1.本实用新型具体涉及一种人工湿地系统。
背景技术：
2.河流、湖泊、湿地等自然生态系统天然就具有净化水质的功能，湿地系统作为全球范围内单循环不可或缺的一部分，在氨化、硝化、反硝化过程中都做出了巨大的贡献。人工湿地系统通过对自然生态系统的强化，增强了水体中氮、磷等引起富营养化的物质的去除。通过合理的设计、完善的施工、严谨的运维，人工湿地系统可成为长期稳定且有效的水处理系统。
3.目前人工湿地系统作为水质净化的系统之一，被越来越广泛的应用到各类水体净化中，其中包括面向各类点源、面源污染的场景，如城市或农村的生活污水、农业用尾水、初级工业尾水等场景。高效的人工湿地系统在我国未来高速的生态文明建设和绿水青山的建设过程中具有广阔的应用前景。
4.但是相关资料数据表明，我国现有人工湿地系统结构单一，污染物去除效果一般，尤其对以硝酸盐氮为主的污染物的去除基本没有效果。为了提高污水处理效果，一些人工湿地系统采用多种填料依次层叠铺设，使污水依次流经各填料层，污水经过氨化、硝化、反硝化等处理过程。采用多种填料依次层叠铺设虽能实现功能性多元化，但难以综合控制溶解氧量平衡和维持菌落结构稳定，因此总氮脱除效果还是不够好。
5.另外，用于反硝化作用的脱氮填料的机械强度普遍不高，装填至一定高时，位于下层的脱氮填料极易被压碎，造成湿地系统堵塞；或者随着时间的推移，位于下层的填料也会出现堵塞现象，因此现有人工湿地系统的运行和维护成本很高。而且，由于人工湿地的规模较大，若想通过将脱氮填料与其他填料混合后装填来提高脱氮填料层的机械强度，则存在工程量大和施工不方便的问题。
6.综上，如何调整现有湿地系统的结构，开发出一种高效、稳定的人工湿地系统，降低人工湿地的运行和维护成本，是目前研究的重点。
技术实现要素：
7.本实用新型的目的是提供一种高效的人工湿地系统。
8.为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
9.一种人工湿地系统，所述人工湿地系统包括：微生物脱氧区，所述微生物脱氧区位于所述人工湿地系统的下部，所述微生物脱氧区存活有好氧微生物，所述微生物脱氧区包括沿水平方向并列设置的装填有石英石的石英石填料区和装填有石灰石的石灰石填料区；缺氧反硝化区，所述缺氧反硝化区位于所述微生物脱氧区的上方，且所述缺氧反硝化区与所述微生物脱氧区隔开，所述缺氧反硝化区存活有反硝化微生物，所述缺氧反硝化区包括多个沿水平方向并列且间隔设置的装填有反硝化脱氮填料的反硝化脱氮填料区和装填有微生物滤料的微生物滤料区；复氧种植区，所述复氧种植区位于所述缺氧反硝化区的上方，
且所述复氧种植区与所述缺氧反硝化区隔开，所述复氧种植区包括多个沿水平方向并列且间隔设置的装填有火山岩的火山岩填料区和装填有麦饭石的麦饭石填料区，所述复氧种植区的上部为种植有水生植物的水生植物生长区；第一连通组件，所述第一连通组件包括位于所述微生物脱氧区中的用于收集并混合来自所述石灰石填料区和所述石英石填料区的水的第一集水管、位于所述缺氧反硝化区中的用于向所述反硝化脱氮填料区和所述微生物滤料区布水的第一布水管以及用于连通所述第一集水管和所述第一布水管的第一连接管；第二连通组件，所述第二连通组件包括位于所述缺氧反硝化区中的用于收集并混合来自所述反硝化脱氮填料区和所述微生物滤料区的水的第二集水管、位于所述复氧种植区中的用于向所述麦饭石填料区和所述火山岩填料区布水的第二布水管以及用于连通所述第二集水管和所述第二布水管的第二连接管。
10.优选地，所述人工湿地系统中设有第一隔板和位于所述第一隔板上方的第二隔板，所述第一隔板与所述人工湿地系统的底面及所述人工湿地系统的侧面围成所述微生物脱氧区，所述第一隔板与所述第二隔板及所述人工湿地系统的侧面围成所述缺氧反硝化区，所述第二隔板与所述人工湿地系统的侧面围成上端开放的所述复氧种植区。
11.本实用新型的人工湿地系统属于上行垂直流湿地系统，水体从湿地系统的底部向上流动，通过复合三级水处理反应区和通过各级反应区中并联设置的装填不同填料的填料区来控制各级反应区的水处理进程。
12.第一级反应区为存活有好养微生物的微生物脱氧区，实现降低系统中溶解氧的目的，通过设置装填不同填料的填料区调整并控制水中溶解氧的消耗程度以及维持菌落生长平衡，石灰石填料还可以释放碳酸根或碳酸氢根作为水体ph缓冲剂，为反硝化脱氮反应提供更多的质子，且石英石填料和石灰石填料机械强度高，都能够为微生物脱氧区以上的反应区提供支撑。
13.第二级反应区为存活有反硝化微生物的缺氧反硝化区，反硝化脱氮填料能够释放电子供体；微生物滤料具有多孔结构，孔径大于反硝化脱氮填料装填后的孔隙，其高比表面积更有利于反硝化微生物的生长，维持缺氧反硝化区反硝化微生物菌落平衡，延长人工湿地使用寿命。
14.第三级反应区为能够实现富营养化吸附的复氧种植区，火山岩填料和麦饭石填料可提供不同的污染物降解、氮磷吸收吸附效果，水生植物生长区中种植的水生植物包括但不限于香蒲、菖蒲、美人蕉、水生鸢尾、蒲草中的一种或多种，最终实现水体深度处理。
15.因此，本实用新型通过自下向上串联设置三级反应区的结构结合各级反应区内并联设置多个填料区的结构维持系统溶解氧平衡和菌落结构稳定性，保证人工湿地系统的污水处理效率。整个人工湿地系统结构性好、填料稳定，长时间处于流动水体中依然能够保持良好的水体流态，且第一隔板和第二隔板还具有支撑作用，可降低上方填料层对下方填料层的压力，有效避免填料机械强度不高导致填料层堵塞的问题，从而延长了人工湿地系统的使用寿命，降低了人工湿地系统的运行和维护成本。
16.具体地，相邻的石灰石填料区和石英石填料区之间、相邻的反硝化脱氮填料区和微生物滤料区之间以及相邻的麦饭石填料区和火山岩填料区之间均可以不设隔板，空间上相互连通。由于水从各区的底部向上流动，基本是保持垂直上行流动，即便在不同填料区交界处发生水体对流混合，对处理效果也基本没有影响。
17.优选地，所述微生物脱氧区中的所述石英石填料区和所述石灰石填料区的总体积、所述缺氧反硝化区中的所述反硝化脱氮填料区和所述微生物滤料区的总体积以及所述复氧种植区中的所述火山岩填料区和所述麦饭石填料区的总体积之比为（0.5~4）:（1~6）:1。
18.进一步优选地，所述微生物脱氧区中的所述石英石填料区和所述石灰石填料区的总体积、所述缺氧反硝化区中的所述反硝化脱氮填料区和所述微生物滤料区的总体积以及所述复氧种植区中的所述麦饭石填料区和所述火山岩填料区的总体积之比为（1~3）:（2~5）:1。
19.进一步优选地，所述微生物脱氧区中的所述石灰石填料区和所述石英石填料区的总体积、所述缺氧反硝化区中的所述反硝化脱氮填料区和所述微生物滤料区的总体积以及所述复氧种植区中的所述火山岩填料区和所述麦饭石填料区的总体积之比为（1~2）:（2~4）:1。
20.通过合理控制微生物脱氧区、缺氧反硝化区及复氧种植区填料体积，在保证人工湿地系统结构稳定性的同时，实现污水高效处理。
21.优选地，所述微生物脱氧区的下部内部设有沿水平方向延伸的第一多孔管，所述第一多孔管的一端与待处理水连通，所述第一多孔管用于向所述微生物脱氧区内布水。
22.进一步优选地，所述第一多孔管有多根且沿所述人工湿地系统的前后方向间隔并列设置。
23.优选地，所述第一集水管位于所述微生物脱氧区的上部的内部，所述第一布水管位于所述缺氧反硝化区的下部的内部，所述第二集水管位于所述缺氧反硝化区的上部的内部，所述第二布水管位于所述复氧种植区的下部的内部；所述第一集水管、所述第一布水管、所述第二集水管以及所述第二布水管分别沿水平方向延伸，且所述第一集水管、所述第一布水管、所述第二集水管以及所述第二布水管的管壁上分别开设有多个孔。
24.进一步优选地，所述第一连通组件和所述第二连通组件分别大致呈“工”字形。
25.微生物脱氧区上部的水自第一集水管上的孔进入第一集水管内，来自微生物脱氧区不同填料区的水体在第一集水管内混合，经第一连接管继续混合并进入第一布水管，然后自第一布水管上的孔进入缺氧反硝化区的下部。
26.缺氧反硝化区上部的水自第二集水管上的孔进入第二集水管内，来自缺氧反硝化区不同填料区的水体在第二集水管内混合，然后经第二连接管继续混合并进入第二布水管，自第二布水管上的孔进入复氧种植区的下部。
27.优选地，所述第一连通组件有多组且沿所述人工湿地系统的前后方向间隔并列设置；所述第二连通组件有多组且沿所述人工湿地系统的前后方向间隔并列设置。
28.优选地，所述复氧种植区的内部设有沿水平方向延伸的第二多孔管，所述第二多孔管的一端与外界相连通，所述第二多孔管用于将处理后的水排出所述的人工湿地系统。通过第二多孔管将处理后的水引出人工湿地的水量无特殊要求，只要能够使人工湿地上端部水量能够满足植物生长即可。
29.优选地，所述缺氧反硝化区在竖直方向上设置一个或多个填料区，若所述缺氧反硝化区在竖直方向上设置多个填料区，所述反硝化脱氮填料区和所述微生物滤料区在竖直方向和水平方向上均间隔设置。
30.优选地，所述石英石填料区和所述石灰石填料区的数量分别为1~4个；所述反硝化脱氮填料区和所述微生物滤料区的数量分别为3~5个；所述火山岩填料区和所述麦饭石填料区的数量分别为1~4个。
31.进一步优选地，所述石英石填料区和所述石灰石填料区的数量分别为1~2个；所述反硝化脱氮填料区和所述微生物滤料区的数量分别为3~5个，且所述缺氧反硝化区在竖直方向上包括1~2个反硝化脱氮填料区和1~2个微生物滤料区；所述火山岩填料区和所述麦饭石填料区的数量分别为2~3个。
32.各反应区中填料区的数量可根据实际情况设置，若湿地系统占地面积较大，可适当增加填料区的数量，若湿地系统占地面积较小，可适当减少填料区数量。
33.本实用新型的三级复合人工湿地系统对总氮去除率可以达到70%以上，尤其是对硝酸盐氮的去除效果更好。经实践，使用本实用新型的人工湿地系统进行城镇污水处理厂准iv类尾水深度处理，长期监测结果显示：其总氮（硝酸盐氮）出水指标能够长期控制在3mg/l以下，相较于进水总氮（污水处理厂出水标准）10mg/l，下降比例在70%以上，并且湿地系统长期出水稳定，未发现堵塞等状况。
34.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
35.本实用新型的人工湿地系统，通过三级反应区串联结合各个反应区内不同填料区并联的结构，使人工湿地系统的结构稳定性好、填料稳定性高、内部菌落稳定、长期出水稳定、使用寿命长，从而实现污水深度处理高效、稳定、低成本。
附图说明
36.图1为具体实施例的人工湿地系统的结构示意图；
37.图2为具体实施例的人工湿地系统中第一连通组件的结构示意图；
38.图3为具体实施例的人工湿地系统中第二连通组件的结构示意图；
39.图4为具体实施例的人工湿地系统的水流路线示意图。
40.以上图中，11、石英石填料区；12、石灰石填料区；21、反硝化脱氮填料区；22、微生物滤料区；31、火山岩填料区；32、麦饭石填料区；4、水生植物生长区；51、第一多孔管；511、进水口；52、第一连通组件；521、第一集水管；522、第一布水管；523、第一连接管；53、第二连通组件；531、第二集水管；532、第二布水管；533、第二连接管；54、第二多孔管；541、出水口；61、第一隔板；62、第二隔板。
具体实施方式
41.本实用新型的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其他技术方案。例如上述特征与本技术中公开的（但不限于）具体类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。
42.需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于图1所示的方位或位置关系，第一多孔管51的进水口511所在侧为“左”，第二多孔管54的出水口541所在侧为“右”，上述方位或位置关系的限定仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
43.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
44.在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
45.如图1所示，本实施例提供一种人工湿地系统的优选方式。该人工湿地系统包括微生物脱氧区、缺氧反硝化区、复氧种植区以及布水系统。
46.人工湿地系统的最下端为微生物脱氧区，微生物脱氧区存活有好氧微生物，微生物脱氧区包括沿水平方向并列设置且装填有石英石的石英石填料区11和装填有石灰石的石灰石填料区12。本实施例中，微生物脱氧区中仅设置一个石英石填料区11和一个石灰石填料区12。流经石英石填料区11的水和流经石灰石填料区12的水都可经微生物消耗溶解氧，降低溶解氧浓度，为缺氧反硝化提供缺氧条件，石灰石填料区12还能释放碳酸根或碳酸氢根作为水体ph缓冲剂，为反硝化脱氮反应提供更多的质子。在其他实施方式中，石英石填料区11和石灰石填料区12分别有多个且石英石填料区11和石灰石填料区12间隔设置。
47.微生物脱氧区的上方为缺氧反硝化区，且缺氧反硝化区与微生物脱氧区隔开，缺氧反硝化区存活有反硝化微生物，缺氧反硝化区包括多个沿水平方向并列且间隔设置的装填有反硝化脱氮填料的反硝化脱氮填料区21和装填有微生物滤料的微生物滤料区22。本实施例中，缺氧反硝化区内设置四个反硝化脱氮填料区21和四个微生物滤料区22，分为两层设置，整个缺氧反硝化区中不管在竖直方向上还是在水平方向上，反硝化脱氮填料区21和微生物滤料区22均间隔设置。
48.缺氧反硝化区的上方为复氧种植区，且复氧种植区与缺氧反硝化区隔开，复氧种植区包括多个沿水平方向并列且间隔设置的装填有火山岩的火山岩填料区31和装填有麦饭石的麦饭石填料区32，复氧种植区的上部为种植有水生植物的水生植物生长区4。本实施例中，复氧种植区中设有3个火山岩填料区31和3个麦饭石填料区32，火山岩填料区31和麦饭石填料区32沿水平方向依次间隔设置，位于最右侧的为火山岩填料区31，位于最左侧的为麦饭石填料区32。火山岩的多孔结构有利于微生物的生长，能够吸附氮、磷等污染物，进一步降低水体富营养化，麦饭石能够释放促进水生植物生长的营养物质，与水生植物配合实现污染物降解、氮磷吸收吸附等过程，进一步强化脱氮除磷效果。
49.具体地，人工湿地系统中设有第一隔板61和位于第一隔板61上方的第二隔板62，第一隔板61与人工湿地系统的底面及人工湿地系统的侧面围成微生物脱氧区；第一隔板61与第二隔板62及人工湿地系统的侧面围成缺氧反硝化区；第二隔板62与人工湿地系统的侧面围成上端开放的复氧种植区。
50.布水系统包括用于向微生物脱氧区内布水的第一多孔管51、设置在微生物脱氧区和缺氧反硝化区之间的第一连通组件52以及设置在缺氧反硝化区和复氧种植区之间的第
二连通组件53。微生物脱氧区中的水只能通过第一连通组件52进入缺氧反硝化区；缺氧反硝化区中的水只能通过第二连通组件53进入复氧种植区。
51.微生物脱氧区的下部的填料中设有沿水平方向延伸的第一多孔管51，第一多孔管51的左端设有进水口511，且穿过人工湿地系统的侧壁，与待处理水连通。第一多孔管51的管壁上开设有用于布水的多个孔，待处理水经第一多孔管51上的孔均匀布散至石英石填料区11和石灰石填料区12的下部，待处理水在向上流动的过程中进行微生物脱氧。
52.如图2所示，第一连通组件52大致呈“工”字形，第一连通组件52包括位于微生物脱氧区的上部的填料内且管壁上开设有多个孔的第一集水管521、位于缺氧反硝化区的下部的填料内且管壁上开设有多个孔的第一布水管522以及两端分别与第一集水管521和第一布水管522相连通的第一连接管523。第一集水管521从微生物脱氧区的左侧延伸至右侧且两端封闭，第一布水管522从缺氧反硝化区的左侧延伸至右侧且两端封闭，第一连接管523穿过第一隔板61。微生物脱氧区内的水向上流至第一集水管521，从第一集水管521的孔进入，经第一连接管523进入第一布水管522，然后从第一布水管522的孔向上流入缺氧反硝化区的填料层中，继续向上流动进行反硝化反应。
53.如图3所示，第二连通组件53大致呈“工”字形，第二连通组件53包括位于缺氧反硝化区的上部的填料内且管壁上开设有多个孔的第二集水管531、位于复氧种植区的下部的填料内且管壁上开设有多个孔的第二布水管532以及两端分别与第二集水管531和第二布水管532相连通的第二连接管533。第二集水管531从缺氧反硝化区的左侧延伸至右侧且两端封闭，第二布水管532从复氧种植区的左侧延伸至右侧且两端封闭，第二连接管533穿过第二隔板62。缺氧反硝化区内的水向上流至第二集水管531，从第二集水管531的孔进入，经第二连接管533进入第二布水管532，从第二布水管532的孔向上流入复氧种植区的填料层中，继续向上流动进行富营养化吸附。
54.本实施例中，第一多孔管51为多根且沿人工湿地系统的前后方向间隔并列设置；第一连通组件52为多组且沿人工湿地系统的前后方向间隔并列设置；第二连通组件53为多组且沿人工湿地系统的前后方向间隔并列设置。
55.本实施例中，复氧种植区的中部（火山岩填料区31和麦饭石填料区32的上部）设有能够与外界连通的第二多孔管54，第二多孔管54的右端设置出水口541，第二多孔管54的管壁上开设用于进水的多个孔，部分处理后的水经第二多孔管54上的孔进入第二多孔管54内，然后从出水口541排出，以此保持人工湿地的水位，保障水生植物的生长。在其他实施例中，也可以直接在复氧种植区的侧壁的上部开设溢流出口，处理后水通过溢流出口流出，人工湿地上端部的水量能够满足水生植物生长即可。
56.本实施例中，相邻的石英石填料区11和石灰石填料区12之间可以不设隔板，空间上相互连通；相邻的反硝化脱氮填料区21和微生物滤料区22之间也可以不设隔板，空间上相互连通；相邻的火山岩填料区31和麦饭石填料区32之间也可以不设隔板，空间上相互连通。在施工时，只需依次装填不同填料即可，在同一反应区中不一定需要设置隔板进行物理隔开，水体上流可自然形成并联流通方式，当然填料交界处水体即便发生对流，对各区的处理效果也基本没有影响。
57.本实施例的人工湿地系统的水流路线如图4所示，待处理水经第一多孔管51分流进入微生物脱氧区的石英石填料区11和石灰石填料区12，从石英石填料区11和石灰石填料
区12中流出的水经第一连通组件52汇集后分流进入缺氧反硝化区的反硝化脱氮填料区21和微生物滤料区22，从反硝化脱氮填料区21和微生物滤料区22中流出的水经第二连通组件53汇集后分流进入复氧种植区的火山岩填料区31和麦饭石填料区32，从火山岩填料区31和麦饭石填料区32中流出的水，部分经第二多孔管54排出，剩余部分供水生植物生长。
58.人工湿地系统的占地面积、各反应区中的填料区的数量等均可以根据污水处理要求等实际情况进行调整。
59.本实施例中，微生物脱氧区中的石英石填料区11和石灰石填料区12的总体积、缺氧反硝化区中的反硝化脱氮填料区21和微生物滤料区22的总体积以及复氧种植区中的火山岩填料区31和麦饭石填料区32的总体积之比为2:3.7:1，沿人工湿地的前后方向，依次间隔均匀布置多根第一多孔管51，多组第一连通组件52以及多组第二连通组件53。将我国东南地区某氧化沟工艺污水处理厂尾水接入该人工湿地系统，经过1个月的微生物培养以及水生植物培育，对污水处理厂尾水以及经过湿地处理后水的水质进行监测。调整总水力停留时间约为4~6小时，其中微生物脱氧区水力停留时间为1~2小时，缺氧反硝化区水力停留时间约为2~4小时，复氧种植区水力停留时间1小时左右。连续三周检测系统进出水硝酸盐氮浓度，结果显示污水处理厂尾水硝酸盐氮为6~10mg/l，经过湿地处理硝酸盐氮降低至3mg/l及以下，硝酸盐氮去除率可达到70%以上，且出水稳定，未发现堵塞等状况。而使用现有碎石填充的人工湿地系统进行污水处理时，即便延长水力停留时间，硝酸盐氮浓度始终为6~9mg/l，基本没有变化。
60.上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。