技术领域
[0001] 本
发明属于
污水处理领域，具体涉及一种基于太阳能的多级串联人工湿地污水处理系统及其方法。
背景技术
[0002] 我国农村人口数量庞大，农村的生活环境和
质量很大程度上体现了我国经济发展的整体水平。随着国家环保政策的实施，居民生活水平和环保意识的不断提高，目前很多农村正在大
力推进污水处理项目的建设，以保护和改善农村环境。越来越多的技术被应用于农村污水处理，主要有厌
氧沼气池技术、稳定塘技术、
土壤渗滤技术和人工湿地技术等。
[0003] 我国农村生活污水大部分采用的是沼气池简单处理直接排放，对环境造成严重危害。一些无动力的污水处理池，即大型的沼气池，厌氧预处理+人工湿地技术在农村生活污水处理中也得到很好的利用，但是处理出水仍难以达标，产生的臭气也使人望而却步。一些常规微动力污水处理技术不仅需要用电，还需要人员管理和维护，在农村并不适用，有的设施甚至成为摆设。考虑到无动力的污水处理设施难以达到排放标准，而一些用电的微动力污水处理设施又耗电严重，需要市电供应，在经济不发达、供电困难的农村难以大规模推广应用，运行成本偏高且存在恶臭污染等
缺陷，提供一种节能、经济的农村微动力污水处理系统迫在眉睫，利用太阳能发电为污水处理设备提供所需的电力，具有永久性、清洁性、经济性以及普遍性等优点。太阳能作为全世界应用最为广泛的新
能源，用于污水处理更是体现了环保的概念。考虑到一些地区光照不足以及夜间污水处理效果不佳等现状，同时设置了市电补给及并网系统，不仅保证了特殊环境下污水处理系统的正常运行，还一定程度上节约了市电消耗。
[0004] 复合人工湿地具有基建投资小、污染去除效率高、布置灵活和运行维护管理方便等优点，十分适用于农村污水
净化处理。农村地区地势开阔、太阳能资源丰富且便于利用，将成熟的
太阳能技术耦合入人工湿地净化系统，设计出基于大自然节律变化的太阳能人工湿地系统，既能解决湿地运行中的能源供给，还能利用太阳能光伏产热和发电曝气，改善人工湿地低温季节运行效率低下、填料易堵塞和溶解氧供给率低等不足。
发明内容
[0005] 本发明的目的是解决
现有技术中存在的问题，并提供一种利用太阳能作为供能装置的人工湿地污水处理系统及其方法。
[0006] 基于太阳能的多级串联人工湿地污水处理系统包括A2/O处理装置和人工湿地处理系统，A2/O处理装置和人工湿地处理系统串联设置，对污水进行多级处理；所述的人工湿地处理系统设置在棚式
薄膜光伏太阳能
温室中，棚式薄膜光伏太阳能温室的顶部外表面敷设非晶
硅薄膜式
太阳能电池板，非晶硅薄膜式
太阳能电池板通过太阳能
控制器与
蓄电池相连，多级串联人工湿地污水处理系统通过蓄电池进行供电。
[0007] 所述的A2/O处理装置的池体采用多个A2/O一体化设备罐按照A2/O工艺的处理流程进行组装而成，并设置
回流管道，A2/O一体化设备罐采用PE材质，A2/O一体化设备罐的PE罐体外表面为波纹状罐壁，波纹状罐壁上水平环绕有多个凸起结构。
[0008] 所述的A2/O一体化设备罐中作为好氧池和
厌氧池的罐体内设置固定床填料，固定床填料采用中空的网状塑料筒
叠加而成。
[0009] 所述的A2/O一体化设备罐顶部设有可打开式罐盖，
侧壁设有污水流动管道；所述的多个A2/O一体化设备罐中作为好氧池的A2/O一体化设备罐罐体内底部还设有管式曝气器，管式曝气器采用聚
氨酯管式曝气器。
[0010] 所述的非晶硅薄膜式太阳能电池板上安装有
角度调节装置，所述的角度调节机构装置包括提升杆
电机和太阳能电动提升杆，太阳能电动提升杆设置在非晶硅薄膜式太阳能电池板一端，太阳能电动提升杆与非晶硅薄膜式太阳能电池板连接的一端设有提升杆
伸缩节，太阳能电动提升
杆底部设有提升杆电机，提升杆电机通过驱动提升杆伸缩节的伸长或缩短来控制太阳能电动提升杆的长度。
[0011] 所述的人工湿地处理系统由垂直流人工湿地和水平流人工湿地串联而成，垂直流人工湿地和水平流人工湿地底部填料层从上到下依次为
砂土层、砂石层、混合基质层和
砾石层，其中砂石层中设有固定化
微生物层，混合基质层中设有发热恒温棒和穿孔曝气管，穿孔曝气管和管式曝气器均与曝气鼓
风机相连；水平流人工湿地通过出水井和水位调节箱相连。
[0012] 所述的棚式薄膜光伏太阳能温室中还设有喷淋装置和
通风装置，喷淋装置和通风装置通过温控
开关与蓄电池相连。
[0013] 所述的蓄电池同时与市电系统构成光电互补系统，相互作为补充供能。
[0014] 使用所述的人工湿地污水处理系统的污水处理方法包括如下步骤：
[0015] 1)污水通过管网依次流经格栅池和调节池，滤去悬浮物并对污水进行均和调节处理；
[0016] 2)通过微动力
提升泵将经过步骤1)处理后的污水提升至A2/O一体化设备罐中，多个A2/O一体化设备罐分别作为
厌氧反应器、缺氧反应器、好氧反应器和
沉淀池对污水进行处理，其中好氧反应器中污水回流至缺氧反应器，回流比为2:1；
[0017] 3)将经过步骤2)处理后的污水通过进水管排入垂直流人工湿地的湿地集水井中，再通过湿地水流通道由填料层底部从下往上流动，在纵向流动的过程中污水依次经过填料层中的砾石层、混合基质层、固定化微生物层、砂石层、砂土层和湿地
植物的根系；
[0018] 4)将经过步骤3)处理后的污水排入水平流人工湿地，在推流过程中污水依次从水平流的进水口经过填料
层流向出水口，并利用与曝气鼓风机相连的穿孔曝气管进行供氧，同时，利用发热恒温棒进行保温，以进一步去除污水中的污染物；
[0019] 5)将经过步骤4)处理后的污水排入出水井，进行达标排放，通过出水井中安装的液面监测浮球开关监测控制水流进入水位调节箱。
[0020] 所述的步骤3)中污水纵向流动的过程中，利用在混合基质层中安装的发热恒温棒为整个床体提供热量，同时利用曝气鼓风机通过穿孔曝气管进行曝气，使之在穿孔曝气管周边按距离远近形成好氧区、缺氧区和厌氧区，达到脱氮除磷的目的；
[0021] 所述的垂直流人工湿地和水平流人工湿地均设置于棚式薄膜光伏太阳能温室中，棚式薄膜光伏太阳能温室通
过喷淋装置和通风装置对棚内
温度进行控制，当温度高于设定值时，开启喷淋装置和通风装置降温；棚式薄膜光伏太阳能温室顶部的非晶硅薄膜式太阳能电池板能通过提升杆电机驱动提升杆伸缩节的伸长或缩短来控制太阳能电动提升杆的长度,从而调节非晶硅薄膜式太阳能电池板与太阳光线形成的夹角角度；
[0022] 所述的人工湿地污水处理系统中的耗电设备均通过蓄电池进行供能，而蓄电池与非晶硅薄膜式太阳能电池板连接，非晶硅薄膜式太阳能电池板吸收的太阳能转
化成电能，经过太阳能控制器数字化调节后输出，并存储于蓄电池中，蓄电池与市电间光电互补，相互进行供能转换。
[0023] 本发明的有益效果是：
[0024] 1、棚式薄膜光伏太阳能温室既满足了植物各个季节正常生长的光照和温度需要，又实现光电转换，低成本光能发电。
[0025] 2、采用了垂直流人工湿地和潜流人工湿地串联模式，占地面积较小，避免了潜流对氨氮、磷处理效果不佳，该复合人工湿地对
水体的各种污染物处理效率较高，满足了出水达标排放要求。
[0026] 3、薄膜光伏太阳能板安装了自控太阳能电动提升杆，可随着太阳角度变化而伸缩调节光伏板的朝向，提高太阳能的利用率。
[0027] 4、A2/O固定床系统罐体采用改性PE材质，加入了抗
氧化剂，抗紫外线剂等添加剂，可耐各类
腐蚀，并埋置于地下，减少了用地面积。
[0028] 5、A2/O设备罐体中填料填充率高，实现了三维流动，完全混合，氧利用效率高，挂膜时间短，寿命长，不容易堵塞。
[0029] 6、固定床罐体整体强度高，抗浮性能好，且单个罐体体积小质量轻，组合式安装，安装运输便捷。
[0030] 7、好氧罐体中管式曝气器采用聚氨酯材料，处理效果较好，
能量损失减少25%，且使用寿命比较长。
[0031] 8、利用市电作为补给能源，保证了特殊天气情况和夜间污水处理系统的正常运行。同时又设置了并网市电系统，满足系统正常运行的情况下多余的太阳能进入市电系统。
[0032] 9、人工湿地填料层中安装了发热恒温棒和微孔穿孔管，提升了污水处理效率。
[0033] 10、出水井安装了水位检测控制器，水力负荷过大时，调控部分水量进入水位调节箱中。
附图说明
[0034] 图1是一种利用太阳能作为供能装置的人工湿地污水处理系统的示意图；
[0035] 图2 是本发明的太阳能供电装置系统；
[0036] 图3是本发明的太阳能电动提升杆；
[0037] 图4 是本发明的垂直流人工湿地结构图；
[0038] 图5 是本发明的湿地填料层示意图；
[0039] 图6 是本发明的PE罐体结构图；
[0040] 图7 是本发明的填料层示意图。
[0041] 图中，格栅池1、微动力
提升泵2、调节池3、A2/O一体化设备罐4、市电系统5、逆变器6、太阳能控制器7、蓄电池8、固定床填料9、非晶硅薄膜式太阳能电池板10、垂直流人工湿地
11、填料层12、湿地植物13、发热恒温棒14、穿孔曝气管15、喷淋装置16、提升杆电机17、太阳能电动提升杆18、通风装置19、水平流人工湿地20、曝气鼓风机21、出水井22、液面监测浮球开关23、水位调节箱24、提升杆伸缩节25、进水管26、湿地集水井27、湿地水流通道28、砂土层29、砂石层30、固定化微生物层31、混合基质层32、砾石层33、PE罐体34、可打开式罐盖35、污水流动管道36、网状塑料筒37、波纹状罐壁38、管式曝气器39。
[0042] 具体实施方式：
[0043] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0045] 如图1所示，基于太阳能的多级串联人工湿地污水处理系统，包括A2/O处理装置和人工湿地处理系统，其中A2/O处理装置和人工湿地处理系统串联，对污水进行多级处理；所述的人工湿地处理系统设置在棚式薄膜光伏太阳能温室中，棚式薄膜光伏太阳能温室的顶部外表面敷设非晶硅薄膜式太阳能电池板10，非晶硅薄膜式太阳能电池板10通过太阳能控制器7与蓄电池8相连。非晶硅薄膜式太阳能电池板10是一种以非晶硅化合物为基本组成的
薄膜太阳能电池，其独有的分光技术，可以将太阳光伏分段利用：紫外光和紫、靛、蓝、绿、黄光用来发电，进行光电转化，而一部分的橙光和红光透过电池板，由于植物光合作用主要依靠红光，电池板下的植物可以正常生长。且非晶硅薄膜式太阳能电池板10可以利用特殊功能膜，根据人工湿地对温度的要求，将红外光选择性透过或反射，从而调节棚式薄膜光伏太阳能温室内的温度。
[0046] 如图6所示，A2/O处理装置的池体采用多个A2/O一体化设备罐4按照A2/O工艺的处理流程进行组装而成，并设置回流管道，罐体一次成型，具有良好的整体强度，且便于运输。使用过程中，多个A2/O一体化设备罐4替代传统工艺中的
混凝土池体，设有厌氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池等池体。A2/O一体化设备罐4的PE罐体34外表面为波纹状罐壁38，波纹状罐壁38上水平环绕有多个凸起结构，凸起结构具体为齿状的凸起圆环，并间隔的排列在罐体上，
土壤压实后，凸起圆环镶嵌在土体内部，起到抗浮的作用。A2/O一体化设备罐4埋设与地表下方，占地面积小，组合式安装，且安装方便、运输快捷。
[0047] 如图7所示，A2/O一体化设备罐4中作为好氧池和厌氧池的罐体内设置固定床填料9，固定床填料9采用中空的网状塑料筒37叠加而成。网状塑料筒37内部呈空心结构，筒壁由网状塑料环接而成。多个网状塑料筒37竖向防止，并层层叠加，构成固定床填料9，用于微生物挂膜。网状塑料筒37采用耐腐蚀、耐老化、耐高温的塑料制成，污水在床体内三维流动，完全混合，具有氧利用效率高，寿命长，不容易堵塞的优点，且安装时无需
支架。
[0048] 如图6所示，所述的A2/O一体化设备罐4顶部设有可打开式罐盖35，便于对罐体内部结构进行检修，侧壁设有污水流动管道36；所述的多个A2/O一体化设备罐4中作为好氧池2
的A /O一体化设备罐4罐体内底部还设有管式曝气器39，管式曝气器39采用聚氨酯管式曝气器，其膜片材料采用聚氨酯混合体，具有不易脆化、能量损失少的优点。
[0049] 如图3所示，非晶硅薄膜式太阳能电池板10上安装有角度调节装置，所述的角度调节机构装置包括提升杆电机17和太阳能电动提升杆18，太阳能电动提升杆18设置在非晶硅薄膜式太阳能电池板10一端，太阳能电动提升杆18与非晶硅薄膜式太阳能电池板10连接的一端设有提升杆伸缩节25，太阳能电动提升杆18底部设有提升杆电机17，提升杆电机17通过驱动提升杆伸缩节25的伸长或缩短来控制太阳能电动提升杆18的长度。在一天中的不同时间段，可通过调节太阳能电动提升杆18长度控制非晶硅薄膜式太阳能电池板10与太阳光光线的角度，从而最大限度的利用太阳能。调节太阳能电动提升杆18长度的控制可以自动化实现，也可以脱离自动化设备，采用人工进行微调。本实施例中采用人工调整形式。
[0050] 如图4和图5所示，人工湿地处理系统由垂直流人工湿地和水平流人工湿地串联而成，垂直流人工湿地和水平流人工湿地底部填料层12从上到下依次为砂土层29、砂石层30、混合基质层32和砾石层33，其中砂石层30中设有固定化微生物层31，混合基质层32中设有发热恒温棒14和穿孔曝气管15，穿孔曝气管15和管式曝气器39均与曝气鼓风机21相连；水平流人工湿地通过出水井22和水位调节箱24相连。出水井22内设有液面监测浮球开关23，用于监控与出水井22相连的人工湿地处理系统的水位高度，当水位过高，通过液面监测浮球开关23进行检测控制，把多余的水排到水位调节箱24中，保持人工湿地处理系统的运行负荷不超过处理负荷。
[0051] 如图2所示，棚式薄膜光伏太阳能温室中还设有喷淋装置16和通风装置19，喷淋装置16和通风装置19通过温控开关与蓄电池8相连。当棚式薄膜光伏太阳能温室内温度高于湿地植物13的耐受温度时，利用温控开关打开喷淋装置16和通风装置19进行降温。通风装置19包括通风窗和通风机。多级串联人工湿地污水处理系统通过蓄电池8进行供电，多级串联人工湿地污水处理系统中的耗电设备包括微动力提升泵、曝气鼓风机、发热恒温棒、穿孔曝气管、喷淋装置和提升杆电机，均通过太阳能控制器和逆变器与蓄电池电连接。
[0052] 如图2所示，所述的微动力提升泵2、曝气鼓风机21、发热恒温棒14、穿孔曝气管15、和提升杆电机17均通过太阳能控制器7和逆变器6与蓄电池8电连接。当非晶硅薄膜式太阳能电池板10转化的电能经过太阳能控制器数字化调节后输出，输出的电能送往蓄电池8存储，过量的电能经逆变器将12V、24V或48V直流电转换为220V交流电，供整个污水处理系统的能量消耗，多余的电能通过并网系统进入市电。此外，蓄电池8同时与市电系统5构成光电互补系统，两者并接，相互作为补充供能；当持续阴天或太阳能供给不足时，市电可对整个系统进行补给。
[0053] 整个人工湿地污水处理系统的连接关系如下:
[0054] 格栅池1、调节池3、A2/O一体化设备罐4、垂直流人工湿地11、水平流人工湿地20、出水井22和水位调节箱24顺次相连。A2/O一体化设备罐采用PE罐体34，顶部设置可打开式罐盖35，罐体内部设置固定床填料9，罐体底部设有管式曝气器39。垂直流人工湿地11、水平流人工湿地20均设置于棚式薄膜光伏太阳能温室中，温室上部设有喷淋装置16和通风装置19，温室与非晶硅薄膜式太阳能电池板10通过太阳能电动提升杆18相连，太阳能电动提升杆18底部设置有提升杆电机17，顶部设有提升杆伸缩节25，垂直流人工湿地11、水平流人工湿地20表面种植湿地植物13，垂直流人工湿地11、水平流人工湿地20内部均设有填料层12和湿地水流通道28，垂直流人工湿地11、水平流人工湿地20填料层12一致。湿地集水井27设置于垂直流人工湿地11前端，微动力提升泵2设置于调节池3内，通过进水管26将调节池3内的污水输送到湿地集水井27内，出水井22内设有液面监测浮球开关23。穿孔曝气管15和管式曝气器39与曝气鼓风机21相连。微动力提升泵2、发热恒温棒14、穿孔曝气管15、喷淋装置
16、提升杆电机17、通风装置19、曝气鼓风机、管式曝气器39均与蓄电池8相连。非晶硅薄膜式太阳能电池板10通过逆变器6、太阳能控制器7与蓄电池8相连，蓄电池8与市电系统5光电互补连接。
[0055] 使用所述的处理系统的基于太阳能的多级串联人工湿地污水处理方法包括如下步骤：
[0056] 1)污水通过管网依次流经格栅池1和调节池3，利用格栅池1滤去悬浮物并利用调节池3对污水进行均和调节处理；
[0057] 2)通过微动力提升泵2将经过步骤1)处理后的污水提升至A2/O一体化设备罐4中，多个A2/O一体化设备罐4分别按照传统A2/O工艺的设置，依次作为厌氧反应器、缺氧反应器、好氧反应器和沉淀池对污水进行处理，其中好氧反应器中污水回流至缺氧反应器，回流比为2:1；
[0058] 3)将经过步骤2)处理后的污水通过进水管26排入垂直流人工湿地11的湿地集水井27中，再通过湿地水流通道28由表面纵向流至床底，在纵向流动的过程中污水依次经过湿地植物13的根系和填料层12中的砂土层29、砂石层30、固定化微生物层31、混合基质层32和砾石层33；污水纵向流动的过程中，利用在混合基质层32中安装的发热恒温棒14为整个床体提供热量，同时利用曝气鼓风机21通过穿孔曝气管15进行曝气，使之在穿孔曝气管15周边按距离远近形成好氧区、缺氧区和厌氧区，使污水中的COD、N、P等营养物质在不同的环境中达到脱氮除磷及去除有机物的目的；同时穿孔曝气管15的使用还能有效地避免填料堵塞问题的发生。
[0059] 4)将经过步骤3)处理后的污水排入水平流人工湿地20，在推流过程中污水依次从水平流的进水口经过填料层流向出水口，并利用与曝气鼓风机21相连的穿孔曝气管15进行供氧，同时，利用发热恒温棒14进行保温，以进一步去除污水中的污染物；所述的垂直流人工湿地和水平流人工湿地均设置于棚式薄膜光伏太阳能温室中，棚式薄膜光伏太阳能温室可通过喷淋装置16和通风装置19对棚内温度进行控制，当温度高于设定值时，开启喷淋装置16和通风装置19降温；棚式薄膜光伏太阳能温室顶部的非晶硅薄膜式太阳能电池板能通过提升杆电机17驱动提升杆伸缩节25的伸长或缩短来控制太阳能电动提升杆18的长度,从而调节非晶硅薄膜式太阳能电池板与太阳光线形成的夹角角度；
[0060] 5)将经过步骤4)处理后的污水排入出水井22，进行达标排放,若水力负荷过大，通过出水井22中安装的液面监测浮球开关23监测控制水流进入水位调节箱24。
[0061] 所述的人工湿地污水处理系统中的耗电设备均通过蓄电池8进行供能，包括上述步骤中的微动力提升泵2、曝气鼓风机21、发热恒温棒14、穿孔曝气管15、喷淋装置16和提升杆电机17，而蓄电池与非晶硅薄膜式太阳能电池板连接，非晶硅薄膜式太阳能电池板吸收的太阳能转化成电能，经过太阳能控制器数字化调节后输出，并存储于蓄电池中，蓄电池与市电间光电互补，相互进行供能转换。阳光不足时，可以利用市电进行系统供电。温室顶部敷设的非晶硅薄膜式太阳能电池板将太阳光分段利用，分别用于发电和供植物光合作用。
[0062] 本套装置在实际工程项目中应用，其处理效果良好，其出水高于一般人工湿地，均达到国家相关标准。且施工简便，实际运行过程中运行成本较低。本实施例中，利用上述太阳能作为供能装置的A2/O一体化设备和复合人工湿地污水处理系统进行处理时，该系统进出水水质的具体参数如表1所示：
[0063] 表1复合人工湿地处理系统进出水水质
[0064]指标 COD BOD NH3-N SS TN TP pH
进水（mg/L） 301 160 24 198 30 7 6
出水（mg/L） 45 8 3 9 6 1 7
去除率（%） 85 95 88 96 80 86 /
[0065] 值得注意的是，以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
