CN110407401A - 间歇曝气式生态沟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种间歇曝气式生态沟系统，涉及一种新型生态沟系统。这种生态沟系统至少包括：反应区；在反应区内交替设置有两组或两组以上的好氧区和厌氧区，在好氧区中设置有曝气装置，在反应区设置有导流板，污染水体在通过反应区中的好氧区时，水体中的污染物发生短程硝化反应；在通过厌氧区时发生短程反硝化反应。此外，在反应区的始端还设置有在线监测装置，并与曝气风机一同连接至可编程逻辑控制器(PLC)，可以通过监测水体水质计算选取最适的曝气量或运行时间，提高河道水体净化率，实现污染的水体在通过间歇曝气式生态沟系统后能够得到净化。

Description

间歇曝气式生态沟系统

技术领域

本发明涉及一种间歇曝气式生态沟系统。

背景技术

近年来，我国河道水体污染严重，目前河道污染治理措施中，传统的生态沟技术仅具有面源污染拦截功能，且依靠自然复氧、植物吸收、过滤沉淀等作用，对污染物的去除效率较低。在现有技术中，存在一种具有旁路循环净化功能的生态沟系统，兼具河道水体活水循环，旁路净化和雨水原位净化的功能，但是该系统供氧能耗较大，可能存在脱氮效果一般，除磷效果较差且释放较多温室气体一氧化二氮的情况。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的目的在于提供一种间歇曝气式生态沟系统。

本发明采用间歇曝气模式的生态沟系统，兼具面源污染拦截与旁路净化的间歇曝气式生态沟系统的特点。

为达到上述目的，本发明的生态沟系统至少包括：反应区；在所述的反应区内交替设置有两组或两组以上的好氧区和厌氧区，在所述的好氧区中设置有曝气装置。

进一步的，在所述的生态沟系统的反应区设置有多个导流板，所述的相邻的两块导流板设置在对侧的所述的生态沟的边坡上。

进一步的，所述的曝气装置至少包括：曝气风机和与所述曝气风机连接的曝气管；所述的曝气管设置在所述的反应区的底部，所述的曝气管在长度方向上对应该生态沟系统的好氧区设置有打孔部分，所述的好氧区和厌氧区在长度方向上的比例设置为1:1～4:1。

进一步的，所述的曝气风机为通过连接可编程逻辑控制器(PLC)调节曝气量或曝气时间，在所述的反应区的始端设置有在线监测装置，所述的在线监测装置与所述的可编程逻辑控制器(PLC)连接。

进一步的，在所述的反应区上游设置有过滤区，在所述的反应区下游设置有出水区。

进一步的，所述的生态沟反应区的曝气风机参数的计算步骤为：

步骤(1)，污染水体需氧量计算：

式中：M为河道水体需氧量，单位：g；

V为河道水体体积，单位：m³；

C_0COD、C_eCOD分别为监测到的河道水体COD污染浓度和治理目标，单位：mg/L；

C_0NH3-N、C_eNH3-N分别为监测到的河道水体NH₃-N污染浓度和治理目标，单位：mg/L；

C_0DO、C_eDO分别为监测到的河道水体DO浓度和治理目标，单位：mg/L；

步骤(2)，水生植物光合作用释氧量计算：

式中：P为水生植物测定当日的净化同化总量，单位：mmol/(m²·d)；

p_i为初测点瞬时光合作用速率，单位：μmol/(m²·s)；

p_i+1为下一测点瞬时光合作用速率，单位：μmol/(m²·s)；

t_i为初测点瞬时时间，单位：h；

t_i+1为下一测点瞬时时间，单位：h；

j为测试次数；

光合作用反应方程：CO₂+4H₂0→CH₂O+3H₂O+O₂

植物呼吸消耗的O₂量一般是光合作用同化量的20％；

式中：W_O2为单位面积叶片的日净释放O₂质量，单位：g/(m²·d)；

32为O₂的摩尔质量，单位：g/mol；

式中：LAI为水生植物叶面积指数；

A_L为一定土地面积上水生植物叶面面积总和，单位：m²；

A为土地面积，单位：m²；

式中：M_h为水生植物释氧量，单位：g；

T为水质恢复期，单位：d；

步骤(3)，短程硝化反应需氧量计算：

传统硝化(全程硝化)作用反应式：

NH₄ ⁺+2O₂→NO₃ ^-+H₂O+2H⁺，

短程硝化作用反应式：

NH₄ ⁺+1.5O₂→NO₂ ^-+H₂O+2H⁺，

短程硝化作用耗氧量仅为全程硝化的75％；

M_p＝(M-M_h)×75％

式中：M_p为短程硝化反应需氧量，单位：g；

步骤(4)，曝气风机参数计算：

式中：Q为曝气风机风量，单位：m³/h；

22.4为气体摩尔体积，单位：L/mol；

T_d为水质恢复期曝气风机每日运行时间，单位：h/d；

ζ为曝气风机氧利用率，一般取0.1～0.2；

0.21为空气中氧气的体积比例。

进一步的，所述的可编程逻辑控制器(PLC)运行步骤包括：

步骤(1)，生态沟反应区始端第(i+1)组水样在线监测，水质数据传输至所述的可编程逻辑控制器(PLC)中；

i为水体通过生态沟反应区的水质取样次数，i＝1,2,3,……；

步骤(2)，水质数据自动代入短程硝化反应需氧量计算程序，得到第(i+1)组需氧量M_p(i+1)；

步骤(3)，生成M_p(i+1)与第(i)组需氧量M_p(i)的差值M_dv(i+1)；

步骤(4)，M_dv(i+1)＝0时曝气风量和曝气风机运行时间不改变，M_dv(i+1)≠0时进入选项1调节曝气风量Q_(i+1)和选项2调节曝气风机运行时间T_d(i+1)，得到2种选项对应的功率变化值，对选项1和选项2的功率变化值进行比较，选取输出更为节省能源的选项至曝气风机；

步骤(5)，进入下一组，循环步骤(1)～步骤(4)。

本发明的有益效果是，将生态沟系统的反应区划分为两种反应环境：好氧区反应环境和厌氧区反应环境，在生态沟系统的反应区设置穿孔曝气管。穿孔曝气管在长度方向上对应该生态沟系统的好氧区设置有打孔部分，并在反应区内设置有导流板。由于水体在好氧区反应环境中主要发生短程硝化反应和有机物分解，在厌氧区反应环境中主要发生短程反硝化反应；水体在交替通过分布设置的两种反应环境时，即能够提高水体中含氮污染物旁路净化效率，又能够降低水体在硝化反应过程中氧气的消耗和反硝化反应过程中碳源的消耗。此外，在反应区的始端还设置有在线监测装置，并与曝气风机一同连接至可编程逻辑控制器(PLC)，可以通过监测水体水质计算选取最适的曝气量或运行时间，提高河道水体净化率。

附图说明

图1是本发明在实施例中的横断面示意图。

图2是本发明在实施例中的平面示意图。

图3是本发明在实施例中的纵断面示意图。

图4是本发明的曝气系统自动控制流程图。

图中，1.水生植物，2.生物填料，3.生态基质，4.卵石，5.土工布，6.砾石，7.素土，8.曝气管，9.钢筋，10.输气管道，11.盲板，12.导流板，13.沸石，14.陶粒，15.石英砂，16.透水无纺布，17.穿孔板，18.出水堰，19.景观卵石，20.在线监测装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

实施例1是本发明的其中一种结构体现，包括：反应区。所述的反应区包括：生态沟系统的沟底和坡面均铺设生态基质3，生态基质3上镶嵌有卵石4，生态基质3以下依次为土工布5，砾石6，土工布5，素土7夯实，其中生态基质3厚度为200～400mm，卵石4层厚度为20～40mm，卵石4粒径为30～50mm，砾石6层厚度为200mm，压实系数大于0.97，素土7层压实系数大于0.95，土工布5规格为300g/m²。水生植物1种植于生态沟的坡面上，生物填料2悬浮于生态沟水体中。

在反应区内交替设置有两组或两组以上的好氧区和厌氧区，沿生态沟系统的反应区底部设置有钢筋9，沿生态沟系统布置的穿孔曝气管8和生物填料2均与钢筋9固定连接。曝气管8端头通过输气管道10与曝气风机连接，末端采用盲板11封堵。

其中，曝气管8对应生态沟系统反应区内的好氧区，在管壁的径向方向设置有打孔部分，这能够实现水体在反应区产生间歇曝气的效果。其中，水体在好氧区发生短程硝化反应和有机物分解；在厌氧区发生短程反硝化反应。

在实施例1中，所述的生态沟系统采用水泵供水，将反应区内的水体的流速控制在0.1～0.9m/s范围内。间歇曝气式生态沟系统的河道截面呈上宽下窄的倒梯形，边坡坡比设置在1:2～1:4范围内。

在实际操作中，旱季时，河道水体通过水泵引入所述的生态沟系统中，引流后的水体通过生态沟系统的反应区得到处理，处理后的水体经出水区返回河道；雨季时，相应汇水区域内的地表径流面源污染经所述生态沟系统的反应区使水体得到净化后经出水区进入河道。

实施例2

实施例2是实施例1的变形，与实施例1的区别在于：本实施例中的曝气管8打孔和不打孔长度比例设置为2:1，这种设置可以促进反应区中氨氧化细菌和反硝化细菌中亚硝酸盐还原酶的活性表达，利于短程硝化反硝化反应的发生，从而提升含氮污染物的去除效率，降低短程硝化过程中氧气的消耗和短程反硝化过程中碳源的消耗，减少温室气体一氧化二氮的排放。

实施例3

实施例3是实施例2的变形，与实施例2的区别在于：本实施例中增加了导流板12。导流板12设置在生态沟系统的反应区内，且相邻的两块导流板设置在对侧的生态沟的边坡上，导流板12底部与曝气管8外顶相齐平，顶部与生态沟水体液面相齐平。通过优化、平衡导流板12数目和生态沟反应区长度，可以调节生态沟中水体在反应区的流速。其中，生态沟反应区内水体流速控制在0.1～0.2m/s范围内，并确保生态沟中的水体在单个好氧反应区和厌氧反应区的停留时间分别在20～60min和10～30min范围内。

在本实施例中，导流板12的数量设置为：单个厌氧区设置n个，单个好氧区设置2n个。其中，相邻两块导流板的间距相等。导流板12的设置数量可根据导流板的间距进行调整。

本实施例中的生态沟系统的特点在于：通过控制水体在生态沟系统的厌氧反应区停留时间在10～30min范围内，不仅可以降低亚硝酸盐氧化细菌的活性，也可以减少因厌氧内源呼吸导致的氨氧化细菌细胞死亡数量，从而为短程硝化反硝化提供最优反应环境，利于低C/N河道水体的净化。

实施例4

实施例4是实施例3的变形，与实施例3的区别在于：本实施例中在生态沟系统的反应区上游设置过滤区，在反应区下游设置出水区，生态沟系统设置一定坡度，坡度由过滤区经反应区到出水区依次降低。

在生态沟系统的过滤区内设置有滤料层和穿孔板17，该滤料层的粒径由进水方向至出水方向依次变小，该滤料层依次包括：沸石13，陶粒14，石英砂15等，不同滤料间采用透水无纺布16分隔，在生态沟系统的过滤区与反应区之间设置有穿孔板17，起到过滤絮凝物的作用。

在生态沟系统的出水区与反应区之间，近河道一侧设置有出水堰18，在出水堰18的堰顶设置景观卵石19堆叠，景观卵石19粒径在20～80mm范围内。

在本实施例中，将生态沟过滤区宽度设置为反应区宽度的1.0～2.0倍，可以增加水体在生态沟过滤区中的反应时间。

本实施例中的生态沟系统的特点在于：通过在生态沟系统的过滤区内设置了滤料层，确保当水体进入过滤区时，水体中的颗粒杂质可以充分地被滤料层进行吸附后，再流入反应区中；在生态沟系统的过滤区与反应区之间设置了穿孔板17，可以更好地过滤掉水体中的颗粒杂质；在生态沟系统的出水区与反应区之间设置了出水堰18，确保流入反应区中经过滤区过滤后的水体，在反应区中能够充分发生反应后，再流入出水区，此外水体经出水堰18的跌水作用可以将更多的溶解氧带入河道。并且在本实施例中，将过滤区宽度调整为反应区宽度的1.0～2.0倍，通过改变该生态沟过滤区宽度和反应区宽度的比例，增大了水体在过滤区发生反应时的过滤断面面积，导致水体流速降低，以提高水体在过滤区的反应时间，从而强化过滤区的过滤效果。

实施例5

实施例5是实施例4的变形，与实施例4的区别在于：本实施例中在生态沟系统的过滤区非滤料区的上方设置无机金属盐、氢氧化钙等药剂的投放装置。该装置可以进行化学除磷，化学除磷区需及时清除絮凝体。并且在本实施例5中，还可以利用水体在该装置内的化学药剂进行化学反应，来调节水体的pH值，可以将水体的pH值调节至后续生态沟系统的反应区内硝化和反硝化作用的最适pH值范围内。

实施例6

实施例6是实施例5的变形，与实施例5的区别在于：本实施例中曝气风机为通过连接可编程逻辑控制器(PLC)调节曝气量或曝气时间，在反应区的始端设置有在线监测装置20，在线监测装置20与可编程逻辑控制器(PLC)连接。

通过在线监测装置20监测水体中的COD、NH₃-N、DO等水质指标，将数据输入至可编程逻辑控制器(PLC)中，经程序分析得到最优操作后输出至曝气风机进行曝气风量或运行时间的自动调控。

本实施例中的生态沟系统的特点在于：针对某些河道水质不稳定的特点，通过可编程逻辑控制器(PLC)控制曝气风机，可自动、有效应对河道突发污染问题，并选择功率最低的运行方式，提高处理效率的同时兼具节约能耗的优点。

其中，生态沟反应区的曝气风机参数的计算步骤为：

步骤(1)，污染水体需氧量计算：

式中：M为河道水体需氧量，单位：g；

V为河道水体体积，单位：m³；

C_0COD、C_eCOD分别为监测到的河道水体COD污染浓度和治理目标，单位：mg/L；

C_0NH3-N、C_eNH3-N分别为监测到的河道水体NH₃-N污染浓度和治理目标，单位：mg/L；

C_0DO、C_eDO分别为监测到的河道水体DO浓度和治理目标，单位：mg/L；

步骤(2)，水生植物光合作用释氧量计算：

式中：P为水生植物测定当日的净化同化总量，单位：mmol/(m²·d)；

p_i为初测点瞬时光合作用速率，单位：μmol/(m²·s)；

p_i+1为下一测点瞬时光合作用速率，单位：μmol/(m²·s)；

t_i为初测点瞬时时间，单位：h；

t_i+1为下一测点瞬时时间，单位：h；

j为测试次数；

光合作用反应方程：CO₂+4H₂0→CH₂O+3H₂O+O₂

植物呼吸消耗的O₂量一般是光合作用同化量的20％；

式中：W_O2为单位面积叶片的日净释放O₂质量，单位：g/(m²·d)；

32为O₂的摩尔质量，单位：g/mol；

式中：LAI为水生植物叶面积指数；

A_L为一定土地面积上水生植物叶面面积总和，单位：m²；

A为土地面积，单位：m²；

式中：M_h为水生植物释氧量，单位：g；

T为水质恢复期，单位：d；

步骤(3)，短程硝化反应需氧量计算：

传统硝化(全程硝化)作用反应式：

NH₄ ⁺+2O₂→NO₃ ^-+H₂O+2H⁺，

短程硝化作用反应式：

NH₄ ⁺+1.5O₂→NO₂ ^-+H₂O+2H⁺，

短程硝化作用耗氧量仅为全程硝化的75％；

M_p＝(M-M_h)×75％

式中：M_p为短程硝化反应需氧量，单位：g；

步骤(4)，曝气风机参数计算：

式中：Q为曝气风机风量，单位：m³/h；

22.4为气体摩尔体积，单位：L/mol；

T_d为水质恢复期曝气风机每日运行时间，单位：h/d；

ζ为曝气风机氧利用率，一般取0.1～0.2；

0.21为空气中氧气的体积比例。

其中，可编程逻辑控制器(PLC)运行步骤包括：

步骤(1)，生态沟反应区始端第(i+1)组水样在线监测，水质数据传输至所述的可编程逻辑控制器(PLC)中；

i为水体通过生态沟反应区的水质取样次数，i＝1,2,3,……；

步骤(2)，水质数据自动代入短程硝化反应需氧量计算程序，得到第(i+1)组需氧量M_p(i+1)；

步骤(3)，生成M_p(i+1)与第(i)组需氧量M_p(i)的差值M_dv(i+1)；

步骤(4)，M_dv(i+1)＝0时曝气风量和曝气风机运行时间不改变，M_dv(i+1)≠0时进入选项1调节曝气风量Q_(i+1)和选项2调节曝气风机运行时间T_d(i+1)，得到2种选项对应的功率变化值，对选项1和选项2的功率变化值进行比较，选取输出更为节省能源的选项至曝气风机；

步骤(5)，进入下一组，循环步骤(1)～步骤(4)。

Claims (7)

1.一种间歇曝气式生态沟系统，其特征在于：所述的生态沟系统至少包括：反应区；在所述的反应区内交替设置有两组或两组以上的好氧区和厌氧区，在所述的好氧区中设置有曝气装置。

2.如权利要求1所述的间歇曝气式生态沟系统，其特征在于：在所述的生态沟系统的反应区设置有多个导流板，所述的相邻的两块导流板设置在对侧的所述的生态沟的边坡上。

3.如权利要求1所述的间歇曝气式生态沟系统，其特征在于：所述的曝气装置至少包括：曝气风机和与所述曝气风机连接的曝气管；所述的曝气管设置在所述的反应区的底部，所述的曝气管在长度方向上对应该生态沟系统的好氧区设置有打孔部分，所述的好氧区和厌氧区在长度方向上的比例设置为1:1～4:1。

4.如权利要求3所述的间歇曝气式生态沟系统，其特征在于：所述的曝气风机为通过连接可编程逻辑控制器(PLC)调节曝气量或曝气时间，在所述的反应区的始端设置有在线监测装置，所述的在线监测装置与所述的可编程逻辑控制器(PLC)连接。

5.如权利要求1所述的间歇曝气式生态沟系统，其特征在于：在所述的反应区上游设置有过滤区，在所述的反应区下游设置有出水区。

6.如权利要求4所述的间歇曝气式生态沟系统，其特征在于：所述的生态沟反应区的曝气风机参数的计算步骤为：

步骤(1)，污染水体需氧量计算：

式中：M为河道水体需氧量，单位：g；

V为河道水体体积，单位：m³；

C_0COD、C_eCOD分别为监测到的河道水体COD污染浓度和治理目标，单位：mg/L；

C_0NH3-N、C_eNH3-N分别为监测到的河道水体NH₃-N污染浓度和治理目标，单位：mg/L；

C_0DO、C_eDO分别为监测到的河道水体DO浓度和治理目标，单位：mg/L；

步骤(2)，水生植物光合作用释氧量计算：

式中：P为水生植物测定当日的净化同化总量，单位：mmol/(m²·d)；

p_i为初测点瞬时光合作用速率，单位：μmol/(m²·s)；

p_i+1为下一测点瞬时光合作用速率，单位：μmol/(m²·s)；

t_i为初测点瞬时时间，单位：h；

t_i+1为下一测点瞬时时间，单位：h；

j为测试次数；

光合作用反应方程：CO₂+4H₂0→CH₂O+3H₂O+O₂

植物呼吸消耗的O₂量一般是光合作用同化量的20％；

式中：W_O2为单位面积叶片的日净释放O₂质量，单位：g/(m²·d)；

32为O₂的摩尔质量，单位：g/mol；

式中：LAI为水生植物叶面积指数；

A_L为一定土地面积上水生植物叶面面积总和，单位：m²；

A为土地面积，单位：m²；

式中：M_h为水生植物释氧量，单位：g；

T为水质恢复期，单位：d；

步骤(3)，短程硝化反应需氧量计算：

传统硝化(全程硝化)作用反应式：

NH₄ ⁺+2O₂→NO₃ ^-+H₂O+2H⁺，

短程硝化作用反应式：

NH₄ ⁺+1.5O₂→NO₂ ^-+H₂O+2H⁺，

短程硝化作用耗氧量仅为全程硝化的75％；

M_p＝(M-M_h)×75％

式中：M_p为短程硝化反应需氧量，单位：g；

步骤(4)，曝气风机参数计算：

式中：Q为曝气风机风量，单位：m³/h；

22.4为气体摩尔体积，单位：L/mol；

T_d为水质恢复期曝气风机每日运行时间，单位：h/d；

ζ为曝气风机氧利用率，一般取0.1～0.2；

0.21为空气中氧气的体积比例。

7.如权利要求4所述的间歇曝气式生态沟系统，其特征在于：所述的可编程逻辑控制器(PLC)运行步骤包括：

步骤(1)，生态沟反应区始端第(i+1)组水样在线监测，水质数据传输至所述的可编程逻辑控制器(PLC)中；

i为水体通过生态沟反应区的水质取样次数，i＝1,2,3,……；

步骤(2)，水质数据自动代入短程硝化反应需氧量计算程序，得到第(i+1)组需氧量M_p(i+1)；

步骤(3)，生成M_p(i+1)与第(i)组需氧量M_p(i)的差值M_dv(i+1)；

步骤(4)，M_dv(i+1)＝0时曝气风量和曝气风机运行时间不改变，M_dv(i+1)≠0时进入选项1调节曝气风量Q_(i+1)和选项2调节曝气风机运行时间T_d(i+1)，得到2种选项对应的功率变化值，对选项1和选项2的功率变化值进行比较，选取输出更为节省能源的选项至曝气风机；

步骤(5)，进入下一组，循环步骤(1)～步骤(4)。