CN113072167B - 一种适用于人工湿地的基质材料、人工湿地系统及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种适用于人工湿地的基质材料、人工湿地系统及应用。本发明采用超细纤维作为不饱和区填料，采用碳毡作为优良的电子导体，两者作为功能基质投加到潜流人工湿地不同部位。碳毡的筒状布置，增加其收集电子的有效面积，在高溶解氧区域，作为硝化反应产物的电子被迅速转移并消耗，刺激硝化反应的高效进行；此外，碳毡巨大的比表面积为微生物生长提供了丰富的附着位点，可提高了湿地系统中微生物丰度。添加碳毡后基质吸附对总磷去除的贡献率较传统人工湿地大幅提升。

Description

一种适用于人工湿地的基质材料、人工湿地系统及应用
技术领域
本发明属于生态环境水体净化技术领域，具体涉及一种更加适用于垂直潜流人工湿地的基质材料，应用所述基质材料的人工湿地系统及其在污水处理领域的应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
人工湿地是1961年提出的一种先进的污水处理生态技术。人工湿地低投资、低运行维护成本以及同时兼具水质净化、水体生态储存、美化景观等功能的特点使其备受关注，自90年代在欧洲得到了广泛的规模化应用，随后在国内得到关注。常见人工湿地按水流方式分为表面流湿地(Surface Flow Wetlands,SFW)和潜流湿地(Subsurface FlowWetlands,SSFW)两类。所谓潜流，就是废水在填料表面下渗流。由于这种湿地的水流一直在湿地内部流动，避免了表面流湿地带来的蚊蝇、臭气等弊端，因而卫生条件较表面流湿地好；同时，潜流型人工湿地的作用位点多，微生物丰富，占地面积小，处理污水效率高，因此这种湿地被广泛采用。
人工湿地应用于污水处理的主要机理包括沉降过滤等物理过程、微生物的好氧和厌氧过程等生物过程，还包括化学作用去除氨氮等有害物质。人工湿地中溶解氧的含量决定了氨氮和COD(化学需氧量)的去除效果。常规人工湿地中供氧的三个主要途径，包括进水补氧、根系泌氧和大气复氧。但由于这些补氧方式所供溶解氧含量有限，并且有机物降解在与硝化作用的溶解氧竞争中更具优势，硝化作用往往受到限制。
在人工湿地中添加不饱和区可以起到补氧的作用，但是不饱和区的添加带来了水头损失，增加了运行成本且容易造成有机碳源的过度消耗，抑制反硝化作用；人工湿地耦合微生物燃料电池通过外接导线连接不饱和区和饱和区，可以同时促进硝化反硝化反应，但是电极间距较短、电极表面接触面积小的缺点，限制了其在实际工程中的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对垂直潜流人工湿地运行过程中存在的溶解氧不足的问题，通过增加高比表面积导电基质，强化电子传递，促进氨氮的氧化的方式，提供了一种补氧效率高、氨氮脱除效果好、运行成本低、可工程化应用程度高的利用碳毡导电实现电子供给强化的垂直潜流人工湿地。
基于上述目的，本发明提供以下技术方案：
本发明第一方面，提供一种适用于人工湿地的基质材料，所述基质材料包括吸附材料及传导材料，所述吸附材料用于富集氧气及促进生物膜氧化氨氮产生电子；
所述传导材料为比表面积丰富并且具有生物相容性的材料，用于传导吸附材料表面产生的电子。
上述技术方案中，所述生物膜(或称生物被膜)，是指附着于吸附材料表面被细菌胞外大分子包裹的有组织的细菌群体。人工湿地中的吸附材料接触污水及空气，会在表面长出生物膜，是硝化反应的主力因素。
垂直型人工湿度具有占地面积小，而污水净化效率高的优势。然而，水面下的饱和区部分由于浸泡在水中，氧气溶解量低，因此硝化反应速率慢。本发明联想到，设置一种电子传导基质材料，将不饱和区硝化反应产生的电子转移至饱和区从而提高垂直型人工湿地的硝化反应速率，加快氨氮去除进程，其反应原理如附图1所示。
基于该目的，本发明首先设计得到一种适用于人工湿地的基质材料。本发明第二方面，提供一种人工湿地系统，其特征在于，所述人工湿地系统中包括第一方面所述基质材料；
所述人工湿地系统包括主体及排水装置，所述主体部分从上至下依次为不饱和区及饱和区，所述吸附材料设置于不饱和区，所述传导材料贯穿不饱和区及饱和区上部。
在上述人工湿地系统中，本发明进一步调整人工湿地系统侯中各模块的设置方式，实现了可方便的调节不饱和区域及饱和区域比例；另外，通过增加水生植物等进一步增加人工湿地中的补氧效果。
本发明第三方面，提供第一方面所述适用于人工湿地的基质材料和/或第二方面所述人工湿地系统在污水处理领域的应用。
本发明提供的基质材料及人工湿地系统具有显著的氨氮去除及磷去除效果，更加适用于工业污水等氨氮离子更为丰富的污水处理。
以上一个或多个技术方案的有益效果是：
(1)本发明采用超细纤维作为不饱和区填料，具有补氧效率高(进入饱和区时溶解氧含量为传统湿地的4倍以上)，原材料价格低廉易得，水头损失小的优点。
(2)碳毡作为优良的导体，具有很强的电子收集和传导作用。碳毡的筒状布置，增加其在垂直方向上收集电子的有效面积，能够将高溶解氧区域硝化反应释放的电子迅速转移低溶解氧区域。在高溶解氧区域，作为硝化反应产物的电子被迅速消耗，刺激硝化反应的进行；同时电子的传输使得低溶解氧区域的氧气更容易得到电子，氧化性增强，促进了氨氧化过程。研究显示，添加碳毡的湿地氨氮去除率达到了82.13±0.75％，是同等运行条件下传统(无碳毡添加)人工湿地氨氮去除率(39.15±0.65％)的两倍以上，且高于同等运行条件下人工湿地耦合微生物燃料电池系统的氨氮去除率(66.14±0.45％)。
(3)碳毡巨大的比表面积为微生物生长提供了丰富的附着位点。qPCR结果显示，碳毡的添加使得湿地系统中部的功能基因绝对丰度提高了十倍以上。
(4)碳毡的添加也为磷的吸附提供了吸附位点。氮磷平衡分析显示，添加碳毡后基质吸附对总磷去除的贡献率(13.12±0.83％)是只添加砾石的传统人工湿地(5.78±0.22％)的226.99％。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明所述基质材料强化脱氮的作用机理图；
图2为实施例1搭建人工湿地的结构示意图；
其中，1-超细纤维，2-碳毡，3-石英砂层，4-支撑层5-出水管；
图3为实施例1所用碳毡实物图；
图4为实施例1所用碳毡在使用一段时间后富集微生物效果图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中人工湿地存在硝化脱氮速率不理想等技术问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种更加适用于垂直潜流人工湿地的基质材料，基于该材料可以有效的提升人工湿地氨氮脱除效率。
本发明第一方面，提供一种适用于人工湿地的基质材料，所述基质材料包括吸附材料及传导材料，所述吸附材料用于富集氧气及促进生物膜氧化氨氮产生电子；
所述传导材料为比表面积丰富并且具有生物相容性的材料，用于传导吸附材料表面产生的电子。
针对现有垂直潜流人工湿地饱和区溶解氧不足的问题，本发明设计的解决思路中，采用高比表面积强吸水性的吸附材料对不饱和区域的氧气等物质进行充分吸附，刺激生物膜对水中氨氮进行氧化，产生电子，再通过传导物质将电子输送至饱和区，刺激饱和区溶解氧、硝酸根等氧化性物质的还原，同时拉动不饱和区氨氮的氧化过程，提高脱氨脱氮效率。基于该设计，本发明研究发现，采用细度更细、吸水性好的纤维材料有助于提高生物膜的被覆效果。因此本发明优选的方案中，所述吸附材料为亲水性超细纤维。
可选的方案中，所述吸附材料为聚酰胺、聚酯、聚丙烯、聚丙烯腈、炭纤维或棉纤维中的一种或几种的混合。
本发明提供一种实施方式中，所述吸附材料为棉纤维，并且为一种超细棉纤维，单丝细度为0.3～1.0dtex。
所述传导材料肩负着输送电子的功效，碳纤维材料具有良好吸附广谱性，而且容量大，作为优选的传导材料。另外，考虑到应用于人工湿地时可能需要适应不同尺寸装置、场地，所述传导材料还应当具有良好的加工性能，因此，更加优选的方案中，所述传导材料为碳纤维布或碳纤维毡。
本发明提供一种实施方式中，所述传导材料选择用碳纤维毡，为了方便固定及增强传导效果，所述碳纤维毡可采用金属进行固定，比如生物相容性较好的金属钛。
因此，一种具体的实施方式中，所述传导材料为碳纤维毡，所述碳纤维毡通过钛金属丝进行固定。
为了进一步提高所述碳纤维毡的导电性能，本发明还提供一种碳纤维毡的预处理方法，即采用浓盐酸进行预处理；具体实施方式如下：
将所述碳纤维毡置于8～12％浓盐酸中浸泡并煮沸25～35min。
本发明第二方面，提供一种人工湿地系统，其特征在于，所述人工湿地系统中包括第一方面所述基质材料；
所述人工湿地系统包括主体及排水装置，所述主体部分从上至下依次为不饱和区及饱和区，所述吸附材料设置于不饱和区，所述传导材料贯穿不饱和区及饱和区上部。
优选的，所述主体顶部还种植水生植物。
所述水生植物通常选择根系发达，耐不良水质的水生植物，包括美人蕉、马蹄莲、茭草、菖蒲、香蒲、旱芦苇、鸢尾、矮茨菇或水芹菜等。本领域技术人员可依据经验选择上述品种中的一种或几种进行种植，并对所述水生植物的种植密度进行调整。
本发明提供一种具体的实施方式中，采用选取黄花鸢尾作为湿地植物，种植密度200～220株/m2。
优选的，所述主体中心处设置传导材料；在饱和区，所述传导材料与湿地主体外壁之间填充支撑材料；在不饱和区，所述传导材料与湿地主体外壁之间为支撑层。
进一步的，在不饱和区中，超细纤维在该湿地系统中主要用于提升湿地主体内溶解氧含量，因此提高超细纤维的填充密度有助于提高其补氧效果。为了实现该技术效果，本发明优选的方案中，采用将超细纤维编织后进行填充，可以有效提高超细纤维的填充效率，另外，超细纤维与湿地主体外壁之间的空隙处采用填充石英砂，可以进一步提高溶氧效率。
一种具体的实施方式中，所述超细纤维为棉质纤维，填充密度为400～410m/m3。
进一步的，在饱和区中，所述传导材料下缘与湿地主体底部具有支撑层，其高度为湿地主体高度的1/7至1/10。
所述支撑材料填充后需要保持一定的孔隙率和粗糙度，因此所述填充材料为包括但不限于石灰石、砾石、沸石、卵石、陶粒、石英砂中的一种或几种的组合。
为了得到理想的支撑效果，本发明提供的一种实施方式中，采用砾石填充，在成本经济的前提下，能够实现对传导材料等良好的支撑作用。具体的实施方式中，选用直径为2-3cm的砾石进行填充。
进一步的，所述湿地主体中，所述传导材料围城圆筒状，其中心与湿地主体中心重合，所述传导材料横截面覆盖所述湿地主体横截面的1/2～4/5。
具体的实施方式中，所述传导材料为厚度2～4mm的碳毡。
进一步的，所述传导材料内部填充尺寸较小的粗糙填充物，具体的，采用石英砂进行填充。
优选的，所述排水装置包括设置于湿地主体底部的出水口及排水管，用于排出湿地主体中的水分。
上述技术方案中，所述排水管的一端连接湿地主体下部的出水口，另一端设置于不饱和区下缘。所述排水管与湿地主体构成连通器构造，因此排水管的设置方式还影响着所述饱和区的位置。
因此，更为优选的方案中，所述排水管采用软质管路，技术人员可以通过调整管路位置对不饱和区域及饱和区域的比例进行调整；效果较好的方案中，所述不饱和区与饱和区的高度比例为1～3：8。
优选的，所述人工湿地优选为潜流型人工湿地，进一步的，为垂直潜流型人工湿地。
本发明第三方面，提供第一方面所述适用于人工湿地的基质材料和/或第二方面所述人工湿地系统在污水处理领域的应用。
优选的，所述应用中，所述人工湿地系统的使用方法还包括向人工湿地中添加植物生长营养液。具体实例如，添加不含有N、P、Mg等元素的Hoagland营养液。
优选的，所述人工湿地系统的应用方式中，污水可采用连续流进水的方式，水力停留时间为(HRT)70～80h。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例中，提供一种人工湿地系统，所述人工湿地系统具有筒状外壁，为PVC材料，直径为25cm，高为80cm。装置下部皆铺设10cm厚的砾石(直径2-3cm)作为支撑层4。垂直布置直径为20cm，高度为70cm的碳毡筒2，中部部填充高度60cm的石英砂层3，上部10cm填充长度200cm的编织超细纤维和直径2-4mm石英砂1，装置底部设置出水口，并接软质出水管5提高水位，控制不饱和区高度为10cm。每个装置中间垂直插入直径5cm的穿孔PVC管，用以原位测量溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、温度、pH等物化指标。选取黄花鸢尾作为湿地植物，种植密度210株/m2。进水为模拟污水厂二级出水，包括100mg/L COD，15mg/L NO3--N，25mg/L NH4+-N，3mg/L TP，加入不含有N、P、Mg等元素的Hoagland营养液来补充植物生长所必需的微量元素。系统采用连续流进水方式，装置进水量为15L，水力停留时间(HRT)为72h。
利用上述人工湿地填料可达到高效的氨氮去除，去除率达到80％以上。同时能够有效促进人工湿地植物生长并增加湿地中部聚磷等菌群的丰度。从附图4可以看出，运行一段时候后，碳毡表面生长出可见泥污状生物膜，相比混合填充在人工湿地中的石子，碳毡表面的生物膜厚度更厚，说明本实施例中提供的人工湿地能够显著的提升基质材料表面的微生物丰度，进而提高硝化反应速率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种人工湿地系统，其特征在于，所述人工湿地系统包括主体及排水装置，所述主体部分从上至下依次为不饱和区及饱和区，所述排水装置包括设置于湿地主体底部的出水口及排水管，用于排出湿地主体中的水分；
所述排水管采用软质管路，通过调整管路位置对不饱和区域及饱和区域的比例进行调整；所述不饱和区与饱和区的高度比例为1~3：8；
所述人工湿地系统还包括基质材料，所述基质材料包括吸附材料及传导材料，所述吸附材料用于富集氧气及促进生物膜氧化氨氮产生电子；
所述传导材料为厚度2~4mm的碳毡，用于传导吸附材料表面产生的电子；所述传导材料围成圆筒状；
所述吸附材料设置于不饱和区，所述传导材料贯穿不饱和区及饱和区上部。
2.如权利要求1所述人工湿地系统，其特征在于，所述主体顶部还种植水生植物。
3.如权利要求2所述人工湿地系统，其特征在于，所述水生植物为美人蕉、马蹄莲、茭草、菖蒲、香蒲、旱芦苇、鸢尾、矮茨菇或水芹菜中的一种或几种。
4.如权利要求2所述人工湿地系统，其特征在于，所述水生植物为黄花鸢尾，种植密度200~220株/m2。
5.如权利要求1所述人工湿地系统，其特征在于，所述主体中心处设置传导材料；在饱和区，所述传导材料与湿地主体外壁之间填充支撑材料；在不饱和区，所述传导材料与湿地主体外壁之间为支撑层。
6.如权利要求5所述人工湿地系统，其特征在于，在不饱和区中，所述吸附材料为超细纤维，将超细纤维编织后进行填充；超细纤维与湿地主体外壁之间的空隙处采用填充石英砂。
7.如权利要求6所述人工湿地系统，其特征在于，所述超细纤维为棉质纤维，填充密度为400~410m/m3。
8.如权利要求5所述人工湿地系统，其特征在于，在饱和区中，所述传导材料下缘与湿地主体底部也具有所述支撑材料，其高度为湿地主体高度的1/7至1/10。
9.如权利要求8所述人工湿地系统，其特征在于，所述支撑材料为石灰石、砾石、沸石、卵石、陶粒、石英砂中的一种或几种的组合。
10.如权利要求8所述人工湿地系统，其特征在于，所述支撑材料为砾石；选用直径为2-3cm的砾石进行填充。
11.如权利要求5所述人工湿地系统，其特征在于，所述主体中，传导材料围成圆筒状，其中心与湿地主体中心重合，所述传导材料横截面覆盖所述湿地主体横截面的1/2~4/5。
12.如权利要求11所述人工湿地系统，其特征在于，所述传导材料内部采用石英砂进行填充。
13.如权利要求1所述人工湿地系统，其特征在于，所述人工湿地为垂直潜流型人工湿地。
14.如权利要求1所述人工湿地系统，其特征在于，所述吸附材料为亲水性超细纤维。
15.如权利要求1所述人工湿地系统，其特征在于，所述吸附材料为聚酰胺、聚酯、聚丙烯、聚丙烯腈、炭纤维或棉纤维中的一种或几种的混合。
16.如权利要求14所述人工湿地系统，其特征在于，所述超细纤维为棉纤维。
17.如权利要求1所述人工湿地系统，其特征在于，所述传导材料采用金属进行固定。
18.如权利要求1所述人工湿地系统，其特征在于，所述碳毡通过钛金属丝进行固定。
19.权利要求1-18任一项所述人工湿地系统在污水处理领域的应用。
20.如权利要求19所述人工湿地系统在污水处理领域的应用，其特征在于，所述应用中，所述人工湿地系统的使用方法还包括向人工湿地中添加植物生长营养液。
21.如权利要求20所述人工湿地系统在污水处理领域的应用，其特征在于，所述人工湿地系统的应用方式中，污水采用连续流进水的方式，水力停留时间为70~80h。
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