CN212924566U - 一种人工湿地床体在低温下脱氮的实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种人工湿地床体在低温下脱氮的实验系统，该实验系统包括人工湿地、储水装置和温度控制箱；所述人工湿地包括实验箱体和置于实验箱体内的人工湿地床体，所述人工湿地床体包括多层填料层，其中，基质填料层每层均设有温度传感器，每层基质填料层对应的实验箱体侧壁均设置有水样采集口和微生物取样口；所述储水装置与实验箱体连接，为人工湿地提供污水；所述温度控制箱用于控制人工湿地床体的环境温度。本实用新型采用温度采集装置对每层填料内部的环境进行实时监控，有助于实时探测到湿地随环境温度的变化而引起的湿地床体内水温的变化，有助于探讨低温下人工湿地内部脱氮途径的研究。

Description

一种人工湿地床体在低温下脱氮的实验系统

技术邻域

本实用新型涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种实时监控湿地床体温度并在低温下强化湿地脱氮的实验系统。

背景技术

人工湿地是一种模拟自然湿地、沼泽和泻湖的自然原理，进行污水处理的高效技术。人工湿地主要通过物理(基质吸附、过滤)-化学(基质内发生的各种氧化还原反应)-生物(微生物降解)三方面相互协同作用对污水进行综合处理。

但是传统人工湿地脱氮易受温度条件影响，并且湿地床体内部温度监测较困难。研究表明，冬季人工湿地氨氮去除率由夏季的70％以上降至30％以下。当冬季低温时，微生物活性较低，硝化、反硝化作用比较弱，微生物群落相对夏季减少很多，因此脱氮效果较差；冬季大部分水生植物易休眠、枯萎或衰退，例如芦苇、香蒲等，它们的呼吸作用及光合作用减弱，氧气传输、供应相应减弱，间接影响了微生物的生长和代谢活性，最终导致脱氮效率降低。为了应对人工湿地在运行过程中遇到冬季脱氮效率低的问题，国内外学者提出并研究了很多解决措施以提高湿地中氮的去除效率，例如人工湿地增氧技术、投加外部碳源、植物优化等。近来有研究者提出，改变基质条件能够在低温下有效改善湿地脱氮效果。

实用新型内容

针对人工湿地存在湿地床体内部温度监测问题及低温下人工湿地脱氮效率低的问题，本实用新型提供了一种人工湿地床体在低温下脱氮的实验系统。

本实用新型解决上述技术所采取的技术方案为：

一种人工湿地床体在低温下脱氮的实验系统，该实验系统包括人工湿地、储水装置和温度控制箱；所述人工湿地包括实验箱体和置于实验箱体内的人工湿地床体，所述人工湿地床体包括多层填料层，其中，基质填料层每层均设有温度传感器，每层基质填料层对应的实验箱体侧壁均设置有水样采集口和微生物取样口；所述储水装置与实验箱体连接，为人工湿地提供污水；所述温度控制箱用于控制人工湿地床体的环境温度。

进一步地，所述人工湿地床体的填料层包括由下至上依次铺设的玻璃珠填料层、砾石填料层、大陶粒填料层、生物炭填料层、小陶粒填料层、砾石填料层。

进一步地，玻璃珠填料层高度为2cm，砾石填料层高度为8cm，大陶粒填料层高度为10cm，生物炭填料层高度为10cm，小陶粒填料层高度为10cm。

根据权利要求3所述的实验系统，其特征在于，玻璃珠粒径为2cm，砾石粒径为8-16mm，大陶粒粒径为5-15mm，小陶粒粒径为1-8mm，生物炭为小麦秸秆在300℃、缺氧条件下热解而得。

进一步地，玻璃珠填料层对应的实验箱体侧壁设有进水口，实验箱体侧壁顶端设有出水口；所述储水装置通过蠕动泵与进水口相连。

进一步地，进水口、出水口为直径3mm的圆孔。

进一步地，所述出水口位于实验箱体底端往上46cm处。

进一步地，所述水样采集口为圆孔，圆孔内固定有亚克力圆管，亚克力圆管伸入人工湿地床体内部3cm，伸出外部4.5cm；所述圆孔的内径与亚克力圆管直径相等外径相等。

进一步地，所述温度控制箱控制的环境温度范围为5-25℃。

本实用新型的有益效果：

1)本实用新型采用温度采集装置对每层填料内部的环境进行实时监控，有助于实时探测到湿地随环境温度的变化而引起的湿地床体内水温的变化，有助于探讨低温下人工湿地内部脱氮途径的研究。可以知道湿地床体内部微生物生活的环境温度，是否适合于其生长代谢。各个基质的理化性质是否会随环境温度的变化而引起变化，进而影响基质的吸附性能，及微生物附着的性能。

2)本实用新型采用多基质填料，并特别选择生物炭填料，其较强的吸附性能有助于提高低温下湿地的运行性能。

3)改变基质条件能够有效改善湿地脱氮效果。以生物质炭作为湿地基质。在湿地系统的基础上，利用生物质炭的吸附作用来增强硝化、反硝化能力，提高出水水质。

附图说明

图1为本实用新型系统的结构示意图。

图2为本实用新型系统左端结构示意图。

附图中主要组件符号说明：

1储水装置；2蠕动泵；3人工湿地；4温度采集装置；5进水口；6出水口；7第一水样采集口、8第二水样采集口、9第三水样采集口；10第一小孔、11第二小孔、12第三小孔；13第一微生物取样口、14第二微生物取样口、15第三微生物取样口；16第一温度传感器探头、17第二温度传感器探头、18第三温度传感器探头；19湿地植物；20变压器；21信号转换器；22显示屏。

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专利做进一步阐述和说明。

如图1所示，本实用新型所述的一种实时监控湿地床体温度并在低温下强化湿地脱氮的实验系统，其主体部分包括人工湿地、储水装置(1)和温度控制箱；所述人工湿地包括实验箱体和置于实验箱体内的人工湿地床体(3)，所述人工湿地床体(3)包括多层填料层，其中，基质填料层每层均设有温度传感器，每层基质填料层对应的实验箱体侧壁均设置有水样采集口和微生物取样口；所述储水装置(1)与实验箱体连接，为人工湿地提供污水；所述温度控制箱用于控制人工湿地床体(3)的环境温度。

优选地，所述实验箱体为长方体形，由亚克力板制成，其长宽高分别为50cm、20cm、20cm。所述人工湿地床体(3)的填料层包括由下至上依次铺设的玻璃珠填料层、砾石填料层、大陶粒填料层、生物炭填料层、小陶粒填料层、砾石填料层。其中，第一层填料玻璃珠防止进水口堵塞；第二次砾石层主要起支撑箱体作用；三至五层为基质填料层，第三层大陶粒和第五层小陶粒主要起吸附废水中的污染物，特别是氨氮及为微生物的生长提供附着场地的作用；第四层生物炭较强的吸附性能及对湿地植物与微生物的促进生长作用可以极大的改善低温下湿地的脱氮效率。从废物生物质中获得的生物炭被认为是一种多功能材料，具有广泛的环境应用价值。对于CWs来说，生物炭由于其孔隙率高、表面积大和阳离子交换能力强等这些特性，作为基质材料应用在其中，有利于污染物的吸附和生物膜附着能力，从而改善污染物的降解。并且生物质炭作为一种潜在丰富的碳源也能改善反硝化作用。生物炭中溶解性有机物的释放是湿地强化脱氮的主要因素。还可以模拟冬季低温条件下添加生物炭的人工湿地对氮的去除响应。

三至五层每层对应的实验箱体侧壁均设置有水样采集口和微生物取样口，如图1所示，水样采集口为圆孔，圆孔内固定有亚克力圆管，亚克力圆管伸入人工湿地床体(3)内部3cm，伸出外部4.5cm；水样采集口7、8和9分别对应三至五层基质填料层。同样地，微生物取样口13、14和15分别对应三至五层基质填料层。微生物取样口13、14和15可采用直径2cm的圆孔。

如图2所示，三至五层每层对应的实验箱体侧壁还设置有孔10、11和12，不同填料层内部插的温度探头16、17、18分别由硅胶四氟镀锡屏蔽线从小孔10、11、12分别连接出来，与温度采集装置4相连，实现多个温度探头的温度采集及显示。优选地，温度采集装置4由变压器20、信号转换器21和显示屏22组成。

作为优选方案，玻璃珠填料层高度为2cm，砾石填料层高度为8cm，大陶粒填料层高度为10cm，生物炭填料层高度为10cm，小陶粒填料层高度为10cm。玻璃珠粒径为2cm，砾石粒径为8-16mm，大陶粒粒径为5-15mm，小陶粒粒径为1-8mm，生物炭为小麦秸秆在300℃、缺氧条件下热解而得。

另外，玻璃珠填料层对应的实验箱体侧壁设有进水口(5)，实验箱体侧壁顶端设有出水口(6)，通常位于实验箱体底端往上46cm处；储水装置(1)通过蠕动泵(2)与进水口(5)相连，便于将污水输送至人工湿地中。进水口(5)、出水口(6)可采用直径为3mm的圆孔。

实验系统运行时，蠕动泵2处于开启状态，废水经蠕动泵2从储水装置1抽出，经过进水口5首先进入垂直潜流人工湿地箱体，该系统由于其良好的氧气输送能力为硝化反应提供了良好的条件，废水在垂直潜流人工湿地箱体体内主要进行硝化反硝化反应，最后由出水口6排出。

在实验开始前，在人工湿地上布置湿地植物，所述湿地植物为美人蕉，其容易栽培，有耐寒，且花色素雅，较高的观赏价值。然后将实验系统在室温下运行一段时间，本实用新型采用间歇运行方式运行，为垂直潜流人工湿地。待人工湿地上的植物长势稳定后，放入25℃温度控制箱(低温培养箱)中，将温度自25℃以5℃为梯度逐渐降低，在每个温度条件下持续一段时间，记录相关数据，包括每层基质填料层的温度、氨氮去除效果、微生物菌群结构。其中，每个温度梯度下的湿地床体内的温度由温度传感器实时监测，氨氮去除效果由水样采集分析获得；在每个温度条件运行稳定后取各层填料，进行微生物取样分析，分析不同基质生物膜的微生物菌群结构，同时探析硝化、反硝化等相关功能基因水平差异，以期揭示不同基质在低温下对湿地系统功能微生物的影响。优选地，每一个温度梯度下的运行时间为7天，其中，水力停留时间为3天，低温废水通过砾石填料层依次流经大陶粒、生物炭、小陶粒填料层，进行连续冲击运行。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种人工湿地床体在低温下脱氮的实验系统，其特征在于，该实验系统包括人工湿地、储水装置(1)和温度控制箱；所述人工湿地包括实验箱体和置于实验箱体内的人工湿地床体(3)，所述人工湿地床体(3)包括多层填料层，其中，基质填料层每层均设有温度传感器，每层基质填料层对应的实验箱体侧壁均设置有水样采集口和微生物取样口；所述储水装置(1)与实验箱体连接，为人工湿地提供污水；所述温度控制箱用于控制人工湿地床体(3)的环境温度。

2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述人工湿地床体(3)的填料层包括由下至上依次铺设的玻璃珠填料层、砾石填料层、大陶粒填料层、生物炭填料层、小陶粒填料层、砾石填料层。

3.根据权利要求2所述的实验系统，其特征在于，玻璃珠填料层高度为2cm，砾石填料层高度为8cm，大陶粒填料层高度为10cm，生物炭填料层高度为10cm，小陶粒填料层高度为10cm。

4.根据权利要求3所述的实验系统，其特征在于，玻璃珠粒径为2cm，砾石粒径为8-16mm，大陶粒粒径为5-15mm，小陶粒粒径为1-8mm，生物炭为小麦秸秆在300℃、缺氧条件下热解而得。

5.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，玻璃珠填料层对应的实验箱体侧壁设有进水口(5)，实验箱体侧壁顶端设有出水口(6)；所述储水装置(1)通过蠕动泵(2)与进水口(5)相连。

6.根据权利要求5所述的实验系统，其特征在于，进水口(5)、出水口(6)为直径3mm的圆孔。

7.根据权利要求5所述的实验系统，其特征在于，所述出水口(6)位于实验箱体底端往上46cm处。

8.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述水样采集口为圆孔，圆孔内固定有亚克力圆管，亚克力圆管伸入人工湿地床体(3)内部3cm，伸出外部4.5cm；所述圆孔的内径与亚克力圆管直径相等外径相等。

9.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述温度控制箱控制的环境温度范围为5-25℃。

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