一种强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统及方法与流程

本发明属于污水脱氮处理、水体净化及人工湿地领域，涉及一种强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统及方法。

背景技术：

1、近年来，受工业迅速发展的影响，排放废水量激增，氮磷积累导致富营养化严重，江河湖泊等水质受到影响。与此同时，全球变暖问题也随着工业发展愈加严重，有效控制和减少温室气体排放对缓解全球变暖具有重大意义。

2、人工湿地作为一种环境友好型的生态技术，具有投资费用低，处理效果好，维护成本小等优点，常被用于处理生活污水、矿山废水、垃圾渗滤液等。基质作为人工湿地的主要载体，在人工湿地中发挥着重要的作用，如便于生物膜附着、固定植物的生长、作为污染物的吸附剂等。不同种类的基质对污染物的去除机制不同，由于其独特的理化性质，导致污染物的去除效率存在差异。

3、申请号为cn202110903100.5的中国专利授权公告文件《一种可强化脱氮的人工湿地系统》公开了：采用自身湿地植物制备生物炭作为湿地基质，强化反硝化，提高硝酸盐氮的去除，实现了湿地植物的再利用，达到减小占地面积的目的。但该专利没有涉及到铁基材料和减少碳排放。

4、申请号cn201920949145.4的中国专利授权公告文件《一种生物炭基序批式人工湿地污水处理系统》公开了：采用饱和-落干交替的运行方式创造出好氧-缺氧的环境条件，在较小的占地面积和不增加成本的条件下达到高效除污和缓解湿地堵塞的目的。但该专利没有涉及到铁基材料和减少碳排放。

5、研究表明，不同类型基质复合强于单一基质的脱氮能力。但目前人工湿地普遍采用单一基质，限制了不同特性的基质发挥不同的理化性质对氮素进行吸附或形式转化，脱氮效率的提高受到阻碍，且湿地系统运行方式单一，无法根据不同水质情况做调整。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供一种强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统及方法，针对不同受污染程度水体，根据水质净化需求不同，灵活调节人工湿地系统，将铁基和生物炭作为组合基质，促进氮转化提高脱氮效率的同时，协同减少温室气体排放，使装置同步实现污水处理和温室减排。

2、本发明的人工湿地系统采用铁基和生物炭作为人工湿地基质：

3、(1)系统内部发生的铁自养反硝化反应(②、③)与普通反硝化反应(①)相比，大大减少了温室气体co2的排放通量，可减少70-85％的co2排放。

4、普通反硝化：5ch3cooh+8no3-→6h2o+10co2+4n2+8oh-+atp      ①

5、铁自养反硝化：4fe(0)+no3-+7h2o→4fe3++nh4++10oh-②(零价铁)

6、5fe2++no3-+7h2o→5feooh+1/2n2+9h+③(二价铁)

7、(2)1个摩尔单位的fe0转化为fe3+能提供3个摩尔单位电子供体，而1摩尔单位的no3-转化为n2需要5个摩尔单位电子供体。

8、1个摩尔单位的fe2+转化为fe3+能提供1个摩尔单位电子供体，而1摩尔单位的no3-转化为n2需要5个摩尔单位电子供体。

9、人工湿地系统内铁基基质质量计算公式如下：

10、mfe总＝mfe1+mfe2

11、

12、

13、x+y＝1

14、mfe总——人工湿地系统所需要铁基的总质量，单位(kg)；

15、mfe1——人工湿地系统所需要单质铁的质量，单位(kg)；

16、mfe2——人工湿地系统所需要二价铁的质量，单位(kg)；

17、——人工湿地系统需要减少的硝氮浓度，单位(kg/l)；

18、——人工湿地系统需要处理的水量，单位(l)；

19、α——单质铁中能提供电子供体的提供率，可取0.5-0.7；

20、β——二价铁中能提供电子供体的提供率，可取0.6-0.8；

21、x——单质铁所需要处理硝氮占比，可取0-1；

22、y——二价铁所需要处理硝氮占比，可取0-1；

23、(3)当fe2+浓度超过了n2o所需的电子，n2o可以接受多余的电子并进一步还原为n2，4.2g fe2+能减少1g n2o温室气体的排放(④)，可减少30％-45％的n2o排放。

24、2fe2++2h++n2o→2fe3++n2+h2o                      ④

25、(4)铁的加入也会改变湿地中的微生物群落结构，在微观水平上影响氮的去除和n2o排放，铁可以通过自养反硝化和厌氧氨氧化等生物途径提高氮的去除效率。

26、(5)湿地系统加入生物炭一方面缓释碳源，提供电子供体，缓解污水处理的低碳问题；另一方面与铁形成铁碳微电解系统，铁碳之间形成的许多微电流电场具有原电池效应，增强吸附、还原、微生物降解等作用的发挥。

27、(6)水质总氮浓度为0-50mg/l，铁基和生物炭体积比为2:1；水质总氮浓度为51-100mg/l，铁基和生物炭体积比为1:1。

28、本发明目的通过以下技术方案实现：

29、一种强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统，包括：

30、依次连接的进水模块、净水模块、出水模块；其中，出水模块的出口连接排水管或者回流管，所述回流管的另一端连接至进水模块；

31、回流管设置在进水模块与出水模块之间；

32、净水模块包括若干湿地，每块湿地与所述进水渠之间、各个湿地之间均设有可用于进水的阀门；其中至少一个湿地的另一端设有可用于出水的阀门；通过控制所述阀门的开启关闭调整各个湿地为并联或者串联关系。

33、前述的强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统，进水模块为进水渠，出水模块为出水渠。

34、前述的强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统，净水模块包括第一湿地和第二湿地。

35、前述的强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统，进水渠的底部、出水渠的底部分别设有水质检测仪。

36、前述的强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统，第一湿地为普通曝气湿地，所述的第二湿地内铺设有净水基质层，包括下层基质层、上层基质层，上层基质层种植水生植物，所述水生植物为黄菖蒲、再力花、鸢尾、美人蕉中的一种或几种，种植密度为20-40株/m2。

37、前述的强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统，上层基质层填料为普通砾石，粒径范围为10-20mm；所述下层基质层填料为铁基和生物炭复合基质，其中铁基的粒径范围为5-10mm，生物炭的粒径范围为5-10mm，生物炭的比表面积为10-1000m2/g。

38、前述的强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统，下层基质层的高度为h1(10～20cm)，所述上层基质层的高度为h2(20～30cm)。

39、上述强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统的使用方法如下：

40、第一步：待处理污水经过进水口进入进水渠；

41、第二步：进水经进水渠底部的第一水质检测仪进行水质测定，第一水质检测仪对传输的数据c1进行判定：

42、a.若c1>c进，第一湿地与进水渠之间的阀门、第一湿地与第二湿地之间的阀门打开，第一湿地与第二湿地之间为串联关系，污水依次通过第一湿地，第二湿地；

43、b.若c1≤c进，则仅打开第二湿地与进水渠之间的阀门，污水通过第二湿地；

44、第三步：污水通过进水渠流入第一湿地，通过曝气系统强化氨氮去除，溶解氧含量受到监测；

45、第四步：污水通过第一湿地与第二湿地之间的阀门进入第二湿地，通过铁基强化脱氮及温室减排；

46、第五步：处理后出水排至出水渠；

47、第六步：出水经出水渠底部的第二水质检测仪进行水质测定，第二水质检测仪对传输的数据c2进行判定：

48、a.若c2>c出，则出水渠与回流管之间的阀门打开，出水经回流管回流至进水渠，再次净化；

49、b.若c2≤c出，水体从出水渠排出；

50、c.若no3-n数据异常，则需要补充或更换第二湿地的净水基质层。

51、可选地，所述第二湿地的净水基质下层基质层根据处理水质污染物浓度调整体积比：水质总氮浓度为0-50mg/l，铁基和生物炭体积比2:1；水质总氮浓度为51-100mg/l，铁基和生物炭体积比1:1。

52、所述的强化铁基释碳脱氮及温室减排的人工湿地系统，湿地的结构类型为垂直下向流人工湿地，进水方式为间歇进水，可选地，水力停留时间为66-70h，排空时间为2-6h，所述第一湿地内安装有曝气装置。

53、所述第一湿地内溶解氧含量由传感器收集数据，并通过监控系统实时监控，监控系统对当前溶解氧浓度don，n＝0,1,2……进行判定，当含量低于下限值，即don<dol时，启动曝气设备进行曝气；当含量高于上限值，don>dou时，关闭曝气设备；当含量处于上下限值以内，即dol≤don≤dou时，曝气强度不变，然后以n＝n+1继续运行。

54、可选地，所述溶解氧浓度下限值dol为2mg/l；所述溶解氧浓度上限值dou为6mg/l；当含量处于上下限值以内时，所述曝气强度为1.0-2.0l/min。

55、由于采用上述技术方案，本发明获得的有益效果包括：

56、(1)本发明的湿地，第一湿地为普通曝气湿地，第二湿地采用双层净化基层，一层普通砾石层，一层是铁基和生物炭的混合物构成的组合基质层，借助不同基质自身特性，其中，铁基提供无机电子供体增强系统的自养反硝化，同时利用生物炭为反硝化微生物缓释碳脱氮源，二者混合形成铁碳微电解系统，进一步促进同步硝化反硝化，强化微生物自养、异养反硝化，促进氮转化，提高脱氮效率的同时减少温室气体排放。本发明提供的人工湿地脱氮装置运行后，脱氮效率可达到90％-98％，温室气体排放减少20％-40％。

57、(2)本发明的人工湿地系统根据水质净化需求选择性运行两组湿地装置，灵活调节人工湿地系统，提高净化效率，避免资源浪费。