兼具多功能的脱氮除磷模块化湿地中试试验装置的制作方法

1.本发明涉及一种兼具多功能的脱氮除磷模块化湿地中试试验装置。适用于人工湿地技术领域。


背景技术：

2.人工湿地是一种环境友好型的污水处理方法，人工湿地是利用基质、植物、微生物协同作用，通过吸附、沉淀、降解、吸收等作用，净化污水。人工湿地作为削减水体污染物的生态技术，利用结构工艺和布水方式的组合，模拟自然界的物质代谢的微环境，将氮、磷、有机物等污染物在植物、基质、微生物三者耦合作用下进行拦截-吸附-降解，有效改善水体环境，具有结构简单、运维成本低、出水水质好等特点，在处理地表径流、工业废水、生活污水、畜禽养殖废水、污水厂尾水以及饮用原水等方面得到了广泛应用。
3.1990～2019年我国已建成水质净化型人工湿地1000余处。已建成的人工湿地主要用途包括污水处理(农村污水、生活污水、工业废水等)和污染物深度处理(污水处理厂出水深度处理和水源水净化)。在常规污水处理的基础上，利用人工湿地深度处理污染物已经成为当前研究领域的重点和工程应用的热点，尾水人工湿地和水源涵养型人工湿地也可与景观打造相结合，构建丰富立体的城市景观。
4.目前对人工湿地运行过程的典型问题开展了较多的研究，以构建人工湿地氮磷深度削减集成技术体系，例如开展关于：1)生物质与无机填料改良研究；2)弱电能强化生物脱氮技术研究；3)电化学氧化还原絮凝脱氮除磷技术研究；
5.4)符合填料强化人工湿地生物脱氮工艺研究；5)水平与垂直潜流的人工湿地的特点等等，对于以上这些研究需要设置装置开展试验，但是对于开展不同的内容的研究时，需要重新设计人工湿地的试验平台，耗费人力、物力，且原先的试验装置在试验结束后即废弃，造成资源的浪费。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种兼具多功能的脱氮除磷模块化湿地中试试验装置。
7.本发明所采用的技术方案是：一种兼具多功能的脱氮除磷模块化湿地中试试验装置，其特征在于：具有装置主体、进水管路系统和出水管路系统；
8.所述装置主体包括主体框架和设置于主体框架底部的出水层，以及设置于主体框架内、出水层上方的若干模块填料格，模块填料格内装有填料；
9.所述主体框架内、出水层上方在高度上分为l层，每层经行向固定隔板和列向固定隔板分隔形成m*n格所述模块填料格，模块填料格底部设有网格底板并配有可拆卸的实心底板；
10.所述进水管路系统包括接于每列模块填料格一端的进水支管并配有控制进水支管通断的闸阀，所述出水管路系统包括接于每列模块填料格另一端的出水支管并配有控制
出水支管通断的闸阀；
11.所述进水管路系统还包括设置于所述装置主体顶部的滴水支管，所述出水管路系统还包括接于所述出水层上的底部出水管配有控制底部出水管通断的闸阀；
12.所述行向固定隔板顶端与上一层模块填料格的底板之间留有过流间隙ⅰ；模块填料格内靠近出水支管侧设有平行行向固定隔板且能上下滑动的滑动隔板，滑动隔板与该侧的行向固定隔板之间留有过流间隙ⅱ。
13.该试验装置还具有电极电路系统，电极电路系统包括分别设置于所述模块填料格的靠进水支管侧和出水支管侧的正、负电极。
14.对应每层模块填料格设有一路进水干管，进水干管连通该层的所有进水支管，进水干管上设有所述控制进水支管通断的闸阀。
15.对应每层模块填料格设有一路出水干管，出水干管连通该层的所有出水支管，出水干管上设有所述控制出水支管通断的闸阀。
16.一种所述试验装置的试验方法，其特征在于，当人工湿地采用水平流工况时：
17.通过相应闸阀关断滴水支管和底部出水管，导通进水支管和出水支管，将每格模块填料格中的滑动隔板上滑，使滑动隔板下方形成过流通孔，过流通孔和相应的过流间隙ⅱ和过流间隙ⅰ配合形成连通模块填料格底部和水流方向下一格模块填料格顶部的过流通道。
18.一种所述试验装置的试验方法，其特征在于，当人工湿地采用垂直流工况时：
19.通过相应闸阀关断进水支管和出水支管，导通滴水支管和底部出水管，将每格模块填料格中的滑动隔板下滑与该模块填料格底部契合，拆除模块填料格底部的实心底板。
20.本发明的有益效果是：本发明通过对进水管路系统和出水管路系统的通断控制，配合对滑动隔板和实心底板的操作及填料的调整，实习对人工湿地的结构、填料以及运行工况的切换，以达到开展不同研究内容的目的。
附图说明
21.图1为实施例中装置主体的结构示意图。
22.图2为实施例中装置主体的平面示意图。
23.图3为实施例中进水管路系统的结构示意图。
24.图4为实施例中出水管路系统的结构示意图。
25.图5为实施例中电极电路系统的布置示意图。
26.图6为实施例中模块填料格的立体图。
27.图7为实施例中并联电极电路连接示意图。
28.图8为实施例中人工湿地水平流工况示意图。
29.图9为实施例中人工湿地垂直流工况示意图。
30.图10为实施例中电化学氧化还原耦合电絮凝工况示意图。
31.图11为实施例中弱电能生物脱氮除磷工况示意图。
32.1、装置主体；1-1、模块填料格；1-2、行向固定隔板；1-3、列向固定隔板；1-4、网格底板、1-5、实心底板；1-6、滑动隔板；1-7、过流间隙ⅰ；1-8、过流间隙ⅱ；1-9、过流通孔；1-10、出水层；2、进水支管；3、进水干管；4、滴水支管；5、出水支管；6、出水干管；7、底部出水
管；8、正电极；9、负电极。
具体实施方式
33.本实施例为一种兼具多功能的脱氮除磷模块化湿地中试试验装置，具有长方体的装置主体、进水管路系统、出水管路系统和电极电路系统。
34.本例中装置主体包括主体框架(镂空的长方体钢支架)，主体框架内的底部设有出水层(可储存有限水深约为30～50cm)，主体框架内、出水层设有若干模块填料格，模块填料格内装有填料。
35.本实施例中主体框架内、出水层上方在在高度上分为3层，每层在平面在经2块行向固定隔板(平行主体框架宽度方向)和2块列向固定隔板(平行主体框架长度方向)分隔形成3行3列的模块填料格，为九宫格结构。模块填料格的底板为网格底板，并在网格底板下方设有可拆卸的实心底板，其中网格底板的网眼小于所装填料的粒径。
36.本例中进水管路系统包括接于每列模块填料格一端的进水支管，每层的进水支管共同连接一路进水干管，进水干管的起端处设置闸阀；出水管路系统包括接于每列模块填料格另一端的出水支管，每层的出水支管共同连接一路出水干管，出水干管的末端处设置闸阀。
37.本实施例中进水管路系统还包括设置于装置主体顶部的滴水支管，出水管路系统还包括接于出水层上的底部出水管配有控制底部出水管通断的闸阀。
38.本实施例中行向固定隔板顶端与上一层模块填料格的底板之间留有一定过流间隙ⅰ。每格模块填料格内的靠近出水支管侧设有平行行向固定隔板且能上下滑动的滑动隔板，滑动隔板与该侧的行向固定隔板之间留有过流间隙ⅱ，滑动隔板上滑时可在其下方与该模块填料格底板之间形成过流通孔。
39.本实施例中电极电路系统主要由正、负电极、变阻器、线路和直流电源组成，其中正、负电极分别设置于模块填料格的靠进水支管侧和出水支管侧，各个模块化填料槽之间的电极电路系统采用并联连接方式。
40.本例中模块填料格中不同的生物质和无机填料可由生物炭、陶粒、石灰石、硫铁矿、火山岩、沸石、硫铁矿、砾石等组成。
41.本实施例中利用兼具多功能的脱氮除磷模块化湿地中试试验装置进行试验的方法，包括：
42.当人工湿地采用水平流工况时，装置主体顶部滴水支管和底部出水管的阀门全部关闭，进水总管的水进入到每一层的进水干管，继而通过进水支管流入到模块填料格中，将每个模块填料格中的滑动隔板往上滑动，使得滑动隔板距离底部约2～3cm以上，形成过流通孔，过流通孔和相应的过流间隙ⅱ和过流间隙ⅰ配合形成连通模块填料格底部和水流方向下一格模块填料格顶部的过流通道，每一层的水流先从进水支管中进入到模块填料格中，在第一格填料的过滤作用下，水流从过流通道进入到下一个模块填料格中，同样水流依次通过第二格、第三格填料的过滤作用下，最后从出水支管流出，最后出水就近排水系统。
43.当人工湿地水平流进行不同水力停留时间对比试验工况时，装置主体顶部的滴水支管的闸阀全部关闭，在上、中、下三层的闸阀通过调节不同的开合度实现进水流量不同，继而实现达到每一层的水力停留时间不同，采集进、出水水质的总氮浓度分别为c1、c0，计算
其脱氮率进出水水质的总磷浓度分别为b1和b0，除磷率从而通过实验得出脱氮率和除磷率最高时的最佳水力停留时间。
44.当人工湿地水平流是采用不同填料对比试验工况时，装置主体顶部的滴水支管的闸阀全部关闭，在上、中、下层的任意一层中打开一闸阀，其余两层的闸门关闭，在同一层中的三排模块填料格中分别填入不用的滤料，以用于分析得到在同一水力停留时间下，采取最佳的滤料组合以达到最佳的脱氮除磷效果。
45.当人工湿地采用垂直流工况时，每一层进水干管和出水干管的闸阀全部关闭，水流沿着进水总管进入到装置主体顶部的滴水支管水流从滴水支管中的滴水孔中流出，每个模块填料格中的滑动隔板与底部契合，确保槽中的水流不会在水平方向上溢出，模块填料格中的最下层的实心底板拆下，只剩网格底板，网格底板的网眼小于所装填料的粒径。滴水支管中的水流从最上层的滤料中过滤依次进入中间层以及最下层，最后从底部出水管流出。
46.当在垂直流进行不同水力停留时间对比试验工况时，不同水力停留时间对比试验工况时，上、中、下三层的闸阀全部关闭，在长方体装置顶部的滴水支管的闸阀按照不同的开合度打开实现进水流量的不同，继而实现在竖直方向上每一列的水力停留时间不同，采集进、出水水质的总氮浓度c1、c0，计算其脱氮率进出水水质的总磷浓度分别为b0和b1,除磷率通过实验得出脱氮率最高时的最佳水力停留时间t。
47.当人工湿地垂直流采用不同填料对比试验工况时，在竖直方向上、中、下三层的闸阀全部关闭，长方体装置顶部的三根滴水支管闸阀全部打开，在竖直方向上的三列模块填料格根据实验需要填入不同的填料进行对比试验，同理，分别检测进出水的总氮浓度c1、c0以及总磷的进出水浓度，计算其脱氮率进出水水质的总磷浓度分别为b0和b1,除磷率通过实验得出脱氮率和去磷率最高时填料的配比。
48.当人工湿地采用弱电能强化生物脱氮除磷工况时，沿着水流流动方向，在第一格、第二格和第三格模块填料格中分别填入石灰石、生物炭、石英砂滤料，将安装于模块填料格中的电极电路接通电源，得到电流密度i(ma/m3)＝电流大小i(ma)/填料体积v(m3)，调节变阻器的大小，使得每一格的模块填料格中的电流密度不同，随着水流方向电流密度逐渐增大。
49.当人工湿地采用电化学氧化还原耦合电絮凝工况时，在沿着水流方向上，模块填料格的第一格装入生物炭和陶粒、在第二格靠近阳极一侧装入石灰石与硫铁矿以1：1混合(10cm)，靠近阴极一侧装入磁铁矿(10cm)；在第三格装入普通砾石。在电极的阳极侧发生氧化反应，反应方程式见(1)～(5)。
50.2h2o-4e-→
4h

o2↑……………………………………
(1)
[0051][0052][0053][0054][0055]
在电极的阴极侧发生还原反应，反应方程式见(6)～(8)。
[0056]
2h

2e
→
h2↑………………………………………………
(6)
[0057][0058][0059]
通过调节电流的大小来对比不同电流密度条件下脱氮率和去磷率的大小，从而得出最佳的电流的密度值。
[0060]
以上所述仅为本发明专利的具体实施例，但本发明专利的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本专利的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本专利的保护范围之中。