CN109110923A - 强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统 - Google Patents
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Abstract
强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,本发明属于水体环境修复技术领域,它要解决现有排水沟渠难以同步实现高效氨氮吸附/硝化和硝氮反硝化的问题。该一体化沟渠系统在渠体上开有两道沟槽,在第一沟槽内设置SS拦截坝和氨氮拦截坝,在第二沟槽的沟底内设置人工湿地系统,第一渠段的表面设置波浪板,第二渠段的渠体表面设置有折流挡板,第三渠段的渠体表面设置有水位拦截坝,所述的人工湿地系统由炉渣段+木头段+砾石段组合而成。本发明通过降低水位、增加波浪带、跌水、明水面范围等来保证氨氮拦截坝高效的硝化过程,再进入三段式人工湿地系统,通过氨氮吸附‑硝化和硝氮的反硝化过程实现一体化沟渠的高效脱氮。
Description
技术领域
本发明属于水体环境修复技术领域,具体涉及一种强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统。
背景技术
东北是我国重要的粮食主产区,在国家粮食安全中占有举足轻重的地位。随着粮食产量的高速增长,以农田退水为代表的农业面源污染日益加重。过量氮肥的施用导致农田退水中氮素(氨氮和硝氮)等污染物随排水沟渠进入周边水体,给受纳水体带来了严重的富营养化隐患。虽然传统的排水沟渠具有一定的污染物净化能力,但是其对氮素的去除能力弱,且水体流速较快导致在沟渠内的水力停留时间(HRT)相对较短,因此强化排水沟渠内氮素去除能力,有效减缓过水流速至关重要。
对现有技术进行检索,CN 105804033 A公开了一体式W型农田生态退水沟渠,通过在农田退水沟渠中设置渗滤坝和下沉式净化区来有效缓解水体流速和强化氮磷污染物的去除。CN 102295349 A公开了一种生态净化沟渠,通过设置多级渠底高度差的净化区,多级跌水强化充氧来促进氮污染物的硝化过程。CN 106284245 A公开了一种生态沟渠系统、控制氮磷污染的沟渠,通过在沟渠内种植护岸植物和净水植物来强化氮磷的去除效果。CN106120679 A公开了一种具有脱氮除磷功能的生态沟渠,通过在沟渠底部增设固体碳源填料池和末端增设升降式水坝,来有效控制水体流速和强化反硝化过程。CN 106145374 A公开了一种具有修复功能的生态沟渠及该沟渠的铺设方法,通过在沟渠内构建生态浮岛来强化污染物的去除过程。以上研究均是单方面强化好氧硝化或碳源反硝化过程,以及通过混合体系来实现脱氮过程。但是如何在一体化沟渠内部实现高效氨氮吸附/硝化和硝氮反硝化过程仍需进一步研究,目前仍未有相关报道。
发明内容
本发明是为了解决现有排水沟渠难以同步实现高效氨氮吸附/硝化和硝氮反硝化的问题,而提供一种强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统。
本发明强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统包括波浪板、跌水结构、SS拦截坝、氨氮拦截坝、折流挡板、人工湿地系统、湿地植物和水位拦截坝,沿水流方向在渠体上依次开有第一沟槽和第二沟槽,沿水流方向第一沟槽的前部为第一渠段,第一沟槽和第二沟槽之间形成第二渠段,沿水流方向第二沟槽的后部为第三渠段,在第一渠段的渠体表面设置波浪板,第一渠段面向第一沟槽的渠体面上设置有跌水结构,沿水流方向在第一沟槽的沟底内依次设置SS拦截坝和氨氮拦截坝,SS拦截坝与第一渠段之间形成第一进水区,氨氮拦截坝与第二渠段之间形成第一出水区,在第二渠段的渠体表面设置有折流挡板,折流挡板的布置方式使水流折流流过;
在第二沟槽的沟底内设置人工湿地系统,人工湿地系统的上表面种植有湿地植物,人工湿地系统与第二渠段之间形成第二进水区,人工湿地系统与第三渠段之间形成第二出水区,在第三渠段的渠体表面设置有水位拦截坝;
其中SS拦截坝、氨氮拦截坝和人工湿地系统高于渠体表面;所述的人工湿地系统为三段式,该人工湿地系统由炉渣段+木头段+砾石段组合而成。
本发明除通过大气复氧、植物根部泌氧以及进水携带溶解氧为硝化过程供氧外,主要通过降低水位、增加波浪带、跌水、明水面范围等方法来保证氨氮拦截坝高效的硝化过程。此外,三段式人工湿地系统由炉渣段+木头段+砾石段组合而成,一方面通过增加湿地单元的水深来保持相对的缺氧环境;其次,木头段中的内碳源的逐步释放也为异养反硝化菌补充了足够的可利用碳源,两者有机结合使所述湿地系统保持较好的反硝化脱氮能力。
本发明所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统中,除波浪带、跌水、折流挡板和水位控制坝外,其余区域包括进水区、SS拦截坝、氨氮拦截坝、三段式人工湿地系统和出水区均处于“半地上-半地下”模式,废水自由进入进水区后,通过推流方式先后经过SS拦截坝、氨氮拦截坝、折流经过折流挡板、再进入三段式人工湿地系统,通过氨氮吸附-硝化和硝氮的反硝化过程实现一体化沟渠的高效脱氮。
本发明所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统包括以下有益效果:
1、本发明采取“半地下-半地上”模式和折流挡板技术,有效缓解了废水流速,延长了与基质的接触时间。
2、本发明采取波浪带、跌水、水位调控和明水面范围等控制措施为硝化过程提供了充足的氧气供给。
3、本发明通过增加湿地系统水深和添加缓释碳源组合填料,保证了相对缺氧环境下的高效反硝化脱氮过程。
附图说明
图1为本发明强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统的剖面结构示意图;
图2为强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统的俯视结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统包括波浪板1、跌水结构2、SS拦截坝4、氨氮拦截坝5、折流挡板6、人工湿地系统7、湿地植物8和水位拦截坝9,沿水流方向在渠体上依次开有第一沟槽和第二沟槽,沿水流方向第一沟槽的前部为第一渠段1-1,第一沟槽和第二沟槽之间形成第二渠段6-1,沿水流方向第二沟槽的后部为第三渠段9-1,在第一渠段1-1的渠体表面设置波浪板1,第一渠段1-1面向第一沟槽的渠体面上设置有跌水结构2,沿水流方向在第一沟槽的沟底内依次设置SS拦截坝4和氨氮拦截坝5,SS拦截坝4与第一渠段1-1之间形成第一进水区3-1,氨氮拦截坝5与第二渠段6-1之间形成第一出水区3-2,在第二渠段6-1的渠体表面设置有折流挡板6,折流挡板6的布置方式使水流折流流过;
在第二沟槽的沟底内设置人工湿地系统7,人工湿地系统7的上表面种植有湿地植物8,人工湿地系统7与第二渠段6-1之间形成第二进水区10-1,人工湿地系统7与第三渠段9-1之间形成第二出水区10-2,在第三渠段9-1的渠体表面设置有水位拦截坝9;
其中SS拦截坝4、氨氮拦截坝5和人工湿地系统7高于渠体表面;所述的人工湿地系统7为三段式,该人工湿地系统7由炉渣段+木头段+砾石段组合而成。
本实施方式针对农田退水中不同氮素污染类型,采取“半地下-半地上”模式,结合挡板折流模式有效延长废水与基质的接触时间;进而通过布设氨氮强化去除单元、硝氮强化去除单元等措施来获得高效的脱氮效能。即:采取波浪带、跌水、水位调控和明水面面积等控制措施为硝化过程提供了充足的氧气供给;通过增加湿地系统水深和添加缓释碳源组合填料,保证相对缺氧环境下的高效反硝化脱氮过程,以期获得高效的一体化沟渠脱氮构建方法。本系统具有低成本、脱氮能力强、操作维护简单、运行稳定等优点。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的SS拦截坝4的基质为砾石,砾石填充高度为100cm。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式二不同的是所述砾石的粒径为4~8cm。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述的氨氮拦截坝5的基质为沸石,沸石填充高度为100cm。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式四不同的是所述沸石的粒径为0.5~1cm。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是人工湿地系统7的填充高度为100cm,粒径为3~5cm。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是人工湿地系统7中炉渣段/木头段/砾石段的填充体积为2:2:2、2:1:3或3:1:2。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是人工湿地系统7的上表面种植的湿地植物8为芦苇或香蒲。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是折流挡板6和水位拦截坝9由PVC板制成。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是SS拦截坝4和氨氮拦截坝5间隔设置,间隔距离为8~10m。
本实施方式SS拦截坝与氨氮拦截坝不直接相连,之间增加明水面面积,增强大气复氧潜力促进硝化反应的进行,使氨氮和硝氮的去除率均超过94%。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统中地下部分与地上部分的高度比为1:1或者2:1。
本实施方式地下部分高度是指沟槽的深度,地上部分高度是指SS拦截坝4、氨氮拦截坝5和人工湿地系统7露出沟槽的高度。
本实施方式当地下部分与地上部分的高度比为2:1时,增大了湿地单元淹没水深,强化厌氧环境,促进反硝化过程的进行,氨氮和硝氮的去除率均超过96%。
实施例:本实施例强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统包括波浪带区1、跌水结构2、SS拦截坝4、氨氮拦截坝5、折流挡板6、人工湿地系统7、湿地植物8和水位拦截坝9,沿水流方向在渠体上依次开有第一沟槽和第二沟槽,沿水流方向第一沟槽的前部为第一渠段1-1,第一沟槽和第二沟槽之间形成第二渠段6-1,沿水流方向第二沟槽的后部为第三渠段9-1,在第一渠段1-1的渠体表面设置波浪板1,第一渠段1-1面向第一沟槽的渠体面上设置有跌水结构2,沿水流方向在第一沟槽的沟底内依次设置SS拦截坝4和氨氮拦截坝5,SS拦截坝4和氨氮拦截坝5紧邻设置,SS拦截坝4与第一渠段1-1之间形成第一进水区3-1,第一进水区3-1的宽度为1.0m,氨氮拦截坝5与第二渠段6-1之间形成第一出水区3-2,第一出水区3-2的宽度为1.0m,在第二渠段6-1的渠体表面设置有折流挡板6,折流挡板6的布置方式使水流折流流过;
在第二沟槽的沟底内设置人工湿地系统7,人工湿地系统7的上表面种植有湿地植物芦苇8,人工湿地系统7与第二渠段6-1之间形成第二进水区10-1,第二进水区10-1的宽度为1.0m,人工湿地系统7与第三渠段9-1之间形成第二出水区10-2,第二出水区10-2的宽度为1.0m,在第三渠段9-1的渠体表面设置有水位拦截坝9;
其中SS拦截坝4、氨氮拦截坝5和人工湿地系统7高于渠体表面;所述的人工湿地系统7为三段式,该人工湿地系统7由炉渣段+木头段+砾石段组合而成。
本实施例强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统中地下部分与地上部分的高度比为1:1。
本实施例中,SS拦截坝所采用的基质为砾石,砾石填充高度为100cm,粒径为4~8cm。氨氮拦截坝,所采用的基质为沸石,填充高度为100cm,粒径为0.5~1cm。三段式人工湿地系统,所采用的基质沿水流方向依次为炉渣+木头+砾石组合,种有湿地植物芦苇。填充高度为100cm,粒径为3~5cm。其中,炉渣/木头/砾石的填充体积分别为2:2:2。所述折流挡板和水位控制坝由PVC板制成。
本实施例废水从波浪带1和跌水2进入进水区3,然后水平推流至SS拦截坝4和氨氮拦截坝5,再经过折流挡板6,之后进入三段式人工湿地系统7,到达出水区10经过水位拦截坝9排出沟渠系统。
本实施例中,SS拦截坝与氨氮拦截坝直接相连,沟渠水位控制在2~4cm,流速控制在0.5m/s之内。实验结果表明,原水中氨氮和硝氮的初始浓度均低于10mg/L,经过本实施例强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统处理后氨氮和硝氮的去除率均超过90%。
Claims (10)
1.强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,其特征在于该强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统包括波浪板(1)、跌水结构(2)、SS拦截坝(4)、氨氮拦截坝(5)、折流挡板(6)、人工湿地系统(7)、湿地植物(8)和水位拦截坝(9),沿水流方向在渠体上依次开有第一沟槽和第二沟槽,沿水流方向第一沟槽的前部为第一渠段(1-1),第一沟槽和第二沟槽之间形成第二渠段(6-1),沿水流方向第二沟槽的后部为第三渠段(9-1),在第一渠段(1-1)的渠体表面设置波浪板(1),第一渠段(1-1)面向第一沟槽的渠体面上设置有跌水结构(2),沿水流方向在第一沟槽的沟底内依次设置SS拦截坝(4)和氨氮拦截坝(5),SS拦截坝(4)与第一渠段(1-1)之间形成第一进水区(3-1),氨氮拦截坝(5)与第二渠段(6-1)之间形成第一出水区(3-2),在第二渠段(6-1)的渠体表面设置有折流挡板(6),折流挡板(6)的布置方式使水流折流流过;
在第二沟槽的沟底内设置人工湿地系统(7),人工湿地系统(7)的上表面种植有湿地植物(8),人工湿地系统(7)与第二渠段(6-1)之间形成第二进水区(10-1),人工湿地系统(7)与第三渠段(9-1)之间形成第二出水区(10-2),在第三渠段(9-1)的渠体表面设置有水位拦截坝(9);
其中SS拦截坝(4)、氨氮拦截坝(5)和人工湿地系统(7)高于渠体表面;所述的人工湿地系统(7)为三段式,该人工湿地系统(7)由炉渣段+木头段+砾石段组合而成。
2.根据权利要求1所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,其特征在于所述的SS拦截坝(4)的基质为砾石,砾石填充高度为100cm,砾石的粒径为4~8cm。
3.根据权利要求1所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,其特征在于所述的氨氮拦截坝(5)的基质为沸石,沸石填充高度为100cm。
4.根据权利要求3所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,其特征在于所述沸石的粒径为0.5~1cm。
5.根据权利要求2所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,其特征在于人工湿地系统(7)的填充高度为100cm。
6.根据权利要求1所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,其特征在于人工湿地系统(7)中炉渣段/木头段/砾石段的填充体积为2:2:2、2:1:3或3:1:2。
7.根据权利要求1所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,其特征在于人工湿地系统(7)的上表面种植的湿地植物(8)为芦苇或香蒲。
8.根据权利要求1所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,其特征在于折流挡板(6)和水位拦截坝(9)由PVC板制成。
9.根据权利要求1所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,其特征在于SS拦截坝(4)和氨氮拦截坝(5)间隔设置,间隔距离为8~10m。
10.根据权利要求1所述的强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统,其特征在于强化氮素去除的基质坝耦合人工湿地一体化沟渠系统中地下部分与地上部分的高度比为1:1或者2:1。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190101 |