本发明涉及污水处理领域。更具体地说，本发明涉及一种处理硝态氮污水的反硝化脱氮床系统，该系统适用于处理农村生活污水、农田排水和养殖废水等分散式污水。
背景技术：
随着中国湖泊、河流和水库等水体富营养化程度的加剧，如何高效去除污染水体中的氮成为亟待解决的问题。国务院2015年印发的《水污染防治行动计划》明确规定汇入富营养化湖库的河流应实施总氮排放控制。目前污水中的氮主要通过反硝化、厌氧氨氧化、氨挥发、生物吸收和底泥沉积等途径来固定或者去除，其中反硝化被证明是氮去除的最重要途径。反硝化作用是指在缺氧或厌氧环境下，反硝化微生物将硝态氮经亚硝态氮、一氧化氮逐步还原成氧化亚氮和氮气并释放到大气中的过程。调控反硝化过程的环境因子有很多，包括有机碳含量、温度、溶解氧、ph和盐度等等。反硝化微生物以有机碳为主要电子供体,因此碳源的总量和质量是影响反硝化作用的关键因素之一。目前许多地方的工业、农业和生活污水都存在有机碳含量和碳氮比较低的问题，导致反硝化过程的碳源不足，难以实现污水中硝态氮的高效去除。
通过给污水处理系统投加人工碳源可有效提高污水的碳氮比，并促进污水处理系统的反硝化脱氮效率。人工碳源大体可分为以下两类：一是以葡萄糖、甲醇、乙酸等易生物降解的传统碳源；二是以一些固体有机物为主，包括富含纤维素的天然有机物(如植物秸秆)以及可生物降解多聚物(如phb)在内的新型碳源。传统碳源的利用率虽然比较高，但价格昂贵，会增加污水处理成本，无法大规模使用。新型碳源虽然价格低廉，来源充足，但需要较长的水力停留时间，而且碳源释放得不到有效控制。因此，选用合适的碳源是提高污水处理系统反硝化脱氮效率的关键所在。
中国集中式污水已基本得到了有效控制，但农村生活污水、农田排水和养殖废水等分散式污水尚未得到有效处置，引起的生态环境问题也日益严重。相比较活性污泥和生物膜法，生态处理技术具有低投资、低能耗、管理维护容易和二次污染少等优点，更适合于农村分散式污水的处理。现有的针对分散式污水的生态处理技术包括人工湿地、氧化塘、生物滤池、土地渗滤等，但这些技术都或多或少存在碳源不足、反硝化速率不高、冷季运行效果差等问题，严重影响了反硝化微生物的脱氮效果。
技术实现要素：
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种处理硝态氮污水的反硝化脱氮床系统，其结构简单，使用方便，可大幅度提高污水中硝态氮的去除效率，解决了反硝化过程中碳源不足的问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种处理硝态氮污水的反硝化脱氮床系统，包括：外墙体，其为砖混结构且为上表面开口的中空方体；脱氮床床体，其由外墙体包围并位于中空方体中，脱氮床床体从上到下依次分布为草皮层、土壤层、碳源层和砾石层；控水系统，包括进水管、出水管、排空管以及多根排气管，所述进水管水平穿过外墙体一侧再垂直从草皮层、土壤层延伸至碳源层，所述出水管水平穿过外墙体的另一侧再垂直穿过碳源层、砾石层，所述排空管位于砾石层的底部，并水平穿出到外墙体外，多根排气管在碳源层内均匀分布，并垂直穿过土壤层、草皮层且上端凸出于草皮层外。
优选的是，所述草皮层为移植或种植的观赏草本植物，所述土壤层为沙土或壤土，所述碳源层由竹制生物炭颗粒、松木木屑和工业葡萄糖块剂按体积比5：4：1均匀混合而成。
优选的是，所述土壤层厚度为10～15cm，所述碳源层厚度为70～100cm，所述砾石层厚度为30～50cm，所述进水管和排气管的下端均延伸至碳源层中8～12cm。
优选的是，所述竹制生物炭颗粒的粒径为1～3cm，所述砾石层的砾石粒径为0.5～2cm。
优选的是，所述排气管的管径为6cm，长度为40～70cm，并在凸出草皮层外的开口安装阀门，所述排空管在外墙体外的开口也设置有阀门。
优选的是，所述土壤层与碳源层之间还设置有一层地膜，所述地膜为塑料膜。
优选的是，所述土壤层与碳源层之间还设置有保温隔绝层，所述保温隔绝层由两层土工膜构成，两层土工膜的边缘密封且紧贴外墙体的内壁固定，两层土工膜绕过进水管和排气管的部分也密封。
优选的是，两层土工膜之间还铺设有一层稻麦秸秆，所述稻麦秸秆厚度为3～5cm。
通过以上技术措施，解决了分散式污水中碳源不足的难题，提高了反硝化脱氮速率，本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明以优选的碳源进行合理配比后作为外加碳源，解决了反硝化过程中碳源不足和不稳定的问题，大幅度提高污水中硝态氮的去除效率；
2、本发明的系统中在碳源层和土壤层之间设置了保温绝热层，有利于床体保温，即使在低温环境中也能保证反硝化反应的正常进行；
3、本发明的系统最上层覆盖一层草坪，具有一定的景观效果，同时也避免了现有技术蚊蝇滋生和臭气外逸的缺点；
4、本发明的整个床体能够保持缺氧状态，有利于反硝化过程的进行；
5、本发明通过提高污水碳氮比、诱导缺氧环境以及冷季保温等措施促进了污水处理系统的反硝化速率，具有良好的脱氮效果，对污水中硝态氮的平均去除率约为87.67％，对总氮的平均去除率约为74.84％。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的反硝化脱氮床系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并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发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种处理硝态氮污水的反硝化脱氮床系统，其特征在于，包括：外墙体1，其为砖混结构且为上表面开口的中空方体；脱氮床床体，其由外墙体1包围并位于中空方体中，脱氮床床体从上到下依次分布为草皮层21、土壤层22、碳源层24和砾石层25；控水系统，包括进水管31、出水管32、排空管34以及多根排气管33，所述进水管31水平穿过外墙体1一侧再垂直从草皮层21、土壤层22延伸至碳源层24，所述出水管32水平穿过外墙体1的另一侧再垂直穿过碳源层24、砾石层25，所述排空管34位于砾石层25的底部，并水平穿出到外墙体1外，多根排气管33在碳源层24内均匀分布，并垂直穿过土壤层22、草皮层21且上端凸出于草皮层21外。
在上述技术方案中，在砖混结构外墙体1一侧装有进水管31并穿过草皮层21、土壤层22、地膜23延伸至碳源层24中8～12cm，用于给床体高效布水。在砖混结构外墙体1另一侧装有出水管32并通过碳源层24、砾石层25，经过净化处理的污水从出水管32中排入环境中。在砖混结构外墙体1一侧装有排空管34并与砾石层25相连，用于必要情况时将床体内的污水全部排出。若干根排气管33通过草皮层21、土壤层22并与碳源层24相连，用于收集反硝化气体。排气管33上端与草坪平齐，下端延伸至碳源层24中8～12cm。
在另一种技术方案中，所述草皮层21为移植或种植的观赏草本植物，所述土壤层22为沙土或壤土，所述碳源层24由竹制生物炭颗粒、松木木屑和工业葡萄糖块剂按体积比5：4：1均匀混合而成。
在上述技术方案中，草皮层21为移植或种植的狗牙根、结缕草、三叶草等观赏草本植物，具有一定的景观价值。系统最上层覆盖一层草皮，既有一定的景观效果，又能利于冬春季床体的保温。土壤层22为沙土或壤土，厚度10～15cm，满足草本植物根系生长需求。污水中分布有大量的反硝化微生物，但很多污水中碳氮比偏低，导致脱氮效率低下，因此需要人工添加碳源。本发明的碳源层24为竹制生物炭颗粒、松木木屑和工业葡萄糖块剂混合而成，葡萄糖是速效碳源，可迅速提高脱氮效率，而竹制生物炭颗粒、松木木屑是长效缓释碳源，正常可使用8～10年，因此本发明的反硝化脱氮床系统使用寿命较长，同时速效碳源与长效碳源相结合，可保证整个系统的持续高效运行。
在另一种技术方案中，所述土壤层22厚度为10～15cm，所述碳源层24厚度为70～100cm，所述砾石层25厚度为30～50cm，所述进水管31和排气管33的下端均延伸至碳源层24中8～12cm。
在另一种技术方案中，所述竹制生物炭颗粒的粒径为1～3cm，所述砾石层25的砾石粒径为0.5～2cm。
在另一种技术方案中，所述排气管33的管径为6cm，长度为40～70cm，并在凸出草皮层21外的开口安装阀门，所述排空管34在外墙体1外的开口也设置有阀门。所述排气管33的管径为6cm，长度为40～70cm，埋设于基质层所加碳源中，并安装阀门利于反硝化气体的排放与收集。
在另一种技术方案中，所述土壤层22与碳源层24之间还设置有一层地膜23，所述地膜23为塑料膜。所述土壤层22下覆一层厚地膜23，以利于床体保温，同时还能保证缺氧环境。所述地膜23为农民构筑普通温棚采用的塑料膜，价格低廉，利于推广。
在另一种技术方案中，所述土壤层22与碳源层24之间还设置有保温隔绝层23，所述保温隔绝层由两层土工膜构成，两层土工膜的边缘密封且紧贴外墙体的内壁固定，两层土工膜绕过进水管31和排气管33的部分也密封。两层土工膜之间还铺设有一层稻麦秸秆，所述稻麦秸秆厚度为3～5cm，可起到进一步的保温作用，利于冬季的反硝化作用。在春冬季，室外温度较低的情况下，通过测量，发现床体内部温度比周边地表温度高8～12度。同时稻麦秸秆通过长时间的掩埋，发酵，最后也可进行碳源的补充，延长本发明系统的使用寿命。
本发明的系统与垂直流人工湿地系统有一定相似性，但主要区别与优势在于：1.本发明系统的基质以碳源为主，而不是以砾石沙粒为主，功能也更专注于脱氮。2.本发明系统的基质层上还覆盖有保温隔绝层和土壤层，具有冬季保温和促进厌氧的功能，避免了垂直流人工湿地冬季脱氮效率不高的缺点。3.本发明系统的表面覆盖有草皮层，具有一定的景观效果，且避免了垂直流人工湿地水体漫溢、蚊蝇滋生和臭气外逸等缺点。
实施例1
本发明的系统添加的碳源为速效碳源和长效碳源相结合，如果系统中加入的碳源种类不同，其脱氮效率也不同，结果如下表1：
碳源1为本发明的混合碳源，竹制生物炭颗粒、松木木屑和工业葡萄糖块剂按体积比5：4：1均匀混合而成；
碳源2为速效碳源，由工业葡萄糖块剂组成；
碳源3为长效碳源，由玉米秸秆组成；
碳源4为长效碳源，由松木木块组成。
实施例2
如附图1所示为本实施案例构建的一种处理硝态氮污水的反硝化脱氮床系统，该系统应用于昆明市某入滇池河流的治理。该河流由于接纳污水处理厂尾水，导致水体氮含量偏高。
该系统包括砖混结构的外墙体1和由外墙体1包围的反硝化脱氮床床体以及控水系统。系统占地面积6.4m2，水力负荷为0.7m3/(m2·day)，换水周期为3.03day。
反硝化脱氮床床体从上到下依次分布为草皮层21、土壤层22、碳源层24和砾石层25，土壤层22下覆盖一层农用地膜23，利于床体冬季保温。草皮层21为购置的狗牙根草皮，该植物耐旱涝且景观效果好。土壤层22由河沙构成，厚度为12cm。碳源层24厚度为80cm，由竹制生物炭颗粒(粒径为1～3cm)、松木木屑和工业葡萄糖块剂按体积比5：4：1均匀混合而成。砾石层25由粒径为0.5～2cm的公分石及瓜子石组成，厚度为30cm。
控水系统包括进水管31、出水管32、排气管33以及排空管34。进水管31位于床体的一端，穿过草皮层21、土壤层22和保温隔绝层23延伸至碳源层24中约10cm。排气管33上端与草坪平齐，下端延伸至碳源层24中约10cm。
经过细格栅过滤和静置沉淀后的污水从进水管31进入，流经碳源层24，在碳源层24和砾石层25中发生反硝化反应，实现污水中硝态氮的削减，处理后的污水经出水管32排出床体。当系统运行时，排气管33与大气相连的一端加盖密封，当需要收集反硝化产生的气体时可开盖采气。当系统需要排空床体中的污水时，只需打开排空管34的阀门，让污水自行排出。
本实施案例构建的一种处理硝态氮污水的反硝化脱氮床系统具有投入低、能耗小、管理维护容易、低温运行稳定和二次污染少等优点，顶部覆盖的草皮层21能与周边环境融为一体，碳源层24的人工碳源有效使用寿命预期可达到8～10年。
连续15周的监测结果表明，本发明构建的反硝化脱氮床系统能高效地削减污水中的硝态氮。下表2为本实施案例构建的一种处理硝态氮污水的反硝化脱氮床系统的净化效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。