CN111977809A - 一种电活性填料导管折流人工湿地 - Google Patents

一种电活性填料导管折流人工湿地 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电活性填料导管折流人工湿地，包括：进水系统、电活性填料导管、湿地填料床、湿地植物、出水系统，电活性填料导管包括进水口、导管、填料、环形导流堰。进水系统将进水分配至各电活性填料导管，以下进上出形式向上穿过电活性填料导管中的电活性填料层，再通过环形导流堰向四周的湿地填料床均匀布水，出水以上进下出的形式流经湿地填料床。在水流以折流形式通过电活性填料导管和湿地填料床的同时，进水中的有机物将被附着在电活性填料导管内的电活性填料表面的产电菌降解，产生的电子穿过电活性填料导管到达外部的湿地填料床内的电活性填料，并被电活性填料表面附着的自养型反硝化微生物利用，实现低碳氮比进水条件下的脱氮。

Description

一种电活性填料导管折流人工湿地
技术领域
本发明涉及一种电活性填料导管折流人工湿地，属于人工湿地技术和污水处理技术领域。
背景技术
人工湿地是一种根据天然湿地净化污水的原理，通过人工建造和监督控制来强化其净化能力的污水处理技术。按照人工湿地填料床内的水体流态，可以将人工湿地分为垂直流人工湿地和水平流人工湿地。其中，垂直流人工湿地在水体竖向流动的过程中，通过水流的扰动作用，可以增加湿地复氧效果，对有机物的降解和硝化过程具有促进作用。
目前，人工湿地作为污水处理厂尾水处理的脱氮效果的难点之一在于，反硝化容易受到电子供体不足的限制。由于污水处理厂尾水经过好氧过程处理，其中的有机物浓度已经较低，同时尾水中仍然残留部分的氨氮，这部分氨氮要彻底去除首先需要经过复氧硝化的过程，而硝化作用是以自养微生物为主导的，只有尾水中有机物降解较为彻底后才能进行，而在硝化过程中产生的硝态氮又会进一步受到有机物不足的限制。因此，作为三级处理工艺的人工湿地总氮去除率有限。利用产电微生物在降解尾水中残留的有机物的同时，可以产生部分电子，这部分电子在合适的导向下，可以被自养型反硝化菌利用，从而达到低碳氮比进水条件下脱氮的效果。电活性人工湿地是一种新型的人工湿地技术，这种人工湿地技术能够有效地富集产电微生物，如专利号为CN201810010303.X，名称为“一种内产电外翻式水流人工湿地污水净化系统”、专利号为CN201810010337.9，名称为“一种外产电内汇式水流人工湿地污水净化方法”、专利号为CN201810010466.8，名称为“一种内产电外翻式水流人工湿地污水净化方法”、专利号为CN201810010338.3，名称为“一种外产电内汇式水流人工湿地污水净化系统”、专利号为CN201820016141.6，名称为“一种人工湿地污水净化装置”、专利号为CN201820016132.7，名称为“一种外产电内汇式水流人工湿地污水净化装置”、专利号为CN201810010338.3，名称为“一种外产电内汇式水流人工湿地污水净化系统”、专利号为CN201810010466.8，名称为“一种内产电外翻式水流人工湿地污水净化方法”等专利分别公开了不同的电活性人工湿地技术方案。但是现有的电活性人工湿地技术仅仅在于将湿地内部的电子沿纵向方向向上传递至湿地表层，并以氧气作为系统的最终电子受体，以达到提高有机物去除率的目的，但是在这个过程中，有机物降解产生的电子并没有达到反硝化菌群落，因此这类技术对于人工湿地脱氮效果促进作用相当有限。
发明内容
本发明旨在提供一种电活性填料导管折流人工湿地。该电活性填料导管折流人工湿地能将电活性填料导管内的进水有机物在产电微生物的作用下降解，同时释放出胞外电子，胞外电子通过电活性填料和导电管段传递至导管外部，同时，电活性填料导管作为导管折流人工湿地的布水导管，经过该电活性填料导管的水流，通过自然重力作用进行跌水复氧，发生硝化过程，进一步地，从导管内导出的电子提供以导管折流人工湿地填料床中的电活性填料表面附着的反硝化功能微生物所利用，将经过硝化作用产生的硝酸盐还原为氮气，进而充分地利用了湿地进水中的碳源，提高人工湿地脱氮效果和效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种电活性填料导管折流人工湿地，包括：
湿地填料床，所述湿地填料床内从下至上依次设置承托层、第一电活性填料层、第一表面填料层；
等间距地均布在所述湿地填料床内的电活性填料导管，各所述电活性填料导管包括：由非导电管段和导电管段拼接而成的导管，所述导管内由下至上分别设置有布水层、第二电活性填料层和第二表面填料层；
所述第二电活性填料层对应的导管段为导电管段，所述布水层和所述第二表面填料层对应的导管段为非导电管段；
所述第一电活性填料层和所述第二电活性填料层内的填料均由电活性填料组成，所述第一表面填料层和所述第二表面填料层内的填料均由非导电填料组成；
所述第一电活性填料层与所述第二电活性填料层在水平方向上的垂直投影上至少部分重叠。
优选地，所述导管的底部设置有进水口，所述布水层和所述第一电活性填料层之间设置有穿孔布水板，所述导管的顶部外沿设置有环形导流堰；
进水系统的提供的进水通过所述进水口进入所述布水层内，进一步穿过所述穿孔布水板上的穿孔进入所述第二电活性填料层内，进水中的有机物在电活性填料中的产电微生物作用下降解，同时释放出胞外电子，释放出的胞外电子通过所述导管内的电活性填料和导电管段传递至所述导管外部；
所述导管同时作为使进水折流入所述湿地填料床中的布水导管，从所述导管底部的进水口进入所述导管内的进水依靠重力作用从所述环形导流堰上进行跌水复氧，发生硝化反应；
进一步地，所述导管导出的胞外电子被所述湿地填料床中的第二电活性填料层表面附着的反硝化功能微生物所利用，进而将经过硝化反应产生的硝酸盐还原为氮气。
优选地，所述穿孔布水板上设置的穿孔孔径小于所述第二电活性填料层和所述第二表面填料层内的填料的粒径。
优选地，所述环形导流堰以一定角度向下倾斜。
优选地，所述湿地填料床的第一表面填料层上种植有湿地植物。
优选地，所述湿地还包括：
由相连的穿孔集水管和出水弯管组成的出水系统，所述穿孔集水管布置于所述湿地填料床底部，通过调节所述出水弯管的纵向高度将所述湿地填料床内的液面高度控制在所述第一表面填料层的填料高度以下。
优选地，所述导管的导电管段选用不锈钢材料制成的管段，所述导管的非导电管段选用PVC材料制成的管段。
优选地，所述第一电活性填料层和所述第二电活性填料层中填充的填料至少包括：焦炭和/或生物炭，所述第一表面填料层和所述第二表面填料层中填充的填料至少包括：砾石、石英砂和/或沸石。
优选地，所述第一电活性填料层与所述第二电活性填料层在水平方向上齐平，所述第一表面填料层和所述第二表面填料层在水平方向上齐平。
本发明的有益效果为：
人工湿地进水由导管折流人工湿地进水系统分配至各个电活性填料导管，并以下进上出形式向上穿过电活性填料导管中的第二电活性填料层，然后通过环形导流堰向四周的导管折流人工湿地填料床均匀布水，电活性填料导管的出水以上进下出的形式流经湿地填料床，湿地填料床以半饱和形式运行，其底部设置穿孔集水管收集出水，随后排出出水。在水流以折流形式通过电活性填料导管和湿地填料床的同时，进水中的有机物将被附着在电活性填料导管内的电活性填料表面的产电菌降解，然后产生的电子穿过电活性填料导管到达外部的湿地填料床内的电活性填料，并被电活性填料表面附着的自养型反硝化微生物利用，实现低碳氮比进水条件下的脱氮过程。本发明解决了人工湿地处理污水处理厂尾水时氮去除率受到碳源限制的问题，是一种高效、环保的新型污水处理装置。
附图说明
图1为本发明实施例的电活性填料导管折流人工湿地的侧视图；
图2为本发明实施例的电活性填料导管折流人工湿地的俯视图；
图3为电活性填料导管的主视图；
图4为电活性填料导管的侧视图；
图5为本实施例电活性填料导管去氮的原理图；
附图标记说明：1、湿地填料床，2、电活性填料导管，3、进水系统，4、出水系统，5、湿地植物，6、穿孔集水管，7、出水弯管，8、第一表面填料层，9、第一电活性填料层，10、承托层，11、第二表面填料层，12、第二电活性填料层，13、布水层，14、导管，15、非导电管段，16、导电管段，17、穿孔布水板，18、进水口，19、环形导流堰。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参照图1至图4，本发明实施例提供了一种电活性填料导管折流人工湿地，该电活性填料导管折流人工湿地由进水系统3、电活性填料导管2、湿地填料床1、湿地植物5、出水系统4组成。
其中，湿地填料床1作为湿地主体，进水系统3用于向湿地填料床1内提供待处理水，出水系统用于将湿地填料床1内处理后的水导出。
所述的进水系统3，前端连接进水构筑物，后端伸入至湿地填料床1的底部。
如图1，湿地填料床1内从下至上依次设置承托层10、第一电活性填料层9、第一表面填料层8。
第一表面填料层8上种植于湿地植物，湿地植物5可以选择人工湿地常用的植物，可选地，香蒲、风车草。成，其中，所述的第一电活性填料层9内填充以电活性填料，可选但不限于，焦炭和/或生物炭，所述的第一表面填料层8内填充以非导电填料，可选但不限于，砾石、石英砂和/或沸石。
同时在所述湿地填料床1内等间距地均布有多个电活性填料导管2，各个电活性填料导管2均包括由非导电管段15和导电管段16拼接而成的导管14，导电管段16要求机械强度、化学稳定性以及优良导电性，其材质可选用不锈钢；非导电管段15要求机械强度和化学稳定性，其材质可选用PVC。此外，如图3和图4，在所述导管14内由下至上分别设置有布水层13、第二电活性填料层12和第二表面填料层11，布水层13和第二表面填料层11对应的导管段为非导电管段15，第二电活性填料层12对应的导管段为导电管段16。第二电活性填料层12中填充的填料为电活性填料，电活性填料可选但不限于，焦炭和/或生物炭；第二表面填料层11中填充的填料为非导电填料，非导电填料，可选但不限于，砾石、石英砂和/或沸石。
如图3和图4，导管14的底部具有进水口，进水系统3通过接头和各个导管14的进水口连通，实现将待处理水送入到各导管14的布水层13内。进一步地，在导管14的布水层13和第二电活性填料层12之间设置有穿孔布水板17，所述穿孔布水板17上设置的穿孔孔径小于所述第二电活性填料层12和所述第二表面填料层11内的填料的粒径，在布水层13内的进水穿过穿孔布水板17上的穿孔进入到第二电活性填料层12中。所述第一电活性填料层9与所述第二电活性填料层12在水平方向上的垂直投影上至少部分重叠（当然本实施例中，最优的方式为，所述第一电活性填料层9与所述第二电活性填料层12在水平方向上齐平（即第一电活性填料层9和第二电活性填料层12在水平方向上的垂直投影完全重叠），所述第一表面填料层8和所述第二表面填料层11在水平方向上齐平（即第一表面填料层8和第二表面填料层11在水平方向上的垂直投影完全重叠））。所述导管14的顶部外沿设置有环形导流堰19，环形导流堰19以一定角度向下倾斜。
传统的人工湿地中，未设置本实施例中的电活性填料导管，传统的方案中，脱氮过程要经历氨氮氧化为硝氮（需要氧气），再从硝氮还原为氮气（需要有机物）。但是氨氮的氧化一般是在有机物的降解之后才开始，这时候即使氨氮被氧化为硝氮，硝氮的还原也将面临有机物不足的问题。
而在本实施例中，结合图5来看，由于在湿地填料床1中等间距地均布有多个电活性填料导管2，可以利用进水和折流水之间自然存在的电势差，把进水的有机物降解所产生的电子定向的导向硝氮，从而克服反硝化过程电子供体（一般来说就是有机物）不足的问题。也就是说，本实施例中，进水系统3的提供的进水通过所述进水口18进入所述布水层13内，进一步穿过所述穿孔布水板17上的穿孔进入所述第二电活性填料层12内，进水（进水中的物质以还原性物质为主，主要包含有机物和氨氮）中的有机物在电活性填料中的产电微生物作用下降解（电活性填料接受电活性导管内产生的电子，在自养型反硝化菌的作用下进行充分的反硝化过程，实现深度脱氮），同时释放出胞外电子，释放出的胞外电子通过所述导管14内的电活性填料和导电管段16传递至所述导管14外部的电活性填料区；所述导管14同时作为使进水折流入所述湿地填料床1中的布水导管，从所述导管14底部的进水口18进入所述导管14内的进水依靠重力作用从所述环形导流堰19上进行跌水复氧，发生硝化反应，实现对剩余有机物的消耗和充分的硝化过程；进一步地，所述导管14导出的胞外电子被所述湿地填料床1中的第二电活性填料层12表面附着的反硝化功能微生物所利用，进而将经过硝化反应产生的硝酸盐还原为氮气。
此外，本实施例中，出水系统4由相连的穿孔集水管6和出水弯管7组成，所述穿孔集水管6布置于所述湿地填料床1底部，通过调节所述出水弯管7的纵向高度将所述湿地填料床1内的液面高度控制在所述第一表面填料层8的填料高度以下。
人工湿地进水由导管折流人工湿地进水系统3分配至各个电活性填料导管2，并以下进上出形式向上穿过电活性填料导管2中的第二电活性填料层12，然后通过环形导流堰19向四周的湿地填料床1均匀布水，电活性填料导管2的出水以上进下出的形式流经湿地填料床1，湿地填料床1以半饱和形式运行，其底部设置穿孔集水管6收集出水，随后排出出水。在水流以折流形式通过电活性填料导管2和湿地填料床1的同时，进水中的有机物将被附着在电活性填料导管2内的电活性填料表面的产电菌降解，然后产生的电子穿过电活性填料导管2到达外部的湿地填料床1内的电活性填料，并被电活性填料表面附着的自养型反硝化微生物利用，实现低碳氮比进水条件下的脱氮过程。本发明解决了人工湿地处理污水处理厂尾水时氮去除率受到碳源限制的问题，是一种高效、环保的新型污水处理装置。

Claims (9)

1.一种电活性填料导管折流人工湿地，其特征在于，包括：
湿地填料床，所述湿地填料床内从下至上依次设置承托层、第一电活性填料层、第一表面填料层；
等间距地均布在所述湿地填料床内的电活性填料导管，各所述电活性填料导管包括：由非导电管段和导电管段拼接而成的导管，所述导管内由下至上分别设置有布水层、第二电活性填料层和第二表面填料层；
所述第二电活性填料层对应的导管段为导电管段，所述布水层和所述第二表面填料层对应的导管段为非导电管段；
所述第一电活性填料层和所述第二电活性填料层内的填料均由电活性填料组成，所述第一表面填料层和所述第二表面填料层内的填料均由非导电填料组成；
所述第一电活性填料层与所述第二电活性填料层在水平方向上的垂直投影至少部分重叠。
2.根据权利要求1所述的电活性填料导管折流人工湿地，其特征在于，所述导管的底部设置有进水口，所述布水层和所述第一电活性填料层之间设置有穿孔布水板，所述导管的顶部外沿设置有环形导流堰；
进水系统的提供的进水通过所述进水口进入所述布水层内，进一步穿过所述穿孔布水板上的穿孔进入所述第二电活性填料层内，进水中的有机物在电活性填料中的产电微生物作用下降解，同时释放出胞外电子，释放出的胞外电子通过所述导管内的电活性填料和导电管段传递至所述导管外部；
所述导管同时作为使进水折流入所述湿地填料床中的布水导管，从所述导管底部的进水口进入所述导管内的进水依靠重力作用从所述环形导流堰上进行跌水复氧，发生硝化反应；
进一步地，所述导管导出的胞外电子被所述湿地填料床中的第二电活性填料层表面附着的反硝化功能微生物所利用，进而将经过硝化反应产生的硝酸盐还原为氮气。
3.根据权利要求2所述的电活性填料导管折流人工湿地，其特征在于，所述穿孔布水板上设置的穿孔孔径小于所述第二电活性填料层和所述第二表面填料层内的填料的粒径。
4.根据权利要求2所述的电活性填料导管折流人工湿地，其特征在于，所述环形导流堰以一定角度向下倾斜。
5.根据权利要求1所述的电活性填料导管折流人工湿地，其特征在于，所述湿地填料床的第一表面填料层上种植有湿地植物。
6.根据权利要求1所述的电活性填料导管折流人工湿地，其特征在于，所述湿地还包括：
由相连的穿孔集水管和出水弯管组成的出水系统，所述穿孔集水管布置于所述湿地填料床底部，通过调节所述出水弯管的纵向高度将所述湿地填料床内的液面高度控制在所述第一表面填料层的填料高度以下。
7.根据权利要求1所述的电活性填料导管折流人工湿地，其特征在于，所述导管的导电管段选用不锈钢材料制成的管段，所述导管的非导电管段选用PVC材料制成的管段。
8.根据权利要求1所述的电活性填料导管折流人工湿地，其特征在于，所述第一电活性填料层和所述第二电活性填料层中填充的填料至少包括：焦炭和/或生物炭，所述第一表面填料层和所述第二表面填料层中填充的填料至少包括：砾石、石英砂和/或沸石。
9.根据权利要求1所述的电活性填料导管折流人工湿地，其特征在于，所述第一电活性填料层与所述第二电活性填料层在水平方向上齐平，所述第一表面填料层和所述第二表面填料层在水平方向上齐平。
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