具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

图1是根据一示例性实施例示出的一种循环利用地热能进行冬季保温的人工湿地系统的结构图。本发明实施例提供的一种循环利用地热能进行冬季保温的人工湿地系统，包括湿地基质、水暖管道1和地下含水层2，所述水暖管道1铺设在湿地基质中，水暖管道的进水口3位于湿地基质的上部，水暖管道的出水口4位于湿地基质的下部；所述湿地基质的上部和下部分别设置有污水进水口5和污水出水口6；

该人工湿地系统有效提高了湿地温度，提高了冬季湿地污染物的去除率，且利用无污染的地热能，成本低。

所述湿地基质从上向下依次为土壤层7、人工混合层8和沸石层9，所述土壤层7上方种植湿地植物10，土壤层7中设置有第一水暖管道，人工混合层8设置有第二水暖管道，所述沸石层9设置有第三水暖管道，所述的第一水暖管道、第二水暖管道和第三水暖管道首尾相接，且第一水暖管道的进水口输入地下热水，第三水暖管道的出水口将冷水输入地下含水层。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述土壤层主要为土壤；所述人工混合层包括细沙、粗砂、灰渣和石灰石中的一种或几种组合；所述沸石层主要为沸石。本发明所述湿地基质除了土壤层7、人工混合层8和沸石层9外，还可以根据需要设置砾石层等。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述土壤层7、人工混合层8和沸石层9中的粒径从上向下逐渐增大。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述第一水暖管道的进水口和第三水暖管道的出水口分别位于湿地基质的两侧。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述的污水进水口和污水出水口分别位于湿地基质的两侧。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述水暖管道由导热材料制成，第一水暖管道的水管间距小于第二水暖管道的水管间距，第三水暖管道的水管间距大于第二水暖管道的水管间距。所述水暖管道具有良好导热性能的材料制成，铺设时在上层植物根系区较密(垂向间距较小)，下层较疏(垂向间距较大)，这样既可以保证植物根系区的温度，避免植物冻死，也可以防止气温较低时湿地表层被冻结。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述湿地植物为根系比较粗大的菖蒲植物，可增大人工湿地中的孔隙，使得人工湿地的容水体积变大，水体中的磷可以有较长时间的反应，增加了人工湿地系统对TP的去除率。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述人工湿地为可移动的小型湿地结构或大型湿地结构。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述的人工湿地设置在地表以下或地表以上。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述水暖管道的进水口处和出水口处分别设置有进水控制阀和出水控制阀。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述的人工湿地系统还包括地下热水输送装置和冷水输送装置，所述地下热水输送装置的一端设置在地下含水层中，另一端与第一水暖管道的进水口连通；所述冷水输送装置的一端与第三水暖管道的出水口连通，另一端设置在地下含水层中；所述地下热水输送装置将依靠地热能加热后的地下热水从地下含水层通过水暖管道的进水口抽至水暖管道，地下热水通过管道循环给人工湿地进行加热，然后将循环后的冷水从水暖管道的出水口通过冷水输送装置回灌至地下含水层，再依靠地热能进行加热，循环利用。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述地下热水输送装置包括抽水井，所述冷水输送装置包括回灌井。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述的地下热水输送装置和冷水输送装置的输水量相等。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述第一水暖管道的进水口还可以通过承接泉涌或坎儿井的水输入地下热水。

图2是根据一示例性实施例示出的一种循环利用地热能进行冬季保温的人工湿地系统现场模拟图。如图2所示，所述人工湿地系统包括抽水井、回灌井、地下热水进水口、湿地循环后冷水的出水口、污水进水口、污水出水口、湿地基质、湿地内的水暖管道、湿地植物、地下含水层等。所述抽水井与地下含水层相连通，通过水泵抽取地下热水并与地下热水进入湿地的进水口相连通，再与湿地内的水暖管道相连通，再与湿地循环后冷水的出水口相连通，再与回灌井相连通，最终将冷水回灌到地下含水层。所述湿地内的水暖管道，具有良好导热性能的材料制成，铺设时在上层植物根系区较密(垂向间距较小)，下层较疏(垂向间距较大)；所述地下热水进水口与出水口设置在湿地的两侧，所述污水进口与污水出口分别设置在湿地的两侧，进口高于出口。所述基质从上到下包括土壤层、人工混合层和沸石层等。所述湿地植物主要是适应于冬季湿地生长的菖蒲等耐寒植物。所述的地下热水进入湿地的方式可以是通过抽水井进入，也可以通过泉涌、坎儿井等自流进入湿地的进水口和循环管道。所述的湿地可以是可移动的小型湿地，也可以是大型湿地。

在人工湿地内的水暖管道系统，利用抽水井将依靠地下浅层地热能加热后的地下水抽至铺设在人工湿地内的水暖管道系统，通过管道循环给人工湿地加热，然后将循环后的冷水通过回灌井回灌至地下含水层，再依靠地下浅层地热能加热，再利用抽水井将地下热水水抽至铺设在人工湿地内的水暖管道系统，循环利用地热能。

如图3所示，本发明实施例提供的一种循环利用地热能进行冬季保温的方法，利用上述所述的人工湿地系统进行循环利用地热能进行冬季保温，所述方法包括以下步骤：

将依靠地热能加热后的地下热水从地下含水层通过水暖管道的进水口抽至水暖管道；

地下热水通过管道循环给人工湿地进行加热；

将循环后的冷水从水暖管道的出水口回灌至地下含水层；

在给人工湿地进行加热过程中，通过污水进水口向人工湿地输入污水，污水经人工湿地处理后通过污水出水口排除。

本发明的一种循环利用地热能进行冬季保温的人工湿地，其能够保证冬季湿地内更高的温度；地下水通过管道给湿地加温，与湿地隔离，不会造成地下水污染，也不会造成堆肥、稻草(麦秸)、塑料薄膜等二次污染；湿地的温度可在一定范围内控制，当温度较低时，可以加大抽水水量，当温度较高时，可以减小抽水水量；相对于稻草覆盖等方法，本系统不用每年更换，可长期应用，运行过程中主要是抽水费用，成本低。

为了验证本发明人工湿地系统，申请人构建了两个小型人工湿地，其一是普通对照组人工湿地(以下简称对照组)，其二是在人工湿地中铺设水暖管道实验组人工湿地(以下简称实验组)。

实验装置由集水箱、NKP蠕动泵、加热水桶、垂直流人工湿地构成。实验组和对照组湿地大小均为0.5m×0.35m×0.32m，有效容积为50L。湿地底面坡度为1％。

建造时，湿地内分层铺设水暖管道(本湿地为三层，水暖管道采用渡防锈漆铁质管)。由于湿地温度主要取决于进入管道的水温，与是否从地下抽取的水无关，因此本发明采用电伴热带加热水代替地下水。同时使用SN-NTC10温控器进行温度监控，让温度保持18℃，符合济南市浅层地下水温度。运行时，热水通过进水口进入湿地，通过水暖管道给湿地加热，并从出水口流出。收集从水暖管道流出的水重新加热再循环利用。热水不与湿地发生交换。同时污水通过NKP蠕动泵抽入湿地，从污水出口流出。

试验从11月份开始，到2月底结束，实验进水时间为08:00—20:00，每天进水10L。实验开始前，先将清水通入人工湿地中，进行调试运行，待实验池运行稳定后，每隔3天进行一次取样，水样采集后立即送入实验室，并做平行样，分析COD、NH₄ ⁺-N、TP等指标。

人工湿地对COD的去除效率如下：

经过测试，实验组和对照组对污水中的COD的去除率情况如下。两个人工湿地进水COD保持在125mg/L，水力停留时间保持在3d。实验组出水口水样中COD含量为41.68±3.44mg/L，在试验期间去除率最大达到69.41％。相比对照组出水口中COD的含量为69.71±9.60mg/L，对COD的去除率最大为51.91％。随着温度逐渐降低，对照组对COD的去除效率逐渐减小，直至对照组湿地被冻结，无法运行。但此时，实验组的去除效果较为稳定。在冬季，实验组对COD的去除效率高于对照组对COD的去除效率，提高了17.50％。因此，冬季利用地热能对人工湿地加热可以提高人工湿地对COD的去除效率。

人工湿地对NH4+-N的去除效果如下：

经过试验，实验组冬季出水口NH₄ ⁺-N的浓度为12.05±1.15mg/L，去除率最高达到了50.45％，相较于对照组出水口NH₄ ⁺-N的浓度为18.37±1.49mg/L，去除效率最高为23.27％。实验组对NH₄ ⁺-N的去除效果较对照组提高了27.18％。可见，人工湿地内NH₄ ⁺-N的去除效果受温度影响较大，随着季节的变化，气温逐渐降低，湿地系统对NH₄ ⁺-N的去除效果越差，直至对照组湿地被冻结，无法运行。实验证明，利用地热能对人工湿地加热可以有效的提高冬季人工湿地对NH₄ ⁺-N的去除效率。

人工湿地对TP的去除效果如下：

经过试验，实验组对磷的出水浓度是1.34±0.23mg/L，去除效率最高达到了69.17％，去除效果良好。对照组对TP的去除效果较差，出水浓度为2.87±0.25mg/L，去除效率最高为27.22％，随着温度的降低去除率降低，直至对照组湿地被冻结，无法运行。通过对比，实验组对TP的去除效率较对照组高出41.95％。随着温度的降低，湿地植物在未采取任何保温措施的情况下，生物活性减小，造成人工湿地对TP的去除效果也较差。实验证明利用地热能对人工湿地加热可以有效的提高冬季人工湿地对TP的去除效率。

本发明具有以下特点：(1)将利用浅层地热能加热后的地下水抽至铺设在人工湿地内的水暖管道系统，通过循环给人工湿地加热，最后将循环后的冷水通过回灌井回灌至地下含水层，循环利用。这种湿地的优点是：(1)可重复利用地热能；(2)地下水通过管道给湿地加温，与湿地隔离，不会造成地下水污染。(3)湿地的温度可在一定范围内控制，当温度较低时，可以加大抽水水量，当温度较高时，可以减小抽水水量，以此来控制温度；(4)相对于稻草覆盖等方法，本系统不用每年更换，可长期应用，运行过程中主要是抽水费用，成本低；(5)本系统湿地内的水暖循环管道在上层植物根系区布设较密，在下层较疏。(6)利用地热能的湿地能够保证冬季湿地内更高的温度，从而具有更高的污染物去除率。

人工湿地系统内存在好氧环境和厌氧环境，分别有好氧细菌和厌氧细菌进行硝化和反硝化反应，其反应程度越大，则人工湿地对NH₄ ⁺-N的去除效果越好，反之亦然。由于寒冷地区气温较低，很多地区地表温度达到0摄氏度以下，使得人工湿地植物无法正常生长，湿地系统中的硝化反硝化细菌失去生物活性，从而阻碍了氨化作用和硝化作用。因此保证合适的温度使得微生物具有正常的生物活性对NH₄ ⁺-N的去除有着很重要的作用。本发明通过利用地热能保证湿地具有较高的温度，使湿地植物和微生物正常存活，保证了好氧细菌和厌氧细菌进行硝化和反硝化反应，从而对NH₄ ⁺-N具有良好的去除效果。

人工湿地系统对TP的去除取决于两个因素，其一是植物自身吸收，去除污水中的磷；因而加热人工湿地系统的温度，促进植物根系的生长，能够促进磷的去除。其二是通过微生物积累、人工湿地基质的物理作用来去除污水中磷元素。因而，人工湿地植物选择根系比较粗大的植物菖蒲和适当增大人工湿地中的孔隙，使得人工湿地的容水体积变大，水体中的磷可以有较长时间的反应，更好的被人工湿地系统吸附。本发明通过利用地热能保证湿地具有较高的温度，使湿地植物正常存活，微生物正常积累，有利于人工湿地系统对TP的去除。另外，本发明的人工湿地植物选择根系比较粗大的植物菖蒲可增大人工湿地中的孔隙，使得人工湿地的容水体积变大，水体中的磷可以有较长时间的反应，增加了人工湿地系统对TP的去除率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。