CN111704242A - 去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统 - Google Patents

去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统，包括套设的内环和外环过滤系统，内外环过滤系统为防护网围护的环形土柱，内填充有基质和植物固相缓释生物碳，并种植有植物，基质内设置有纳米曝气管，内环高于外环，植物固相缓释生物碳为经过改良剂活化的生物碳材料，改良剂包括黏土矿物和保温剂。首先污水进入内环核心区，利用该生物碳为环形土柱基质材料人工湿地系统进行填充，在不降低有效碳源供给的同时，提升反硝化速率。利用水位落差解决水力流路联通问题，通过梯级水位落差实现水量生态过滤。利用本发明可达到水体水生植物废弃物资源化高效利用和水体过剩大量氮形态污染物同步进行治理的目的。

Description

去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统
技术领域
本发明属于环保技术领域，涉及一种利用持续高效供给的有效生物碳的增强型植物固相缓释生物碳的多级根孔湿地系统。特别是涉及湖滨及河岸带湿地或人工垂直流湿地强化水体反硝化脱氮技术中利用缓释碳源材料构建的湿地系统。
背景技术
生物脱氮是指在脱氮细菌存在的条件下通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为氮气的过程。水体反硝化过程尤其是垂直流人工湿地反硝化脱氮是其氮素移除的主要过程之一。为保证反硝化的顺利进行必须有充足的电子供体，污水中的有机物可为反硝化菌提供电子供体。实际湿地脱氮过程中为保证反硝化顺利进行一般要求COD/TN在4~15，而一般污水中C/N<3，显然尾水进行深度脱氮时，碳源是不足的，需持续地外加碳源。因此，城市再生水深度脱氮过程中，外加碳源（电子供体）的供应方式研究己成为目前迫切需要解决的关键问题。
如果直接投加可溶性碳源，随着处理水硝酸盐浓度的波动，容易造成碳源不足脱氮不完全、碳源过量产生浪费和二次污染等问题，其投加量的不易控制成为最大的难点，在经济成本和运行管理上十分不利。足够的有效碳源可持续供给是提高微生物活性的主要手段。另外，结合根孔湿地微孔“多介质”活性界面的特性，在湿地基质环境中构建丰富的好氧厌氧微孔环境，为反硝化持续供给有效碳源进而提升硝化-反硝化的耦合脱氮过程，能够加速水体氮的去除效率。
发明内容
针对上述问题，本发明采用增强型植物固相缓释生物碳，以根孔湿地微孔“多介质”活性界面为核心，构建了一种去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级生态过滤的环形根孔湿地系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统，包括套设的内环过滤系统和外环过滤系统，所述湿地系统的进水位于所述内环过滤系统内侧，
所述内环过滤系统为由防护网围护的环形柱，所述防护网内设有内环基质、植物固相缓释生物碳和纳米曝气管并种植有植物，
所述外环过滤系统为由防护网围护的环形柱，所述防护网内设有外环基质、植物固相缓释生物碳和纳米曝气管并种植有植物，所述外环过滤系统的高度低于所述内环过滤系统，
所述植物固相缓释生物碳为经过改良剂活化的生物碳材料，所述改良剂包括黏土矿物和保温剂。
优选的，所述纳米曝气管横置于所述内环基质或所述外环基质中，所述植物固相缓释生物碳以植物固相缓释生物碳模块的形式环绕所述纳米曝气管。
优选的，所述植物固相缓释生物碳模块与所述内环基质或所述外环基质的总体积比为1:3。
优选的，所述内环过滤系统或所述外环过滤系统中包括上层纳米曝气管和下层纳米曝气管，所述下层纳米曝气管设置于所述内环过滤系统或所述外环过滤系统的中下层。
优选的，所述下层纳米曝气管距离所述内环过滤系统或所述外环过滤系统的底部15~25cm。
优选的，所述下层纳米曝气管外环绕下层植物固相缓释生物碳模块，所述上层纳米曝气管外环绕上层植物固相缓释生物碳模块，
所述上层植物固相缓释生物碳模块由如下步骤（0-1）至（0-3）制备得到，所述下层植物固相缓释生物碳模块由如下步骤（0-1）至（0-2）制备得到：
（0-1）将水生植物秸秆和玉米芯制成碎屑并混合，之后于惰性气体中厌氧熟化得到生物炭材料；
（0-2）向所述生物炭材料中均匀添加改良剂活化后填充入三维植物网中，之后在三维植物网的表面铺洒活化，风干固化；
（0-3）向步骤（0-2）得到的模块中定植植物带有芽孢根的地下茎。
优选的，步骤（0-3）中定植植物的密度为8~12株/平方米。
优选的，步骤（0-1）所述的水生植物秸秆为沉水植物、浮叶植物和挺水植物的秸秆。优选的，所述的沉水植物以菹草为主，浮水植物为荇菜、水花生或绿狐尾藻；所述的挺水植物为芦苇或茭草；优选挺水植物秸秆的地上部分。
优选的，步骤（0-1）所述的水生植物秸秆和玉米芯的混合质量比为：沉水植物:浮水植物:挺水植物:玉米芯=25~35:25~35:15~30:5~15。
优选的，步骤（0-1）所述的水生植物秸秆经过烘干、磨碎处理。
优选的，步骤（0-1）所述的水生植物秸秆的长度为1~2cm；所述的玉米芯为粒径在1~2cm的颗粒。
优选的，步骤（0-1）所述的惰性气体为N2。
优选的，步骤（0-1）所述的厌氧熟化的温度为25~40℃，优选30~35℃。
优选的，步骤（0-2）所述的活化的温度为30~35℃。
优选的，步骤（0-2）所述的铺洒活化为喷洒Ca(OH)2或Mg(OH)2悬浊液活化。
优选的，步骤（0-3）中植物的芽孢埋藏深度为5~10cm。
优选的，所述的黏土矿物为硅藻土、凹凸棒土或高岭土。
优选的，所述的黏土矿物为硅藻土，使用剂量为25~160g/L。
优选的，所述的保温剂为10~20%的熟石灰悬浊液。
优选的，所述的三维植物网的材制为植物纤维；优选的，所述植物纤维为椰壳纤维或亚麻纤维。
优选的，所述内环基质为黏土、氧化铁和石灰石的混合物。优选的，所述黏土、氧化铁和石灰石的质量比为80~90:2~5:5~10。
优选的，所述外环基质为沙砾、石灰石和氧化铁的混合物。优选的，所述砂砾、石灰石和氧化铁的质量比为85~90:2~5:5~15。
优选的，所述防护网为镀锌铁丝网。
优选的，所种植的植物为芦苇和香蒲。
优选的，为有效控制活根孔与死根孔比例，提升根孔湿地反硝化脱氮效率，所述多级根孔湿地系统内的活根孔孔隙率与死根孔孔隙率比值为1:0.5~0.9，具体通过调整基质层中黏土比例及曝气速率来调整孔隙率比例。植物根系穿插在基质中，根系周围形成活根孔，靠根系分泌物形成功能微生物群落，根孔有效范围在根表1~2cm范围内。死根孔是植物根系腐烂死亡后留下的空隙。
该根孔湿地系统，在基质、植物固相缓释生物碳中布设有纳米曝气管，形成好氧-厌氧多微孔界面的脱氮强化处理的混合基质系统根系周围根表1-2cm形成活性生物膜层，利用植物发达根系和基质层表面附着的微生物膜及曝气管道三者共同作为基础植物活性根孔系统。
内环过滤系统和外环过滤系统形成的二级过滤系统，内环为核心区，污水经管道引入内环，布设的纳米曝气管增强了局部水体复氧能力。内环过滤系统的高度高于外环过滤系统，内外环之间水体利用落差实现水体自流。
将含有带有芽孢根的地下茎的植物的固相缓释生物碳模块布设完毕后，经2~3个月，植物根系即充满三维植物网和内环过滤系统及外环过滤系统。
该植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统采用多级生态过滤的网状根孔湿地组建，利用水位落差解决水力流路联通问题，通过梯级水位落差实现水量生态过滤。
优选的，所述内环过滤系统和所述外环过滤系统的水头落差控制在0.2~0.4m范围内，内环或外环的高度为50~120cm。
目前人工湿地存在以下技术难点：缓释碳源存在碳供应阶段有效碳源可持续供给问题；碳源供给过程中低温条件下反硝化低下材料需保温特性；以及碳源供给中有毒物质控制问题，厌氧降解释放的有毒有害物质对反硝化脱氮过程的抑制效应。
针对上述技术难点，本发明提供的解决方案的技术进步性在于：
（1）针对存在缓释碳源存在碳供应阶段有效碳源可持续供给问题的技术难点问题，本发明提供的技术方案采用通过湿地系统内部组分结构的优化配置实现。具体为利用不同固相植物材料的降解特性和比例配置，利用湿地过剩植物材料进行循环再利用，充分挖掘了湿地植物性固相碳源在加强脱氮处理过程中优势，不引入新的污染源形成二次污染。
（2）针对碳源供给过程中氮磷营养盐过度释放问题的技术难点，在利用植物性碳的同时有效管控了植物性其它次生物质如氮磷过多释放问题，利用碳缓释特性有效控制碳氮腐烂分解过程，同时针对少量释放溶解性氮磷进行有效固定使其不进入水体造成严重的二次污染。
（3）针对碳源供给中有毒物质控制问题，厌氧降解释放的有毒有害物质对反硝化脱氮过程的抑制效应的技术难点：为解决植物碳源的供给过程中生物毒性问题，过度生物碳供给造成水体厌氧及有毒有机物累积，抑制硝化-反硝化过程中活性微生物的生理生态及酶活性。本发明缓释过程同时给系统复氧，形成了丰富的厌氧复氧微环境，避免了毒性物质对脱氮过程抑制性，同时为耦合反硝化脱氮过程提供有力生境条件。
（4）提升可利用生物碳的性能，形成了丰富的好氧厌氧微孔环境，为生物炭的高效率提供良好生境条件，保持碳参与生化过程反应温度较高，碳利用持续高效，一定程度上解决冬季湿地效率较低的技术难点。在两者共同耦合下保障植物碳源参与的反硝化过程供给碳有效利用，提升水体耦合反硝化脱氮效率。
本发明的有益效果：
（1）发明中涉及工程实施技术工艺流程相对简化、技术可操作性强，在一般人工湿地建设过程中可同步实施，提升生态工程的修复效果。
（2）本发明涉及的修复材料如植物秸秆、芦苇、香蒲等，以及熟石灰、硅藻土、凹凸棒土均为生态友好型材料，且价格低廉，材料来源广，适宜在人工湿地生态工程实践中应用推广。
（3）本发明提供的技术方案，发明充分利用河湖生态系统的自我调节功能，减少人为干扰频率和强度。通过生态系统内部组分结构的调整，改良植物材料碳源供给数量和质量，最终实现碳源可持续高效供给的目的。在对供给碳源预处理后，移除或削减碳同步释放过程中的主要污染物二次溢出，利用生态友好型改良剂的安全处置和保温性能，一定程度上解决冬季湿地效率较低的技术难点。利用该碳源在氧化塘和垂直流人工湿地系统进行，在不降低有效碳源供给的同时，提升反硝化速率。
本发明就着眼于湿地碳源供给系统，研发种持续高效供给的水体有效碳的制备方法及其利用生物碳构建一种增强型植物固相缓释生物碳的多级根孔湿地系统，为我国污染水体及沉积物氮污染的治理提供一个新的解决思路。
附图说明
图1是本发明所述多级根孔湿地系统的俯视结构示意图。
图2是本发明所述多级根孔湿地系统的半剖面结构示意图。
其中，1是进水池，2是内环基质，3是一级出水池，4是二级出水池，5是外环过滤系统，6是外环基质，7是下层植物固相缓释碳模块，8是纳米曝气管道，9是植物，10是上层植物固相缓释碳模块。图中箭头表示水流方向。
图3是实施例1中水体中TOC在加入植物固相缓释生物碳前后的动态变化对比图。
图4是实施例1中水体中N2O在加入植物固相缓释生物碳前后的动态变化对比图。
图5是实施例2中水体中TOC在加入植物固相缓释生物碳前后的动态变化对比图。
图6是实施例2中水体中N2O在加入植物固相缓释生物碳前后的动态变化对比图。
图7是实施例3中水体中TOC在加入植物固相缓释生物碳前后的动态变化对比图。
图8是实施例3中水体中N2O在加入植物固相缓释生物碳前后的动态变化对比图。
图9是实施例4中水体中TOC在加入植物固相缓释生物碳前后的动态变化对比图。
图10是实施例4中水体中N2O在加入植物固相缓释生物碳前后的动态变化对比图。
图11是实施例5中水体中TOC在加入植物固相缓释生物碳前后的动态变化对比图。
图12是实施例5中水体中N2O在加入植物固相缓释生物碳前后的动态变化对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图说明对本发明的技术方案进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
实施例1
根据本发明，针对水体氮污染的问题，为强化安徽某河流旁路净水湿地的氧化塘的反硝化脱氮过程，利用本发明所述的植物固相缓释生物碳进行补碳，提升微生物活性，提升除氮效率。具体实施方案如下：
（1）制备植物固相缓释生物碳：收集菹草、荇菜、芦苇及茭草秸秆的地上部分植物材料，然后分别烘干、粉碎成1cm小段，同时收集玉米芯，同样烘干、粉碎成粒径约1cm小颗粒。然后按照质量比菹草:荇菜:芦苇茭草混合物:玉米芯比例为35:25:30:5比例进行混合获得植物型碳源，为下一步利用混合改良剂对生物碳进行改性做储备。然后将植物型碳源在N2的氛围中密闭容器中30~35℃条件下厌氧发酵得到生物炭材料，通过播撒方式加入混合改良剂25g/L硅藻土和10%的熟石灰悬浊液，上述物质成分混合后陈化24h后，开始在发酵3天，控制发酵温度为30℃。然后进行二次发酵处理，添加50g/L沸石悬浊液及2mol/LH2SO4进行喷洒，上述物质成分混合后陈化24h后，开始发酵5天，控制发酵温度为32℃。发酵完成后得到活化的固相植物性碳源。
（2）利用椰壳材料获得三维植物网，将获得的植物型碳源填充三维植物网中，填充体积为60%，然后在网上喷洒20g/L的Ca(OH)2悬浊液。进行二次活化处理后得到上层植物固相缓释生物碳模块。
（3）制备下层植物固相缓释生物碳模块：向得到的部分上层植物固相缓释生物碳模块的三维网中定植芦和香蒲带有芽孢根地下茎，按照8株/平方米进行定植。芽孢埋藏深度为5cm。
（4）构建去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统：
构建套设的内环过滤系统和外环过滤系统，湿地系统的进水位于内环过滤系统内侧，内环过滤系统和外环过滤系统为由镀锌铁丝网围护的环形柱，所述外环过滤系统的高度低于所述内环过滤系统。
内环内采用黏土与氧化铁及石灰石组成的辅助填料混合物为内环基质，黏土、氧化铁和石灰石的质量比为80:2:10，基质中设置横置的一上一下两根纳米曝气管，下方的纳米曝气管外环绕下层植物固相缓释生物碳模块，距离底部15~25cm，上方的纳米曝气管外环绕植物固相缓释生物碳模块。
内环内植物固相缓释生物碳模块与内环基质的总体积比为1:3。
外环的结构与内环相同，区别仅在于，外环基质为沙砾以及石灰石和氧化铁，砂砾、石灰石和氧化铁的质量比为90: 5:5。
经2月后，植物根系充满三维网和环形基质，多级根孔湿地系统基本构建完成。
（5）经运行一段时间系统稳定后，然后将高氮的污水引入该湿地系统，经多级生态过滤的环形根孔湿地滞留和处理后再流出。对水体进行6月的连续监测，数据如图3和图4所示。发现水体可溶性总有机碳（TOC）及水体N2O的显著高于对照，分别为对照的2.28和3.74倍。硝化菌和反硝化菌数量分别增加95%和120%。水体氨氮和硝态氮去除率较对照显著下降45%和76%。效果显著，水质明显改观。
实施例2
根据本发明，针对水体氮污染的问题，为强化安徽某河流旁路净水湿地的垂直流湿地的反硝化脱氮过程，利用本发明所述的植物性固相缓释生物碳进行补碳，提升微生物活性。具体实施方案如下：
（1）制备植物固相缓释生物碳：收集菹草、绿狐尾藻和荇菜、茭草秸秆的地上部分植物材料，然后分别烘干、粉碎成2cm小段，同时收集玉米芯，同样烘干、粉碎成粒径约2cm颗粒。然后按照质量比菹草: 绿狐尾藻和荇菜混合物::茭草:玉米芯比例为25:30:30:15比例进行混合获得植物型碳源，为下一步利用混合改良剂对生物碳进行改性做储备。然后将植物型碳源在N2的氛围中密闭容器中25~30℃条件下厌氧发酵得到生物炭材料，通过播撒方式加入混合改良剂60g/L凹凸棒土和12%的熟石灰悬浊液，上述物质成分混合后陈化24h后，开始在发酵3天，控制发酵温度为30℃。然后进行二次发酵处理，添加60g/L沸石悬浊液及2mol/LH2SO4进行喷洒，上述物质成分混合后陈化24h后，开始发酵5天，控制发酵温度为32℃。发酵完成后得到活化的固相植物性碳源。
（2）利用亚麻纤维获得三维植物网，将获得的植物型碳源填充三维植物网中，填充体积为60%，然后在网上喷洒20g/L的Ca(OH)2和10%的Mg(OH)2悬浊液。进行二次活化处理后得到上层植物固相缓释生物碳模块。
（3）制备下层植物固相缓释生物碳模块：向得到的部分上层植物固相缓释生物碳模块的三维网中定植芦和香蒲带有芽孢根地下茎，按照10株/平方米进行定植。芽孢埋藏深度为10cm。
（4）构建去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统：
构建套设的内环过滤系统和外环过滤系统，湿地系统的进水位于内环过滤系统内侧，内环过滤系统和外环过滤系统为由镀锌铁丝网围护的环形柱，所述外环过滤系统的高度低于所述内环过滤系统。
内环内采用黏土与氧化铁及石灰石组成的辅助填料混合物为内环基质，黏土、氧化铁和石灰石的质量比为90:5:5，基质中设置横置的一上一下两根纳米曝气管，下方的纳米曝气管外环绕下层植物固相缓释生物碳模块，距离底部15~25cm，上方的纳米曝气管外环绕植物固相缓释生物碳模块。
内环内植物固相缓释生物碳模块与内环基质的总体积比为1:3。
外环的结构与内环相同，区别仅在于，外环基质为沙砾以及石灰石和氧化铁，砂砾、石灰石和氧化铁的质量比为85: 2:15。
经2月后，植物根系充满三维网和环形基质，多级根孔湿地系统基本构建完成。
（5）经运行一段时间系统稳定后，然后将高氮的污水引入该湿地系统，经多级生态过滤的环形根孔湿地滞留和处理后再流出。对水体进行6月的连续监测，数据如图5和图6所示。发现水体可溶性总有机碳（TOC）及水体N2O的显著高于对照，其中TOC和水体中反硝化产物N2O分别为对照的1.64和3.28倍，硝化菌和反硝化菌数量分别增加85%和140%。水体氨氮和硝态氮较对照低52%和68%。效果显著，水质明显改观。
实施例3
根据本发明，针对水体氮污染的问题，为强化安徽某河流旁路净水湿地的垂直流湿地的反硝化脱氮过程，利用本发明所述的植物性固相缓释生物碳进行补碳，提升微生物活性。具体实施方案如下：
（1）制备植物固相缓释生物碳：收集菹草、茭草、伊乐藻、水花生秸秆的地上部分植物材料，然后分别烘干、粉碎成1cm小段，同时收集玉米芯，同样烘干、粉碎成粒径约1cm颗粒。然后按照质量比菹草:绿水花生和伊乐藻混合物:茭草:玉米芯比例为35:35:15:15比例进行混合获得植物型碳源，为下一步利用混合改良剂对生物碳进行改性做储备。然后将植物型碳源在N2的氛围中密闭容器中35~40℃条件下厌氧发酵得到生物炭材料，通过播撒方式加入混合改良剂150g/L凹凸棒土和20%的熟石灰悬浊液，上述物质成分混合后陈化24h后，开始在发酵3天，控制发酵温度为30℃。然后进行二次发酵处理，添加20g/L沸石悬浊液及2mol/LH2SO4进行喷洒，上述物质成分混合后陈化24h后，开始发酵5天，控制发酵温度为35℃。发酵完成后得到活化的固相植物性碳源。
（2）利用椰壳材料获得三维植物网，将获得的植物型碳源填充三维植物网中，填充体积为65%，然后在网上喷洒10g/L的Ca(OH)2和10%的Mg(OH)2悬浊液。进行二次活化处理后得到上层植物固相缓释生物碳模块。
（3）制备下层植物固相缓释生物碳模块：向得到的部分上层植物固相缓释生物碳模块的三维网中定植芦和香蒲带有芽孢根地下茎，按照8株/平方米进行定植。芽孢埋藏深度为5cm。
（4）构建去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统：
构建套设的内环过滤系统和外环过滤系统，湿地系统的进水位于内环过滤系统内侧，内环过滤系统和外环过滤系统为由镀锌铁丝网围护的环形柱，所述外环过滤系统的高度低于所述内环过滤系统。
内环内采用黏土与氧化铁及石灰石组成的辅助填料混合物为内环基质，黏土、氧化铁和石灰石的质量比为80:2:10，基质中设置横置的一上一下两根纳米曝气管，下方的纳米曝气管外环绕下层植物固相缓释生物碳模块，距离底部15~25cm，上方的纳米曝气管外环绕植物固相缓释生物碳模块。
内环内植物固相缓释生物碳模块与内环基质的总体积比为1:3。
外环的结构与内环相同，区别仅在于，外环基质为沙砾以及石灰石和氧化铁，砂砾、石灰石和氧化铁的质量比为90:5:5。
经2月后，植物根系充满三维网和环形基质，多级根孔湿地系统基本构建完成。
（5）经运行一段时间系统稳定后，然后将高氮的污水引入该湿地系统，经多级生态过滤的环形根孔湿地滞留和处理后再流出。对水体进行6月的连续监测，数据如图7和图8所示。发现水体可溶性总有机碳（TOC）及水体N2O的显著高于对照，其中TOC和水体中反硝化产物N2O分别为对照的1.70和2.70，硝化菌和反硝化菌数量分别增加75%和160%。水体氨氮和硝态氮较对照低55%和71%。效果显著，水质明显改观。
实施例4
根据本发明，针对水体氮污染的问题，为强化安徽某河流旁路净水湿地的垂直流湿地的反硝化脱氮过程，利用本发明所述的植物固相缓释生物碳进行补碳，提升微生物活性。具体实施方案如下：
（1）制备植物固相缓释生物碳：收集菹草、茭草、绿狐尾藻秸秆的地上部分植物材料，然后分别烘干、粉碎成1cm小段，同时收集玉米芯，同样烘干、粉碎成粒径约1cm颗粒。然后按照质量比菹草:绿狐尾藻:茭草:玉米芯比例为25:35:30:10比例进行混合获得植物型碳源，为下一步利用混合改良剂对生物碳进行改性做储备。然后将植物型碳源在N2的氛围中密闭容器中30~35℃条件下厌氧发酵得到生物炭材料，通过播撒方式加入混合改良剂160 g/L硅藻土和15%的熟石灰悬浊液，上述物质成分混合后陈化24h后，开始在发酵3天，控制发酵温度为30℃。然后进行二次发酵处理，添加10g/L沸石悬浊液及2mol/LH2SO4进行喷洒，上述物质成分混合后陈化24h后，开始发酵5天，控制发酵温度为35℃。发酵完成后得到活化的固相植物性碳源。
（2）利用椰壳材料获得三维植物网，将获得的植物型碳源填充三维植物网中，填充体积为70%，然后在网上喷洒15g/L的Ca(OH)2和10%的Mg(OH)2悬浊液。进行二次活化处理后得到上层植物固相缓释生物碳模块。
（3）制备下层植物固相缓释生物碳模块：向得到的部分上层植物固相缓释生物碳模块的三维网中定植芦和香蒲带有芽孢根地下茎，按照8株/平方米进行定植。芽孢埋藏深度为5cm。
（4）构建去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统：
构建套设的内环过滤系统和外环过滤系统，湿地系统的进水位于内环过滤系统内侧，内环过滤系统和外环过滤系统为由镀锌铁丝网围护的环形柱，所述外环过滤系统的高度低于所述内环过滤系统。
内环内采用黏土与氧化铁及石灰石组成的辅助填料混合物为内环基质，黏土、氧化铁和石灰石的质量比为80:2:10，基质中设置横置的一上一下两根纳米曝气管，下方的纳米曝气管外环绕下层植物固相缓释生物碳模块，距离底部15~25cm，上方的纳米曝气管外环绕植物固相缓释生物碳模块。
内环内植物固相缓释生物碳模块与内环基质的总体积比为1:3。
外环的结构与内环相同，区别仅在于，外环基质为沙砾以及石灰石和氧化铁，砂砾、石灰石和氧化铁的质量比为90: 5:5。
经2月后，植物根系充满三维网和环形基质，多级根孔湿地系统基本构建完成。
（5）经运行一段时间系统稳定后，然后将高氮的污水引入该湿地系统，经多级生态过滤的环形根孔湿地滞留和处理后再流出。对水体进行6月的连续监测，数据如图9和图10所示。发现水体可溶性总有机碳（TOC）及水体N2O的显著高于对照，其中TOC和水体中反硝化产物N2O分别为对照的1.70和2.70，硝化菌和反硝化菌数量分别增加85%和180%。水体氨氮和硝态氮较对照低65%和77%。效果显著，水质明显改观。
实施例5
根据本发明，针对水体氮污染的问题，为强化安徽某河流旁路净水湿地的垂直流湿地的反硝化脱氮过程，利用本发明所述的植物固相缓释生物碳进行补碳，提升微生物活性。具体实施方案如下：
（1）制备植物固相缓释生物碳：收集菹草及狐尾藻、茭草、绿狐尾藻秸秆的地上部分植物材料，然后分别烘干、粉碎成1cm小段，同时收集玉米芯，同样烘干、粉碎成粒径约1cm颗粒。然后按照质量比菹草:绿狐尾藻:茭草:玉米芯比例为30:30:25:15比例进行混合获得植物型碳源，为下一步利用混合改良剂对生物碳进行改性做储备。然后将植物型碳源在N2的氛围中密闭容器中30~35℃条件下厌氧发酵得到生物炭材料，通过播撒方式加入混合改良剂120 g/L高岭土和10%的熟石灰悬浊液，上述物质成分混合后陈化24h后，开始在发酵3天，控制发酵温度为30℃。然后进行二次发酵处理，添加15g/L沸石悬浊液及2mol/LH2SO4进行喷洒，上述物质成分混合后陈化24h后，开始发酵5天，控制发酵温度为35℃。发酵完成后得到活化的固相植物性碳源。
（2）利用椰壳材料获得三维植物网，将获得的植物型碳源填充三维植物网中，填充体积为60%，然后在网上喷洒20g/L的Ca(OH)2和12%的Mg(OH)2悬浊液。进行二次活化处理后得到上层植物固相缓释生物碳模块。
（3） 制备下层植物固相缓释生物碳模块：向得到的部分上层植物固相缓释生物碳模块的三维网中定植芦和香蒲带有芽孢根地下茎，按照8株/平方米进行定植。芽孢埋藏深度为5cm。
（4）构建去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统：
构建套设的内环过滤系统和外环过滤系统，湿地系统的进水位于内环过滤系统内侧，内环过滤系统和外环过滤系统为由镀锌铁丝网围护的环形柱，所述外环过滤系统的高度低于所述内环过滤系统。
内环内采用黏土与氧化铁及石灰石组成的辅助填料混合物为内环基质，黏土、氧化铁和石灰石的质量比为80:2:10，基质中设置横置的一上一下两根纳米曝气管，下方的纳米曝气管外环绕下层植物固相缓释生物碳模块，距离底部15~25cm，上方的纳米曝气管外环绕植物固相缓释生物碳模块。
内环内植物固相缓释生物碳模块与内环基质的总体积比为1:3。
外环的结构与内环相同，区别仅在于，外环基质为沙砾以及石灰石和氧化铁，砂砾、石灰石和氧化铁的质量比为90: 5:5。
经2月后，植物根系充满三维网和环形基质，多级根孔湿地系统基本构建完成。
（5）经运行一段时间系统稳定后，然后将高氮的污水引入该湿地系统，经多级生态过滤的环形根孔湿地滞留和处理后再流出。对水体进行6月的连续监测，数据如图11和图12所示。发现水体可溶性总有机碳（TOC）及水体N2O的显著高于对照，其中TOC和水体中反硝化产物N2O分别为对照的1.81和3.14，硝化菌和反硝化菌数量分别增加85%和120%。水体氨氮和硝态氮较对照低40%和70%。效果显著，水质明显改观。

Claims (10)

1.一种去除水体氮污染的植物固相缓释生物碳多级根孔湿地系统，其特征在于，包括套设的内环过滤系统和外环过滤系统，所述湿地系统的进水位于所述内环过滤系统内侧，
所述内环过滤系统为由防护网围护的环形柱，所述防护网内设有内环基质、植物固相缓释生物碳和纳米曝气管并种植有植物，所述纳米曝气管横置于所述内环基质中，所述植物固相缓释生物碳以植物固相缓释生物碳模块的形式环绕所述纳米曝气管，
所述外环过滤系统为由防护网围护的环形柱，所述防护网内设有外环基质、植物固相缓释生物碳和纳米曝气管并种植有植物，所述纳米曝气管横置于所述外环基质中，所述植物固相缓释生物碳以植物固相缓释生物碳模块的形式环绕所述纳米曝气管，所述外环过滤系统的高度低于所述内环过滤系统，
所述植物固相缓释生物碳为经过改良剂活化的生物碳材料，所述改良剂包括黏土矿物和保温剂。
2.根据权利要求1所述的多级根孔湿地系统，其特征在于，所述植物固相缓释生物碳模块与所述内环基质或所述外环基质的总体积比为1:3。
3.根据权利要求1所述的多级根孔湿地系统，其特征在于，所述内环过滤系统或所述外环过滤系统中包括上层纳米曝气管和下层纳米曝气管，所述下层纳米曝气管设置于所述内环过滤系统或所述外环过滤系统的中下层。
4.根据权利要求3所述的多级根孔湿地系统，其特征在于，所述下层纳米曝气管外环绕下层植物固相缓释生物碳模块，所述上层纳米曝气管外环绕上层植物固相缓释生物碳模块，
所述上层植物固相缓释生物碳模块由如下步骤（0-1）至（0-3）制备得到，所述下层植物固相缓释生物碳模块由如下步骤（0-1）至（0-2）制备得到：
（0-1）将水生植物秸秆和玉米芯制成碎屑并混合，之后于惰性气体中厌氧熟化得到生物炭材料；
（0-2）向所述生物炭材料中均匀添加改良剂活化后填充入三维植物网中，之后在三维植物网的表面铺洒活化，风干固化；
（0-3）向步骤（0-2）得到的模块中定植植物带有芽孢根的地下茎。
5.根据权利要求4所述的多级根孔湿地系统，其特征在于，步骤（0-3）中定植植物的密度为8~12株/平方米。
6.根据权利要求4所述的多级根孔湿地系统，其特征在于，步骤（0-1）所述的水生植物秸秆为沉水植物、浮叶植物和挺水植物的秸秆；优选的，所述的沉水植物为菹草，浮水植物为荇菜、水花生或绿狐尾藻；所述的挺水植物为芦苇或茭草；优选挺水植物秸秆的地上部分。
7.根据权利要求4所述的多级根孔湿地系统，其特征在于，步骤（0-1）所述的厌氧熟化的温度为25~40℃，优选30~35℃。
8.根据权利要求4所述的多级根孔湿地系统，其特征在于，步骤（0-3）中植物的芽孢埋藏深度为5~10cm。
9.根据权利要求1所述的多级根孔湿地系统，其特征在于，所述内环基质为黏土、氧化铁和石灰石的混合物；优选的，所述黏土、氧化铁和石灰石的质量比为80~90:2~5:5~10；所述外环基质为沙砾、石灰石和氧化铁的混合物；优选的，所述砂砾、石灰石和氧化铁的质量比为85~90:2~5:5~15。
10.根据权利要求1所述的多级根孔湿地系统，其特征在于，所述多级根孔湿地系统内的活根孔孔隙率与死根孔孔隙率比值为1:0.5~0.9。
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CN116216931A (zh) * 2023-03-30 2023-06-06 中国科学院南京地理与湖泊研究所 一种反硝化固体缓释碳源的制备方法及其应用

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CN116216931A (zh) * 2023-03-30 2023-06-06 中国科学院南京地理与湖泊研究所 一种反硝化固体缓释碳源的制备方法及其应用

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