一种低碳氮比农田退水硝酸盐转化与氮磷回收系统及方法与流程

本发明涉及氮磷回收，特别是涉及一种低碳氮比农田退水硝酸盐转化与氮磷回收系统及方法。

背景技术：

1、农田退水是农业面源氮磷排放进入沟渠、河道和湖泊的重要迁移通道。灌溉退水、降雨径流、稻田排水和设施农业排水通常含有硝酸盐氮、铵态氮和磷酸盐，且具有流量波动大、有机碳不足、碳氮比偏低和间歇排放等特点。当农田退水中可利用有机碳不足、碳氮比低于传统异养反硝化所需水平时，会限制传统异养反硝化过程，使硝酸盐氮难以在不投加外部碳源的情况下稳定转化。

2、现有农田退水氮磷污染多级拦截与回用技术通常通过生态沟渠、人工湿地、植物吸收、吸附填料和饱和基质回用实现污染削减；低碳氮比再生水强化脱氮除磷技术则多利用铁基或碳基填料强化电子供给和微生物反应；具有氮磷营养盐富集功能的人工水培湿地系统则强调槽体分区、营养盐吸收和水培植物利用。上述技术分别在多级拦截、低碳氮比脱氮和营养盐富集方面提供了有益思路。

3、但是，针对农田沟渠末端的小尺度退水口，上述技术仍存在若干不足：一是部分系统依赖植物或外加碳源，运行受季节和维护条件影响；二是硝酸盐氮、铵态氮和磷酸盐的分级处理路径衔接不够清晰，前端硝酸盐转化后产生或残留的铵态氮缺乏后续稳定捕获；三是常规矿物填料或单一生物炭填料对氮、磷同步富集和后续肥料化回用能力不足；四是工程系统需要在紧凑槽体内实现稳流、转化、富集、出水调控和填料更换。

4、因此，有必要构建一种面向低碳氮比、高富营养化农田退水的末端分级拦截净化系统，使其在无需外加有机碳源条件下完成前端硝酸盐转化，并通过后端泡沫硅酸盐介质实现铵态氮和磷酸盐富集，最终将饱和介质作为氮磷缓释肥料回用于农田。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有农田退水处理技术在低碳氮比条件下硝酸盐转化受限、外加碳源运行成本较高、氮磷分形态捕获不足以及饱和填料资源化路径不清晰的问题，提供一种低碳氮比农田退水硝酸盐转化与氮磷回收系统及方法。

2、本发明的技术方案，本发明的第一方面提供一种低碳氮比农田退水硝酸盐转化与氮磷回收系统，所述系统包括长方体型反应槽；

3、长方体型反应槽内沿水流方向依次设置相互连通的进水调节区、铁碳转化区、泡沫硅酸盐吸附区和出水调节区；

4、进水调节区包括进水口、进水堰和空置沉降空间；

5、铁碳转化区内填装海绵铁-生物炭铁碳复合填料；

6、泡沫硅酸盐吸附区内填装泡沫硅酸盐介质；

7、出水调节区设置两个以上不同高程的出水口；

8、所述系统布设于农田沟渠末端、农田排水口或灌排渠入河节点，并适用于低碳氮比、富营养化农田退水。

9、优选的，长方体型反应槽的长宽比为5:3，深度为20 cm；

10、长方体型反应槽可按长宽比等比例放大或缩小，以适配不同农田沟渠流量。

11、优选的，进水调节区、铁碳转化区、泡沫硅酸盐吸附区和出水调节区之间均设置竖向穿孔板；

12、竖向穿孔板的上缘高度接近出水调节区中部出水口的高程，且竖向穿孔板上开设多个通水孔；

13、铁碳转化区和泡沫硅酸盐吸附区的填料填充高度相同，且填料填充高度不高于出水调节区中部出水口的位置。

14、优选的，铁碳转化区设置可更换填料框、填料袋或模块化填料盒，海绵铁和生物炭以混合填装或分层填装方式设置于可更换填料框、填料袋或模块化填料盒内；

15、海绵铁-生物炭铁碳复合填料包括海绵铁和生物炭，其中，海绵铁的粒径为1-2mm，海绵铁与生物炭的质量比为1:(0.2-5)；

16、生物炭为农作物废弃秸秆生物炭；农作物废弃秸秆经洗净、烘干后，采用多功能粉碎机粉碎并过50目筛，再以10 °c/min的升温速率升温至500 °c，并在500 °c限氧或惰性气氛下热解2 h，冷却后得到生物炭。

17、优选的，泡沫硅酸盐介质为经硅酸盐反应固结和原位造孔处理形成的颗粒介质，颗粒介质的粒径为2-3mm，颗粒介质具有连通或半连通的泡沫孔隙以及硅酸盐胶结骨架；

18、泡沫硅酸盐介质的原料包括胶凝组分、工业副产硅铝掺合料、农业废弃物硅质组分、黏土矿物吸附填料和外加剂；胶凝组分包括水泥；工业副产硅铝掺合料包括粉煤灰、矿渣粉和硅灰；农业废弃物硅质组分包括稻壳灰；黏土矿物吸附填料包括膨润土粉；以质量份数计，水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、稻壳灰和膨润土粉的比例为4：（2-2.5）：（1.5-2）：（0.5-1）：（0.5-1）：（0.5-1.2）；外加剂至少包括减水剂、稳泡剂和造孔剂；

19、泡沫硅酸盐介质通过如下步骤制备：将水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰、稻壳灰和膨润土粉干燥并过100目筛后按比例混合，加水制成水固比为0.50-0.60的浆体，加入以干粉总质量计0.03-0.08%的造孔剂、0.2-0.6%的减水剂和0.2-0.8%的稳泡剂，在80-120 rpm搅拌条件下混合40-60 min，静置造孔后入模，于室温条件下保湿养护28 d，再经脱模、破碎和筛分得到2-3 mm颗粒介质；减水剂为聚羧酸高效减水剂；稳泡剂为硬脂酸钙泡孔稳定剂；造孔剂为铝粉。

20、优选的，出水调节区的每一出水口设置可启闭连接件或封堵件；不同高程的出水口包括低位出水口、中位出水口和高位出水口。

21、本发明的第二方面提供一种低碳氮比农田退水硝酸盐转化与氮磷回收方法，使用上述的系统进行回收，包括以下步骤：

22、将低碳氮比、富营养化农田退水由进水口引入进水调节区，经进水堰稳流、布水和泥砂预沉降后进入铁碳转化区；

23、农田退水穿过海绵铁-生物炭铁碳复合填料，在无需外加有机碳源条件下促进硝酸盐氮转化；

24、前段出水进入泡沫硅酸盐吸附区，使铵态氮和磷酸盐在泡沫硅酸盐介质作用下被吸附、沉淀或固定；

25、经出水调节区调节运行水位和水力停留时间后，处理出水由出水口外排或回用。

26、优选的，农田退水进入铁碳转化区后，生物炭提供微生物附着位点、传质孔隙和电子传递界面，海绵铁与生物炭接触形成铁碳微电解界面，并通过铁腐蚀释电子、耗氧和填料层传质限制形成局部低氧或缺氧的还原反应环境；

27、海绵铁-生物炭铁碳复合填料装填于可更换填料框、填料袋或模块化填料盒内；运行一定周期后，根据铁碳转化区前后端硝酸盐氮浓度变化，对海绵铁-生物炭铁碳复合填料进行补充、更换或再生维护。

28、优选的，前段出水进入泡沫硅酸盐吸附区后，穿过粒径为2-3 mm且具有连通或半连通孔隙结构的泡沫硅酸盐介质，以提高铵态氮和磷酸盐与介质表面的接触、吸附、沉淀和固定效率；

29、泡沫硅酸盐介质通过泡沫孔隙截留和表面吸附富集铵态氮，并通过碱性矿物表面吸附、钙磷沉淀和矿物固定富集磷酸盐；

30、通过切换出水调节区的低位出水口、中位出水口或高位出水口，调节系统运行水位，并将系统总水力停留时间调节为1-6 h。

31、农田退水中硝酸盐氮浓度为1-15 mg/l、铵态氮浓度为0.5-10 mg/l、磷酸盐浓度为0.05-1.5 mg/l，系统根据农田退水的间歇排放和浓度波动连续或间歇运行。

32、优选的，运行一定周期后，通过取样口监测泡沫硅酸盐吸附区前后端铵态氮和磷酸盐浓度，并依据出水浓度或介质饱和程度更换泡沫硅酸盐介质；吸附饱和后的泡沫硅酸盐介质经沥水、风干或40-60 °c低温干燥后，作为氮磷缓释肥料回用于农田。

33、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

34、1、本发明适用于农田沟渠末端的紧凑分级结构，便于在小尺度排水口布设，无需外加有机碳源条件下实现了铁碳硝酸盐转化，以及后端泡沫硅酸盐介质对铵态氮和磷酸盐的富集过程。

35、2、本发明采用长方体槽状、竖向穿孔板分隔和多高程出水调节结构，可根据来水负荷调节运行水位和水力停留时间。

36、3、本发明使用的饱和泡沫硅酸盐介质可作为氮磷缓释肥料回田，形成污染拦截与养分循环利用的闭合路径。