一种潮汐流调控的磁铁矿人工湿地

1.本发明涉及人工湿地技术和污水处理技术领域，特别的涉及一种潮汐流调控的磁铁矿人工湿地。


背景技术：

2.人工湿地是在天然湿地净化污水的基础上通过人工建造和管理控制强化其净化能力的污水处理技术，它是由透水性的基质、植物、动物、水体和微生物共同组成的复合系统。传统人工湿地对于氨氮的去除主要是通过基质吸附、表面氧化以及植物吸收等过程去除。由于基质吸附容量、表面溶解氧含量以及植物吸收量有限，这类人工湿地对氨氮的去除能力有限且效果不佳。此外对于磷化合物，传统人工湿地也主要是通过基质吸附、沉淀以及植物吸收等过程去除。但这类人工湿地在长期运行后由于基质吸附容量和植物生物量的限制对磷的去除率逐渐降低。随着湿地的长时间运行，基质上的生物膜等有机物不断累积，最终造成湿地堵塞。
3.目前，人工湿地技术在小城镇污水处理中扮演着重要的角色，这类污水未经主要污水处理构筑物处理，因此表现为较高的有机负荷、氨氮和磷浓度。对于此类污水，人工湿地对有机物和氨氮的去除能力极大地受限于溶解氧扩散速率，对磷的去除仅限于填料吸附、植物吸收和沉淀，而无法实现高效去除有机物和氨氮的同时去除磷，更无法缓解湿地因有机质积累而造成的堵塞。
4.利用虹吸管自动调控湿地水位是解决人工湿地底部缺氧的主要方法之一，如公开号为cn214060071u，名称为“潮汐流人工湿地污水净化系统”、公开号为cn211770576u，名称为“一种集水平潜流及潮汐流于一体的人工湿地系统”，公开号为cn206457320u，名称为“间歇式曝气潮汐流人工湿地处理农村生活污水的系统”等专利分别公开了不同的潮汐流人工湿地技术方案，但是利用潮汐流调控的人工湿地技术仍无法高效去除污水中的磷，潮汐流除磷的机理大致与活性污泥法相同，即好氧吸磷厌氧释磷并通过排泥的方式去除磷，但一般的人工湿地不排泥便无法达到较好的除磷效果，不排泥也无法缓解因有机质的积累而造成的湿地堵塞问题。
5.因此，构建一种兼具高效污染物去除能力和防堵塞能力的新型人工湿地技术对污水处理和资源可持续发展具有重要意义。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够延缓湿地堵塞，有利于改善有机物、氨氮、硝酸盐和磷的去除能力的潮汐流调控的磁铁矿人工湿地。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
8.一种潮汐流调控的磁铁矿人工湿地，其特征在于，包括湿地主体，所述湿地主体内由下向上依次铺设有承托层、反应层和表层；所述表层上种植有湿地植物，所述反应层采用
天然磁铁矿填充而成；所述湿地主体的顶部设置有进水管，且底部设置有出水口，所述出水口上连接有虹吸管，所述虹吸管的另一端连接有水槽；所述虹吸管的最高点低于所述进水管，所述水槽的液位低于所述出水口。
9.污水从湿地主体顶部的进水管流入前，水位较低，磁铁矿与水和空气接触在微环境下发生氧化反应并析出fe2+和fe3+，fe2+进一步氧化成fe3+，部分fe3+与磷酸盐反应生成沉淀沉积在磁铁矿表面。随着污水的流入，水位的升高并淹没天然磁铁矿，使磁铁矿与空气隔绝，形成缺氧环境，磁铁矿表面的处于厌氧状态的fe3+作为电子受体在微生物的作用下氧化氨氮和有机物，自身被还原为fe2+。同时对植物而言沉淀状态的磷酸盐是不可利用的，植物会通过分泌有机酸的方式从磁铁矿表面获取磷，从而又会促进fe3+及部分fe2+的释放，进一步促进了氨氮的氧化和有机物的分解。另外，异化铁还原(即微生物在厌氧条件下利用高价态的金属离子作为电子受体氧化有机物)可以将有机质彻底氧化成二氧化碳，从而排出湿地系统，fe3+还原为fe2+。该系统在厌氧条件下也不会出现硝态氮的积累，有机物存在时微生物会通过异养反硝化去除硝态氮，有机物消耗完之后微生物还可利用fe2+作为电子受体进行自养反硝化。随着污水继续流入，水位逐渐归于虹吸管的最高点，虹吸管内充满污水，进行产生虹吸现象，将湿地主体内的污水逐渐排除，让出水口以上的填料再次暴露在空气中，被还原的fe2+与水和空气接触后，又会被重新氧化成fe3+，进入下一次循环。由此可见，该人工湿地具有良好的去除有机物、氨氮、硝酸盐和磷的能力，同时又不易被堵塞。
10.进一步的，所述表层由砾石填充而成，所述砾石的粒径为0.8～1.2cm。
11.砾石作为表层填料可以过滤掉进水中的大部分悬浮物，防止湿地内部的堵塞。
12.进一步的，所述承托层采用粒径为1.5-3cm的砾石、石英或鹅卵石填充而成。
13.利用粒径较大、结构稳定的砾石、石英或鹅卵石作为承托层填料，以防止沉积物累积，堵塞填料床。
14.进一步的，所述天然磁铁矿的粒径为1-2cm。
15.进一步的，所述虹吸管的最高点高于所述反应层的顶部。
16.这样，在虹吸管产生虹吸现象前，污水能够将反应层的天然磁铁矿完全淹没，从而保证所有的天然磁铁矿与空气隔绝，处于缺氧环境下，以利于fe3+还原为fe2+。
17.进一步的，所述出水口位于所述承托层和反应层的交界处。
18.这样，虹吸管将湿地主体内的污水抽干后，能够让所有的天然磁铁矿都能够与空气接触，将fe2+氧化为fe3+，以利于后续循环水处理。
19.进一步的，所述出水口具有过滤栅格，所述过滤栅格的孔隙小于天然磁铁矿的粒径。
20.这样，就可以避免天然磁铁矿随水流流出。
21.进一步的，水槽上具有溢流口，所述溢流口的高度低于所述出水口。
22.这样，就可以保证水槽的水位始终低于出水口。
23.综上所述，本发明具有如下优点：
24.1、该潮汐流磁铁矿人工湿地利用潮汐变化，使得填料床始终处于好氧与厌氧的循环变化之中，在好氧与厌氧的循环变化之中高效去除有机物和氨氮。
25.2、以磁铁矿作为反应层填料，水位较低时磁铁矿与水和空气接触在微环境下发生
氧化反应并析出fe2+和fe3+，fe2+进一步氧化成fe3+，部分fe3+与磷酸盐反应生成沉淀沉积在磁铁矿表面，随着水位的升高处于厌氧状态的磁铁矿其表面的fe3+作为电子受体在微生物的作用下氧化氨氮和有机物，自身被还原为fe2+。
26.3、该系统在厌氧条件下也不会出现硝态氮的积累，有机物存在时微生物会通过异养反硝化去除硝态氮，有机物消耗完之后微生物还可利用fe2+作为电子受体进行自养反硝化，当水位达到一定高度之后虹吸管变会将湿地内部的水排出，填料再次暴露在空气中，当fe2+与水和空气接触时又会被重新氧化成fe3+。
附图说明
27.图1为本发明实施例的结构示意图。
28.图2～图4分别为采用本实施例的人工湿地处理和传统人工湿地处理后的出水在厌氧条件下的总磷、氨氮和cod浓度对照图。
29.图5为采用本实施例的人工湿地处理和传统人工湿地处理后的孔隙率对照图。
具体实施方式
30.下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
31.具体实施时：如图1和图2所示，一种潮汐流调控的磁铁矿人工湿地，包括湿地主体1，所述湿地主体1内由下向上依次铺设有承托层5、反应层4和表层3；所述表层3上种植有湿地植物2，所述反应层4采用天然磁铁矿填充而成；所述湿地主体1的顶部设置有进水管6，且底部设置有出水口7，所述出水口7上连接有虹吸管8，所述虹吸管8的另一端连接有水槽9；所述虹吸管8的最高点低于所述进水管6，所述水槽9的液位低于所述出水口7。具体的，水槽9上具有溢流口，所述溢流口的高度低于所述出水口7。所述出水口7位于所述承托层5和反应层4的交界处。为了防止天然磁铁矿从出水口随水流出，所述出水口7具有过滤栅格，所述过滤栅格的孔隙小于天然磁铁矿的粒径。
32.本实施例中，采用粒径较大、结构稳定的砾石、石英或鹅卵石作为承托层填料，其粒径参考范围为1.5-3cm，承托层填料高度为10cm(大粒径的承托层填料防止湿地底部堵塞)，天然磁铁矿作为反应层填料，其粒径参考范围为1-2cm，反应层填料高度为50cm(反应层的高度是为了实现良好的有氧与厌氧交替)，砾石作为表层填料，其粒径参考范围为0.8-1.2cm，表层填料高度为10cm(小粒径的表层填料是为了过滤掉大部分的悬浮物质，防止湿地内部堵塞)。
33.湿地植物2为湿地主体1内部种植的风车草等挺水植物(种植风车草是因为风车草为常青植物，四季都能分泌有机酸)，湿地通过进水管连续进水，本实施例中，通过调节进水流量和设计湿地大小使湿地系统水力停留时间为3天，即湿地连续进水水位由水位线二11(最低水位，即出水口7的高度)上升到水位线一10(最高水位，即虹吸管8的最高点高度)所需时间为3天，虹吸管流量远大于进水管流量以保证能在短时间内(1小时左右)将系统水位由水位线一10(最高水位)下降到水位线二11(最低水位)。
34.本实施例中，其中水位线二为初始进水水位，其高度为承托层与反应层交接处，水位线一为出水水位，其高度比水位线二高约55-60cm，其高度是为确保反应层填料能全部处理厌氧状态。湿地系统开始运行时接种的微生物至关重要，应接种包含铁氨氧化菌和异化
金属还原菌等厌氧菌以及硝化细菌等好氧菌的污泥(如消化产甲烷污泥和活性污泥的混合污泥)，一般来说该系统更适用于处理农村小规模生活污水(具体规模应根据使用人口而定)，多户人家的生活污水通过进水管道流入湿地系统，进入湿地系统后主要通过反应层填料的物理、生物、化学作用去除污染物(包括氨氮、cod、磷酸盐、硝态氮等)，当水位上升到水位线一时，虹吸管开始自动将处理干净的水排放出湿地系统，水位重新下降到水位线二，系统持续处理进水。
35.对照实验：
36.分别采用本实施例中磁铁矿人工湿地和采用砾石填充的人工湿地对相同水质的生活污水进行处理，待系统运行至出水稳定后，每3天检测一次水质，连续监测24次。
37.实验数据如图2～图4所示，图中，“砾石”为反应层填料为砾石的对照组出水实验数据，“磁铁矿”为反应层填料为磁铁矿的实验组出水实验数据。图2～图4中的一级a标出水浓度线(虚线)分别为总磷、氨氮和cod的一级a标出水浓度(0.5mg/l、5mg/l和50mg/l)。
38.从图中可以看出，经过本实施例的磁铁矿人工湿地处理后在厌氧条件下的出水中氨氮、总磷及cod浓度均显著低于对照组，且均在72天的长时间处理过程中保持在一级a标出水浓度以下，运行寿命长，污水处理效果显著。
39.如图5所示，为采用本实施例中磁铁矿人工湿地和采用砾石填充的人工湿地对污水进行处理前后的孔隙率变化，图中，90天为人工湿地开始运行至出水稳定的时间跨度，90天～162天之间的72天为人工湿地连续运行的时间跨度。分别在人工湿地运行前、出水稳定和运行后对两组人工湿地的孔隙率进行检测。从图中可以直接看出，在出水稳定前，砾石填充的人工湿地的孔隙率减小速率更快，而且在进行72天的连续运行后，孔隙率持续下降。而采用本实施例的人工湿地，孔隙率下降率保持稳定，且在连续运行72天之后，仍然具有较好的孔隙率，可见，潮汐流使磁铁矿填料中的fe2+和fe3+循环，可明显延长湿地的运行寿命并延缓湿地的堵塞。
40.该潮汐流磁铁矿人工湿地利用潮汐变化，使得填料床始终处于好氧与厌氧的循环变化之中，在好氧与厌氧的循环变化之中高效去除有机物和氨氮。同时以磁铁矿作为反应层填料，水位较低时磁铁矿与水和空气接触在微环境下发生氧化反应并析出fe2+和fe3+，fe2+进一步氧化成fe3+，部分fe3+与磷酸盐反应生成沉淀沉积在磁铁矿表面，随着水位的升高处于厌氧状态的磁铁矿其表面的fe3+作为电子受体在微生物的作用下氧化氨氮和有机物，自身被还原为fe2+，同时对植物而言沉淀状态的磷酸盐是不可利用的，植物会通过分泌有机酸的方式从磁铁矿表面获取磷，有机酸在微环境下又能溶解磁铁矿，从而又会促进fe3+及部分fe2+的释放，进一步促进了氨氮的氧化和有机物的分解，值得一提的是异化铁还原(即微生物在厌氧条件下利用高价态的金属离子作为电子受体氧化有机物)可以将有机质彻底氧化成二氧化碳，从而排出湿地系统，fe3+还原为fe2+，该系统在厌氧条件下也不会出现硝态氮的积累，有机物存在时微生物会通过异养反硝化去除硝态氮，有机物消耗完之后微生物还可利用fe2+作为电子受体进行自养反硝化，当水位达到一定高度之后虹吸管变会将湿地内部的水排出，填料再次暴露在空气中，当fe2+与水和空气接触时又会被重新氧化成fe3+。换言之，湿地水位低时，该系统处于有氧状态，氨氮和有机物在有氧状态下得到一定的去除，同时反应层填料磁铁矿表面的fe2+氧化为fe3+，fe3+又能沉淀污水中的磷酸盐；湿地水位上升后，该系统处于厌氧状态，微生物利用磁铁矿表面的fe3+进行铁氨氧化
和异化金属还原(植物为了获取铁矿表面沉积的磷而分泌的有机酸促进了铁矿表面fe3+的释放)进一步将氨氮和有机质氧化成氮气和二氧化碳，fe3+还原为fe2+，有机质的彻底氧化使湿地因有机质积累而造成的堵塞得到了根本性的缓解。湿地通过虹吸管实现了水位高低的自动调节，水位的高低变化使得填料处于有氧与厌氧的不断交替，有氧与厌氧的不断交替引发了fe3+与fe2+之间的相互转换，fe3+与fe2+之间的相互转换促进了污染物的去处，延缓了湿地的堵塞。
41.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。