一种模拟复合垂直流人工湿地底层厌氧环境的装置及方法与流程

本发明涉及生态工程技术研究领域，尤其涉及一种模拟复合垂直流人工湿地底层厌氧环境的装置，同时还涉及一种模拟复合垂直流人工湿地底层厌氧环境的方法。

背景技术：

人工湿地技术综合植物、微生物和基质的作用，在人为可控的条件下发挥天然湿地的污水净化功能，是一种极具发展前景的污水生态处理技术。其中，氧在人工湿地中的空间分布是决定其净化效果的关键限制性因子。在湿地表层好氧区域，氧可作为电子受体直接参与微生物的好氧分解与转化过程，并影响着湿地植物的生理生态特征；而在湿地底层缺氧或厌氧区域，NO₃-、SO₄²-、Fe³+和锰氧化物等可作为电子受体，参与反硝化、硫酸盐还原和甲烷生成等厌氧过程，对湿地系统中氮、碳等元素的地球生物化学循环中起着重要作用。然而，由于厌氧微生物分离与纯培养的困难、底层基质采样观测的不便，对湿地底层厌氧微生物的多样性及其净化功能的认识和利用远远落后于好氧微生物。许多厌氧微生物拥有独特且多样的代谢途径和功能，如近年来新发现的厌氧氨氧化菌、厌氧甲烷氧化菌等，它们不仅在生物进化中具有特殊地位和重要意义，而且在生物修复技术中具有广阔的应用前景。以厌氧氨氧化菌为例，已有学者通过控制人工湿地进水组成、进水方式等，实现了湿地系统内部自发的厌氧氨氧化自养脱氮途径，该途径无需投加额外碳源，尤其适用于低碳氮比污水的处理。因此，模拟人工湿地底层厌氧环境可为认识和挖掘湿地厌氧微生物资源，利用并强化厌氧微生物的净化功能提供一个基础研究平台。

在对湿地厌氧环境的研究中，仅有针对湿地植物根际厌氧区域通过投加有机物消耗底泥中的氧气从而形成低氧或厌氧环境的研究。但是这些方法所用到的装置类似植物培养装置，并不能模拟控制湿地底层深部的厌氧环境，而且外加碳源会改变原有湿地系统中基质微生物生存的微环境，从而改变微生物群落结构，无法原位模拟底层厌氧微生物的形成和发育情况。而在湿地底层基质取样分析的研究中，大多是采用预埋套管或钻孔，取样过程会破坏湿地系统的原有结构和样品微环境，且随着基质深度的增加，操作难度加大。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种制作简单且能够原位模拟复合垂直流人工湿地底层厌氧环境的装置及方法。

本发明的实施例提供一种模拟复合垂直流人工湿地底层厌氧环境的装置，包括分段隔离的上层单元和底层单元，所述上层单元包括下行流上层单元和上行流上层单元，所述底层单元包括下行流底层单元和上行流底层单元，所述下行流上层单元通过垂直的第一管道与下行流底层单元连通，所述第一管道的竖直部分连接下行流上层单元的底部，所述第一管道的水平部分连接下行流上层单元的上部，所述下行流底层单元通过第二管道与上行流底层单元水平连通，所述上行流底层单元通过垂直的第三管道与上行流上层单元连通，所述第三管道的水平部分连接上行流底层单元的上部，所述第三管道的竖直部分连接上行流上层单元的底部，所述下行流上层单元的上端设有进水口，所述进水口连接进水管，所述上行流上层单元的上端设有出水口，所述出水口连接出水管，所述进水口的位置高于出水口的位置，在所述上层单元中填充上层湿地基质，在所述底层单元中填充底层湿地基质，所述上层湿地基质中种植湿地植物。

进一步地，所述下行流上层单元和上行流上层单元的底端的同一水平位置分别设有第一隔板和第二隔板，所述第一隔板和第二隔板上均布有若干筛孔，所述上层湿地基质填充在第一隔板和第二隔板的上方，所述第一隔板和第二隔板的上方填充的上层湿地基质的高度不同，所述下行流底层单元和上行流底层单元的底端的同一水平位置分别设有第三隔板和第四隔板，所述第三隔板和第四隔板上均布有若干筛孔，所述底层湿地基质填充在第三隔板和第四隔板的上方，所述第三隔板和第四隔板的上方填充的底层湿地基质的高度相同。

进一步地，在所述下行流上层单元、上行流上层单元、下行流底层单元、上行流底层单元的基质填充位置等距离地设置取样口，方便取样观察，所述位于下行流上层单元的上取样口可连接进水管以实现低位进水。

进一步地，所述下行流底层单元的底端设有第一排污阀，所述上行流底层单元的底端设有第二排污阀，通过所述第一排污阀和第二排污阀可以排出死水，在所述下行流上层单元上设置第一水位观测管，在所述上行流上层单元上设置第二水位观测管，所述第一水位观测管和第二水位观测管可以在实验操作过程中用以观察水位。

进一步地，所述进水管上设有进水管阀，通过调节所述进水管阀可以控制流体的输入，所述出水管上设有出水管阀，通过调节所述出水管阀可以控制流体的输出，所述进水管连接蠕动泵，所述蠕动泵控制流体输入的流量，所述蠕动泵上安装有定时开关，所述定时开关控制进水管阀的打开和关闭，所述第一管道、第二管道和第三管道上均设有连接阀，通过调节所述连接阀可以控制其内流体的输送与否，所述出水管可连接水箱。

进一步地，所述下行流上层单元和上行流上层单元的顶部均为敞口，所述下行流上层单元和上行流上层单元的上部形成好氧段，所述下行流底层单元和上行流底层单元的顶部均采用密封盖密封，以隔绝空气，所述下行流底层单元和上行流底层单元形成厌氧段。

进一步地，所述密封盖上设置采样孔，通过采样孔可采集底层湿地基质的样本和气体样本，并可通过采样孔插入电极探头以便原位测定底层湿地基质的基本理化指标，所述基本理化指标包括pH、氧化还原电位、O₂、H₂、H₂S、NO、N₂O、温度、NO₂^-、NO₃^-。

进一步地，所述下行流底层单元和上行流底层单元的数量为一个或多个，通过设置并联的多个下行流底层单元和上行流底层单元可作为平行或交替运行以满足实验或处理需求。

进一步地，所述上层湿地基质包括石英砂，所述底层湿地基质包括常规水处理滤料、受污染的原位底泥或土壤及其混合物。

一种使用该装置来模拟复合垂直流人工湿地底层厌氧环境的方法，所述方法包括以下步骤：打开所述连接阀和出水管阀，并通过所述定时开关打开进水管阀，污水由蠕动泵提升至进水管进入下行流上层单元，污水流过下行流上层单元的湿地植物、上层湿地基质和第一隔板上的筛孔后流到下行流上层单元底部，并得到第一次净化；经过第一次净化的污水通过第一管道流入下行流底层单元，经过第一次净化的污水流过下行流底层单元的底层湿地基质和第三隔板上的筛孔后流到下行流底层单元底部，并得到第二次净化；经过第二次净化的污水继续流动经第二管道流入上行流底层单元的底部，污水在压力差作用下在上行流底层单元中向上流动，经过第二次净化的污水流过第四隔板上的筛孔、上行流底层单元的底层湿地基质后流到上行流底层单元的上层，并得到第三次净化；经过第三次净化的污水流经第三管道，并在压力差作用下向上流入上行流上层单元的底部，而后在上行流上层单元中继续向上流动，经过第三次净化的污水流过第二隔板上的筛孔、上行流上层单元的上层湿地基质、湿地植物后流到上行流上层单元的上层，并得到第四次净化；经过第四次净化的污水通过出水管流出到水箱中。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明通过将上层单元和底层单元分段隔离，以及将下行流底层单元和上行流底层单元分段隔离，构成了分段化的复合垂直流人工湿地“U型”结构，不仅制作简单，而且能够定量、原位模拟固定深度的湿地底层厌氧环境；本发明通过将下行流上层单元和下行流底层单元分段隔离，及将上层流底层单元和上行流上层单元分段隔离，可独立分析底层厌氧环境，有效避免好氧段和厌氧段的相互影响；本发明通过在厌氧段设置取样口，可直接对底层湿地基质采样或观测，有效避免对底层厌氧环境的破坏，操作简单灵活，具有很好的推广和应用潜力。

附图说明

图1是本发明一种模拟复合垂直流人工湿地底层厌氧环境的装置示意图。

图2是本发明装置多个下行流底层单元和上行流底层单元相互并联的示意图。

图3是本发明一种模拟复合垂直流人工湿地底层厌氧环境的方法流程图。

图中符号说明：1-上层单元；11-下行流上层单元；111-进水口；12-上行流上层单元；121-出水口；13-上层湿地基质；14-第一隔板；15-第二隔板；16-取样口；17-第一水位观测管；18-第二水位观测管；2-底层单元；21-下行流底层单元；22-上行流底层单元；23-底层湿地基质；24-第三隔板；25-第四隔板；26-密封盖；261-采样孔；27-第一排污阀；28-第二排污阀；3-第一管道；31-连接阀；4-第二管道；5-第三管道；6-进水管；61-进水管阀；7-蠕动泵；71-定时开关；8-出水管；81-出水管阀；9-水箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种模拟复合垂直流人工湿地底层厌氧环境的装置，包括分段隔离的上层单元1和底层单元2，上层单元1包括下行流上层单元11和上行流上层单元12，底层单元2包括下行流底层单元21和上行流底层单元22，下行流上层单元11通过垂直的第一管道3与下行流底层单元21连通,第一管道3的竖直部分连接下行流上层单元11的底部，第一管道3的水平部分连接下行流底层单元21的上部，下行流底层单元21通过第二管道4与上行流底层单元22水平连通，上行流底层单元22通过垂直的第三管道5与上行流上层单元12连通，第三管道5的水平部分连接上行流底层单元22的上部，第三管道5的竖直部分连接上行流上层单元12的底部，第一管道3、第二管道4和第三管道5上均设有连接阀31，通过调节连接阀31可以控制其内流体的输送与否，下行流上层单元11的上端设有进水口111，进水口111连接进水管6，进水管6上设有进水管阀61，通过调节进水管阀61可以控制流体的输入，进水管6连接蠕动泵7，蠕动泵7控制流体输入的流量，蠕动泵7上安装有定时开关71，定时开关71控制进水管阀61的打开和关闭，上行流上层单元12的上端设有出水口121，出水口121连接出水管8，出水管8上设有出水管阀81，通过调节出水管阀81可以控制流体的输出，出水管8可连接水箱9，进水口111的位置高于出水口121的位置，在下行流上层单元11和上行流上层单元12中填充上层湿地基质13，上层湿地基质13包括石英砂，在下行流底层单元21和上行流底层单元22中填充底层湿地基质23，底层湿地基质23包括常规水处理滤料、受污染的原位底泥或土壤及其混合物，上层湿地基质13中可种植湿地植物。

下行流上层单元11和上行流上层单元12的底端的同一水平位置分别设有第一隔板14和第二隔板15，第一隔板14和第二隔板15上均布有若干筛孔，上层湿地基质13填充在第一隔板14和第二隔板15的上方，第一隔板14和第二隔板15的上方填充的上层湿地基质13的高度不同，一实施例中，第一隔板14的上方填充的上层湿地基质13的高度比第二隔板15的上方填充的上层湿地基质13的高度高5厘米；下行流底层单元21和上行流底层单元22的底端的同一水平位置分别设有第三隔板24和第四隔板25，第三隔板24和第四隔板25上均布有若干筛孔，底层湿地基质23填充在第三隔板24和第四隔板25的上方，第三隔板24和第四隔板25的上方填充的底层湿地基质23的高度相同。

下行流上层单元11和上行流上层单元12的顶部均为敞口，下行流上层单元11和上行流上层单元12的上部形成好氧段；下行流底层单元21和上行流底层单元22的顶部均采用密封盖26密封，以隔绝空气，在密封盖26上设置若干采样孔261，采样孔261可用以采集底层湿地基质23的样本和气体样本，并可通过采样孔261插入电极探头以便原位测定底层湿地基质23的基本理化指标，基本理化指标包括pH、氧化还原电位、O₂、H₂、H₂S、NO、N₂O、温度、NO₂^-、NO₃^-，下行流底层单元21和上行流底层单元22形成厌氧段；在下行流底层单元21的底端设有第一排污阀27，上行流底层单元22的底端设有第二排污阀28，通过第一排污阀27和第二排污阀28可以排出死水。

在下行流上层单元11、上行流上层单元12、下行流底层单元21、上行流底层单元22的基质填充位置等距离地设置取样口16，方便取样观察，位于下行流上层单元11的上取样口16可连接进水管6以实现低位进水。

在下行流上层单元11上设置第一水位观测管17，在上行流上层单元12上设置第二水位观测管18，第一水位观测管17和第二水位观测管18可以在实验操作过程中用以观察水位。

参考图3，一种使用该装置来模拟复合垂直流人工湿地底层厌氧环境的方法，包括以下步骤：

步骤S201，打开连接阀31和出水管阀81，并通过定时开关71打开进水管阀61。

步骤S202，污水由蠕动泵7提升至进水管6进入下行流上层单元11，污水流过下行流上层单元11的湿地植物、上层湿地基质13和第一隔板14上的筛孔后流到下行流上层单元11底部，并得到第一次净化。

步骤S203，经过第一次净化的污水通过第一管道3流入下行流底层单元21，经过第一次净化的污水流过下行流底层单元21的底层湿地基质23和第三隔板24上的筛孔后流到下行流底层单元21底部，并得到第二次净化。

步骤S204，经过第二次净化的污水继续流动经第二管道4流入上行流底层单元22的底部，污水在压力差作用下在上行流底层单元22中向上流动，经过第二次净化的污水流过第四隔板25上的筛孔、上行流底层单元22的底层湿地基质23后流到上行流底层单元22的上层，并得到第三次净化。

步骤S205，经过第三次净化的污水流经第三管道5，并在压力差作用下向上流入上行流上层单元12的底部，而后在上行流上层单元12中继续向上流动，经过第三次净化的污水流过第二隔板15上的筛孔、上行流上层单元12的上层湿地基质13、湿地植物后流到上行流上层单元12的上层，并得到第四次净化。

步骤S206，经过第四次净化的污水通过出水管8流出到水箱9中。

一实施例中，选用两套装置进行对比实验，两套装置中的下行流上层单元11、上行流上层单元12、下行流底层单元21和上行流底层单元22采用圆柱体结构，下行流上层单元11和上行流上层单元12的柱体高度为六十五厘米，下行流底层单元21和上行流底层单元22的柱体高度为三十五厘米，下行流上层单元11、上行流上层单元12、下行流底层单元21和上行流底层单元22的柱体直径为十六厘米，进水口111的位置比出水口121的位置高五厘米，分别在距下行流上层单元11、上行流上层单元12、下行流底层单元21和上行流底层单元22的底部五厘米处设置第一隔板14、第二隔板15、第三隔板24和第四隔板25，第一隔板14、第二隔板15、第三隔板24和第四隔板25上布有若干直径为两毫米的筛孔，上层湿地基质13为粒径二至四毫米的石英砂，将第一套装置的第一隔板14的上方填充的上层湿地基质13的层高设为三十厘米，将第二套装置的第一隔板14的上方填充的上层湿地基质13的层高设为五十厘米，并在下行流上层单元11、上行流上层单元12、下行流底层单元21和上行流底层单元22的基质填充位置每隔十厘米设置一个取样口16，水力停留时间为一天，采用间歇进水的方式，即进水三小时后停留三小时，第一套装置的进水流量为十二升/天，第二套装置的进水流量为十八升/天，将碳氮比为二的模拟人工污水通过蠕动泵7提升到进水管6，进水中化学需氧量、总氮和总磷分别设为100毫克/升、50毫克/升和3.9毫克/升；装置正式运行期，每三天采集一次水样，通过分析监测两套装置各个单元出水的基本理化指标和水质指标，并对运行多个批次的监测结果取平均值，得到结果如下：两套装置的底层单元2的氧化还原电位值均小于0毫伏,且第二套装置底层单元2的氧化还原电位值较第一套装置低100毫伏；当总氮固定、进水中NH₄⁺/NO₃^-的比值为六时，第二套装置的总氮平均去除率为44.5％，第一套装置的总氮平均去除率为39.5％，第二套装置的氨氮平均去除率为38.2％，第一套装置的氨氮平均去除率为30.2％；当总氮固定、进水中NH₄⁺/NO₃^-的比值为一时，第二套装置的总氮平均去除率为60.4％，第一套装置的总氮平均去除率为50.0％，第二套装置的氨氮平均去除率为68.4％，第一套装置的氨氮平均去除率为45.5％，这些结果说明通过对上层湿地基质13加高二十厘米可增强该模拟系统中氨氮及硝态氮的转化过程。

本发明通过将上层单元1和底层单元2分段隔离，以及将下行流底层单元21和上行流底层单元22分段隔离，构成了分段化的复合垂直流人工湿地“U型”结构，不仅制作简单，而且能够定量、原位模拟固定深度的湿地底层厌氧环境；本发明通过将下行流上层单元11和下行流底层单元21分段隔离，及将上层流底层单元22和上行流上层单元12分段隔离，可独立分析底层厌氧环境，有效避免好氧段和厌氧段的相互影响；本发明通过在厌氧段设置取样口16，可直接对底层湿地基质23采样或观测，有效避免对底层厌氧环境的破坏，操作简单灵活，具有很好的推广和应用潜力。

参考图2，下行流底层单元21和上行流底层单元22的数量为一个或多个，通过设置并联的多个下行流底层单元21和上行流底层单元22可作为平行或交替运行以满足实验或处理需求。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。