CN110482700A - 一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其结构包括闸门、好氧净化池、碳源释放池、厌氧净化池、挡水墙。设置于农田排水沟渠的一侧，与农田排水沟连通，分为好氧净化池、碳源释放池、厌氧净化池三块区域，生物填料框分别布设在两个净化池中，碳源盛载箱安置在碳源释放池。灌区退水期，闸门关闭，将生态净化池进水口封闭，农田退水直接从排水沟退去，不会影响灌区退水。灌区非退水期，将闸门打开，使灌区排水沟封闭，农田尾水流入生态净化池，使农田尾水中的氮类污染物得到充分净化。优点：可有效地降低农田排水中营养物质含量，且具有占地面积小、净化效率高、不阻碍农田退水、制造简单、维护方便的优点，适合大范围推广。

Description

一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池

技术领域

本发明是一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，属于农业面源污染控制技术领域。

背景技术

农业面源污染已经成为我国农村生态环境恶化的主要原因之一，严重制约了农业生态系统和农村经济环境的可持续发展。农业面源污染的根本原因之一在于化肥农药的过量施用和流失。我国在农业生产上化肥的用量很大，氮素投入过量现象严重。

大量的含氮农田退水排入自然水体，加速了河流湖泊的富营养化。因此，开发有效的脱氮技术成为研究的热点。在众多的水体脱氮技术中，生物法是运用最为广泛的一种。传统的生物脱氮由硝化过程和反硝化过程两部分组成，硝化过程是在好氧条件下，亚硝化菌和硝化菌将氨氮转化为亚硝酸氮或硝酸氮；反硝化过程是通过异养反硝化细菌在缺氧环境下以有机碳源为电子供体将硝化过程中产生的亚硝酸氮或硝酸氮转化为氮气。

有机碳源在反硝化作用过程中的主要作用包括以下4部分：异化硝酸盐还原、同化合成细胞、脱氮或转化成细胞贮藏碳源。有机碳是异养反硝化微生物生长代谢所必需的物质与能量来源，生物脱氮需要大量易于生物降解的有机碳源，当废水中可生物降解性的有机碳化合物不足时，需要添加额外的碳源作为电子供体，增加系统反硝化速率以弥补进水碳源的不足，降低出水硝态氮浓度，这样才能完全去除硝酸盐或亚硝酸盐。除此以外，外加有机碳源的性质也会影响反硝化过程的重要参数，如：反硝化速率、COD需要量、生物量的产生以及生物的组成等。总之，外加有机碳源的存在对异养反硝化作用是必需的。一般为保证反硝化反应的顺利进行，需要保证废水中BOD/TKN>4。因此，碳源一直是传统生物脱氮工艺的控制因素。投加外加碳源仍为提高低C/N比污水生物脱氮率的主要方式。

我国农业区农田退水中硝酸盐的污染突出，且碳氮比低。根据云南大学对滇池流域设施农业区的调查研究，发现农田退水中硝氮含量可高达42mg/L，而相应的COD仅为61mg/L，碳氮比低，反硝化困难。通过添加碳源，提高反硝化效率，是解决该类问题最为关键的方法。

现有的外加碳源大体上可以分为三大类：以液态有机物为主的传统碳源、可生物降解高分子聚合物及天然纤维素物质。液体碳源在研究中存在投加量较难控制，反应速度较快，投加过量和未完全反应的液态有机碳可能进一步造成出水二次污染。人工合成高分子聚合物较高的成本价格影响了其在实际工程中的广泛应用。天然纤维素材料一直以其产量大，价格低，易获取，处理效果佳的特性被广大学者所认可。现有的天然纤维素材料主要有棉花、麦秆、稻草、腐朽木、玉米秸秆、芦苇和报纸等，但这些固态碳源存在释碳速度不可控、寿命短、总氮总磷释放量较大的缺点，从而限制了它们的推广。玉米芯以纤维素、半纤维素和木质素等组分为主，其溶出液中的物质可以被微生物降解成溶于水的有机质，玉米芯还具有释碳能力强并且持久、总氮总磷释放量非常小等诸多优点，因此使用玉米芯浸出液作为反硝化碳源，为微生物提供电子和反硝化所需要的能量，不仅能有效去除农田排水中硝酸盐氮污染，也使玉米芯得到无害化的利用。

目前，在农田面源污染控制技术领域中提出的专利技术有很多。中国专利文献CN103833184 A提出了一种置于田埂的水稻田退水水质净化装置。通过在水稻田排水端田埂内固定水质净化装置，在排水过程中通过生物球净化、活性炭吸附来控制农田退水中氮、磷浓度。中国专利文献CN 103964566 A提出了一种旱作物农田首级退水水质强化净化装置。通过在旱作物田间排水沟末端与外排水沟连接处，设置水质强化净化装置，达到调节田间的地下水位和控制农田退水中氮、磷浓度的目的。中国专利文献CN 103288312 A提出了一种农田排水沟便携式复合人工湿地净化箱。通过在农田排水沟渠中摆放净化箱，控制农田排水中的氮、磷浓度。农田排水由净化箱入水口进入，依次经过生物净化球区下部、活性炭吸附区、生物净化球区上部、微型人工湿地区得到净化处理。这些技术并没有考虑到农田退水中碳氮比太低，净化装置内没有外加碳源，反硝化困难，因而脱氮效果不好。并且这些技术将净化装置设置于沟渠中，对农业退水产生阻碍，影响了灌区退水效果。

发明内容

本发明提出了一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池。针对现有技术的缺陷，提供一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池。该技术旨在解决农田排水中N含量高，并且碳氮比低，以及目前报道的各类净化技术反硝化困难，脱氮效果不佳的问题。通过在农田排水沟旁侧设置补碳型脱氮生态净化池，在排水过程中能够有效控制农田退水中氮、磷浓度以降低受纳水体富营养化程度。该项技术改进了以往灌区净化装置内没有外加碳源，反硝化困难，因而脱氮效果不好的缺点。具有净化效果好、不影响灌区沟渠的排水功能、维护方便等优点。

本发明的技术解决方案：一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其结构包括闸门5、好氧净化池31、碳源释放池32、厌氧净化池33、挡水墙8；其中，所述生态净化池3设置于农田排水沟渠的一侧，与农田排水沟2连通，好氧净化池31、厌氧净化池33内分别布设有生物填料框6，碳源释放池内安置有碳源盛载箱7，排水沟与生态净化池进水口安装有闸门5，闸门控制水流进入生态净化池或通过排水沟；所述好氧净化池31、碳源释放池32、厌氧净化池33形状为长方体，，碳源释放池32与厌氧释放池间33采用挡水墙8隔开，砌在底部渠床上，挡水墙底部设有厌氧净化池进水口。

所述生态净化池3的宽度和灌区排水沟宽度相同，其中好氧净化池31长1.7m，碳源释放池32长1.1m，厌氧净化池长1.5m；碳源释放池32、好氧净化池31的深度比农田排水沟渠深45cm，长期处于有水状态，氧净化池深度比农田排水沟渠深145cm，厌氧净化池设置位于好氧净化池、碳源释放池的池底高程以下；好氧净化池31、碳源释放池32、厌氧净化池33和挡水墙采用砖石混凝土材料；所述挡水墙8底部设有透水口81。

所述碳源释放池32包括底架322、碳源盛载箱7以及出水口321，碳源盛载箱7安置在底架322上；所述挡水墙8底部设有透水口81。

所述碳源盛载箱7包括网箱盖和网箱体，网箱体内分为玉米芯盛载区71和活性炭盛载区72，玉米芯盛载区71、活性炭盛载区72间隔排列，玉米芯盛载区71内安置玉米芯碳源；所述碳源盛载箱为长方体透水结构，长40cm、宽30cm、高50cm，碳源盛载箱的框架由粗Φ10的钢筋构成，六个箱面是由细密度的钢丝网构成，网孔的形状为正六边形，透水网孔边长为0.2cm。

所述玉米芯碳源选择新鲜的、无虫蛀、无霉变的玉米芯，先用锤子敲碎成小块，然后置于粉碎机中粉碎，粉碎后的玉米芯过筛，筛出粒径为1cm以下的玉米芯颗粒得到玉米芯碳源。

所述好氧净化池31包括进水口、粗格栅拦截网312、生物填料框6、出水口313、窄槽315、卡槽314、净化池墙体，粗格栅拦截网312插入好氧净化池31进水口处的窄槽315内，池内设有若干卡槽，生物填料框6安置在卡槽314内。

所述厌氧净化池33包括挡水墙8、进水口81、生物填料框6、出水口332、卡槽314和净化池墙体，池内设有若干卡槽314，生物填料框6安装在卡槽内。

所述生物填料框6包括不锈钢框架62、若干条辫带式纤维束挂膜填料63和手把61，不锈钢框架62顶部设有手把61，内部设有若干条辫带式纤维束挂膜填料63；实施时生物填料框6安置在卡槽314里进行固定。

所述闸门5安装于生态净化池入口处，包括转轴51和钢制平面闸门叶52，转轴51固定于隔水墙上，旋转闸门叶52可绕转轴51转动。

其工作方法，其特征是包括如下步骤：

1）灌区退水期，闸门5关闭，将生态净化池3进水口封闭，农田退水直接从排水沟2退去；

2）灌区非退水期，将闸门5打开，使灌区排水沟2封闭，农田尾水流入生态净化池3，灌区农田尾水依次流过好氧净化池31、碳源释放池32、厌氧净化池33，将玉米芯缓缓释放出的碳源输送到厌氧净化池33生物填料区。

本发明的有益效果：

1）不影响灌区排水沟的退水能力：闸门可控制水流进入生态净化池或是通过排水沟，在非退水期对农田尾水进行微生物净化，退水期不影响灌区退水效率。

2）生态净化池分为好氧净化池、厌氧净化池两块区域，对农田尾水中氮类污染物质净化效率更高，净化效果更好，改善了传统净化技术反硝化困难，脱氮效果不佳的问题。

3）玉米芯作为植物碳源，碳源释放量大、释放时间持久，并且碳源廉价、容易获取，除此之外还具有总氮、总磷释放量非常小，不会产生二次污染的优点。通过外加碳源提高微生物脱氮效率，可降低农田面源污染对受纳水体造成的富营养化程度和风险。

4) 碳源盛载箱碳源更换方便，生态净化池实施费用低、维护管理容易。

附图说明

附图1是本发明的俯视图（排涝通道关闭状态）

附图2是本发明的俯视图（排涝通道开启状态）

附图3是生态净化池的剖面图

附图4是粗格栅隔离网结构图

附图5是生态填料框结构图

附图6是好氧净化池进水口示意图

附图7是好氧净化池、厌氧净化池出水口示意图

附图8是碳源盛载箱结构图

附图9是挡水墙结构图

附图10是闸门结构图

图中的1是农田、2是农田排水沟、3是生态净化池、31是好氧净化池、311是好氧净化池进水口、312是粗格栅拦截网、3121是把手、3122是钢丝网、3123是不锈钢框架、313是好氧净化池出水口、32是碳源释放池、321是碳源释放池出水口、322是底架、33是厌氧净化池、331是厌氧净化池出水口、332是生态净化池出水口、4是净化池封闭盖板、5是闸门、51是闸门的转轴、52是闸门门叶、6是生物填料框、61是把手、62是生物填料框框体、63是辫带式纤维束挂膜填料、7是碳源盛载箱、71是玉米芯盛载区、72是活性炭盛载区、8是挡水墙、81是挡水墙透水口、9是水面。

具体实施方式

如图1～9所示，一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池。所述生态净化池设置于农田排水沟渠的一侧，开设在农田排水沟渠中，与农田排水沟渠连通。生态净化池由好氧净化池31、碳源释放池32、厌氧净化池33、闸门5、挡水墙8构成。

所述好氧净化池31、碳源释放池32、厌氧净化池33形状为长方体，池壁采用砖石混凝土结构。所述碳源释放池与厌氧释放池采用挡水墙隔开，挡水墙采用砖石混凝土材料，直接砌在底部渠床上，挡水墙底部设有厌氧净化池进水口。

所述好氧净化池31由进水口、粗格栅拦截网312、生物填料框6、出水口313、窄槽315、卡槽314、净化池墙体构成。粗格栅拦截网312插入进水口处的窄槽315内，用于过滤退水中的杂物，防止杂物随水流对生物填料框6上的生物膜造成冲击破坏以及堵塞净化池。六个生物填料框6分别安置在六排卡槽314内，为好氧脱氮微生物挂膜提供条件。

所述碳源释放池32由底架322、碳源盛载箱7以及出水口321构成。碳源盛载箱7安置在底架322上，从好氧净化池31流出的水，流过碳源盛载箱7，将玉米芯在微生物分解下释放的碳源带入厌氧净化池33内。此外，一方面碳源盛载箱7本身是生物填料，它可以提供给微生物挂膜生长，另一方面碳源盛载箱7还会起到过滤效果，增强生物净化池净化效果。

所述厌氧净化池33由挡水墙8、进水口81、生物填料框6、出水口332、卡槽314、净化池墙体构成。厌氧净化池33中，6个生物填料框分别安装在6排卡槽内，利用水流从碳源释放池32输送过来的碳源，厌氧区生物填料上的微生物迅速生长，同时为微生物反硝化反应提供充足碳源能量，增强净化池脱氮效果。

如图5所示，所述的生物填料框6由不锈钢框架62、若干条辫带式纤维束挂膜填料63、手把61构成。实施时，将生物填料框6安置在卡槽314里，进行固定。

如图8所示，所述碳源盛载箱7由网箱盖、网箱体构成。网箱体包括玉米芯盛载区72和活性炭过滤层71两块区域，将加工好的玉米芯放入网箱玉米芯颗粒盛载区72内。碳源盛载箱为长方体透水结构，长40cm、宽30cm、高50cm。碳源盛载箱的框架由粗Φ10的钢筋构成，六个箱面是由细密度的钢丝网构成，网孔的形状为正六边形，透水网孔边长为0.2cm。

如图10所示，在排水沟与生态净化池进水口安装有闸门，闸门可控制水流进入生态净化池或是通过排水沟。所述闸门5安装于生态净化池入口处，其特征包括转轴51和钢制平面闸门叶52，转轴51固定于隔水墙上，旋转闸门叶52可绕转轴51转动。闸门5可控制水流进入生态净化池3或是通过排水沟2，使其在非退水期对农田尾水进行微生物净化，退水期不影响灌区退水效率。

所述玉米芯碳源选择新鲜的、无虫蛀、无霉变的玉米芯，先用锤子敲碎成小块，然后置于粉碎机中粉碎。粉碎后的玉米芯过筛，筛出粒径为1cm以下的玉米芯颗粒，即制得玉米芯碳源。

本发明工作原理：灌区退水期，闸门5关闭，将生态净化池3进水口封闭，农田退水直接从排水沟2退去，不会影响灌区退水效率。

灌区非退水期，将闸门5打开，使灌区排水沟2封闭，农田尾水流入生态净化池3。灌区农田尾水依次流过好氧净化池31、碳源释放池32、厌氧净化池33，将玉米芯缓缓释放出的碳源输送到厌氧净化池33生物填料区，为微生物繁殖生长与反硝化反应的过程提供碳源能量，从而大大提高了生物反硝化反应的效率，使农田尾水中的氮类污染物得到充分净化。

此净化池所用的碳源是农作物固体废料加工物：玉米芯加工物。玉米芯作为植物碳源，碳源释放量大、释放时间持久，并且碳源廉价、容易获取，除此之外还具有总氮、总磷释放量非常小，不会产生二次污染的优点。

对补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池进行实验，在进水平均浓度为总氮53mg/L，硝氮36 mg/L，玉米芯碳源释放有效期可达到103天。出水平均浓度为总氮11 mg/L，硝氮6.8mg/L，平均去除率为总氮79%，硝氮81%。

实施例1

生态净化池3的宽度和灌区排水沟宽度相同，其中好氧净化池31长1.7m，碳源释放池32长1.1m，厌氧净化池长1.5m。碳源释放池32、好氧净化池31的深度比农田排水沟渠的深45cm，长期处于有水状态，以便为好氧净化池、碳源释放池微生物提供生物挂膜生长的环境，增加微生物对水体净化的效率。厌氧净化池深度比农田排水沟渠深145cm，厌氧净化池设置位于好氧净化池、碳源释放池的池底高程以下，长期处于生态净化池水位下方，为微生物反硝化反应提供厌氧条件，增强净化池脱氮效果。

Claims (10)

1.一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其特征是其结构包括闸门（5）、好氧净化池（31）、碳源释放池（32）、厌氧净化池（33）、挡水墙（8）；其中，所述生态净化池（3）设置于农田排水沟渠的一侧，与农田排水沟（2）连通，好氧净化池（31）、厌氧净化池（33）内分别布设有生物填料框（6），碳源释放池内安置有碳源盛载箱（7），排水沟与生态净化池进水口安装有闸门（5），闸门控制水流进入生态净化池或通过排水沟；所述好氧净化池（31）、碳源释放池（32）、厌氧净化池（33）形状为长方体，，碳源释放池（32）与厌氧释放池间（33）采用挡水墙（8）隔开，砌在底部渠床上，挡水墙底部设有厌氧净化池进水口。

2.根据权利要求1所述的一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其特征是所述生态净化池（3）的宽度和灌区排水沟宽度相同，其中好氧净化池（31）长1.7m，碳源释放池（32）长1.1m，厌氧净化池长1.5m；碳源释放池（32）、好氧净化池（31）的深度比农田排水沟渠深45cm，长期处于有水状态，氧净化池深度比农田排水沟渠深145cm，厌氧净化池设置位于好氧净化池、碳源释放池的池底高程以下；好氧净化池（31）、碳源释放池（32）、厌氧净化池（33）和挡水墙采用砖石混凝土材料；所述挡水墙（8）底部设有透水口（81）。

3.根据权利要求1所述的一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其特征是所述碳源释放池（32）包括底架（322）、碳源盛载箱（7）以及出水口（321），碳源盛载箱（7）安置在底架（322）上；所述挡水墙（8）底部设有透水口（81）。

4.根据权利要求3所述的一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其特征是所述碳源盛载箱（7）包括网箱盖和网箱体，网箱体内分为玉米芯盛载区（71）和活性炭盛载区（72），玉米芯盛载区（71）、活性炭盛载区（72）间隔排列，玉米芯盛载区（71）内安置玉米芯碳源；所述碳源盛载箱为长方体透水结构，长40cm、宽30cm、高50cm，碳源盛载箱的框架由粗Φ10的钢筋构成，六个箱面是由细密度的钢丝网构成，网孔的形状为正六边形，透水网孔边长为0.2cm。

5.根据权利要求4所述的一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其特征是所述玉米芯碳源选择新鲜的、无虫蛀、无霉变的玉米芯，先用锤子敲碎成小块，然后置于粉碎机中粉碎，粉碎后的玉米芯过筛，筛出粒径为1cm以下的玉米芯颗粒得到玉米芯碳源。

6.根据权利要求1所述的一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其特征是所述好氧净化池（31）包括进水口、粗格栅拦截网（312）、生物填料框（6）、出水口（313）、窄槽（315）、卡槽（314）、净化池墙体，粗格栅拦截网（312）插入好氧净化池（31）进水口处的窄槽（315）内，池内设有若干卡槽，生物填料框（6）安置在卡槽（314）内。

7.根据权利要求1所述的一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其特征是所述厌氧净化池（33）包括挡水墙（8）、进水口（81）、生物填料框（6）、出水口（332）、卡槽（314）和净化池墙体，池内设有若干卡槽（314），生物填料框（6）安装在卡槽内。

8.根据权利要求1所述的一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其特征是所述生物填料框（6）包括不锈钢框架（62）、若干条辫带式纤维束挂膜填料（63）和手把（61），不锈钢框架（62）顶部设有手把（61），内部设有若干条辫带式纤维束挂膜填料（63）；实施时生物填料框（6）安置在卡槽（314）里进行固定。

9.根据权利要求1所述的一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池，其特征是所述闸门（5）安装于生态净化池入口处，包括转轴（51）和钢制平面闸门叶（52），转轴（51）固定于隔水墙上，旋转闸门叶（52）可绕转轴（51）转动。

10.如权利要求（1）所述的一种补碳型农田排水沟尾水高效脱氮生态净化池的工作方法，其特征是包括如下步骤：

1）灌区退水期，闸门（5）关闭，将生态净化池（3）进水口封闭，农田退水直接从排水沟（2）退去；

2）灌区非退水期，将闸门（5）打开，使灌区排水沟（2）封闭，农田尾水流入生态净化池（3），灌区农田尾水依次流过好氧净化池（31）、碳源释放池（32）、厌氧净化池（33），将玉米芯缓缓释放出的碳源输送到厌氧净化池（33）生物填料区。