在400～600mV的前提下，在空置区23加入呈酸性的糠醛渣或呈碱性的钢渣，使得水体酸碱度维持在中性附近，以利于微生物和植物的生长和代谢，例如可以通过pH检测器26进行实时测量；在此过程中，植物生长区可以形成氧化根周。氧化根周是水生植物从地上茎和叶向地下根输送氧气形成的，超过根代谢所需的氧从根扩散到周围基质和废水中，增加废水中溶氧。微生物在较适宜条件下在植物根系和基质表面大量繁殖，形成生物膜，对溶于废水中的有机质进行吸附，吸收及生物代谢作用，从而使废水得到净化。
[0053] 6)当废水中有机质浓度满足排放标准，打开净化池排水口223，较快速将净化池内水放完；例如可以检测水体中的BOD或COD浓度。
[0054] 7)经有机质去除后的净化池内水放完之后，关闭净化池出水口，打开净化池喷雾进水管27，需去除有机质的大量废水通过净化池喷雾进水管以喷雾的形式富氧进入净化池，待净化池内水位上升到使挺水植物根部淹没一定深度，例如约30cm左右时，关闭净化池喷雾进水管27阀门，通过氧化还原电位计测量净化池内经过喷雾富氧的发酵水的氧化还原电位，使氧化还原电位维持在400～600mV,若氧化还原电位小于400mV，打开气泵开关，气管通向曝气区24底部，若氧化还原电位大于600mV，关闭气泵停止曝气，打开发酵池进水管18、发酵池出水管16，使发酵池内厌氧水通向净化池。若净化池内水位过高，可以打开净化池出水口223，放出的水可收集通过发酵池进水管18排入发酵池；在保证氧化还原电位维持在400～600mV的前提下，在空置区23加入呈酸性的糠醛渣或呈碱性的钢渣，通过pH计测量，使得水体酸碱度维持在中性附近，以利于微生物和植物的生长和代谢；经过之前在发酵池内用不溶性有机质在厌氧条件下进行发酵，生成各种低分子酸、醇等，而这些溶解的有机碳可以为其他微生物所利用，较高浓度的发酵产物，相比于较低浓度发酵产物，在植物根和基质表面繁殖了更多的微生物，通过净化池喷雾进水管排入净化池内需去除有机质的大量废水因有机质浓度较低，由于净化池内微生物数量较多，因此废水得到快速去除有机质。当废水中有机质浓度满足排放标准，打开净化池排水口223，较快速将净化池内水放完，再打开净化池喷雾进水管27，循环上述步骤。
[0055] 8)当净化池去除有机质效率降低或者需更换净化池基质时，可在通过上述步骤利用发酵池10产生的物质来培养较高浓度微生物。
[0056] 应该理解的是，所述植物生长区(22)中挺水植物可以直接栽种成体株，或者利用
幼苗进行培养。优选地，所述方法还包括对植物进行干旱培养，以形成发达植物根系。植物生长区矿质土壤层下设短纤土工布层，短纤土工布层下设砂砾石或者建筑拆除垃圾材料层，这样的结构利于排水实现干旱条件，对基质水势或者说含水率较易控制，刚刚栽种完水生植物，控制土壤水势或者含水率在较小情况下，例如土壤水势可以控制在-10巴～-0巴，有利于形成发达植物根系，也就是形成较大根周面积，利于有机质净化效率的提高；土壤水势可用土壤水势仪测量得到其值。
[0057] 工程概况：
[0058] 发酵池整体宽约10m，长约15m；净化池整体宽约100m，长约150m，其中植物生长区占总面积的约90％，空置区和曝气区占总面积的约10％；植物生长区栽种芦苇、灯心草两种挺水植物幼苗，控制水势在0巴的条件下，培育10天，然后水势在-2巴的条件下，培育10天，最后控制水势在-4巴的条件下，培育10天，完成在干旱条件下的初步培育；
[0059] 所述基质包括上层60cm厚矿质土壤层，下层90cm厚建筑拆除垃圾层(砖
块、
混凝土块等)粒径范围为5cm～30cm，所述上下层基质间铺设一层400g/m2短纤土工布,起到滤土排水的作用；
[0060] 所述发酵池土工布为300g/m2长纤土工布，三层分开设置，间距为50cm，发酵池进水管阀门关闭时最底层土工布距离不溶性有机质顶部距离为2米；
[0061] 具体操作(时间为夏季)：
[0062] 在发酵池体中加入待处理的污水初滤所得的不溶性有机物质，然后通过进水口注入厌氧污水，进行厌氧发酵4天；然后通过开发酵池喷雾装置将发酵池中的水注入净化池中，使得淹没基质层约30cm；
[0063] 利用曝气和发酵池的厌氧水来调节净化池中水的氧化还原电位，使之控制在约480mV；然后通过加入糠醛渣和钢渣使得水体的pH值为约7.0；在此条件下完成微生物的培养以及净化过程(4天)，然后检测COD浓度为107mg/L，然后排水；
[0064] 之后净化池进水管将待处理的污水(浓度约900mg/L)喷雾进入净化池中，水位上升到淹没所述植物根部(基质层)约30cm。利用曝气和发酵池的厌氧水来调节净化池中水的氧化还原电位，使之控制在约480mV；然后通过加入糠醛渣和钢渣使得水体的pH值为约7.0；在此条件水力持留4天，检测COD浓度为98mg/L，然后排水。
[0065] 以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及
修改。本项发明的技术性范围并不局限于
说明书上的内容，必须要根据
权利要求范围来确定其技术性范围。
