一种潜流人工湿地及其应用的制作方法

本发明涉及水体治理技术领域，具体涉及一种潜流人工湿地及其应用。

背景技术：

近年来，人工湿地广泛应用于水体水质的净化与恢复、面源污染的控制、初期降雨的处理以及城市污水处理厂尾水的深度处理。但是，将人工湿地应用于低碳高氮类污染水的处理会因碳源不足而存在较大的难度，如果添加异养碳源，不仅会提高处理成本，还有可能造成二次污染。同时，人工湿地中常种植有水生植物，如芦苇、黄菖蒲、香蒲、美人蕉等，若疏于管理使得这些植物在湿地内部凋落腐解，会造成出水水质的恶化，若在枯萎期对植物进行收割，收割下来的植物残体也是一种固体废弃物需要另行处理。此外，有研究表明，人工湿地是重要的温室气体尤其是甲烷(ch4)和氧化亚氮(n2o)的排放源，其温室气体排放量大约是自然湿地的2～10倍。因此，如何提高低碳高氮类污染水的脱氮效率、解决碳源不足、合理处置收割的植物残体以及控制湿地温室气体排放仍面临着巨大的技术障碍。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种潜流人工湿地及其应用，采用本发明提供的潜流人工湿地能够提高低碳氮比水体脱氮效果，并降低温室气体的排放，结构简单，适宜大规模推广应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种潜流人工湿地，包括依次设置的配水区、净化区和集水区，所述配水区中设置有脱氮基质，所述脱氮基质包括植物残体和铁刨花。

优选地，所述植物残体的平均尺寸为(4～25)mm×(4～25)mm，所述铁刨花的宽度为10～40mm，长度为100～150mm。

优选地，所述植物残体和铁刨花的质量比为(0.8～1.5)：(1.0～2.5)。

优选地，还包括进水管和出水管，所述进水管与所述配水区的进水口相连通，所述出水管与所述集水区的出水口相连通。

优选地，还包括第一穿孔花墙和第二穿孔花墙，所述第一穿孔花墙设置于所述配水区和净化区之间，所述第二穿孔花墙设置于所述净化区和集水区之间。

优选地，所述净化区中分布有砾石。

优选地，所述砾石的粒径为4～6cm。

优选地，所述净化区还包括水生植物，所述水生植物种植于所述砾石的上方。

优选地，所述水生植物的枯萎茎叶以及收割的水生植物茎叶经处理后作为植物残体置于配水区中。

本发明还提供了上述技术方案所述的潜流人工湿地在处理低碳氮比水体中的应用。

本发明提供了一种潜流人工湿地，包括依次设置的配水区、净化区和集水区，所述配水区中设置有脱氮基质，所述脱氮基质包括植物残体和铁刨花。在本发明中，铁刨花的主要成分为单质铁，可以在水环境中作为电子供体促进生物反硝化过程的发生；另外，植物残体腐解过程中会释放出有机碳，其中约30％为腐植酸成分，腐植酸能够充当单质铁电子穿梭体的作用，有效提高单质铁传递电子强化反硝化的能力。本发明将植物残体和铁刨花的混合体作为脱氮基质，能够有效减少反硝化过程中亚硝态氮的积累，从而减少了氧化亚氮的排放；此外，植物残体作为生物质碳源，其中有机碳主要来源于大气中的二氧化碳，在降解过程中不会额外造成大气中二氧化碳浓度的增加，能够降低反硝化过程中温室气体的排放；另外本发明提供的潜流人工湿地结构简单，适宜大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明潜流人工湿地的剖面示意图；

图2为本发明潜流人工湿地的俯视图；

其中，1-进水管，2-配水区，3-净化区，4-集水区，5-出水管，6-砾石，7-水生植物，8-网袋，9-植物残体，10-钢筋，11-尼龙绳，12-第一穿孔花墙；13-第二穿孔花墙。

具体实施方式

本发明提供了一种潜流人工湿地，包括依次设置的配水区、净化区和集水区，所述配水区中设置有脱氮基质，所述脱氮基质包括植物残体和铁刨花。

本发明提供的潜流人工湿地包括配水区。在本发明中，所述配水区的平面尺寸优选为(8～12)m×(0.8～1.2)m，更优选为9m×1m。在本发明中，所述配水区中设置有脱氮基质，所述脱氮基质包括植物残体和铁刨花。在本发明中，所述植物残体优选包括菖蒲残体、香蒲残体、芦苇残体或美人蕉残体；所述植物残体的平均尺寸优选为(4～25)mm×(4～25)mm，更优选为(6～15)mm×(6～15)mm，最优选为6mm×6mm。在本发明中，所述铁刨花优选来源于钢铁加工过程中产生的边角料；所述铁刨花的宽度优选为10～40mm，更优选为15mm，长度优选为100～150mm，更优选为100mm。

在本发明中，所述植物残体和铁刨花的质量比优选为(0.8～1.5)：(1.0～2.5)，更优选为1：(1.5～2)。

本发明优选将所述脱氮基质置于网袋中，悬挂于配水区水体中。在本发明中，所述网袋的材质优选为尼龙；所述网袋的网眼孔径优选为3～5mm，更优选为4mm；所述网袋优选置于水面下10～15cm处。在本发明中，所述网袋的个数优选为3～6个，更优选为4个；相邻所述网袋之间的横向间距优选为150～400mm，更优选为200mm；纵向间距优选为400～1000mm，更优选为500mm。

在本发明中，所述脱氮基质的质量与进水量的比例关系优选为(1～1.3)kg:1m³/d，所述脱氮基质的更换周期优选为4～5天。

作为本发明的一个实施例，所述潜流人工湿地还包括进水管，所述进水管与所述配水区的进水口相连通，用于向配水区中输送待处理原水。

本发明提供的潜流人工湿地优选包括与所述配水区的出水口连通的净化区。在本发明中，所述净化区的平面尺寸优选为(6～9)m×(0.8～1.2)m，更优选为8m×1m。在本发明中，所述净化区中优选分布有砾石，所述砾石的粒径优选为4～6cm。在本发明中，所述砾石能够为硝化、反硝化菌提供附着载体；同时本发明采用上述粒径范围的砾石能够有效防止潜流湿地的堵塞问题。

在本发明中，所述净化区优选还包括水生植物，所述水生植物优选种植于所述砾石的上方。在本发明中，所述水生植物优选包括菖蒲、香蒲、芦苇或美人蕉。当所述水生植物优选为菖蒲时，所述菖蒲的种植密度优选为(9～25)株/m²，更优选为16株/m²。在本发明中，水生植物一方面可吸收水中的氮用于自身生长，另一方面水生植物的泌氧作用可在根部形成众多好氧-厌氧微区，促进硝化、反硝化菌的生长；同时水生植物的根系分泌物可作为碳源以强化潜流人工湿地的脱氮效果；此外，水生植物的枯萎枝叶以及收割的水生植物茎叶，能够作为植物残体置于配水区中与铁刨花配合作用提高脱氮效率。本发明优选将水生植物的枯萎枝叶以及收割的水生植物茎叶经清洗和烘干处理后作为植物残体置于配水区中。

作为本发明的一个实施例，所述潜流人工湿地还包括第一穿孔花墙，所述第一穿孔花墙设置于所述配水区和净化区之间，能够使水流均匀地由配水区进入净化区。在本发明中，所述第一穿孔花墙的孔径优选为(15～25)mm，更优选为20mm。

本发明提供的潜流人工湿地优选包括与所述净化区的出水口连通的集水区，用于收集处理后的出水。

作为本发明的一个实施例，所述潜流人工湿地还包括第二穿孔花墙，所述第二穿孔花墙设置于所述净化区和集水区之间，能够均匀收集净化区处理的水体。在本发明中，所述第二穿孔花墙的孔径优选为(15～25)mm，更优选为20mm。

作为本发明的一个实施例，所述潜流人工湿地还包括出水管，所述出水管与所述集水区的出水口相连通，将处理后的水输送至收纳水体中。

本发明还提供了上述技术方案所述的潜流人工湿地在处理低碳氮比水体中的应用。本发明优选将所述潜流人工湿地用于污水处理厂的处理体系中，具体优选为：将污水处理厂的二沉池出水输送至所述潜流人工湿地中；所述二沉池出水中硝酸盐氮含量优选为9～11mg/l，总氮含量优选为13～15mg/l；所述潜流人工湿地的处理水量优选为(2～3)m³/d，更优选为2.4m³/d。采用本发明提供的潜流人工湿地在提高低碳氮比水体脱氮效果的同时，还能够降低温室气体氧化亚氮的排放。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

实验地点为上海市闵行区某污水处理厂，构建如图1和图2所示的潜流人工湿地，通过水泵将二沉池出水打入潜流人工湿地，处理水量为2.4m³/d，主要污染物削减指标为硝酸盐和总氮，潜流人工湿地的设计水力停留时间为2天；测定进水中硝酸盐氮含量为9～11mg/l，总氮含量13～15mg/l；

所述潜流人工湿地的平面尺寸为9m×1m，水深为0.6m；其中配水区的平面尺寸为0.5m×1m，水深为0.6m，配水区中均匀悬挂4个盛装有经过烘干处理的菖蒲残体与铁刨花混合体的尼龙网袋，每个尼龙网袋中含有0.2kg的菖蒲残体和0.4kg的铁刨花，每4天全部取出并更换新一批新的菖蒲残体与铁刨花混合体，其中菖蒲残体尺寸大小约为6mm×6mm，铁刨花的长度为100mm，宽度为15mm；净化区的平面尺寸为8m×1m，水深为0.6m，砾石基质的粒径为4～6cm，砾石层高度为0.6m，上部种植128株黄菖蒲；集水区的平面尺寸为0.5m×1m，水深为0.6m。

对比例1

与实施例1基本相同，不同之处仅在于，配水区中没有悬挂包含菖蒲残体与铁刨花混合体的尼龙网袋，作为对照组。具体做法是通过水泵将二沉池出水同时打入实施例1的潜流人工湿地和对比例1的潜流人工湿地。

由实施例1和对比例1的潜流人工湿地运行结果可知，投加菖蒲残体和铁刨花混合体的潜流人工湿地出水总氮为2.85～4.62mg/l，同期对比例1中出水总氮为10.25～11.46mg/l，由此可知，加入菖蒲残体与铁刨花混合体能有效提高潜流湿地脱氮效果。

测量9点至13点这一时间段间的温室气体释放通量，实施例1中n2o的释放通量为0.16～0.39mg/(m²·h)，对比例1中n2o的释放通量为0.36～0.84mg/(m²·h)，两组潜流人工湿地中均没有ch4的释放；实施例1的潜流人工湿地co2通量为-3870.03mg/(m²·h)，与对比例1中-4158.16mg/(m²·h)的co2通量基本相当，均表现为对co2的吸收状态。通过对比实验看出，加入菖蒲残体与铁刨花混合体在提高潜流湿地脱氮效果的同时，能够降低温室气体n2o的排放。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。