技术领域
[0001] 本
发明属于
环境工程污
水处理技术领域，更具体地设计了一种垂直流自动充氧环形人工湿地系统，适用于生活污水、受污染地表水、面源污水。
背景技术
[0002] 人工湿地是20世纪七八十年代发展起来的一种新型
废水处理工艺，由于该方法具有效率高、投资少、运转
费用低等特点，已经被广泛应用于含油废水、生活污水、养殖废水处理以及湖泊污染防治等领域，但是由于布水不均，填料级配不合理，
植物传输氧气有限以及受环境
温度影响大等原因，导致人工湿地堵塞、供氧不足形成了严重的还原环境，同时也限制了
微生物的
硝化作用，一直存在着脱氮效率低的问题。因此，提高湿地的脱氮效果，关键在于改善湿地的布水和供氧环境，从而提高硝化作用效果。
[0003] 目前，人工湿地主要有3种形式：表面流，地下潜流，垂直流。表面流湿地与自然湿地极为类似，运行效果受
气候影响较大，夏季还会滋生大量蚊蝇，环境卫生条件较差；地下潜流湿地虽然有保温性能好、处理效果受气候影响小、卫生条件较好等特点，但是由于该工艺利用植物根系的输氧作用，因此对植被要求较高，而且控制相对复杂，脱氮效果欠佳。垂直流湿地的污水从湿地表面纵向流向填料床底部，床体处于不饱和状态，氧气可通过大气扩散和植物传输进人湿地系统。垂直流湿地的硝化能
力高于地下潜流湿地，该工艺中废水利用水的重力作用向下流动，保温效果好、负荷高、处理效果受气候的影响小，目前国际上采用较多的也正是这种工艺。但是氮的去除一直是潜流人工湿地效能的限制因素，尤其是-在冬季。一般TN去除率为40％以下，NH3 去除率为45％以下。
[0004] 垂直流人工湿地处理系统对氮的去除作用包括基质的
吸附、过滤、沉淀以及
氨的挥发，植物的吸收和湿地中微生物作用下经硝化、
反硝化作用去除。微生物的硝化、反硝化作用在氮的去除中有重要作用，其基本条件是存在大量的硝化和
反硝化细菌和适当的湿地
土壤环境条件，硝化过程中需要硝化菌群的存在以及必要的好氧环境。但是由于潜流式湿地内部，特别是非
根际区经常处于厌氧状态，从而限制了硝化菌的增长及硝化反应的发生。
[0005] 当前人工湿地的增氧方式有：一是在湿地系统内安装开孔通气管，进行自然通气；二是用空气
压缩机连续或间歇向湿地系统中的开孔管进行强化通气；三是利用
风能向湿地系统中的开孔管通入空气。这三种增氧方式有以下不足：
[0006] 1、通气管是空气自流换气，空气传递效率不高；且多层通气管的铺设，增加了湿地系统的基建投资。
[0007] 2、
风能增氧方式受地域及气候限制很大，造成湿地系统处理效果不稳定。
[0008] 3、三种增氧方式都没有创造硝化、反硝化反应所需最优的好氧、厌氧交替变化的-环境条件，导致湿地出水中NO3 的浓度增加，氮的去除率下降。
[0009] 4、三种增氧方式都是直接将开孔通气管埋在湿地系统的基质中，细小的沙砾极易堵塞通气管的开孔。
[0010] 5、本发明可有效提高人工湿地的水处理效率，大幅度降低单位水处理湿地的占地率，。
发明内容
[0011] 本发明是为了弥补上述
现有技术所存在的不足之处，提供了一种垂直流湿地均匀布水和增氧系统，该系统利用环形流人工湿地延长污水
接触时间并设置自动充氧系统，创造了微生物硝化、反硝化反应所需的好氧、厌氧交替变化的环境条件，大大提高了脱氮效果。
[0012] 本发明的技术方案是：
[0013] 本发明的特点是：废水经分流槽利用水自然流动布水依次设置：下行流环形湿地和上行流环形湿地，再经射流器自动充氧回流到外层，本发明的结构特点在于下行流环形池和上行流环形池均采用圆形环流装置，中间设有隔墙，下行流环形池填充细砂和砾石，并附有植被，上行流环形池填充细砂和鹅卵石，并附有草本植物，下行流环形池基质层比上行流环形池基质层高10～20cm。
[0014] 本发明的特点也在于集水池与自动充氧射流器相连，射流器上的出水口与分流槽成45°。
[0015] 一种新型垂直流自动充氧环形人工湿地系统，在于：
[0016] 设置布水的分流槽、下行流环形池和上行流环形池构成人工湿地系统，集水池和回流
泵以及空心环流射流器构成污水收集和二次循环处理过程；在底部连通的下行流环形池和上行流环形池以及集水池组成垂直流人工湿地，下行流环形池的底部与上行流环形池连通，在集水池上方设置空心环流射流器，并与
回流管连接。
[0017] 下行流环形池和上行流环形池均具有基质层；所述空心环流射流器包括：
喷嘴、进气管、混合室、喉管、扩散管和尾管；空心环流射流器工作过程为：污水通
过喷嘴和进气管汇合，经过进气管通入气流的
反冲作用溢流到混合室然后经过喉管导入到扩散管最终由尾管输出，完成充氧过程。
[0018] 进一步地，所述设置布水的分流槽，下行流环形池和上行流环形池均采用圆形环流装置，中间设有隔墙，下行流环形池基质层填充细砂和砾石，并附有植被，上行流环形池基质层填充细砂和鹅卵石，并附有草本植物，下行流环形池基质层比上行流环形池基质层高20～30cm。
[0019] 进一步地，所述污水收集是通过分流槽均匀分布进入垂直流人工湿地系统，再通过集水池部分回流与自动充氧射流器相连，完成污
水循环充氧处理的过程，射流器上的出水口与分流槽成45°。
[0020] 进一步地，所述下行流环形池基质层从上往下依次包括表面土壤层、砂层和
砾石层；所述砾石层为活性
钙砾石层；所述土壤层为黑土层，土壤中养水蚯蚓，每平方米放养3-8只
幼苗，优选6只。
[0021] 进一步地，所述下行流环形池基质层从上往下依次包括生物介质填料层、砂层和砾石层；所述砾石层为活性钙砾石层；所述生物介质填料层为木屑填料层、植物秸秆填料层或棕榈丝填料层。
[0022] 进一步地，所述下行流环形池与上行流环形池的池底坡度为2-5°。
[0023] 进一步地，在所述上行流环形池的基质层上设置一层催化剂床层及催化反应段，所述催化剂床层的高度从下到上的高度依次减半，从上之下依次是
活性炭上载钌颗粒催化剂、蜂窝陶瓷催化剂和羟基氧化
铁催化剂，控制水在催化剂床内的
停留时间为10～25min，3 2
催化剂床层的水力负荷2～6m/m·h。
[0024] 进一步地，所述上行流环形池的基质层上设置一层具有吸附作用的载体层，所述具有吸附作用的载体层为纳米
碳球，所述纳米碳球附着有羟基氧化铁催化剂，所述羟基氧化铁催化剂为载体型羟基氧化铁，其制备步骤如下，将载体放入pH＝1～2的稀
盐酸中浸泡10小时，冲洗浸泡后的载体，然后再放入
硝酸铁溶液浸泡18小时，向其中加入氢氧化钠溶液，使铁离子完全沉淀，生成棕色沉淀物，将所述棕色沉淀物在300℃以下干燥，得到黄色载体羟基氧化铁粉末，即载体型羟基氧化铁。将载体放入pH＝1～2的稀盐酸中浸泡10小时时，优选pH＝1.5。
[0025] 进一步地，所述纳米碳球的制备方法为，采用
液化石油气为原料，氢气为载体，将液化石油气、氢气按1∶4的比例输入到储气罐内，控制储气罐内混合气温度30-35℃、压力0.3-0.32Pa，将
电弧等离子体发生器内胆抽
真空，所述真空度小于0.0001Pa，将混合气通入，控制
电弧等离子体发生器内胆混合气压力至0.22-0.28Pa，控制电弧
等离子体发生器的放电
电压380-420kv、放电
频率1次/min、放电时间30-35min，在电弧等离子体发生器内胆生成纳米碳球，所得的碳球呈鳞片状
石墨结构，纳米碳球球体直径10～20nm，
比表面积2
大于380m/g。
[0026] 进一步地，所述新型垂直流自动充氧环形人工湿地系统的水平占地面积为400～2
780m。
[0027] 有益效果
[0028] 与已有的技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0029] 1、本发明采用环流人工湿地系统，可以针对不同进水以及不同阶段污水的水质特性，对其进行回流和充氧处理，完全达到了污水的排放标准。
[0030] 2、本发明通过射流器自动充氧装置加以回流再处理可以人为有效的控制污水中污染物的去除效果，并有效地控制污水的
净化效果。
[0031] 3、本发明可以收集出水并作为中水回用，有效的节约了资源。
[0032] 4、本发明的载体层，可以吸附大量的污染物，定期清理后，可以净化水质，保护环境。
[0033] 5、本发明可有效提高人工湿地的水处理效率，大幅度降低单位水处理湿地的占地率。
附图说明
[0034] 图1为该新型垂直流自动充氧人工湿地系统俯视图。
[0035] 图2为该新型垂直流自动充氧人工湿地系统工艺
流程图。
[0036] 图3为空心环流射流器结构示意图。
[0037] 图中附图标记如下：
[0038] 1-分流槽；2-下行流环形池；3-上行流环形池；4-集水池；5-回流泵；6-回流管；7-空心环流射流器；8-喷嘴；9-进气管；10-混合室；11-喉管；12-扩散管；13-尾管。
具体实施方式
[0039] 实施地点，安徽合肥某郊区，实施时间2012年11月，占地面积5m2，日设计处理水3
量2～2.5m/d。具体操作如下：
[0040] 如图1所示，一种新型垂直流自动充氧环形人工湿地系统，在于：设置布水的分流槽1、下行流环形池2和上行流环形池3构成人工湿地系统，集水池4和回流泵5以及空心环流射流器7构成污水收集和二次循环处理过程；在底部连通的下行流环形池2和上行流环形池3以及集水池4组成垂直流人工湿地，下行流环形池2的底部与上行流环形池3连通，在集水池上方设置空心环流射流器7，并与回流管6连接。
[0041] 下行流环形池2和上行流环形池3均具有基质层；所述空心环流射流器7包括：喷嘴8、进气管9、混合室10、喉管11、扩散管12和尾管13；空心环流射流器7工作过程为：污水通过喷嘴8和进气管9汇合，经过进气管9通入气流的反冲作用溢流到混合室10然后经过喉管导入到扩散管12最终由尾管13输出，完成充氧过程。
[0042] 进一步地，所述设置布水的分流槽1，下行流环形池2和上行流环形池3均采用圆形环流装置，中间设有隔墙，下行流环形池2基质层填充细砂和砾石，并附有植被，上行流环形池3基质层填充细砂和鹅卵石，并附有草本植物，下行流环形池2基质层比上行流环形池3基质层高20～30cm，所述细砂和鹅卵石的填充比例为1∶2.5。
[0043] 进一步地，所述污水收集是通过分流槽均匀分布进入垂直流人工湿地系统，再通过集水池部分回流与自动充氧射流器相连，完成污水循环充氧处理的过程，射流器上的出水口与分流槽成45°。
[0044] 进一步地，所述下行流环形池2基质层从上往下依次包括表面土壤层、砂层和砾石层；所述砾石层为活性钙砾石层；所述土壤层为黑土层，土壤中养水蚯蚓，每平方米放养3-8只幼苗。
[0045] 进一步地，所述下行流环形池2基质层从上往下依次包括生物介质填料层、砂层和砾石层；所述砾石层为活性钙砾石层；所述生物介质填料层为木屑填料层、植物秸秆填料层或棕榈丝填料层。
[0046] 进一步地，所述下行流环形池与上行流环形池的池底坡度为2-5°。
[0047] 进一步地，在所述上行流环形池3的基质层上设置一层催化剂床层及催化反应段，所述催化剂床层的高度从下到上的高度依次减半，从上之下依次是活性炭上载钌颗粒催化剂、蜂窝陶瓷催化剂和羟基氧化铁催化剂，控制水在催化剂床内的停留时间为10～3 2
25min，催化剂床层的水力负荷2～6m/m·h。
[0048] 进一步地，所述上行流环形池3的基质层上设置一层具有吸附作用的载体层，所述具有吸附作用的载体层为纳米碳球，所述纳米碳球附着有羟基氧化铁催化剂，所述羟基氧化铁催化剂为载体型羟基氧化铁，其制备步骤如下，将载体放入pH＝1～2的稀盐酸中浸泡10小时，冲洗浸泡后的载体，然后再放入硝酸铁溶液浸泡18小时，向其中加入氢氧化钠溶液，使铁离子完全沉淀，生成棕色沉淀物，将所述棕色沉淀物在300℃以下干燥，得到黄色载体羟基氧化铁粉末，即载体型羟基氧化铁。
[0049] 进一步地，所述纳米碳球的制备方法为，采用液化石油气为原料，氢气为载体，将液化石油气、氢气按1∶4的比例输入到储气罐内，控制储气罐内混合气温度30-35℃、压力0.3-0.32Pa，将电弧等离子体发生器内胆抽真空，所述真空度小于0.0001Pa，将混合气通入，控制电弧等离子体发生器内胆混合气压力至0.22-0.28Pa，控制电弧等离子体发生器的放电电压380-420kv、放电频率1次/min、放电时间30-35min，在电弧等离子体发生器内胆生成纳米碳球，所得的碳球呈鳞片状石墨结构，纳米碳球球体直径10～20nm，比表面积2
大于380m/g。
[0050] 进一步地，所述新型垂直流自动充氧环形人工湿地系统的吨废水处理占地面积为0.1-2m2。本发明可有效提高人工湿地的税处理效率，大幅度降低单位水处理湿地的占地率。对采用上述湿地处理后的水源进行氮磷含量进行检测，采用国家环境保护总局编写的《水和废水监测分析方法》(第四版)中规定的
水体中氮磷含量的检测方法，对本湿地系统处理前后的水源进行氮磷含量检测，检测结果见表1。检测结果表明：该湿地系统对水体中的氨氮和总磷有非常显著的处理效果：
[0051] 表1
[0052]
[0053] 具体工作过程：
[0054] 新型垂直流自动充氧人工湿地系统可采用连续或间歇进水、自动出水的工作方式，当污水经进水管进入分流槽(1)流入下行流环形池(2)，在污水下渗过程中形成了一个由好氧环境逐渐过渡到厌氧环境的条形带，在此环境条件下，为微生物提供了进行硝化和反硝化所需的反应条件，使得废水中的含氮有机物转化为硝态氮，因此，剩余部分含有NO3-N的污水被推流至上行流环形池(3)时，由于下行流环形池(2)到上行流环形池(3)的超长流动时间使得微生物能够充分进行反消化过程，进而促进了反硝化反应的发生NO3-N转化为N2，垂直流人工湿地的好氧-缺氧-厌氧-缺氧-好氧循环环境条件，进一步促进了对氮的彻底去除。同时由于垂直流湿地系统也可以针对较高浓度废水进行回流自动充氧处理，所以该装置作为多功能
污水处理装置，可以在多个领域和条件下进行有效的运用。
[0055] 在此说明的是
实施例中涉及的数值范围均是经过多次实验所得，每一个点都可以实现，不局限在端点或者终点，篇幅所限，在此不进行一一列举。
[0056] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
