一种半程曝气耦合铁碳的强化脱氮潜流湿地及运行方法与流程

1.本发明涉及潜流人工湿地处理农业面源污染的技术领域，具体是一种半程曝气耦合铁碳的强化脱氮潜流湿地及运行方法，适用于农业面源污水、农村生活污水、污水厂尾水等不同类型污水的生态处理，尤其适用于对高氮磷负荷的农业面源污染的净化处理和污染负荷削减。


背景技术：

2.面源污染作为典型的非点源污染，是指在降雨过程中雨水及其形成的径流流经地面，聚集一系列污染物质，随之进入水体，污染以河湖为主的地表水以及地下水，具有地域范围广、随机性强、成因复杂等特点，径流污染的控制是当前水环境研究的重点之一。随着我国经济水平的提高，城市排水管网系统和污水处理厂在不断建造或升级，此部分污染得到了一定程度的控制。但为了提高粮食单产，化肥、农药施用量逐年增加，但利用率却较低，未被利用的化肥和农药随地表径流、农田排水等流入地表水环境引起面源污染问题。较之工业源污染实施清洁生产得到有效治理，过量施肥导致的农田面源污染己成为水体污染最大的污染源，农业面源污染不仅影响水体质量，而且也阻碍农业持续、健康地发展，成为社会经济发展需要解决的热点和难点问题。
3.农业面源污染是指在农业生产过程中所产生的溶解性或非溶解性的污染物，如泥沙、化肥、农药等，在降水或灌溉过程中，通过地表径流、农田排水等方式流入受纳水体而造成的面源污染。氮、磷是农业面源污染引起水体富营养化的主要限制性因子。据美国环保局调查，农业面源污染是导致美国40％的河流和湖泊水质不合格的主要污染源。在瑞典，农业源占流域中氮的来源的60％～87％。在荷兰，农业面源污染的总氮、总磷分别占流域污染总量的60％和40％～50％。相比之下，我国作为化肥的生产和应用大国，氮肥的使用居世界之首,农业面源污染问题亦不容乐观。据估计，在我国水体污染中，来自农业源的氮占到了水体污染的81％，磷占到93％。而农田生产中，又以水稻生产中不合理田间肥水管理方式导致的营养流失较大，其中氮肥的损失达30％～70％。我国水稻种植面积占总耕地面积的26.18％，种植区域广泛；而大面积的水稻种植区主要分布在秦岭黄河以南，占到70.19％。因此，由稻田直渗、侧渗、地表径流(含人工排水)等方式所带来的水体污染不可忽视。
4.研究表明，南方太湖流域稻季氮素环境排放总量与施氮量之间呈显著正相关，约占总施氮量的30％，其中径流和渗漏分别占到排放总量的25％和18％。而宁夏引黄灌区作为我国西北内陆大型人工灌区，有大小排水沟200多条，水稻生产上的大水大肥方式导致氮肥随农田沟渠退水流失进入黄河达到20％～65％；灌溉期排水沟水质总体为重度污染，劣五类水质占70.0％。然而，农田排水是农业面源污染的一个重要组分，含有大量的氮磷营养物质，如不对其进行有效处理净化则会污染受纳水体，造成水体的富营养化。由于面源污染是导致水体富营养化的主要原因且其贡献率还在不断上升，农田排水等面源污染的削减是近年来水环境保护领域重点关注的内容之一。
5.人工湿地是一种适宜用于净化农田排水的生态技术，具有建设运行成本低、可深
度净化低污染水、应用灵活、管理相对简便以及较高的生态美学价值等优点，可与农田系统和受纳水体很好地融合,已被广泛应用于农田排水的净化以保护受纳水体环境。但是，农田尾水普遍具有no3‑
和po
43
‑
浓度偏高而可用于异养反硝化的有机碳源较少的特点，大大限制了人工湿地的脱氮效率。同时，磷作为造成水体富营养化的关键限制因子主要通过与人工湿地填料进行结合形成沉淀而被截留去除，而大部分湿地填料对磷的容纳量有限，易于达到饱和，导致人工湿地的除磷效能作用时间短、效能低。因此，如何构建成本低、可长期高效去除农田排水中氮磷等污染物的人工湿地系统是一个亟待解决的技术问题。
6.铁不仅可为自养反硝化作用提供电子供体，还可与磷紧密结合形成沉淀，从而达到同步高效脱氮除磷的效能，且廉价易得，是一种极具应用前景的材料。为了强化电子传递效率，铁可与碳基材料进行混合作为人工湿地的新型填料，在填料内部可发生微电解作用，形成许多微小的原电池，提高电子转移效率和强化脱氮效能。
7.目前对于通过调整曝气方式和设置不同配比的铁碳功能填料实现高效脱氮的研究和应用较少，相关参数和最佳运行工况不清楚。因此，如何对上述污染在排入水体之前进行有效处理和控制是解决当前河湖污染问题的关键。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于，针对上述关于潜流湿地在高效脱氮的填料设计和运行工况不清楚等问题，提供了一种半程曝气耦合铁碳的强化脱氮潜流湿地，该潜流湿地作为一种构造简单、处理费用低且净化和景观效果好的污水处理技术，适用于灌区高氮农田退排水、污水厂尾水、受污染地表水以及农村生活污水等的净化和处理，可以有效的缓解和控制当前河湖受面源污染严重的问题。
9.本发明的另一个目的是在于提供了一种半程曝气耦合半程铁碳的强化脱氮潜流湿地的运行方法，该运行方法营造出了不同的厌氧和富氧区域，以及通过提供充足的电子供体和碳源等，不仅对污水尤其是氮的处理效果好，且可以明显减少ch4等温室气体的排放量。
10.为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
11.一种半程曝气耦合铁碳的强化脱氮潜流湿地，包括湿地池、曝气装置、溶解氧监测系统、由上至下依次设于湿地池的湿地植物、上层填料层、中层填料层、下层填料层、底部防渗层、与上层填料层连通的进水管、与下层填料层连通的出水管，所述曝气装置包括曝气泵、曝气管、曝气头；所述湿地植物种植于上层填料层，所述中层填料层由主体填料层和铁碳填料层构成，铁碳填料层位于沿水流方向湿地系统的前半段，铁碳填料层的纵向长度不小于湿地系统总长度的1/3且不大于总长度的1/2，所述曝气泵设置有多个曝气接口，每个接口连接一条曝气管，所述曝气管沿湿地池的池壁敷设，每条曝气管连接一个曝气头；所述溶解氧监测系统包括溶解氧探头以及与溶解氧探头连接的溶解氧监测器，其中溶解氧探头设于曝气头上方。
12.进一步的，所述湿地植物为芦苇、香蒲、水葱、茭白、千屈菜、菖蒲、风车草中的一种或任意几种的组合。
13.进一步的，所述铁碳填料层与主体填料层的厚度比不小于4:1。
14.进一步的，所述上层填料层为砾石、瓜子片、粗砂、石英砂、细钢渣中的一种或任意
几种的组合，所述上层填料的粒径不小于5mm不大于10mm，所述上层填料的厚度不小于200mm不大于400mm。
15.进一步的，所述主体填料层由沸石、粗钢渣、碎石、火山石中的一种或任意几种的组合，其填料的粒径不小于10mm不大于25mm，所述中层填料的厚度不小于300mm不大于400mm。
16.进一步的，所述铁碳填料层由生物炭和生铁按一定质量比均匀混合而成，生物炭由木质生物炭、秸秆生物炭生、壳类生物炭的一种或任意几种的组合构成，生铁由不生锈的铁丝头、铁刨花、铁屑中的一种或任意几种的组合构成，所述生物炭和生铁的质量比不小于1:1不大于4:1。
17.进一步的，所述下层填料层为鹅卵石、石灰石、碎石中的一种或任意几种的组合，所述下层填料的粒径不小于25mm不大于35mm，所述下层填料的厚度不小于200mm不大于350mm。
18.进一步的，相邻两个曝气头之间的距离不超过1m，最远端曝气头10所处位置不超过湿地池长度的一半。
19.进一步的，所述铁碳填料层为模块化设置，即由多个填料模块组成，每个填料模块均包括方形笼体和设于方形笼体内的铁碳功能填料，铁碳功能填料通过小型机械快速吊装和填充安装。
20.一种如上所述的半程曝气耦合铁碳的强化脱氮潜流湿地的运行方法，包括如下步骤：
21.a、所述潜流湿地在处理目标污水时，根据污水的污染物种类和浓度，采取间歇运行或连续运行的方式；
22.b、所述潜流湿地的水力停留时间为1
‑
5天，表面水力负荷为0.2
‑
1m3/(m2
·
d)；
23.c、在处理氨氮含量较高的污水时，当溶解氧监测系统实时监测的浓度低于2mg/l，则启动曝气泵开始进行曝气，当溶解氧浓度接近4mg/l时停止曝气，每24小时启动曝气泵的次数不超过4次；在处理硝态氮含量较高的污水时，当溶解氧监测系统实时监测的浓度低于1.5mg/l，则启动曝气泵1开始进行曝气，当溶解氧浓度接近2mg/l时停止曝气，每24小时启动曝气泵的次数不超过2次。
24.本发明的有益效果和优点在于：
25.1、本发明通过在潜流湿地前端不同位置安装独立的曝气装置来控制湿地中曝气的位置和强度，在湿地系统中营造出不同的厌氧和好氧区域，实现对污水中氮的高效去除；实施例表明，本发明对tn、no3‑
n、nh
4
‑
n、tp和po4‑
‑
p的去除率分别可达到76.8％、90％、84.3％、85.1％和98.4％，适用于灌区高氮农田退排水、污水厂尾水、受污染地表水以及农村生活污水等的净化和处理；
26.2、通过在湿地中沿程营造好氧
‑
厌氧
‑
缺氧等不同区域，基于铁碳微电解填料提供电子供体等，耦合半程曝气，显著增强了潜流人工湿地硝化反硝化作用速率，进而提高了高氮污水的处理效率；
27.3、本发明所述铁碳填料层可进行模块化设计，并可根据具体情况自由建造组合，以及通过小型机械快速吊装和安装；
28.4、本发明采用水平潜流湿地，具有建造难度低、运行成本低、堵塞风险小、易运维
和处理效果好等特点，适用于高氮农田退排水、污水厂尾水、受污染地表水以及农村生活污水等的处理。
附图说明
29.图1为本发明一种半程曝气耦合铁碳的强化脱氮潜流湿地其中一个实施例的结构示意图。
30.图中：1—曝气泵、2—湿地植物、3—曝气管、4—进水管、5—上层填料层、6—中层填料层、7—生物炭、8—生铁、9—下层填料层、10—曝气头、11—底部防渗层、12—排空管、13—出水管、14—溶解氧监测系统。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
32.请参阅图1，本发明实施例提供一种半程曝气耦合半程铁碳的强化脱氮潜流湿地，包括湿地池、曝气装置、溶解氧监测系统14、由上至下依次设于湿地池的湿地植物2、上层填料层5、中层填料层6、下层填料层9、底部防渗层11、与上层填料层5连通的进水管4、与下层填料层9连通的出水管13，所述曝气装置包括曝气泵1、曝气管3、曝气头10。
33.所述湿地植物2种植于上层填料层5，所述湿地植物2为芦苇、香蒲、水葱、茭白、千屈菜、菖蒲、风车草中的一种或任意几种的组合，具体根据气候特征和景观需求选配物种。
34.所述上层填料层5为砾石、瓜子片、粗砂、石英砂、细钢渣中的一种或任意几种的组合，所述上层填料的粒径不小于5mm不大于10mm，所述上层填料的厚度不小于200mm不大于400mm。
35.所述中层填料层6由主体填料层和铁碳填料层构成，所述主体填料层由沸石、粗钢渣、碎石、火山石中的一种或任意几种的组合，其填料的粒径不小于10mm不大于25mm，所述中层填料的厚度不小于300mm不大于400mm。
36.所述中层填料层6中的铁碳填料层位于沿水流方向湿地系统的前半段，其纵向长度不小于湿地系统总长度的1/3且不大于总长度的1/2。所述铁碳填料层与主体填料层的厚度比不小于4:1。所述铁碳填料层由生物炭7和生铁8按一定质量比均匀混合而成，其中生物炭7由木质生物炭、秸秆生物炭生、壳类生物炭的一种或任意几种的组合构成，生铁8由不生锈的铁丝头、铁刨花、铁屑中的一种或任意几种的组合构成；所述生物炭和生铁的质量比不小于1:1不大于4:1。所述铁碳填料层为模块化设置，即由多个填料模块组成，每个填料模块均包括方形笼体和设于方形笼体内的铁碳功能填料，铁碳功能填料可通过小型机械快速吊装和填充安装。所述功铁碳填料层的具体厚度以及生物炭和生铁质量比根据污水中污染物种类及形态确定。
37.所述下层填料层9为鹅卵石、石灰石、碎石中的一种或任意几种的组合，所述下层填料的粒径不小于25mm不大于35mm，所述下层填料的厚度不小于200mm不大于350mm。
38.所述曝气泵1设置有多个曝气接口，每个接口连接一条曝气管3，所述曝气管3沿湿
地池的池壁敷设，可以为通气软管或金属管，若为软管需要通过套管或其他方式保护，达到不被填料挤压影响供气的目的；每条曝气管3连接一个曝气头10，所述曝气头10可以为盘式、或管式、或曝气砂头，且具有一定的抗压性，且可承受上层填料和水体的压力而不至于破碎；每个潜流湿地单元可根据处理污水的水质状况及池体的尺寸，从进水方向开始沿污水流动方向沿程布设2个或3个或多个曝气头10，两个曝气头10之间的距离不超过1m，最远端曝气头10所处位置不超过湿地池长度的一半，每个曝气头10可独立运行。
39.曝气后污水的溶解氧浓度通过溶解氧监测系统14进行实时监测。所述溶解氧监测系统14包括溶解氧探头以及与溶解氧探头连接的溶解氧监测器，其中溶解氧探头设于曝气头10上方，例如设于最后一个曝气头10的上方。
40.所述进水管4的两端安装管帽，中间等距离均匀穿孔，穿孔方式为对穿，所述进水管4埋设在上层填料层5下方10cm以下，最大埋深不超过20cm。
41.所述出水管13的出水口低于下层填料层9的表层填料，高差不小于10cm且不大于15cm，高度可通过外接弯头调节。所述出水管13的下部还可设置排空管12。
42.本发明实施例还提供一种半程曝气耦合铁碳的强化脱氮潜流湿地系统的运行方法，包括如下步骤：
43.a、所述潜流湿地在处理目标污水时，根据污水的污染物种类和浓度，采取间歇运行或连续运行的方式；
44.b、所述潜流湿地的水力停留时间为1
‑
5天，表面水力负荷为0.2
‑
1m3/(m2
·
d)，具体根据进水污染物种类、浓度、当地气候及出水标准确定；
45.c、在处理氨氮含量较高的污水时，当溶解氧监测系统14实时监测的浓度低于2mg/l，则启动曝气泵1开始进行曝气，当溶解氧浓度接近4mg/l时停止曝气，每24小时启动曝气泵的次数不超过4次；在处理硝态氮含量较高的污水时，当溶解氧监测系统14实时监测的浓度低于1.5mg/l，则启动曝气泵1开始进行曝气，当溶解氧浓度接近2mg/l时停止曝气，每24小时启动曝气泵的次数不超过2次。
46.下面通过一个具体实施例对本发明可进行说明：
47.系统构建：基于本发明的一种半程曝气耦合铁碳的强化脱氮潜流湿地，在武汉市建有一处面积约20m2的处理工程，处理对象为高氮农业面源污染。该潜流湿地的长、宽、高分别为6.6m、3.3m和1.1m。进水管4和出水管13均为40pe管，两端安装管帽，中间等距离均匀穿孔，穿孔方式为对穿，穿孔直径为6mm，所述进水管4埋设在上层填料层下方10cm处；出水管13的出水口位于下层填料层9的表层填料下5cm处，且高度可通过外接弯头调节。上层填料层为粒径5
‑
8mm的细钢渣，厚度40cm；中层填料层6为粒径10
‑
15mm的椰壳生物炭，厚度35cm；下层填料层9为粒径25
‑
30mm的石灰石，厚度35cm。所述中层填料层6的铁碳填料层位于沿水流方向湿地系统的前半段，其纵向长度为湿地系统总长度的1/2，所述铁碳填料层与主体填料层的厚度相同为35cm；所述铁碳填料层由直径为8mm椰壳生物炭和长度1
‑
2cm、直径2mm的生铁丝头均匀混合而成，其中椰壳生物炭和生铁丝头的质量比为2:1。
48.曝气泵1有6个曝气接口，从进水方向开始沿污水流动方向沿程布设6个曝气头10，每个接口连接一条曝气管3，所述曝气管3沿池壁敷设，为通气软管，通气软管通过pe套管保护，不被填料挤压影响供气的目的，所述每条曝气管3连接一个曝气头10，所述曝气头10为具有一定的抗压性，可承受上层填料和水体的压力而不至于破碎的曝气砂头。在最后一个
曝气头10的上方布设溶解氧探头，连接溶解氧监测器，通过溶解氧监测系统进行实时监测。湿地植物2为株高20cm的红花美人蕉幼苗，初植密度20株/m2。
49.运行方式：采用间歇进水的方式运行，进水方式为自流。当实时监测的溶解氧浓度低于2mg/l，则启动曝气泵1开始进行曝气，当溶解氧浓度接近3mg/l时停止曝气，每24小时启动曝气泵1的次数不超过3次。水力负荷为200mm/d、300mm/d、500mm/d，连续运行6个月的处理效果如表l所示：
50.表1潜流湿地水质运行状况对比表(平均值)
[0051][0052]
本发明实施例针对潜流人工湿地处理工艺床体缺氧、碳源不足、基质易堵塞以及脱氮效率低等问题，通过设置铁碳功能层、优化填料级配、曝气方式和强度等，营造出了不同的缺氧、厌氧和富氧区域，显著提高了潜流人工湿地硝化和反硝化强度，提升了脱氮效果。实施例结果表明，本发明对tn、no3‑
n、nh
4
‑
n、tp和po4‑
‑
p的去除率分别可达到76.8％、90％、84.3％、85.1％和98.4％；且具有建造成本低、易运维和处理效果好等特点，适用于灌区高氮农田退排水、污水厂尾水、受污染地表水以及农村生活污水等的净化和处理。
[0053]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。