本发明属于环境生态工程与生物质工程的交叉领域，尤其涉及一种碳源自补给产沼气型高效脱氮水平潜流人工湿地。
背景技术
人工湿地是模拟自然湿地建造的人工生态系统，自20世纪80年代起被广泛应用于多种污染水体的净化研究。在水平潜流人工湿地中，污水由前端布水区进入，沿水平方向流经湿地基质后在湿地末端集水区收集并排出，基于污水在湿地床填料中流动，相较表面流湿地可承受较大的水力负荷和污染物负荷。但是由于水平潜流人工湿地结构、管理等方面的原因，在应用于低c/n污水脱氮时，往往导致湿地床水平方向的中后段缺乏有机碳源，因而反硝化脱氮效率受到严重限制。
湿地植物可通过根系供氧使人工湿地自上而下出现好氧、缺氧和厌氧环境，有利于不同脱氮微生物群落的生长，是人工湿地脱氮的重要影响因素，但人工湿地植物的有效管理是目前亟待解决的一大难题，进入枯萎期的湿地植物若不及时收割处置，腐烂后会对水体造成二次污染。传统的焚烧后还田处置方式既污染环境，也造成资源的严重浪费，而寻求一种原位资源化处理方式，不仅可节省人力物力还可以变废为宝、实现物尽其用。
湿地植物多为草本植物，其纤维素和半纤维素含量较高，木质素含量相对较低，是用于厌氧产沼气发酵的良好材料。此外，经过预处理的草本植物在纤维素酶和糖化酶的协同作用下使纤维素水解为寡糖或单糖，可以回补到人工湿地中作为反硝化脱氮的有机碳源，从而保证了水平潜流人工湿地处理低c/n比污水时也能有高效的脱氮能力。人工湿地所处理的污水中含有大量的氮、磷等植物生长所需的大量元素，湿地植物生长速度快，且容易积累较大的生物量，这为利用湿地植物进行厌氧产沼气发酵和碳源自补给提供了充足原料。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种碳源自补给产沼气型高效脱氮水平潜流人工湿地，在强化人工湿地的反硝化脱氮效率的同时，对收割后的湿地植物进行原位资源化处置。
为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种碳源自补给产沼气型高效脱氮水平潜流人工湿地，包括床体，床体内填充有填料，填料内种植有湿地植物，其特征在于，所述床体的两侧分别设有进水管、出水管，进水管与设于填料上部的pvc布水管一连通，出水管与设于填料底部的pvc布水管二连通，进水管通过混流泵连通水箱；靠近进水管处的填料的下部设有至少一个耙齿型导流管，每个耙齿型导流管与床体外侧的一个复合生物发酵系统连通，每个复合生物发酵系统包括一个复合生物发酵罐，复合生物发酵罐的顶部通过输气管与沼气贮存罐连通，复合生物发酵罐内为双层结构，上层的底部通过沼液流出管与沼液贮存罐连接，上层的上部通过高压玻璃管与下层的上部连通，下层的底部设有碳源收集管，碳源收集管通过碳源流出管与耙齿型导流管连通。
优选地，所述输气管上设有泄压阀、压力表；沼液流出管上设有蝶阀一；碳源流出管上设有断流止回阀。
优选地，所述复合生物发酵罐的上下两层均设有液位计。
优选地，所述碳源收集管的上方设有多孔挡板，该多孔挡板上孔的直径为2-3mm，孔洞率不小于50％。
优选地，所述复合生物发酵罐的罐底包裹有聚氨酯保温层。
优选地，所述出水管上设有蝶阀二及水压表一；进水管上设有水压表二、蝶阀三。
优选地，所述床体内的填料由上层填料、中层填料及下层填料组成，下层填料采用3-5mm的石英砂，填充高度为0.4-0.5m，中层填料采用5-8mm的火山岩颗粒，填充高度为0.5-0.6m，上层填料采用6-8mm的柱状活性炭，填充高度为0.1-0.15m。
优选地，所述床体的长、宽、高的长度比为4∶2∶1。
优选地，所述pvc布水管一、pvc布水管二的孔洞率不小于50％；耙齿形导流管的孔洞率不小于30％。
优选地，所述湿地植物为芦苇、香根草或风车草，种植密度为10-20株/m2。在湿地植物进入枯萎期时，将植物收割并粉碎，一部分用于产沼气发酵，另一部分用于植物纤维素和半纤维素的水解及糖化产生液相有机碳源。
水平潜流人工湿地由湿地床体和优选两套复合生物发酵系统组成。两套复合生物发酵系统分置于湿地滤床两侧且交替运行，即保证一套发酵系统处于启动阶段时，另一套发酵系统处于稳定运行阶段，以此持续地为人工湿地供给充足的液相碳源，避免单一发酵系统连续工作时，系统启动阶段的液相碳源供给不足。同时也保证了当一套发酵系统需要维护时，另一套可以为人工湿地提供液相碳源。复合生物发酵罐上层厌氧沼气发酵产成的热量可直接为下层纤维素水解及糖化过程加温，维持一定的反应温度。复合发酵罐上层产生沼气使发酵罐内压升高，可以推动下层水解和糖化过程所产生的液相有机碳源流向人工湿地厌氧反硝化区，强化人工湿地的脱氮能力。复合发酵罐上层产生的多余沼气可收集与沼气贮存罐用作燃料。复合发酵罐上层厌氧发酵所产沼液，可收集于沼液贮存罐，用于肥田。
本发明既可以高效处理低c/n比污水、又可以实现湿地植物收割后的原位资源化处置。
附图说明
图1为本发明提供的碳源自补给产沼气型高效脱氮水平潜流人工湿地的主视图；
图2为本发明提供的碳源自补给产沼气型高效脱氮水平潜流人工湿地的俯视图；
图3为本发明提供的碳源自补给产沼气型高效脱氮水平潜流人工湿地的右视图；
图4为复合生物发酵罐的示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图1-4所示，为本发明提供的碳源自补给产沼气型高效脱氮水平潜流人工湿地的示意图，其包括床体30和两套复合生物发酵系统组成。床体30两端设置入流布水区和出流布水区，分别与湿地滤床两侧的供水系统和排水管路相连，耙齿型导流管15预埋在湿地滤床下层填料18的上部，通过管路与外置复合生物发酵罐31相连。复合发酵罐31分上下两室，上层用于湿地植物收割后的厌氧产沼气发酵，下层用于湿地植物的纤维素和半纤维素的水解及糖化产生液相有机碳源，上下层通过高压玻璃管12保持压力相通，上层产生沼气后形成内压将下层的碳源压入人工湿地，通过耙齿形导流管15在人工湿地下层填料18中均匀扩散，以补充人工湿地反硝化所需的有机碳源。
床体30的长宽高的比例为4∶2∶1。床体30内填料分上、中、下三层，下层填料18采用3-5mm石英砂，填充高度0.5m，中层填料20采用5-8mm火山岩颗粒，填充高度0.6m，上层填料9采用直径6-8mm的柱状活性炭，填充高度0.15m。
床体30采用上端进水，下端出水模式，设置入流布水区和出流布水区，均由内径8-10cm的pvc布水管一10、pvc布水管二17构成，孔洞率为60％，分别连接湿地两端进水管11与出水管16，入流布水区的布水管预埋于湿地滤床上层填料9以下10cm处，出流布水区的pvc布水管二17预埋于湿地滤床底部以上5cm处。
水箱26中的污水由混流泵提供输水动力进入人工湿地的入流布水区，水箱26与混流泵27间设有水压表二28与蝶阀三29，排水管16同样设有水压表一24与蝶阀二25。
耙齿形导流管15为pvc材质，内径2.5cm，表面多方向打孔且孔洞滤率为30％。两组耙齿形导流管交叉镶嵌，预埋在湿地滤床前端15cm处，且位于下层填料的上部，通过管路与外置复合生物发酵罐相连。
床体30上部种植净水能力强且易于收割的芦苇8种植密度10株/m2。
所述复合生物发酵罐31为不锈钢材质且罐体外覆盖10cm聚氨酯保温层22，罐高1.2m，内径0.5m，分上、下两层，通过高压玻璃管12连通保证气压一致，均装有液位计13用于观察管内液面高度。发酵罐上层用于芦苇收割后的产沼气发酵，顶部装有泄压阀7和压力表6，泄压阀7通过输气管2与沼气贮存罐1连接，下部设有沼液流出管5与沼液贮存罐3连接，沼液流出管5上设有蝶阀一4。发酵罐下层用于芦苇的纤维素水解及糖化产生液相有机碳源，下部设有孔径2mm多孔挡板，孔洞滤为50％，用于植物原料的承托，产生的液相碳源通过碳源收集管21收集后流向碳源流出管19。碳源流出管19与人工湿地滤床中的耙齿形导流管15通过外部管路相连，且二者之间设有断流止回阀14。
复合生物发酵罐31第一次启动时，将预先收割的湿地植物粉碎，一部分用于产沼气发酵，另一部分用于植物纤维素和半纤维素的水解及糖化产生液相有机碳源，湿地正式运行后，在芦苇进入枯萎期时进行收割后贮存，用于之后复合生物发酵罐的运行。
两套复合生物发酵系统分置于床体30两侧，每套系统由复合生物发酵罐31、沼气贮存罐1、沼液贮存罐3组成，两发酵系统交替运行，即保证一套发酵系统处于启动阶段时，另一套发酵系统处于稳定运行阶段，以此持续地为人工湿地供给充足的液相碳源，避免单一发酵系统连续工作时，系统启动阶段的液相碳源供给不足。同时也保证了当一套发酵系统需要维护时，另一套可以为人工湿地提供液相碳源。
复合生物发酵罐31上层厌氧沼气发酵产热可直接为下层纤维素水解及糖化过程加温，维持一定的反应温度。
复合生物发酵罐31上层产生沼气使发酵罐内压升高，可以推动下层水解及糖化过程所产生的液相有机碳源流向人工湿地厌氧反硝化区，强化人工湿地的脱氮能力。
复合生物发酵罐31上层产生的多余沼气收集于沼气贮存罐1用作燃料。
复合生物发酵罐31上层厌氧发酵所产沼液，收集于沼液贮存罐3，用于肥田。