一种面向水体深度脱氮除磷的生态净化槽及应用的制作方法

1.本发明属于环境污染治理与修复技术领域，尤其涉及一种面向水体深度脱氮除磷的生态净化槽及其应用。


背景技术：

2.2017年《中国环境状况公报》指出，氮磷化合物是我国部分淡水流域和湖泊（水库）的主要污染物之一。因此，为了保护生态环境，我国制定了日益严格的污水处理厂氮磷排放标准，但是城镇生活污水经过二级处理后，仍然含有一定浓度的含氮污染物。如果不经深度脱氮处理，仅靠环境自净能力来消纳水体中的氮元素，会对环境造成较大的污染负荷和生态毒性；采用物理化学法进行脱氮，相对于生物法成本较高；而常规生物法脱氮影响因素较多，特别的，生物法需外加碳源，增加成本且易形成二次污染。因此，开发高效经济的深度脱氮新方法，有效减少汇入湖泊河流前污染水源中氮磷污染物含量，已成为当前污水资源化领域研究的热点。因此，开发切实有效面向水体氮磷深度削减技术，恢复水体环境水生态健康，改善水生系统的综合功能，已成为我国水环境污染问题的当务之急。
3.针对水体氮磷的深度去除，目前主要依靠人工湿地系统、生态浮槽、生物滞留等技术，但是这些常用的生态治理技术对氮磷的去除效能有一定的局限性，主要表现在：（1）脱氮效率低。常规生物脱氮影响因素较多，且很多条件难以控制，致使其脱单效果并不理想。
4.（2）成本高，且易造成二次污染。针对接纳城市污水处理厂尾水（tn≥15mg/l，tp≥0.5mg/l）的自然水体，其要达到地表水iv类甚至iii类水质标准多依靠异位投加外碳源及化学药剂等方法，这样存在环境影响大、运行成本高、效能稳定性低且存在生态风险等问题。
5.（3）操控困难。常规的湿地系统及生态治理系统通常是黑箱系统，基本不可控，在运行过程中有运行维护困难，运行成本和维护成本高等问题。如何实现湿地及生态治理系统的可控、白箱化是非常重要的。


技术实现要素：

6.针对以上技术问题，本发明公开了一种面向水体深度脱氮除磷的生态净化槽及其应用，实现深度脱氮除磷，并进一步可以监控去除效果，及时提示更换填料。
7.对此，本发明采用的技术方案为：一种面向水体深度脱氮除磷的生态净化槽，其包括级配砂砾填料层、深度脱氮除磷填料层、级配碎石填料层、种植土层和和排水通道；所述级配砂砾填料层、深度脱氮除磷填料层与级配碎石填料层依次并列设置，所述级配砂砾填料层位于水体的一侧，水依次渗透级配砂砾填料层、深度脱氮除磷填料层与级配碎石填料层；所述种植土层覆盖在砂砾填料层、深度脱氮除磷填料层与碎石填料层上；所述种植土层种植有湿生植物，排水通道的一端置于碎石填料层内；所述级配砂砾填料层、
深度脱氮除磷填料层与级配碎石填料层垂直方向的高度为65~125cm。
8.其中，该排水通道可以是排水管，也可以是排水渠或排水沟。
9.作为本发明的进一步改进，所述级配砂砾填料层包括砾石、细沙、粉砂与膨润土级配组合而成，所述级配砂砾填料层水平方向的厚度为40~100cm。
10.作为本发明的进一步改进，所述级配砂砾填料层沿水平方向按如下级配依次设置：粒径30
‑
50mm砾石厚度为5
‑
10cm，粒径10
‑
30mm砾石厚度为5
‑
10cm，粒径5
‑
10mm砾石厚度为5
‑
10cm，粒径3
‑
5mm砾石厚度为5
‑
10cm，粒径1
‑
3mm砾石厚度为5
‑
10cm，细沙厚度为15
‑
50cm。所述细沙的选择渗透系数为5
×
10
‑7~5
×
10
‑
4 m/s。
11.可选用以上粒径范围但不限于上述范围，可根据进水污染物浓度不同，合理调节砾石粒径的配比来控制污水流速，进而控制污水在功能层的停留时间，以达到最佳处理效果。如进水浓度较高，则适当增大较小粒径砾石的比例，减缓污水流速，增加污水在净化沟内停留时间，最大限度去除水中污染物；若进水污染物浓度相对较低，则适当增大较大粒径砾石的比例，增大污水流速，在保证处理效果的同时，一定程度上减少反应时间。同时所述级配砂砾填料层还可对污水进行进一步的过滤，去除一部分在洼地内未被去除的大颗粒污染物；所述级配沙砾填料层还对种植土层和湿生植物起支撑作用。
12.作为本发明的进一步改进，所述深度脱氮除磷填料层水平方向的厚度为40~100cm。
13.作为本发明的进一步改进，所述深度脱氮除磷填料层的填料包括菱铁矿层、硫铁矿层、硫磺
‑
菱铁矿复合物层。
14.作为本发明的进一步改进，所述的菱铁矿层由粉砂、膨润土及菱铁矿级配而成，级配后的平均渗透系数为2
×
10
‑3~2
×
10
‑
5 m/s ；所述的硫铁矿层由粉砂、膨润土及硫铁矿级配而成，级配后的平均渗透系数为2
×
10
‑3~2
×
10
‑
5 m/s ；所述的硫磺
‑
菱铁矿复合物层由粉砂、膨润土及硫磺
‑
菱铁矿复合物级配而成，级配后的平均渗透系数为2
×
10
‑3~2
×
10
‑
5 m/s。
15.作为本发明的进一步改进，所述菱铁矿层、硫铁矿层、硫磺
‑
菱铁矿复合物层的体积比为1:0.5
‑
5:0.25
‑
1。
16.作为本发明的进一步改进，所述菱铁矿、硫铁矿、硫磺
‑
菱铁矿复合物的颗粒粒径为1
‑
40 mm，进一步优选的，所述菱铁矿、硫铁矿、硫磺
‑
菱铁矿复合物的颗粒粒径为1
‑
10 mm。
17.以菱铁矿和硫铁矿为电子供体时，自养反硝化菌可将no
3—
n彻底还原为n2，其中，硫铁矿与no
3—
n反应如下：5fes2 15no3‑
10h2o
→
7.5n2 5fe(oh)3 10so
42
‑
5h

；菱铁矿与no
3—
n反应如下：5feco3 no3‑
12h2o
→
5fe(oh)3 0.5n2 co2 oh
‑
。
18.而体系中的铁元素，产生具有po
43
‑
‑
p吸附能力的3价铁氧化物，从而实现同步脱氮除磷；菱铁矿在反硝化过程产生二氧化碳，能够持续提供无机碳源，以保障微生物的生长代谢的需求，因此本体系可在无需外加碳源的情况下，实现高效脱氮除磷；所述深度脱氮除磷填料层还对种植土层和湿生植物起支撑作用。
19.作为本发明的进一步改进，所述级配碎石填料层水平方向的厚度为40~100cm。
20.作为本发明的进一步改进，所述级配碎石填料层延水平方向依次设置：粒径30
‑
50mm碎石厚度为5
‑
10cm，粒径10
‑
30mm碎石厚度为5
‑
10cm，粒径5
‑
10mm碎石厚度为3
‑
5cm，粒径3
‑
5mm碎石厚度为3
‑
5cm，粒径1
‑
3mm碎石厚度为4
‑
10cm。
21.所述级配碎石填料层可对深度脱氮除磷填料层出水进一步过滤，以去除可能存在的污染物残留，可通过调节碎石粒径的配比来控制污水流速，进而控制污水停留时间，以达到最佳处理效果。如进水浓度较高，则适当增大较小粒径碎石的比例，减缓污水流速，增加污水在该层停留时间，最大限度去除水中污染物；若进水污染物浓度相对较低，则适当增大较大粒径砾石的比例，增大污水流速，在保证处理效果的同时，一定程度上减少反应时间。所述级配碎石填料层对处理后的污水进入河流起一定缓冲作用；所述级配碎石填料层还对种植土层和湿生植物起支撑作用。
22.作为本发明的进一步改进，所述种植土层的厚度为25~35cm。
23.作为本发明的进一步改进，所述种植土层为有机土和潜育土，种植土层为湿生植物的生长提供直接支撑和所需养分，土壤的类型、肥力和结构对湿生植物的种类和长势起决定性影响，同时，土壤还为湿地微生物活动提供场所，对微生物数量和种群影响较大。还可通过吸附与吸收作用、离子交换作用等对污染物有一定的去除。
24.作为本发明的进一步改进，所述湿生植物可选择但不限于香蒲、风车草、美人蕉、黄菖蒲、黄花鸢尾，通过植物吸收和植物根系吸附，可净化部分污染物，还可根据净化沟内不同基质中水质的不同，种植不同植物，增加湿地环境可观赏性。
25.作为本发明的进一步改进，所述级配砂砾填料层与水体之间还设有一个用于对污水进行预处理的洼地。采用此技术方案，该洼地对进入净化沟的污水进行初步预处理，水流先经过此洼地，在此静置停留一段时间后，慢慢渗入净化沟，在此洼地停留过程中，污水中部分大颗粒污染物、悬浮物等发生物理沉降而去除，以减少后续结构处理负荷，降低净化沟内滤料的堵塞可能；同时污水在洼地停留，减缓污水进入净化沟的流速，起到缓冲的作用。
26.作为本发明的进一步改进，所述的面向水体深度脱氮除磷的生态净化槽包括位于级配砂砾填料层、用于监控进水中no3‑
、no2‑
、tp、do、orp、ph、温度的第一水质传感装置，位于深度脱氮除磷填料层、用于监控水中so
42
‑
、s2‑
、no3‑
、no2‑
、tp、do、orp、ph、温度的第二水质传感装置，位于级配碎石填料层、用于监控水中so
42
‑
、s2‑
、no3‑
、no2‑
、tp、do、orp、ph、温度的第三水质传感装置，和控制模块，所述第一水质传感装置、第二水质传感装置、第三水质传感装置分别与控制模块连接，所述控制模块根据水质传感装置反馈的数据计算得到深度脱氮除磷层中硫酸盐和硫化物的产生量，硝酸盐、亚硝酸盐、总磷的去除效果；根据数据计算得到的各污染物的去除效率，反馈信息提示及时对填料进行清理或更换，并根据各项指标数据是否异常，初步判断填料是否发生堵塞并反馈信息进行提示。
27.该控制模块可以具有如下功能：（1）进水水量动态调整策略，根据每个滤水层在线监测出的水质参数，结合生态净化槽的机理模型，实时在线反馈各个滤水层的处理能力，依据出水水质要求对进水水量进行动态匹配，以保障出水达到水质标准。
28.（2）生态净化槽防堵塞策略，通过各监测点的水质参数，利用时间序列分析等数据挖掘算法对生态净化槽的运行状态进行评估，以对其堵塞现象进行判别分析。
29.本发明还公开了一种如上任意一项所述的面向水体深度脱氮除磷的生态净化槽
的应用，其用于面源污染控制、污染水体生态净化、河湖及水库水质提升保障的深度脱氮除磷。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果为：第一，本发明的技术方案过对填料层的类型、尺寸、比例进行优化级配，实现高效能、低成本、零外碳源需求、可控深度脱氮除磷；利用天然矿物作为电子供体，脱氮效率高；该材料价格低廉，来自于自然用之于自然，成本低；而且相比于往水体中加菌剂及化学药剂等方法来深度脱氮除磷，减少二次污染。
31.第二，本发明的技术方案为一种侧向压差驱动式的填料层构型，具有水动力条件优化、结构稳定、施工运维方便、渗水过滤效果可控等特点。
32.第三，本发明的技术方案通过在各层中植入在线传感装置，通过在线监测数据，结合控制逻辑与算法，实时的对生态净化槽的过程参数进行调整校核，以实现高效低耗运行，更加智能。
附图说明
33.图1是本发明一种面向水体深度脱氮除磷的生态净化槽的结构示意图。
34.附图标记包括：1
‑
洼地，2
‑
级配砂砾填料层，3
‑
深度脱氮除磷填料层，4
‑
级配碎石填料层，5
‑
穿孔排水管，6
‑
种植土层，7
‑
湿生植物，8
‑
第一水质传感装置，9
‑
第二水质传感装置，10
‑
第三水质传感装置。
具体实施方式
35.下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
36.如图1所示，一种面向水体深度脱氮除磷的生态净化槽，其包括洼地1、级配砂砾填料层2、深度脱氮除磷填料层3、级配碎石填料层4和种植土层6；所述级配砂砾填料层2、深度脱氮除磷填料层3与级配碎石填料层4依次并列设置，所述级配砂砾填料层2位于水体的一侧，所述级配砂砾填料层2与水体之间还设有一个用于对污水进行预处理的洼地1。水通过洼地1依次渗透级配砂砾填料层2、深度脱氮除磷填料层3与级配碎石填料层4；所述种植土层6水平覆盖在砂砾填料层、深度脱氮除磷填料层3与碎石填料层上；所述种植土层6种植有湿生植物7，穿孔排水管5的一端水平置于碎石填料层。
37.具体而言，所述级配砂砾填料层2包括砾石、细沙级配组合而成，所述级配砂砾填料层2水平方向的厚度为40~100cm，垂直方向的高度为65~125cm。所述级配砂砾填料层2沿水平方向按如下级配依次设置：粒径30
‑
50mm砾石厚度为5
‑
10cm，粒径10
‑
30mm砾石厚度为5
‑
10cm，粒径5
‑
10mm砾石厚度为5
‑
10cm，粒径3
‑
5mm砾石厚度为5
‑
10cm，粒径1
‑
3mm砾石厚度为5
‑
10cm，细沙厚度为15
‑
50cm。所述细沙的选择渗透系数为5
×
10
‑7~5
×
10
‑
4 m/s。
38.所述深度脱氮除磷填料层3水平方向的厚度为40~100cm，垂直方向的高度为65~125cm。所述深度脱氮除磷填料层的填料包括菱铁矿层、硫铁矿层、硫磺
‑
菱铁矿复合物层；所述的菱铁矿层由粉砂、膨润土及菱铁矿级配而成，级配后的平均渗透系数为2
×
10
‑3~2
×
10
‑
5 m/s ；所述硫铁矿层由粉砂、膨润土及硫铁矿级配而成，级配后的平均渗透系数为2
×
10
‑3~2
×
10
‑
5 m/s ；所述硫磺
‑
菱铁矿复合物层由粉砂、膨润土及硫磺
‑
菱铁矿复合物级配
而成，级配后的平均渗透系数为2
×
10
‑3~2
×
10
‑
5 m/s；所述菱铁矿层、硫铁矿层及硫磺
‑
菱铁矿复合物层体积比为1:0.5
‑
5:0.25
‑
1。
39.优选的，所述菱铁矿层、硫铁矿层及硫磺
‑
菱铁矿复合物层体积比为1:1:2。
40.优选的，所述菱铁矿、硫铁矿、硫磺
‑
菱铁矿复合物的颗粒粒径为1
‑
40 mm，进一步优选的，所述菱铁矿、硫铁矿、硫磺
‑
菱铁矿复合物的颗粒粒径为1
‑
10 mm。
41.所述级配碎石填料层4水平方向的厚度为40~100cm，垂直方向的高度为65~125cm。所述级配碎石填料层4延水平方向依次设置：粒径30
‑
50mm碎石厚度为5
‑
10cm，粒径10
‑
30mm碎石厚度为5
‑
10cm，粒径5
‑
10mm碎石厚度为3
‑
5cm，粒径3
‑
5mm碎石厚度为3
‑
5cm，粒径1
‑
3mm碎石厚度为4
‑
10cm。
42.所述种植土层6的厚度为25~35cm，所述湿生植物7包括香蒲、风车草、美人蕉、黄菖蒲、黄花鸢尾中的至少一种。
43.所述的面向水体深度脱氮除磷的生态净化槽还包括位于级配砂砾填料层2、用于监控进水中no3‑
、no2‑
、tp、do、orp、ph、温度的第一水质传感装置8，位于深度脱氮除磷填料层3、用于监控水中so
42
‑
、s2‑
、no3‑
、no2‑
、tp、do、orp、ph、温度的第二水质传感装置9，位于级配碎石填料层4、用于监控水中so
42
‑
、s2‑
、no3‑
、no2‑
、tp、do、orp、ph、温度的第三水质传感装置10和控制模块，所述第一水质传感装置8、第二水质传感装置9、第三水质传感装置10分别与控制模块连接，所述控制模块根据水质传感装置的数据计算得到深度脱氮除磷层中硫酸盐和硫化物的产生量，硝酸盐、亚硝酸盐、总磷的去除效果；根据数据计算得到的各污染物的去除效率，反馈信息提示及时对填料进行清理或更换，并根据各项指标数据是否异常，初步判断填料是否发生堵塞并反馈信息进行提示。
44.下面结合具体的实施例进行具体说明。
45.实施例1如图1所示，一种用于水体深度脱氮除磷的生态净化沟，置于某流水入河口处，其包括洼地1、级配砂砾填料层2、深度脱氮除磷填料层3、级配碎石填料层4、穿孔排水管5、种植土层6、湿生植物7。其中各部分的比例、形状、尺寸规格以及数量均仅作示意。
46.污水先流入净化沟前的洼地1，在洼地1内静置沉淀，去除悬浮物等大颗粒杂质，同时，经沉淀后的污水慢慢渗入级配砂砾填料层2，级配砂砾填料层2由不同粒径的砂砾级配而成，本实例污水中污染物浓度较高，适当加大较小粒径砂砾的配比，一方面，对污水进行充分过滤，另一方面减缓污水流速，增大水力停留时间。所述级配砂砾填料层2沿水平方向布置：粒径30
‑
50mm砾石（厚度为5cm），粒径10
‑
30mm砾石（厚度为5cm），粒径5
‑
10mm砾石（厚度为5cm），粒径3
‑
5mm砾石（厚度为5cm），粒径1
‑
3mm砾石（厚度为10cm），细沙（厚度为60cm）。经级配砂砾填料层2过滤后的污水流入深度脱氮除磷填料层3，所述深度脱氮除磷填料层3由菱铁矿、硫铁矿、硫磺
‑
菱铁矿复合物组成，以硫铁矿和菱铁矿为电子受体，在反硝化菌的作用下脱氮。污水经过深度脱氮除磷填料层3后，流入级配碎石填料层4：粒径30
‑
50mm碎石（厚度为5cm），粒径10
‑
30mm碎石（厚度为5cm），粒径5
‑
10mm碎石（厚度为5cm），粒径3
‑
5mm碎石（厚度为5cm），粒径1
‑
3mm碎石（厚度为10cm），污水到达该层时，基本已得到净化，剩下可能存在的一些污染物，在这里进行进一步的净化和过滤，充分净化后的污水进入河流区域。另外，污水在经过每一层滤料时，都会受到湿地植物吸收和湿地植物根系的吸附作用。本实施例中no3‑
‑
n去除率为85.2%，tp的去除率为72%。
47.实施例2一种用于水体深度脱氮除磷的生态净化沟，与实施例1的操作基本相同，不同之处在于，由于本实例所提供污水污染物浓度相对较低，所用级配砾石填料层中，加大较大粒径砾石的配比，粒径30
‑
50mm砾石（厚度为10cm），粒径10
‑
30mm砾石（厚度为10cm），粒径5
‑
10mm砾石（厚度为4cm），粒径3
‑
5mm砾石（厚度为3cm），粒径1
‑
3mm砾石（厚度为4cm），细沙（厚度为40cm）。按照水质情况合理改变级配砂砾填料层和级配碎石填料层的粒径分布，均能达到较好处理效果。本实施例中no3
‑‑
n去除率为82.4%，tp的去除率为68.7%。
48.实施例3
‑
4一种用于水体深度脱氮除磷的生态净化沟，与实施例1的操作基本相同，不同之处在于，本实施例中砂砾填料层和碎石填料层采用单一粒径，其中，砂砾填料层粒径为5
‑
10mm，碎石填料层粒径为5
‑
10mm，实施例3中所处理污水为普通二级出水，实施例4所处理污水为微污染雨水。实施例3中no3‑
‑
n去除率为75 %，tp的去除率为65%；实施例4中no3‑
‑
n去除率为71.5%，tp的去除率为64.3%。
49.对比例1本实例采用普通垂直流人工湿地，各层填料按照传统的垂直方向分布。污水先流经湿地前的洼地，经初步过滤去除一部分大颗粒污染物和悬浮物，随后流经人工湿地，湿地上层填料为级配砂砾填料层：粒径30
‑
50mm砾石（厚度为5cm），粒径10
‑
30mm砾石（厚度为5cm），粒径5
‑
10mm砾石（厚度为5cm），粒径3
‑
5mm砾石（厚度为5cm），粒径1
‑
3mm砾石（厚度为10cm），细沙（厚度为60cm），污水经级配砂砾填料层初步过滤后，流入中层深度脱氮除磷层，在该层填料作用下进行深度脱氮除磷，流入下层基质，下层为级配碎石填料层，粒径30
‑
50mm碎石（厚度为5cm），粒径10
‑
30mm碎石（厚度为5cm），粒径5
‑
10mm碎石（厚度为5cm），粒径3
‑
5mm碎石（厚度为5cm），粒径1
‑
3mm碎石（厚度为10cm），在该层对可能残留的部分污染物进行进一步过滤。经湿地处理后流入河流，经实验证明，湿地在运行一段时间后会出现堵塞现象，若不加清理，则出水水质明显降低，而本系统由于各层填料延上下结构装填，其滤料清洁难度明显大于实施例1中滤料清洁难度。
50.通过实施例和对比例的对比可见，采用本发明实施例的技术方案，具有更好的深度脱氮除磷的效果。
51.上述实施例的面向水体深度脱氮除磷的生态净化槽可以用于面源污染控制、污染水体生态净化、河湖及水库水质提升保障的深度脱氮除磷。
52.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。