一种农村生活污水深度净化‑杀菌反应器系统的制作方法

本发明涉及一种农村生活污水深度净化-杀菌反应器系统，具体而言，是一种结合了基于生物质炭的人工湿地、光催化技术以及绿色能源的农村低污染水深度净化体系。

背景技术：

农村低污染水

根据报道，生活污水和畜禽养殖废水是农村地区的两大污染源。其中太湖流域养殖废水TN一般在30～40mg/L，TP在2.5～3.5mg/L之间。但由于农村地区污水产生总量大、分布分散、间歇排放等特点，对农村生态环境和民众健康构成了显著的影响。本发明针对低污染生活污水尾水进行深度处理，这里我们将农村低污染水定义为农业生产或农民生活过程中产生的富含植物生长所需的氮、磷等养分与多种微量元素，但直接排放会造成污染的那部分水体。其水质不符合地表水环境质量标准但满足农田灌溉用水标准(GB 18918-2002一级B：TN≤20mg/L,TP≤1mg/L)。这种农村低污染水虽然氮磷等营养盐含量相对点源污染、未处理的生活污水等污染源较低，但是由于其分布广泛、产生量高，对水体环境的负面影响也非常显著。这类废水使用工程化措施处理经济性不高，特别是在排放较为分散的偏远农村地区，更加难以实现深度净化处理。因此，有必要针对这类低污染水设置低成本的、易于操作安装的、环境友好的处理体系，以便使相关低污染排水达到或接近地表水排放标准，实现良好的生态与经济效益。

生物炭和水热生物炭技术

生物炭(Biochar)是在完全或部分缺氧条件下，以及相对较低的温度条件下(<700℃)，经热解炭化产生的一种含碳量丰富、性质稳定的有机物质。生物炭表面具有大量的孔洞，空隙大小不一。这种孔洞结构有利于土壤微生物的生长。生物炭容重小，水、气吸收能力强，且具有大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性，能形成电磁场，构成了生物炭良好的吸附特性，能吸附水、土壤或沉积物中的无机离子及极性或非极性有机化合物，特别是利于吸附土壤和水体中重金属污染物质和有机污染物。在化学成分上，生物炭还包括钙、镁等矿物质以及无机碳酸盐，具有高度的芳香化、生物化学抗分解性和物理的热稳定性，促进植物对营养元素的吸收。此外，生物炭往往呈现一定的碱性，可被用于改良酸性土壤。鉴于上述一系列的优良特性，生物炭在近年来被广泛用于固碳减排、土壤修复改良等方面的研究和实践。生物质炭由于拥有良好的孔隙分布，表面含有丰富的官能团，对水体中的溶质往往具有良好的吸附性能。

然而，常规热解生物炭具有一定的缺陷，一是制备过程中产生了废气具有环境风险；二是耗能较高，导致成本偏高；三是产率偏低；四是常规热解生物炭pH一般较高，往往pH可以达到10甚至更高。

光催化脱除氨氮技术

光催化是指光触媒在外界光的作用下发生催化作用。据报道，在适宜条件下，光催化技术几乎能将所有类型的有机污染物矿化为CO₂，H₂O以及其他简单低分子物质。因此光催化技术是一种绿色、高效、低能耗的水处理技术，对去除水中氨氮具有十分重要的意义。但目前光催化技术在稻田排水中还少有应用，主要原因是成本和效率。光催化反应需要紫外光进行作用，而太阳光的紫外线效率偏低，人造紫外灯需要额外的电力输入，田间通电困难且成本较高。光催化技术存在光响应范围窄、量子转换效率低和光催化剂难以粉末化等限制，一定程度上影响了该技术的推广。

紫外杀菌技术

紫外线是一种性能效果好，副作用较小，且维护成本较低的杀菌消毒技术。紫外线波长在240～280nm范围内，一方面可使核酸突变、阻碍其复制、转录封锁及蛋白质的合成；另一方面，产生自由基可引起光电离，从而导致细胞的死亡，达到杀菌消毒的效果。紫外线杀菌具有杀菌作用较强，但对物体的穿透能力较弱的特点，且需要稳定和持续的电力供给。虽然在试验室中有较广泛的应用，但目前尚未发现在农业环境上的应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种农村生活污水深度净化-杀菌反应器系统，通过本发明的农村低污染水净化系统，可以实现生物质资源化利用、农村生活污水减排、污水有害菌的杀灭等目标，具有绿色环保、应用潜力大、应该面广等特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种农村生活污水深度净化-杀菌反应器系统，其特征在于，包括一级反应器和二级反应器，一级反应器为基于生物炭改良人工湿地的低污染水净化系统；二级反应器为基于光伏发电的催化-杀菌深度净水系统；二级反应器位置低于一级反应器；

通过二级反应器的光伏发电为一级反应器上方的补充光源供电，在光照不足时光伏发电的电能用于为一级反应器的补充光源提供电能，以促进一级反应器土水界面自然生物膜的生长；一级反应器所用基质材料为含生物炭的土壤基质，湿地植物生长于基质材料上；所用生物炭为水热条件下或常规热解生产，其pH不高于8.0，施加质量含量在1％-10％之间；一级反应器底层为吸附剂填料层，填料层厚度为5-30cm；

二级反应器通过光伏发电为催化反应提供能源，二级反应器内壁涂布纳米TiO₂涂层(涂层位于内壁底部及内壁侧面，且位于水面下方)，涂布厚度为0.2-1mm；催化反应使用的紫外灯外部设有石英玻璃管；紫外灯下方5-10cm处设有溢流孔(溢流孔设置于反应器侧壁上)，防止水位过高淹没紫外灯管；逆变器和蓄电池置于光伏面板下方。

一级反应器使用的生物炭的水热制备温度为180-300℃，物料比为1:2-1:20，即基质材料干重g：水mL；水热反应压力为4MP-20MP；水热生物炭的基质材料为小麦秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆、油菜秸秆、芝麻秸秆、水葫芦残体、黑麦草残体其中的一种或多种材料的组合；所制备的水热生物炭颗粒粒径为0.01cm-2cm。或者，将桔杆材料在400-700℃条件下灼烧热解以获得生物炭材料，热解时间为1h-4h；基质材料为小麦秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆、油菜秸秆、芝麻秸秆、水葫芦残体、黑麦草残体其中的一种或多种材料的组合；所制备的生物炭颗粒粒径为0.01cm-2cm。

一级反应器内壁连接挡流板，挡流板宽度为3-10cm，挡流板与内壁的夹角为30-60°。

一级反应器底层吸附剂填料层的颗粒粒径大小控制在0.5cm-4cm。

所述的一级反应器的出水通过出水阀进入二级反应器内，污水位于二级反应器内，且位于紫外灯下方。

通过光伏面板将太阳能转化为电能，可直接驱动紫外灯使之点亮，同时匹配蓄电池对富余电能进行储存，在太阳光照不足时继续为紫外灯提供电源；光伏面板下表面与角度可调支架连接，逆变器和蓄电池位于角度可调支架下方，逆变器和蓄电池的底部设有反光膜，紫外灯设置于逆变器和蓄电池下方；由紫外灯和纳米TiO₂涂层对污水中的氨氮进行催化，将其转化为氮气。

所述的湿地植物为水芹或菱角。

吸附剂填料层为沸石、凹凸棒石、粘土矿物的一种或几种。

一级反应器的补充光源与二级反应器的蓄电池通过光敏开关连接。

农村生活污水深度净化-杀菌反应器系统，处理方法如下：农村低污染生活污水进入第一级反应器后，根据水质情况的好坏，水力停留时间为1d-10d；待水质较为清澈后通过控制水流控制阀进入第二级反应器，水力停留时间为1-24h，处理后的尾水通过溢流孔排放到外界环境。

相对于现有技术，本发明实现以下有益效果：

1)本发明将多种水体净化技术的优点结合在了一起，实现了取长补短的作用：生物膜净化技术和水生植物净化技术对低污染水净化所需时间较久，营养盐浓度较低时净化效率不高，生物膜和水生植物生长受到影响；而水热生物炭净化系统对微污染成分(如氮磷营养盐和重金属等污染物质)具有良好的吸附性能，且吸附过程是一个物理过程主导的水体净化过程，具有时间短、效率高的特点，但是对于成分复杂的农村低污染水，直接使用吸附技术进行净化效果不佳，容易出现堵塞和吸附饱和现象，因此在生物炭吸附过程之前增加前处理过程，即本发明提出的生物膜-水生植物净化体系，可以降低后续生物炭吸附处理过程中出现堵塞和饱和的频率，从而实现良好的净化效果。

2)本发明使用太阳能作为能源为第一级反应器的补充光照、光敏元件，以及第二级反应器的紫外灯提供能源，符合绿色环保理念，实现了节能的目的。

3)本发明使用湿地植物在水体表面吸收营养盐，可以通过控制水生植物的种类，在一定条件下实现经济产出，如种植菱角；或实现生态景观效益，如种植荷花等。

4)本发明第二级反应器的催化过程，可以实现对微污染水氨氮的催化去除，最终转化为对环境无害的氮气；同时产生的紫外线可以实现对有害菌的杀灭，尾水可以直接用于浇灌可直接食用的蔬菜。

综上，本发明提出的一种农村生活污水深度净化-杀菌反应器系统，真正实现了变废为宝，循环利用，绿色环保，符合可持续发展的理念。

附图说明

图1为一级反应器系统对地表水水质的影响效果示意图；

图2为一级反应器系统对地表水氨挥发的影响效果示意图；

图3为一级反应器系统对植物生物量的影响效果示意图；

图4为一级反应器系统植物养分累积的影响效果示意图；

图5为一级反应器系统对地下渗漏液的影响效果示意图；

图6为二级反应器对氨氮的去除效果示意图；

图7为本发明的系统示意图；

其中，1一级反应器，2二级反应器，3角度可调支架，4光伏面板，5逆变器，6蓄电池，7反光膜，8紫外灯，9溢流孔，10石英玻璃管，11纳米二氧化钛涂层，12光敏开关，13LED灯，14湿地植物，15进水泵，16含生物炭的土壤基质，17土水界面自然生物膜，18挡流板，19填料层，20出水阀。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

一种农村生活污水深度净化-杀菌反应器系统，通过将多种水体净化技术的优点结合在了一起，实现对农村低污染水绿色、高效和深度净化。可以实现绿色能源转化、降低面源污染等目标，具有成本较低(一次性投入)、环境友好、应用面广泛等特点。如图7所示。

(1)本发明提供的农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统，包括两个子系统：一级反应器1为基于生物炭改良人工湿地的低污染水净化系统；二级反应器2为基于光伏发电的催化-杀菌深度净水系统。污水通过进水泵15从一级反应器上方进入一级反应器。出水阀设置于一级反应器底部。

(2)基于生物炭改良人工湿地的低污染水净化系统通过二级反应器的光伏发电为补充光源(位于一级反应器上方，可以是LED灯13)提供电能，通过光照感应器(光敏开关12)在光照较弱的时候使蓄电池向补充光源提供电能，以促进反应器土水界面自然生物膜17的生长，实现对生活污水氮磷的深度净化。基于生物炭改良人工湿地的低污染水净化系统所用基质材料为土壤混合生物炭(即含生物炭的土壤基质16)，湿地植物14种植在基质材料上，为了降低一级反应器氨挥发产生量，所用生物炭为水热条件下生产，其pH不高于8.0，施加量在1％-10％(为生物炭占生物炭和土壤混合料的质量百分比)之间。一级反应器底层为吸附剂填料层19(沸石、凹凸棒石、粘土矿物之一或组合成分)，填料层厚度为5-30cm。填料层位于基质材料层下方，且与基质材料层连接。

(3)基于光伏发电的催化-杀菌深度净水系统通过光伏发电为催化反应提供能源，同时二级反应器内壁涂布催化剂材料，即纳米TiO₂涂层11，涂布厚度为0.2-1mm。二级反应器使用的紫外灯8外部设有石英玻璃管10，对灯管起到防水和防污的作用。紫外灯管下方5-10cm处设有溢流孔9，防止水位过高淹没紫外灯管。光伏发电使用的逆变器5和蓄电池6置于光伏面板4下方，防止太阳照射温度过高导致损坏，也能避免雨水进入逆变器或蓄电池造成损坏。

一级反应器使用的生物炭的水热制备温度为180-300℃，物料比为1:2-1:20，即基质材料干重g：水mL；水热反应压力为4MP-20MP；水热生物炭的基质材料为小麦秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆、油菜秸秆、芝麻秸秆、水葫芦残体、黑麦草残体其中的一种或多种材料的组合；所制备的水热生物炭颗粒粒径为0.01cm-2cm。

或者，将桔杆材料在400-700℃条件下灼烧热解以获得生物炭材料，热解时间为1h-4h，以下实施例中裂解时间为3h；基质材料为小麦秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆、油菜秸秆、芝麻秸秆、水葫芦残体、黑麦草残体其中的一种或多种材料的组合；所制备的生物炭颗粒粒径为0.01cm-2cm。

一级反应器内壁连接挡流板18，挡流板宽度为3-10cm，挡流板与内壁的夹角为30-60°。一级反应器底层吸附剂填料层的颗粒粒径大小控制在0.5cm-4cm。所述的一级反应器的出水通过出水阀20进入二级反应器内。通过光伏面板4将太阳能转化为电能，可直接驱动紫外灯使之点亮，同时匹配蓄电池对富余电能进行储存，在太阳光照不足时继续为紫外灯提供电源；光伏面板下表面与角度可调支架3连接，逆变器和蓄电池位于角度可调支架下方，逆变器和蓄电池的底部设有反光膜7，紫外灯设置于逆变器和蓄电池下方；由紫外灯和纳米TiO₂涂层对污水中的氨氮进行催化，将其转化为氮气。所述的湿地植物为水芹或菱角。一级反应器的补充光源与二级反应器的蓄电池通过光敏开关连接。

作为优选方案，所述一级反应器所述基质材料使用的生物炭在水热条件下制备，水热制备温度为280℃，物料比为1:10(基质材料干重g：水mL)。水热反应压力为8MP。水热生物炭的基质材料为小麦秸秆。所制备的水热生物炭颗粒粒径为0.1-0.5cm。

作为优选方案，所述一级反应器内壁具有挡流板，挡流板宽度为5cm，挡流板与内壁的夹角为45°。

作为优选方案，所述一级反应器底层过滤层滤料的颗粒粒径大小为0.5-1cm。

作为优选方案，所述一级反应器中的水生植物为水芹。

本实施例考察了一种农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对农村低污染水水质、氨挥发、植物生物量和养分累积、土壤养分以及地下渗漏液的影响。于2015年在江苏省农业科学院试验场建立农村生活污水净化实验，共设定6个处理，对照为常规施肥不施生物炭(TWW)、不施肥不施生物炭(TWW0)；农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统选取4种不同生物炭施用的处理。为了便于试验，实施例采用的生物炭为常规热解制备的生物炭，制备温度为500度和700度，桔杆材料为小麦秸秆。一级反应器中的水生植物选取水芹。

实施例2 农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对地表水水质的影响效果

本实施例考察了一种农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对地表水水质的影响效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。供试污水为经预处理的生活污水，取自江苏省农科院内，其水质基本理化性质为：pH 8.74±0.47，电导率(EC)506.9±181.4μs·cm^-1，化学需氧量(COD)62.3±32.6mg·L^-1，TN 27.93±12.04mg·L^-1，氨氮(NH₄⁺-N)24.15±9.97mg·L^-1，TP 3.31±2.26mg·L^-1。经过新型农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统处理的地表水pH值低于对照组。处理后地表水EC值与对照组相比有不同程度升高。TWW0组地表水COD值较高，其他处理组基本在同一水平(表1)。不种水芹的TWW0组地表水TN、NH₄⁺-N和TP浓度均最高。700℃-1％处理组TN、NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度分布相对较低；500℃-1％处理组TP浓度相对较低(图1)。表明本系统处理后，污染水中的营养元素下降，降低了面源污染的风险。

表1 人工湿地地表水基本性质

实施例3 农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对地表水氨挥发的影响效果

本实施例考察了一种农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对地表水氨挥发的影响效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。700℃-1％处理在添加生物炭处理组中氨挥发总量最小，在水芹整个生育期内其损失总量为43.02kg·hm^-2，TWW组为40.44kg·hm^-2(图2)。本系统处理后，污染水的氨挥发量下降，对环境起积极作用。

实施例4 农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对植物生长的影响效果

本实施例考察了一种农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对植物生长的影响效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。新型农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统处理后，水芹地上部生物量均显著高于TWW对照，500℃-1％处理组地上部生物量最高(1192.9g·m^-2，图3)。本系统处理后，水生植物的生物量提高，一方面有助于进一步吸收污染水中的营养元素，一方面这部分生物量也可以作为资源进行利用。

实施例5 农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对植物养分累积的影响效果

本实施例考察了一种农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对植物养分累积的影响效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。500℃-1％和700℃-1％处理水芹氮累积最大；700℃-1％处理和TWW对照水芹磷累积最大；而新型农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统处理后水芹钾累积量均显著高于TWW对照(图4)。表明本系统处理后，污染水中的养分元素向植物富集，有助于降低面源污染风险。

实施例6 农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对土壤养分的影响效果

本实施例考察了一种农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对土壤养分的影响效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。水芹收获后，测定土壤养分含量的变化。新型农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统处理后土壤碱解氮、有效磷与总氮均显著低于TWW0对照(表2)。表明本系统处理后，生活污水中的营养元素在土壤中的富集显著下降，本系统能有效降低面源污染风险。

表2 收获后土壤性质

实施例7 农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对地下渗漏液的影响效果

本实施例考察了一种农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统对地下渗漏液的影响效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。从渗漏液中氮、磷的损失量可以看出，新型农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统处理后氮渗漏损失均低于TWW0和TWW对照，且各处理渗漏液中氮主要以氨氮为主(图5a)；除700-5％磷渗漏损失较高以外，其他添加生物炭处理磷渗漏损失低于TWW对照(图5b)。表明本系统处理后，地下渗漏液中的氮磷均有所下降，有助于降低面源污染的风险。

实施例8 农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统二级反应器的净化效果

本实施例考察了一种农村生活污水深度净化/杀菌反应器系统二级反应器对氨氮和大肠杆菌的去除和杀灭效果。本实施例具体操作方式与实施例1类似。由图6可以发现，在不同进水氨氮浓度条件下，二级反应器对于氨氮的总体催化净化效果在50％上下。同时，二级反应器对大肠杆菌的24小时杀灭率高于90％。二级反应器在降低氨氮面源污染风险的同时，降低了排水有害菌的含量，实现了良好效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。