本發(fā)明涉及一種適于利用蚯蚓緩解堵塞并強化脫氮的人工濕地系統(tǒng)，屬環(huán)境保護和污染控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

人工濕地是指人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統(tǒng)，其設(shè)計和建造是通過對濕地生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用等優(yōu)化組合來進行污（廢）水處理。

據(jù)美國環(huán)保局對100多個運行中人工濕地的調(diào)查，有將近一半的濕地系統(tǒng)在投入使用后的5年內(nèi)出現(xiàn)了堵塞問題，其水力傳導(dǎo)系數(shù)降低，除污效果變差，運行壽命縮短。人工濕地的堵塞問題越來越成為其應(yīng)用的障礙，使得探尋相應(yīng)的解決措施和預(yù)防對策十分必要且迫切。人工濕地堵塞主要與污水中懸浮物、有機物和生物膜積累有關(guān)。懸浮物粒徑或者濃度過高，將會引起濕地堵塞；有機物負荷過高超過基質(zhì)中微生物分解能力時，未被分解有機物將會在基質(zhì)中積累，進而引發(fā)人工濕地堵塞；生物膜積累也是引起人工濕地堵塞的原因之一。

水平潛流和垂直潛流人工濕地中有限的復(fù)氧能力和較差的氧環(huán)境使得氨氮的硝化過程成為濕地污水處理系統(tǒng)脫氮的主要限速步驟，提高濕地床復(fù)氧能力、改善濕地床體中的氧環(huán)境對提高濕地污水凈化效果至關(guān)重要；出水中碳源濃度很低，使得濕地系統(tǒng)出水中富集大量的硝態(tài)氮，直接限制了其對總氮的徹底脫除，想要進行后續(xù)脫氮處理過程，必須額外添加碳源，一定程度上增加了成本與運行維護的難度。

另一方面，蚯蚓活動可以對殘落有機物進行機械破碎，疏松人工濕地基質(zhì)，提高基質(zhì)的孔隙率，一方面可有效緩解基質(zhì)堵塞問題，另一方面使更多的氧氣進入基質(zhì)，有利于好氧微生物的生長，從而提高人工濕地中的硝化反應(yīng)；蚯蚓粉碎蘆葦桿為后續(xù)脫氮處理提供碳源，加強反硝化反應(yīng)，因此，經(jīng)申請人實驗驗證，可以利用蚯蚓對人工濕地進行改良，以解決現(xiàn)有人工濕地的上述問題，緩解濕地堵塞，延長濕地壽命，在資源化利用濕地植物的同時強化濕地脫氮系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種利用蚯蚓緩解堵塞并強化脫氮的人工濕地系統(tǒng)，這種濕地系統(tǒng)適于引入蚯蚓，以緩解濕地堵塞，延長濕地壽命，在資源化利用濕地植物的同時強化濕地的脫氮作用。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種利用蚯蚓緩解堵塞并強化脫氮的人工濕地系統(tǒng)，包括第一濕地單元和第二濕地單元，所述第一濕地單元的填料層由上至下依次包括第一細無機填料層、第一粗無機填料層和第一主填料層，所述第一主填料層的下面為第一集水層，所述第一無機填料層的上方設(shè)有第一布水管，所述第二濕地單元的填料層由上至下依次設(shè)有第二有機透水層和第二主填料層，所述第二主填料層的下面為第二集水層，所述第二有機透水層的上方設(shè)有第二布水管，所述第一集水層設(shè)有第一出水口，所述第二集水層設(shè)有第二出水口，所述第一出水口連通所述第二布水管的進口，所述第一濕地單元和第二濕地單元的填料層內(nèi)均接種有蚯蚓，并具有適宜蚯蚓生存的未被水浸泡（未處于水浸泡中）的區(qū)域，可以通過控制浸泡水位高度控制相應(yīng)單元內(nèi)蚯蚓的活動范圍。

所述第一濕地單元和第二濕地單元之間可以設(shè)有集水槽，所述第一出水口連通所述第二布水管的進口的方式為所述第一出水口連接所述集水槽，所述第二布水管的進口連接所述集水池，依靠系統(tǒng)水位實現(xiàn)第一濕地單元出水向第二布水管的自然流動（無外加動力），由此不僅節(jié)省能源，可以通過自然流動實現(xiàn)對單元內(nèi)浸泡水位高度的有效控制和調(diào)節(jié)。

所述第二濕地單元的底部高度優(yōu)選低于所述第一濕地單元的底部高度，以利于形成水的無動力流動。

所述第二出水口可以連接有系統(tǒng)排水管。

所述系統(tǒng)排水管優(yōu)選采用出口高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)，例如帶有可彎折的軟管，通過彎管改變出水口高度，或者設(shè)置成由若干套管相互套接的可拉伸結(jié)構(gòu)，通過拉伸方式調(diào)節(jié)出水高度，由此可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)排水管的出口高度，調(diào)節(jié)所述第二濕地單元的浸泡水位高度，進而調(diào)節(jié)第二濕地單元內(nèi)所引入蚯蚓的活動區(qū)域和代謝強度。

例如，所述第二出水口與所述系統(tǒng)排水管之間采用允許系統(tǒng)排水管相對于第二出水口上下翻轉(zhuǎn)的活動連接方式連接，所述系統(tǒng)排水管設(shè)有用于固定其位置的翻轉(zhuǎn)定位裝置，或者，所述系統(tǒng)排水管由排水管進水段和排水管出水段構(gòu)成，所述排水管進水段和排水管出水段之間采用允許排水管出水段相對于排水管進水段上下翻轉(zhuǎn)的活動連接方式連接，所述排水管進水段與所述第二出水口固定連接，所述排水管出水段設(shè)有用于固定其位置的翻轉(zhuǎn)定位裝置。

所述第二布水管可以采用布水出口固定的結(jié)構(gòu)，例如，固定架設(shè)在池體上的帶有固定布水出口的管道，在此情況下，所述第二布水管的布水出口的高度優(yōu)選低于（含端值，下同）所述第一細無機填料層的底部且高于（不含端值，下同）第一粗無機填料層的底部，或者優(yōu)選低于第一粗無機填料層的頂部且高于第一主填料層的3/4高度，以便在第一細無機顆粒層或者第一細無機顆粒層和第一粗無機顆粒層內(nèi)形成適于蚯蚓生長的濕潤且不被水浸泡的環(huán)境。

優(yōu)選的，所述第二布水管采用布水出口高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)范圍可以包括第一細無機填料層和第一粗無機填料層對應(yīng)的高度范圍，或者更大一些，例如，下限至第一主填料層的2/3高度，可以采用任意適宜的現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)對第二布水管布水出口高度的調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)第二布水管的布水出口高度，調(diào)節(jié)第一濕地單元的浸泡水位高度。例如，將第二布水管的主體部分安裝在能夠帶動其上下移動的可調(diào)支架上，其進水段可以采用向下延伸的彎管，以便于在其上下移動時，進水段的進口始終浸入在集水槽的水內(nèi)，由此通過調(diào)節(jié)第二布水管的布水出口高度，調(diào)節(jié)集水槽內(nèi)額水位高度，進而調(diào)節(jié)第一濕地單元內(nèi)的水位高度，調(diào)節(jié)第一濕地單元內(nèi)所引入蚯蚓的活動區(qū)域和代謝強度。

為施工方便且結(jié)構(gòu)緊湊，優(yōu)選的，所述第一濕地單元、集水槽和第二濕地單元由同一池體前后分隔而成，所述池體內(nèi)設(shè)有第一濕地單元隔板和第二濕地單元隔板，所述池體前壁和第一個單元隔板之間為第一濕地單元，所述第一濕地單元隔板和第二濕地單元隔板之間為集水槽，所述第二濕地單元隔板和池體后壁之間為第二濕地單元。

所述第一濕地單元隔板的底部可以設(shè)有構(gòu)成所述第一出水口的第一出水通孔或第一出水管，可以在第一集水層內(nèi)設(shè)置側(cè)壁上分布有若干集水通孔的第一集水管，將第一集水管的出水段穿過池體后壁，形成第一出水管。

所述池體后壁的底部可以設(shè)有構(gòu)成所述第二出水口的第二出水通孔或第二出水管，可以在第二集水層內(nèi)設(shè)置側(cè)壁上分布有若干集水通孔的第二集水管，將第二集水管的出水段穿過池體后壁，形成第二出水管。

所述第一細無機填料層可以采用細沙層，所述第一粗無機填料層可以采用石子層。

所述第一主填料層可以采用下列任意一種或者采用以任意上下相間分布形式分布的下列任意多種：沸石顆粒層、鋼渣層和無煙煤層。

所述第二有機透水層可以采用秸稈渣層，例如蘆葦渣層。

所述第二主填料層可以采用下列任意一種或者采用以任意上下相間分布形式分布的下列任意多種：沸石顆粒層、鋼渣層和無煙煤層。

所述第一集水層和第二集水層均可以采用石子層，且優(yōu)選采用粒徑大小分層分布的多層結(jié)構(gòu)，位于上層的石子粒徑小于位于下層的石子粒徑。

各集水層的出水口設(shè)置方式可以依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)或其他適宜的技術(shù)，例如，可以在集水層內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的集水管，集水管的側(cè)壁上分布有若干通孔作為集水進口，將集水層內(nèi)的水引入集水管內(nèi)，集水管的外端口構(gòu)成的相應(yīng)出水口，可以穿過相應(yīng)的池壁接入集水槽或系統(tǒng)排水管，或者連接其他形式的輸出通道。

所述第一濕地單元內(nèi)優(yōu)選種植有蘆葦。

所述第二濕地單元內(nèi)優(yōu)選種植有茭白。

本發(fā)明的使用方式和有益效果為，通過第一布水管接入待處理水，待處理水從第一布水管上的布水出口流出，依次經(jīng)過第一細無機填料層、第一粗無機填料層和第一主填料層，進入第一濕地單元底部的第一集水層，第一集水層中的水經(jīng)第一出水口自然流入集水槽，集水槽內(nèi)的水經(jīng)第二布水管的進口進入第二布水管，經(jīng)第二布水管上的布水出口流出，依次經(jīng)過第二有機透水層和第二主填料層，進入第二濕地單元底部的第二集水層，然后經(jīng)第二集水層的出水口流入系統(tǒng)排水管，從系統(tǒng)排水管排出。待處理水經(jīng)過上述過程實現(xiàn)凈化，除人工濕地通常所具有的各種物理、化學(xué)、植物和微生物的凈化作用外，本發(fā)明還適宜在第一濕地單元和第二濕地單元中接種或引入蚯蚓，第一濕地單元的細無機填料層和粗無機填料層經(jīng)過一段時間運行后在顆粒表面和縫隙之間截留和沉積了含有有機物的污泥，或者在使用之前人工加入蚯蚓賴以生存的污泥等，使接種的蚯蚓得以生存和代謝，通過蚯蚓活動為第一濕地單元增加了氣水接觸和氧氣溶解，加以第一濕地單元種植的蘆葦根部較強的泌氧能力，進一步增大了第一濕地單元水體內(nèi)所含的溶解氧量，強化了第一濕地單元好氧生化作用，其中包括對氨氮的硝化反應(yīng)，水體流經(jīng)第一濕地單元后氨氮得到有效去除，由于第一濕地單元中氨氮的硝化作用及有機物的降解消耗一定量的溶解氧，水中溶解氧含量降低，為第二濕地單元的反硝化作用形成了有利的缺氧環(huán)境，蚯蚓在第二濕地單元中粉碎消化蘆葦桿一方面為第二濕地單元提供外加碳源，有利于反硝化過程硝態(tài)氮的去除；另一方面蘆葦桿分解消耗氧氣，提供一種缺氧環(huán)境，更利于反硝化過程的進行。蚯蚓在兩個單元中活動，一方面可以緩解濕地堵塞問題；另一方面通過蚯蚓消化，微生物活性和數(shù)量均有大幅度提高；此外，蚯蚓糞具有類似活性炭的多孔狀結(jié)構(gòu)，對于一些具有惡臭氣味的化合物如低級脂肪酸、硫醇和硫化氫等以及重金屬具有吸附作用，有效地減小了人工濕地存在的異味等二次污染問題。

通過蚯蚓活動增加基質(zhì)孔隙率，有效緩解人工濕地基質(zhì)堵塞。

蚯蚓增加第一濕地單元濕地基質(zhì)中氧含量，有利于硝化反應(yīng)。

蚯蚓粉碎和消化濕地植物秸稈，為第二濕地單元濕地提供外加碳源，強化反硝化反應(yīng)。

通過植物、基質(zhì)的選擇，強化人工濕地脫氮除磷效果。

經(jīng)申請人實驗驗證，本發(fā)明不需要停床處理，在濕地運行期間即可有效地緩解濕地堵塞問題，并且強化濕地脫氮效果并提高總體凈化水平。

附圖說明

圖1是本發(fā)明主視方向上的示意圖；

圖2是本發(fā)明俯視方向上的示意圖。

具體實施方式

參見圖1和圖2，這種人工濕地系統(tǒng)共可分為兩個處理單元，沿水流方向依次分為第一濕地單元和第二濕地單元，兩者之間設(shè)置集水槽9，第一濕地單元和第二濕地單元的體積比優(yōu)選為1:1，兩單元的底部具有一定的高程差，第二濕地單元底部較第一濕地單元底部低15cm，通過第二濕地單元的布水高度，確保第一濕地單元的不飽和體積，以保證蚯蚓在第一濕地單元上層正?；顒?，解決第一濕地單元濕地堵塞問題，同時為第一濕地單元提供氧氣，加強硝化反應(yīng)。

通過向上或向下翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)排水管14（圖1中用虛線表示系統(tǒng)排水管的不同翻轉(zhuǎn)角度或出水高度），可以提高或降低排水口高度，調(diào)整蚯蚓15在第二濕地單元上下活動區(qū)域，解決人工濕地基質(zhì)上、中層的堵塞問題，蚯蚓對第二有機透水層12內(nèi)蘆葦桿的消化為第二濕地單元提供額外碳源，促進反硝化進行。

第一濕地單元栽植蘆葦2，種植密度為20株/m²，第二濕地單元栽植茭白10，種植密度為20株/m²。

第一濕地單元填料自上而下分別為第一濕地單元的細沙層3（厚度10cm）、石子層4（厚度10cm）、主填料層（采用沸石、鋼渣或無煙煤等）5（厚度60cm）、集水層6（厚度10cm）和防滲層8（厚度3cm），集水層內(nèi)設(shè)置集水管7，集水管7的出口構(gòu)成第一出水口，于第一濕地單元的表層接種蚯蚓密度為120只/m²。

第二濕地單元填料自上而下分別為第二濕地單元的蘆葦桿渣層12（厚度20cm）、主填料層（采用沸石、鋼渣或無煙煤等）13（厚度60cm）、集水層（厚度10cm）和防滲層（厚度3cm），于第二濕地單元的蘆葦桿渣層中接種蚯蚓密度為180只/m²。

兩單元中的蚯蚓均可以選用生命周期短、繁殖力強、可人工養(yǎng)殖的表層種赤子愛勝蚓，赤子愛勝蚓也常被用于生態(tài)濾池中。本人工濕地中蚯蚓15可在第一濕地單元中的細沙層、石子層上下活動，以緩解第一濕地單元的濕地堵塞問題的同時為第一濕地單元提供氧氣促進硝化反應(yīng)嗎，根據(jù)可旋轉(zhuǎn)排水管高度調(diào)節(jié)，使第二濕地單元中的蚯蚓可以在上、中層上下活動，緩解第二濕地單元的濕地堵塞問題，同時消化蘆葦桿為第二濕地單元提供外加碳源加強反硝化反應(yīng)。

污水經(jīng)過第一布水管1進入第一濕地單元的人工濕地，均勻流經(jīng)第一濕地單元的細沙層3、石子層4、填料層5，進入集水層6經(jīng)集水管7收集后，進入集水槽9。由集水槽9聯(lián)通進入第二布水管11。通過蚯蚓活動為第一濕地單元提供氧氣，加以蘆葦根部較強的泌氧能力，強化了第一濕地單元對氨氮的硝化反應(yīng)。水體流經(jīng)第一濕地單元后，氨氮得到有效去除。第一濕地單元中氨氮的硝化作用及有機物的降解消耗一定量的溶解氧，使進入系統(tǒng)的污水（例如河道水）溶解氧得到一定的降低，為第二濕地單元的反硝化作用形成了有利的缺氧環(huán)境。水自第二濕地單元頂部的第二布水管11流出后，依次流蘆葦桿渣層12和主填料層13，經(jīng)第二集水層內(nèi)的集水管收集后由可旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)排水管14排出濕地系統(tǒng)。蚯蚓在第二濕地單元中粉碎消化蘆葦桿一方面為第二濕地單元提供外加碳源，有利于反硝化過程硝態(tài)氮的去除，另一方面蘆葦桿分解消耗氧氣，提供一種缺氧環(huán)境，更利于反硝化過程的進行。蚯蚓在兩個單元中活動，一方面可以緩解濕地堵塞問題；另一方面通過蚯蚓消化，微生物活性和數(shù)量均有大幅度提高；此外，蚯蚓糞具有類似活性炭的多孔狀結(jié)構(gòu)，對于一些具有惡臭氣味的化合物如低級脂肪酸、硫醇和硫化氫等具有吸附作用，所采用的赤子愛勝蚓具有可人工飼養(yǎng)、繁殖力強、較耐低溫等特點，目前已成功應(yīng)用于污染環(huán)境的治理中。通過引入蚯蚓，使這種濕地系統(tǒng)不需要停床處理，在濕地運行期間即可緩解濕地堵塞問題，并且強化濕地脫氮效果。

使用中，可以根據(jù)出水指標監(jiān)測，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)排水管14的高度，如硝態(tài)氮含量有所增加時，適當降低出水口高度，通過蚯蚓粉碎蘆葦桿渣一方面增加微生物數(shù)量、提高微生物活性，另一方面提供更多的碳源，從而加強水體中的硝化反應(yīng)，降低出水硝態(tài)氮含量；當硝態(tài)氮含量降低后，提高出水高度，防止蘆葦桿渣對第二濕地單元濕地產(chǎn)生影響，控制出水中的有機污染，通過對各單元蚯蚓活動范圍的調(diào)節(jié)，特別是對第二濕地單元內(nèi)蚯蚓活動范圍的調(diào)節(jié)，以達到各部分生化環(huán)境和效應(yīng)的協(xié)同與均衡，保證所需的各反應(yīng)過程相互銜接且順利地進行，優(yōu)化最終凈化效果。與不加蚯蚓的濕地系統(tǒng)相比，加蚯蚓的濕地系統(tǒng)更有效地緩解濕地堵塞現(xiàn)象。在相同處理時間內(nèi)，相比加蚯蚓的濕地系統(tǒng)，不加蚯蚓的濕地系統(tǒng)濕地表面有明顯污泥沉積，出水滲透時間延長，甚至在第一濕地單元濕地表面看到積水；而加蚯蚓的濕地系統(tǒng)表面沒有任何污泥沉積，并且在蚯蚓的活動下，濕地基質(zhì)的滲透性良好，孔隙率與初始狀態(tài)沒有顯著差異，完全沒有堵塞現(xiàn)象。不加蚯蚓濕地系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象之后，出水中氨氮濃度迅速升高，而加蚯蚓的濕地系統(tǒng)對氨氮的去除效果穩(wěn)定。

微生物脫氮過程的不同階段對氧含量的要求有很大差異，硝化是一個需氧過程，反硝化則是厭氧過程，單一的氧環(huán)境也會導(dǎo)致濕地內(nèi)生物脫氮過程不暢，水氣比太小則無法提供足夠的氧氣，不能滿足微生物硝化作用的需要，而水氣比過大，則破壞了濕地中好氧厭氧的交替狀態(tài)，使得微生物自身氧化速度過快進而影響脫氮效果。通常適于硝化反應(yīng)的do應(yīng)該高于2mg/l，反硝化的do應(yīng)控制在0.5mg/l。第一濕地單元中，蚯蚓的活動為硝化反應(yīng)的進行提供更為充足的氧氣。碳源主要對反硝化過程產(chǎn)生影響，每硝化1g硝態(tài)氮成n2，需要消耗相當于2.86gbod5的有機物，而本系統(tǒng)中碳源在第一濕地單元較為豐富，第二濕地單元中碳源不足，影響反硝化過程的進行，一般認為bod5/tn值不大于3~5即可認為碳源不足。第二濕地單元中，通過蚯蚓分解蘆葦桿渣可有效促進反硝化反應(yīng)的進行。

本發(fā)明具有下列特點：

在第一濕地單元，蚯蚓活動，為人工濕地提供一種有氧環(huán)境，加強氨氮的硝化過程；

在第二濕地單元，蘆葦桿作為外源填料，通過蚯蚓的粉碎和消化作用，為反硝化細菌提供持續(xù)的碳源，同時增加了微生物的附著場所，強化了系統(tǒng)反硝化過程；

通過選擇不同的植物，在第一濕地單元栽植輸氧能力較強的蘆葦，第二濕地單元栽植對氮磷吸收能力較強但泌氧能力有限的茭白，適應(yīng)于各單元的溶解氧環(huán)境要求；

蚯蚓產(chǎn)生的糞便具有類似活性炭的疏松多孔結(jié)構(gòu)，對一些有機化合物、重金屬以及惡臭氣體具有吸附作用；

經(jīng)蚯蚓消化后的微生物，繁殖能力更強，活性更高，蚯蚓消化對酶活性也有一定的促進作用；

蚯蚓可以提高人工濕地的滲透能力，解決人工濕地處理污水時存在的堵塞問題；

蚯蚓促進人工濕地中植物的生長，防止植物退化，確保人工濕地的穩(wěn)定運行；

蚯蚓延長了人工濕地中的食物鏈，增加了食物網(wǎng)的豐富度，使人工濕地的結(jié)構(gòu)和功能更完善、穩(wěn)定，有利于高效、穩(wěn)定地凈化污水；

沸石、鋼渣、無煙煤作為濕地的主填料，強化系統(tǒng)處理效果。

本發(fā)明公開的各優(yōu)選和可選的技術(shù)手段，除特別說明外及一個優(yōu)選或可選技術(shù)手段為另一技術(shù)手段的進一步限定外，均可以任意組合，形成若干不同的技術(shù)方案。