CN208500691U - 一种嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种嵌入式硝化‑反硝化‑除磷成套化处理装置，属于面源污染控制和水污染处理技术领域。装置包括：生物转盘、氮磷快速耦合植生袋、铁锰复合氧化膜、反硝化模块、吸磷介质和折流板。成套化装置呈凹字形跌水结构并安装于沟渠底部。农田排水经过成套化装置时将在折流板的引导下依次通过生物转盘、氮磷快速耦合植生袋、铁锰复合氧化膜、反硝化模块和吸磷介质。本实用新型的有益效果是可大幅削减农田排水中的有机物、沉积物、TN、TP、氨氮、硝态氮和磷酸盐等主要污染物质，优化农田出水水质。本实用新型将硝化‑反硝化‑除磷作为一个整体成套化装置，结构简单，拆装方便，可根据实际情况间隔放置，灵活高效，节省投资。
Description
技术领域
本实用新型涉及面源污染控制和水污染处理技术领域，特别涉及一种对农田排水中氮磷等污染物质具有截留净化效果的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置。
背景技术
导致农业面源污染的主要原因包括以下几点：化肥农药的过量使用且利用效率低下；过量灌溉导致收益损失，尤其是蔬菜种植业；广泛使用的肥料品种质量不良，易于形成面源污染；施肥技术落后、施肥不平衡；化肥和农药包装的使用说明不健全；公众尤其是农民缺乏相关知识储备及环境意识。
农田沟渠是农业地表径流汇入河流、湖泊等天然水体的必经通道，因而对农业非点源污染的削减起着极为重要的作用；据报道，美国和加拿大有65％农田利用沟渠网削减农业源头污染。但我国由于特殊的农业种植结构和相对落后的农田管理方式，特别是长期以来普遍实施的高标准农田建设标准只是着重于农田沟渠的灌溉和排水功能(三面光)，忽视了其生态环境保护的作用。
最近几年，国家开始重视农田沟渠的环保功能，2015年出台的《国家水污染防治行动计划》，提出要完善高标准农田建设标准规范，要求在敏感区域和大中型灌区充分利用现有沟、塘、窖等，配置水生植物群落、格栅和透水坝，建设除氮吸磷等相关设施，净化农田排水及地表径流。
虽然现在针对N、P、COD去除的单个技术已经较为成熟，广泛应用在饮用水或面源污染处理上，但对于农田沟渠排水的应用并不常见，尤其是通过一套完整装置实现对N、P、COD等多种面源常见污染物质的去除更是有待发掘。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有农田排水处理设备安装不便、处理污染物单一的缺点，在确保不影响沟渠灌排水功能的前提下，提供一种处理农田排水中主要污染物质的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置。
本实用新型所采用的具体技术方案如下：
嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置，其包括生物转盘、氮磷快速耦合植生袋模块、铁锰复合氧化膜模块、反硝化模块和吸磷介质模块；所述处理装置嵌入式安装于农田沟渠中，沟渠中的水流从装置入口进入，然后从装置出口排出；所述处理装置沿水流方向呈三段式设计，其中首尾两段的底部与所安装的沟渠渠底平齐，中间段的高度低于首尾两段，形成凹字形跌水结构，装置底部沿水流方向具有能够促使水流在重力作用下自流的坡度；所述生物转盘设于装置的首段，盘片下部位于水平面以下，上部位于水平面以上；所述处理装置的中间段中设有折流板A、折流板B、折流板C、折流板D，四块折流板的板面均与水流方向垂直，每块折流板与装置侧壁之间均留有流通通道，相邻两块折流板与装置侧壁的流通通道分别位于装置的两侧，所述处理装置的中间段在四块折流板的导流下形成弓形的水流流道；折流板A、折流板B、折流板C、折流板D侧部的所述流通通道处分别设有氮磷耦合植生袋模块、铁锰复合氧化膜模块、反硝化模块、吸磷介质模块；所述氮磷耦合植生袋模块由内置于生态袋A中的生态混凝土、碎石和挺水景观植物组成；所述铁锰复合氧化膜模块由内置于生态袋B中的多面空心球和碎石组成，其中多面空心球上附着有铁锰氧化膜；所述反硝化模块由内置于生态袋C中的多面空心球和碎石组成，其中多面空心球上附着或填充有反硝化基质；所述吸磷介质模块由内置于生态袋D中的多面空心球和碎石组成，其中多面空心球上附着或填充有吸磷介质。
作为优选，生态袋A、生态袋B、生态袋C、生态袋D的体积为0.003～0.005m3，高度不超过渠底。
作为优选，所述折流板A、折流板B、折流板C、折流板D的顶部高度均与渠底平齐，板厚1～2cm。
作为优选，生物转盘底座固定于渠底，其转轴位于水平面处，生物转盘的盘片宽度与所述处理装置首段的流道宽度一致，保证沟渠排水能完全流经生物转盘后进入所述处理装置的中间段。
作为优选，所述的盘片表面粗糙。
作为优选，所述挺水景观植物为黄花鸢和/或美人蕉，且株高高于水平面。
作为优选，所述处理装置中间段的装置底部及装置凹槽壁均表面粗糙。
作为优选，所述的装置底部沿水流方向的倾斜度为0.3～0.5％，长度为0.9～1.2m。
作为优选，所述处理装置的首尾两段可直接采用经过固化的沟渠本体。
本实用新型相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
(1)装置呈凹字形对称结构，以实际沟渠为依托一体化镶嵌，使整个装置系统稳定牢固，符合沟渠安全要求。
(2)凹字形跌水设计既能增加水流中氧含量，又可起到消能作用，减少对各级处理单元内植物和基质的冲刷。
(3)将硝化-反硝化-除磷作为一个整体成套化装置，结构简单，拆装方便，可根据实际情况间隔放置，灵活高效，节省投资。
附图说明
图1为本实用新型主视图；
图2为本实用新型俯视图；
图3为本实用新型左视图；
图4为图1的生物转盘局部放大示意图；
图5为图4的生物转盘盘片放大示意图；
图6为嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化装置的原理图。
本实用新型附图标记如下：
1——生物转盘 2——氮磷耦合植生袋模块
3——铁锰复合氧化膜模块 4——反硝化模块
5——吸磷介质模块 6——生态袋A
7——生态袋B 8——生态袋C
9——生态袋D 10——折流板A
11——折流板B 12——折流板C
13——折流板D 14——渠底
15——转轴 16——水平面
17——盘片 18——装置底部
19——装置凹槽壁
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1～3所示，为本实施例中的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置结构示意图。该处理装置的功能核心模块包括生物转盘1、氮磷快速耦合植生袋模块2、铁锰复合氧化膜模块3、反硝化模块4和吸磷介质模块5。农田排水通过生物转盘减缓流速、跌水曝气后依次通过氮磷快速耦合植生袋、铁锰复合氧化膜、反硝化模块、吸磷介质四重协调反应后，进一步的去除排水中COD、氮、磷等污染物。
本实施例中，装置整体长1.5～2.5m，宽0.6～1.2m，高0.6～1.0m。该处理装置的横向宽度一般设置为与沟渠宽度接近，通过在沟渠中选择一段进行开挖施工，使得装置能够被嵌入式安装于农田沟渠中。沟渠中的水流从装置入口进入，然后从装置出口排出。处理装置沿水流方向呈三段式设计，其中首尾两段的底部与所安装的沟渠渠底14平齐，中间段的高度低于首尾两段，形成凹字形跌水结构。处理装置的中间段与两侧的首段和尾段以垂直式下跌，以尽量增大垂直落差，提高跌水时的增氧量和消能量。本实施例中，装置的中间段与两侧形成了一个长方形的凹槽，装置凹槽壁19高为0.3～0.5m，装置底部18沿水流方向的坡度，也就是倾斜度为0.3～0.5％，装置底部18长度为0.9～1.2m。装置底部的坡度能够使促使水流在重力作用下自流，无需另外耗能。当然，装置的首段和尾段底部也可以设置相同的坡度。
如图1和2所示，生物转盘1设于装置的首段，用于对排水进行第一道处理。如图4所示，生物转盘1由多片中心带有转轴15的盘片17组成，盘片17围绕转轴15转动，且如图5所示，盘片17表面粗糙，使得微生物容易挂膜。生物转盘1底座固定于渠底14，其转轴15位于水平面16附近，生物转盘1的盘片17以水平面16为界上下对半分布。生物转盘1的所有盘片17形成的宽度与处理装置首段所在流道的宽度一致，即生物转盘1基本上覆盖整个流道横截面，保证沟渠排水能完全流经生物转盘1后才能进入该处理装置的中间段。由于一般沟渠都具有一定坡度，稻田排水流经生物转盘时将带动转盘以一定的线速度不停转动。转盘交替的与稻田排水和空气不断接触，盘片负载的面源污染拦截基质涂料层经过一段时间会形成生物膜，该生物膜吸附稻田排水中的污染物并进行分解。在这一过程中，稻田排水不仅可有效降低水流流速并截流泥沙，有利于后续反应进行，同时也形成完整连续的吸附、氧化分解、吸氧循环，有利于污染物的去除。
该处理装置的中间段为一个立方体的凹槽，在凹槽中设有折流板A10、折流板B11、折流板C12、折流板D13，四块折流板的板面均与水流方向垂直。每块折流板的长度小于凹槽的横截面宽度，使得每块折流板与装置侧壁之间均留有流通通道。相邻的折流板设置与凹槽的不同侧侧壁上，相邻两块折流板与装置侧壁的流通通道分别位于装置的两侧。因此，从图中可以看出。该处理装置的中间段凹槽在四块折流板的导流下形成弓形的水流流道。折流板A10、折流板B11、折流板C12、折流板D13侧部的流通通道处分别设有氮磷耦合植生袋模块2、铁锰复合氧化膜模块3、反硝化模块4、吸磷介质模块5。每个模块都是用生态袋进行包裹的，以免被水流冲刷散失。生态袋是采用麻袋、土工布等带有网眼的透水材料制成的袋子，不同的功能模块材料装载于袋子中执行不同的功能。下面逐个详述不同的模块的具体设置。
如图3所示，氮磷耦合植生袋模块2由内置于生态袋A6中的生态混凝土、碎石和挺水景观植物组成，碎石具有一定的种类，装在生态袋A6中能够起到稳定袋体位置的作用，防止随着水流发生位移，下述的其他袋子中的碎石也起到类似作用。挺水景观植物栽于生态混凝土上，其顶部伸出生态袋A6，并高于水平面16，能够照射到阳光。挺水景观植物建议采用黄花鸢或美人蕉等，可以利用植物梗系对水中污染物进行吸附和吸收作用，同时也具有良好的观赏性能。稻田排水裹挟着泥沙首先经过盛放挺水植物的氮磷快速耦合植生袋，水中有机物及N、P等元素可首先被植物作为营养基质拦截利用，并减少了后续处理模块的负荷。植物根系对氧的传递释放，使其周围微环境依次呈现好氧-缺氧-厌氧，通过硝化-反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用进行去除，达到截留去除部分污染物的目的和效果。铁锰复合氧化膜模块3由内置于生态袋B7中的多面空心球和碎石组成，其中多面空心球上附着或填充有铁锰复合氧化膜。铁锰复合氧化膜可采用现有技术中的任何方法制备，或采用市售材料复合于多面空心球表面。铁锰复合氧化膜为非晶态结构，主要组成元素为铁、锰、钙、氧等，由于其具有较大的比表面积和羟基官能团，因此具有良好的氧化性能和吸附能力，可有效对水中氨氮进行催化氧化作用进而达到去除效果。但由于铁锰氧化膜氧化吸附能力有限，未被吸附的氨氮易氧化成硝酸盐和亚硝酸盐进入水中，进而转化为“致癌致畸致突变”的三致物质危害人体健康，因此还要后需进一步处理。反硝化模块4由内置于生态袋C8中的多面空心球和碎石组成，其中多面空心球上附着有反硝化基质。反硝化基质是一层具有反硝化菌的生物膜或者污泥，可以将多面空心球在经过驯化的具有反硝化菌的污泥中放置一段时间，待其挂膜后取出装于生态袋C8中。本实施例中，直接取部分反硝化污泥与多面空心球混合装填于袋内，污泥即可附着、填充在球体的空隙中，在处理过程中多面空心球表面会逐渐挂膜。在其他实施例中，也可以直接取反应器反硝化区内已挂膜的多面空心球装填于袋内。吸磷介质模块5由内置于生态袋D9中的多面空心球和碎石组成，其中多面空心球上附着或填充有吸磷介质。吸磷介质主要由方解石及其磷酸盐改性产物组成，通过吸附作用去除磷酸盐。方解石是晶体属三方晶系的碳酸盐矿物，成本低廉且易于获取，且其吸附磷酸盐后的产物可再次用于水中磷酸盐的去除。方解石可磨成粉末后，揉成球形装填于多面空心球内腔，或者磨成粉末后喷涂至多面空心球表面。
在本实施例的装置中，生态袋A6、生态袋B7、生态袋C8、生态袋D9的体积为0.003～0.005m3，高度不超过渠底14。折流板A10、折流板B11、折流板C12、折流板D13的顶部高度均与渠底14平齐，板厚1～2cm。处理装置中间段的装置底部18及装置凹槽壁19均表面粗糙，以便于挂膜，强化对排水的处理。
另外，装置的首段和尾段高度与沟渠平齐，因此当沟渠底部具有硬化条件时，可以直接采用沟渠作为装置的首段和尾段，生物转盘等设施可以直接设置在沟渠底部。该成套化装置可根据实际情况在排水沟渠沿线间隔设置多个。
上述装置中，生物转盘1、氮磷快速耦合植生袋模块2、铁锰复合氧化膜模块3、反硝化模块4和吸磷介质模块5应当具有特定的设置顺序，使得农田排水能够被高效净化。生物转盘1应当作为第一道处理工序，这是考虑农田排水的特点而优化设计的。由于生物转盘1后方的处理工序是以生态袋形式装填的，其抗冲击能力较弱，且处理效率不高，因此需要较低的水流流速和较长的水力停留时间，生物转盘作为第一道处理设备能够对沟渠的水流进行消能，在去除部分污染物、沉降部分泥沙的同时，能够提高水体中的氧含量，减缓水流流速，为后续各模块的处理创造条件。氮磷快速耦合植生袋模块2作为第二道处理工序，能够通过根系的吸收和微环境，促使氮磷发生吸收转化，将部分有机物进一步降解为无机物；而排水中原本存在的氨氮以及降解过程中产生的氨氮则被铁锰复合氧化膜氧化去除，并将其余的氨氮氧化为硝态氮，反硝化模块4即可利用这些硝态氮进行反硝化脱氮；最终吸磷介质模块5对排水中的磷进行去除后，排水中的主要污染物就被基本净化完毕。因此，农田排水经过上述嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化装置的协同联合处理，可有效去除水中COD、N、P等主要污染物含量，进而达到调节水质净化效果的目的。
基于上述处理装置的农田排水截留净化方法，其步骤如下：
1)在需要处理农田排水的沟渠中选取一段进行施工开挖，然后将所述处理装置嵌入式安装于沟渠中，装置首尾两段的底部与所安装的沟渠渠底14平齐，保持沟渠中的水流完全从装置首段的入口进入，然后从装置尾段的出口排出；
2)农田排水流经嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置时，首先流经生物转盘1，并带动盘片17不停转动，盘片17交替地与农田排水和空气不断接触，使盘片17表明逐渐形成生物膜，通过生物膜吸附农田排水中的污染物并进行分解；同时，经过生物转盘1后的农田排水流速降低，沉淀水中的部分悬浮泥沙；
3)经过生物转盘1后的农田排水从所述处理装置的首段进入中间段，利用高低程落差跌水曝气，增加水流中氧含量并起到消能作用，减少对各级处理单元内植物和基质的冲刷；
4)农田排水通过跌水曝气后经过氮磷耦合植生袋模块2，利用挺水植物吸收水中有机物及营养盐作为养分；同时利用植物根系对氧的传递释放，使其周围微环境依次呈现好氧-缺氧-厌氧，通过硝化-反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用，截留去除部分氮磷污染物；
5)经过氮磷耦合植生袋模块2的处理后，农田水进入铁锰复合氧化膜模块3，利用铁锰复合氧化膜的氧化性能和吸附能力，对水中氨氮进行催化氧化作用进而达到去除效果；未被吸附的氨氮后续被氧化成硝酸盐和亚硝酸盐进入水中；
6)经过铁锰复合氧化膜模块3处理后，农田排水进入反硝化模块4，并利用反硝化模块中富集的反硝化菌群利用前期产生的硝酸盐和亚硝酸盐作为电子供体进行反硝化作用，把硝态氮还原成氮气；
7)农田排水通过反硝化模块4后将经过吸磷介质模块5，继续对水体中的磷酸盐进行吸附去除；
8)经过吸磷介质模块5处理后的农田排水从所述处理装置的出口排出，继续沿农田沟渠流动。
以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (9)
1.一种嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置，其特征在于，包括生物转盘(1)、氮磷快速耦合植生袋模块(2)、铁锰复合氧化膜模块(3)、反硝化模块(4)和吸磷介质模块(5)；所述处理装置嵌入式安装于农田沟渠中，沟渠中的水流从装置入口进入，然后从装置出口排出；所述处理装置沿水流方向呈三段式设计，其中首尾两段的底部与所安装的沟渠渠底(14)平齐，中间段的高度低于首尾两段，形成凹字形跌水结构，装置底部沿水流方向具有能够促使水流在重力作用下自流的坡度；所述生物转盘(1)设于装置的首段，盘片(17)下部位于水平面(16)以下，上部位于水平面(16)以上；所述处理装置的中间段中设有折流板A(10)、折流板B(11)、折流板C(12)、折流板D(13)，四块折流板的板面均与水流方向垂直，每块折流板与装置侧壁之间均留有流通通道，相邻两块折流板与装置侧壁的流通通道分别位于装置的两侧，所述处理装置的中间段在四块折流板的导流下形成弓形的水流流道；折流板A(10)、折流板B(11)、折流板C(12)、折流板D(13)侧部的所述流通通道处分别设有氮磷耦合植生袋模块(2)、铁锰复合氧化膜模块(3)、反硝化模块(4)、吸磷介质模块(5)；所述氮磷耦合植生袋模块(2)由内置于生态袋A(6)中的生态混凝土、碎石和挺水景观植物组成；所述铁锰复合氧化膜模块(3)由内置于生态袋B(7)中的多面空心球和碎石组成，其中多面空心球上附着有铁锰氧化膜；所述反硝化模块(4)由内置于生态袋C(8)中的多面空心球和碎石组成，其中多面空心球上附着或填充有反硝化基质；所述吸磷介质模块(5)由内置于生态袋D(9)中的多面空心球和碎石组成，其中多面空心球上附着或填充有吸磷介质。
2.如权利要求1所述的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置，其特征在于，生态袋A(6)、生态袋B(7)、生态袋C(8)、生态袋D(9)的体积为0.003～0.005m3，高度不超过渠底(14)。
3.如权利要求1所述的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置，其特征在于，所述折流板A(10)、折流板B(11)、折流板C(12)、折流板D(13)的顶部高度均与渠底(14)平齐，板厚1～2cm。
4.如权利要求1所述的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置，其特征在于，生物转盘(1)底座固定于渠底(14)，其转轴(15)位于水平面(16)处，生物转盘(1)的盘片(17)宽度与所述处理装置首段的流道宽度一致，保证沟渠排水能完全流经生物转盘(1)后进入所述处理装置的中间段。
5.如权利要求1所述的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置，其特征在于，所述的盘片(17)表面粗糙。
6.如权利要求1所述的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置，其特征在于，所述挺水景观植物为黄花鸢和/或美人蕉，且株高高于水平面(16)。
7.如权利要求1所述的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置，其特征在于，所述处理装置中间段的装置底部(18)及装置凹槽壁(19)均表面粗糙。
8.如权利要求1所述的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置，其特征在于，所述的装置底部(18)沿水流方向的倾斜度为0.3～0.5％，长度为0.9～1.2m。
9.如权利要求1所述的嵌入式硝化-反硝化-除磷成套化处理装置，其特征在于，所述处理装置的首尾两段可直接采用经过固化的沟渠本体。
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