一种垂向转折流人工湿地
阅读说明：本技术 一种垂向转折流人工湿地 (Vertical turning flow artificial wetland ) 是由 刘树元 徐丫力 于 2021-10-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种垂直流人工湿地装置,具体涉及一种用于生活污水深度处理的人工湿地装置,具有强化硝化与反硝化作用,增强净化效果等功能,能够完善人工湿地系统,降低安装与维护成本的垂向转折流人工湿地。所述的垂向转折流包括内筒、外筒和基质斗。所述的内筒为上端敞口的中空圆柱体；所述的外筒为上端敞口的中空圆柱体,并与内筒的垂直中心线重合；所述的基质斗为上端敞口的中空类长方体结构。本装置通过中心内筒淹水饱和区增强硝态氮的反硝化作用；通过多层内外筒间隔板和基质斗,一是形成滴滤好氧区,增强氨态氮的硝化作用；二是使水体多次折流,增加了水力停留时间；三是提高空间利用率,降低土地成本。(The invention relates to a vertical flow artificial wetland device, in particular to an artificial wetland device for advanced treatment of domestic sewage, which has the functions of enhancing nitrification and denitrification, enhancing purification effect and the like, can improve an artificial wetland system and reduce the installation and maintenance cost. The vertical deflection flow comprises an inner cylinder, an outer cylinder and a matrix bucket. The inner cylinder is a hollow cylinder with an open upper end; the outer cylinder is a hollow cylinder with an opening at the upper end and is superposed with the vertical center line of the inner cylinder; the matrix bucket is a hollow cuboid-like structure with an open upper end. The device enhances the denitrification of nitrate nitrogen through the flooding saturation area of the central inner cylinder; through the multilayer inner and outer cylinder partition plates and the matrix hopper, firstly, a trickling filtration aerobic zone is formed, and the nitrification of the ammonia nitrogen is enhanced; secondly, the water body is baffled for many times, so that the hydraulic retention time is prolonged; thirdly, the space utilization rate is improved, and the land cost is reduced.)
技术领域
本发明属于人工湿地领域，提供一种用于生活污水深度处理的人工湿地装置，具有强化硝化与反硝化作用，增强净化效果等功能，能够完善人工湿地系统，提高空间利用率，便于安装与维护的垂向转折流人工湿地。
背景技术
垂直流湿地由于氧气可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统，其内部充氧更为充分，有利于好氧微生物的生长和消化反应的进行，氮、磷去除效果较好。垂直流湿地分为下向流和上向流两种，下向流垂直流湿地以其操作相对简单更为常用，污水从湿地表面流入，从上到下流经湿地基质层，由底部流出，上向流水流方向与之相反。
但是，目前人工湿地存在以下弊端。
（1）在垂直流湿地中，多采用单一“自上而下”流向或“自下而上”流向，但因此单一流向使湿地系统中氧化还原电位较为单一，难以有效实现好氧—厌氧联合净化；而若采用垂直流和水平流两者结合的串联湿地，即先好氧后厌氧，则缺少氨化过程，不符合有机物代谢过程及自然界氮循环程序，同时由于两段湿地之间存在较大的水位差，使基建成本增加，限制了人工湿地的广泛应用。
（2）土地面积需求大。一般认为人工湿地占地面积大约是传统污水处理工艺的2~3倍左右，尤其是水平流型人工湿地由于其水力负荷小，长时间运行后填料和植物的纳污能力有限，使得土地有效利用率较低，投资成本高。且在用地紧张的地区，不利于人工湿地的推广和发展。
（3）基质填料易堵塞，装置不易替换。即传统人工湿地多采用颗粒状填料基质，其存在孔隙，更小的颗粒易堵塞在填料孔隙中，令水分难以通过，且微生物及植物腐殖质在填料表面形成的污泥也加速堵塞。在堵塞形成后，填料基质层在地面下不易清洗取出，传统的人工湿地需更换整体填料，工作量大且成本高。
（4）生态服务单一。国内外学者对生态系统服务的规划原则，湿地生态系统服务的内涵可分为：提供产品、防洪减灾、调节作用、保护生物多样性、社会文化载体。但实际应用当中人工湿地的生态服务功能表现较为单一，即湿地植物种类较少、景观价值较低、湿地结构单一等。
针对上述弊端，本发明的目的在于提供一种垂向转折流人工湿地装置，其去污效率高，维护管理简单，景观效果好，适合于不同污染生活污水的处理。
发明内容
本发明是针对现有人工湿地生态处理技术存在的上述问题，设计一种用于生活污水深度处理的人工湿地装置，尤其涉及一种强化硝化与反硝化作用，增强净化效果，便于安装与维护的垂向转折流人工湿地。
本发明的目的可通过下列技术方案实现。
一种垂向转折流人工湿地包括内筒、外筒和基质斗。所述的内筒为上端敞口的中空圆柱体，包括内筒底板、内筒壁、进水管、进水孔；所述的外筒为上端敞口的中空圆柱体，并与内筒的垂直中心线重合，其直径为内筒直径的1.5倍~2倍，包括外筒底板、外筒壁、筒间隔板、出水管、出水孔；所述的基质斗为上端敞口的中空类长方体结构，包括斗前板、斗后板、斗底板、斗左板、斗右板。
所述的内筒底板为圆形薄板；所述的内筒壁为矩形薄板，其高度为自身宽度的0.8~1倍，内筒壁围成上下敞口的中空圆柱，其底部边沿与内筒底板上表面边沿紧密连接，围挡组成内筒；所述的进水管为圆形短管，水平放置，其右端与进水孔紧密连接；所述的进水孔位于内筒壁的下部，其直径与进水管的内径相等，与筒底板的净距为进水孔直径的1~0.5倍。
所述的外筒底板为圆环形薄板，其内环的直径与内筒底板的直径相等，并与内筒底板外沿紧密连接；所述的外筒壁为矩形薄板，其高度与内筒壁的高度相等，其宽度为其自身高度的1.2~1.5倍，外筒壁围成上下敞口的中空圆柱，其底部边沿与外筒底板上表面外边沿紧密连接，围挡组成外筒；进水管的左端穿过外筒壁的下端，其管壁外侧与外筒壁紧密连接；所述的筒间隔板为圆环形薄板，设置于内筒壁和外筒壁之间，并与外筒底板平行，其内环边沿与内筒壁的外表面紧密连接，其外环边沿与外筒壁的内表面紧密连接，筒间隔板设计为多层。所述的出水管为圆形短管，与进水管的直径相同，水平放置，其一端与出水孔紧密连接，并与进水管的安装高度相同，与其夹角为45°~315°；所述的出水孔位于外筒壁的下部，其直径与出水管的内径相等，并与进水孔的安装高度相同。
所述的斗前板为垂直设置的矩形薄板，其高度为内筒直径的0.4~0.5倍；所述的斗后板为垂直设置的弧形薄板，其中心角为25°~35°；所述的斗底板为弧形薄板，后端边沿为弧线，其弧度与外筒的弧度相同，其中心角为25°~35°；其前端边沿为直线，斗底板由前向后倾斜，倾斜角度为10°~15°；所述的斗左板与斗右板为尺寸相同的直角梯形薄板，二者沿前后向垂直放置，指向斗后板弧度的圆心。斗前板、斗后板、斗底板、斗左板、斗右板共同围挡组成基质斗，基质斗的上边沿水平。
斗左板和斗右板后端分别设有左L型挂角和右L型挂角，所述的左L型挂角包括左垂边和前垂边；所述的左垂边和右前垂边为长条形矩形薄板，二者高度相等且为斗左板的后端边沿长度的1.2倍；其中前垂边的前端垂向边沿与斗左板的后端垂向边沿紧密连接，二者底边平齐，其后端垂向边沿与左垂边的右端垂向边沿垂直连接，二者底边平齐。前垂边的后端面开设有垂向贯通的胶条凹槽，其内部放置有垂向胶条，所述的垂向胶条的前后向宽度为胶条凹槽深度的1.2倍~1.5倍，以便将基质斗放置在左卡槽和右卡槽内后，左L型挂角能将外筒壁与斗左板之间密封。所述的右L型挂角尺寸和结构与左L型挂角相同，设置位置与左L型挂角对称。
左L型挂角和右L型挂角分别放置在左卡槽和右卡槽内。所述的左卡槽包括左垂板和前垂板；所述的左垂板和前垂板为长条形矩形薄板，二者高度与斗左板的后端边沿长度相等；其中左垂板的前端垂向边沿与外筒壁的外表面紧密连接，其后端垂向边沿与前垂板的左端垂向边沿垂直连接。所述的右卡槽尺寸和结构与左卡槽相同，设置位置与左卡槽对称。左L型挂角和右L型挂角分别放入左卡槽和右卡槽内后，其底端边沿与卡槽底板接触。卡槽底板为水平放置的平面薄板，其前后边沿均呈弧形，其弧度均与外筒的弧度相同，其前边沿与外筒壁的外表面紧密连接，其左右两端上表面分别于左卡槽和右卡槽的底端边沿紧密连接，其前后宽度与左卡槽的前后宽度一致。
外筒壁与斗后板之间设有集水衔接板、集水孔和排水孔。所述的集水衔接板为水平放置的平面薄板，前后边沿均呈弧形，且弧度均与外筒壁的弧度相同，其前后向的宽度略小于外筒壁与斗后板之间的净距。每个基质斗配备两块集水衔接板，其前边沿分别与斗后板的后表面上下沿紧密连接，其左右边沿与左L型挂角和右L型挂角的上下端边沿紧密连接，其后边沿中部沿左右向开有胶圈凹槽，胶圈凹槽内放置有密封胶圈，所述的密封胶圈的前后向厚度为胶圈凹槽的1.2倍~1.5倍，以便将基质斗放置在左卡槽和右卡槽内后，集水衔接板能将外筒壁与斗后板之间密封；所述的集水孔为圆形孔洞，其直径为进水管直径的二十分之一到十分之一之间，开设在集水衔接板上方的外筒壁上，共两列两行4个，沿集水衔接板的垂向中心线对称分布，其左右方向分布的范围不得超过集水衔接板的左右向范围。集水孔的行间净距为其直径的1~2倍，其列间净距为其直径的10倍~20倍，其与集水衔接板的最小净距为其直径的五分之一到二分之一之间。所述的排水孔为圆形孔洞，其直径为进水管直径的二十分之一到十分之一之间，开设在每个基质斗上下两块集水衔接板之间的斗后板和外筒壁上，分别为两列两行共8个，沿集水衔接板的垂向中心线对称分布，其左右方向分布的范围不得超过集水衔接板的左右向范围。排水孔的行间净距为其直径的1~2倍，其列间净距为其直径的10倍~20倍，其与下端集水衔接板的最小净距为其直径的五分之一到二分之一之间。
与现有技术相比，本发明具有以下优点。
（1）植物生物量大，景观效果好。由于加装多层由基质层和水生植物组成的基质斗，其植物生物量相较传统垂直流人工湿地有大幅度的提高，而植物生物量与水质净化效能密切相关。
（2）强化硝化与反硝化作用。通过内外筒间隔板和基质斗形成滴滤好氧区，促进装置中空气流动，提高水体中溶解氧含量，增强氨态氮的硝化作用；增设中心内筒淹水饱和区，增强硝态氮的反硝化作用。
（3）安装、维护方便。通过外筒壁上的可装卸基质斗的设计，使人工湿地系统模块化为需要局部维护处理的模块提供了方便。
（4）空间利用率高，净化效果强。由于垂直加装多层由基质层和植物体组成的基质斗和筒间隔板，水体多次折流，有效增加水体与过滤层的接触面积，降低单位土地面积的水力负荷和污染负荷，保证装置具有长期稳定的净化效果。
附图说明
图1为本发明一种垂向转折流人工湿地的主视图。
图2为本发明一种垂向转折流人工湿地的俯视图。
图3为图2的1—1剖切图。
图4为图2的2—2剖切图。
图5为本发明一种垂向转折流人工湿地移除基质斗的主体主视图。
图6为本发明一种垂向转折流人工湿地移除基质斗的主体俯视图。
图7为图1的A点大样图。
图8为图2的B点大样图。
图9为图3的C点大样图。
图10为本发明一种垂向转折流人工湿地的三维西南等轴测图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施并结合附图1-10，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
一种垂向转折流人工湿地，包括内筒1、外筒2和基质斗3。所述的内筒1为上端敞口的中空圆柱体，包括内筒底板11、内筒壁12、进水管13、进水孔14；所述的外筒2为上端敞口的中空圆柱体，并与内筒1的垂直中心线重合，其直径为内筒1直径的1.5倍~2倍，包括外筒底板21、外筒壁22、筒间隔板23、出水管24、出水孔25；所述的基质斗3为上端敞口的中空类长方体结构，包括斗前板31、斗后板32、斗底板33、斗左板34、斗右板35。
所述的内筒底板11为圆形薄板；所述的内筒壁12为矩形薄板，其高度为自身宽度的0.8~1倍，内筒壁12围成上下敞口的中空圆柱，其底部边沿与内筒底板11上表面边沿紧密连接，围挡组成内筒1；所述的进水管13为圆形短管，水平放置，其右端与进水孔14紧密连接；所述的进水孔14位于内筒壁12的下部，其直径与进水管13的内径相等，与筒底板的净距为进水孔14直径的1~0.5倍。
所述的外筒底板21为圆环形薄板，其内环的直径与内筒底板11的直径相等，并与内筒底板11外沿紧密连接；所述的外筒壁22为矩形薄板，其高度与内筒壁12的高度相等，其宽度为其自身高度的1.2~1.5倍，外筒壁22围成上下敞口的中空圆柱，其底部边沿与外筒底板21上表面外边沿紧密连接，围挡组成外筒2；进水管13的左端穿过外筒壁22的下端，其管壁外侧与外筒壁22紧密连接；所述的筒间隔板23为圆环形薄板，设置于内筒壁12和外筒壁22之间，并与外筒底板21平行，其内环边沿与内筒壁12的外表面紧密连接，其外环边沿与外筒壁22的内表面紧密连接，筒间隔板23设计为多层。所述的出水管24为圆形短管，与进水管13的直径相同，水平放置，其一端与出水孔25紧密连接，并与进水管13的安装高度相同，与其夹角为45°~315°；所述的出水孔25位于外筒壁22的下部，其直径与出水管24的内径相等，并与进水孔14的安装高度相同。
所述的斗前板31为垂直设置的矩形薄板，其高度为内筒1直径的0.4~0.5倍；所述的斗后板32为垂直设置的弧形薄板，其中心角为25°~35°；所述的斗底板33为弧形薄板，后端边沿为弧线，其弧度与外筒2的弧度相同，其中心角为25°~35°；其前端边沿为直线，斗底板33由前向后倾斜，倾斜角度为10°~15°；所述的斗左板34与斗右板35为尺寸相同的直角梯形薄板，二者沿前后向垂直放置，指向斗后板弧度的圆心。斗前板31,、斗后板32、斗底板33、斗左板34、斗右板35共同围挡组成基质斗3，基质斗3的上边沿水平。
斗左板34和斗右板35后端分别设有左L型挂角341和右L型挂角351，所述的左L型挂角341包括左垂边3411和前垂边3412；所述的左垂边3411和右前垂边3412为长条形矩形薄板，二者高度相等且为斗左板34的后端边沿长度的1.2倍；其中前垂边3412的前端垂向边沿与斗左板34的后端垂向边沿紧密连接，二者底边平齐，其后端垂向边沿与左垂边3411的右端垂向边沿垂直连接，二者底边平齐。前垂边3412的后端面开设有垂向贯通的胶条凹槽3413，其内部放置有垂向胶条3414，所述的垂向胶条3414的前后向宽度为胶条凹槽3413深度的1.2倍~1.5倍，以便将基质斗3放置在左卡槽342和右卡槽352内后，左L型挂角341能将外筒壁22与斗左板34之间密封。所述的右L型挂角351尺寸和结构与左L型挂角341相同，设置位置与左L型挂角341对称。
左L型挂角341和右L型挂角351分别放置在左卡槽342和右卡槽352内。所述的左卡槽342包括左垂板3421和前垂板3422；所述的左垂板3421和前垂板3422为长条形矩形薄板，二者高度与斗左板34的后端边沿长度相等；其中左垂板3421的前端垂向边沿与外筒壁22的外表面紧密连接，其后端垂向边沿与前垂板3422的左端垂向边沿垂直连接。所述的右卡槽352尺寸和结构与左卡槽342相同，设置位置与左卡槽342对称。左L型挂角341和右L型挂角351分别放入左卡槽342和右卡槽352内后，其底端边沿与卡槽底板343接触。卡槽底板343为水平放置的平面薄板，其前后边沿均呈弧形，其弧度均与外筒2的弧度相同，其前边沿与外筒壁22的外表面紧密连接，其左右两端上表面分别于左卡槽342和右卡槽352的底端边沿紧密连接，其前后宽度与左卡槽342的前后宽度一致。
外筒壁22与斗后板32之间设有集水衔接板321、集水孔322和排水孔323。所述的集水衔接板321为水平放置的平面薄板，前后边沿均呈弧形，且弧度均与外筒壁22的弧度相同，其前后向的宽度略小于外筒壁22与斗后板32之间的净距。每个基质斗3配备两块集水衔接板321，其前边沿分别与斗后板32的后表面上下沿紧密连接，其左右边沿与左L型挂角341和右L型挂角351的上下端边沿紧密连接，其后边沿中部沿左右向开有胶圈凹槽3211，胶圈凹槽3211内放置有密封胶圈3212，所述的密封胶圈3212的前后向厚度为胶圈凹槽3211的1.2倍~1.5倍，以便将基质斗3放置在左卡槽342和右卡槽352内后，集水衔接板321能将外筒壁22与斗后板32之间密封；所述的集水孔322为圆形孔洞，其直径为进水管直径的二十分之一到十分之一之间，开设在集水衔接板321上方的外筒壁22上，共两列两行4个，沿集水衔接板321的垂向中心线对称分布，其左右方向分布的范围不得超过集水衔接板321的左右向范围。集水孔322的行间净距为其直径的1~2倍，其列间净距为其直径的10倍~20倍，其与集水衔接板321的最小净距为其直径的五分之一到二分之一之间。所述的排水孔323为圆形孔洞，其直径为进水管直径的二十分之一到十分之一之间，开设在每个基质斗3上下两块集水衔接板321之间的斗后板32和外筒壁22上，分别为两列两行共8个，沿集水衔接板321的垂向中心线对称分布，其左右方向分布的范围不得超过集水衔接板321的左右向范围。排水孔323的行间净距为其直径的1~2倍，其列间净距为其直径的10倍~20倍，其与下端集水衔接板321的最小净距为其直径的五分之一到二分之一之间。
另外，本发明的各种板材可由5mm~10mm厚的PE、PVC或PPP材料模压或者焊接制成，也可由1mm~3mm厚的不锈钢板钣金或者焊接制成。内、外筒高为2000mm~2300mm；进水管的左右向长度为750mm~800mm，直径为90mm~120mm。其余各尺寸均可按照内外筒及进水管的尺寸推算。
本发明的工作原理如下所示。
（1）安装与固定。首先选定放置地点后将地面用混凝土硬化，将内筒底板11和外筒底板21水平置于硬化后的地面上；然后将基质斗3通过左挂角341和右挂角351悬挂在已经与外筒筒壁22表面紧密连接的左卡槽342、右卡槽352和卡槽底板343上；最后安装集水衔接板321。
（2）放置地点。本发明适用于生活污水的二级或深度处理，可放置于街道、广场、河道边岸或居民小区内，处理水达到排放或者回用标准后，可就近排放或回用于冲厕、绿化、洗车、建筑用水等。
（3）生态体系构建。本发明组装就位后,首先在基质斗3中填充不同材质和规格的基质或基质组合,例如可根据去除的目标污染物不同（氮磷、有机物、悬浮物等），填充砾石、卵石、沸石、火山岩、铁矿石，甚至固体碳源如植物落叶、农作物秸秆等基质。填充后基质的上边沿距斗前板31和斗后板32的上边沿为50mm~100mm。然后栽种水生植物，水生植物的选择应以本地植物品种为主,以便增加植物的适应性,并应适当考虑生物量大的水生植物。所选水生植物的品种可为菖蒲、香蒲、车前草、芦苇、美人蕉等。
（4）启动。首先通过进水管13间歇进水,使内筒1中的水漫溢进入第一层筒间隔板23，经由第一层集水孔322进入第一层基质斗3，并通过第一层排水孔323排出进入下一层筒间隔板23，依次循环至外筒底板21通过出水管24排出，其中水质为含有一定含量和比例氮磷钾的植物生长营养液，待水生植物度过适应期后,逐渐增加进水频次。最后,以所要处理的污水替换营养液，以达到对于植物和基质中的微生物进行驯化的目的，同时开始监测进出水水质。待出水水质稳定后,可认为本发明的启动阶段完成。
（5）运行。可以根据出水水质标准的不同,结合环境温度的变化,通过调整进水流量,改变水力停留时间,达到改变污染负荷的目的,从而使出水满足要求。对于进水水质中含碳量较低的污水，可以通过增加液相或固相碳源等手段,满足脱氮的反硝化过程中对于碳源的需求。
（6）维护。可在秋季挺水植物枯萎之前对植物进行收割，防止植物体内营养元素自根部下移至水体中产生二次污染。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神实质作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
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