[发明专利]间歇式垂直流人工湿地脱氮模拟实验装置及实验方法

说明书

本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及间歇式垂直流人工湿地脱氮模拟实验装置及实验方。其包括动态试验装置，储水装置，以及温控装置，还包括曝气装置，搅拌装置，pH值调节装置以及控制系统，在动态试验装置内设有溶解氧浓度传感器及pH值传感器，溶解氧浓度传感器检测到溶解氧浓度后发送检测信号至控制器，控制器接收检测信号后发送用于控制曝气装置启闭的信号至曝气装置，同时发送用于控制搅拌装置启闭的信号至搅拌装置。本发明可实时监测曝气量，实验结果准确、快速，可精确得到各种环境下污染物质去除率，以及可快速得到单位体积污水的污染物质达到最高去除率时所需溶解氧浓度及曝气量，并应用于实际中。

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种间歇式垂直流人工湿地脱氮模拟实验装置及实验方法。

背景技术

随着社会的发展和城市化步伐加快，人口密度不断提升，各项人类活动迅速加剧了水体污染。中国作为一个农业大国，水环境持续受到农业污染源的影响，磷肥和氮肥的使用量也远超美国和其他许多国家。此外，城市居民的日常生活活动是导致沿河沿海水体的污染主要原因。城市生活污水占废水总量的三分之一，这类水体中含有大量的有害化学物质，包括工业化学品、家用化学品、生活垃圾及其副产物，以及在废水和饮用水消毒过程中的副产物等。废水中过量的营养物质使得河流、湖泊和海洋富营养化日益严峻，藻类的大量生长，破坏了全球的沿海栖息地，导致了一系列生态环境问题。高含氮废水进入水体后，硝酸盐刺激藻类的生长以及氨化细菌的代谢作用，导致水体溶解氧(DO)下降，大量的鱼虾死亡，水体透明度降低，甚至发出难闻的腥臭味。除了对生态系统的危害，还会导致许多人体健康问题。过量的硝酸盐(NO3-)除了使得溪流和湖泊酸化，还严重污染地下水源。地下水资源是我国重要的饮用水源，饮用含高浓度NO3-的水体，会引起胃肠道感染(腹泻)以及高铁血红蛋白血症等病症。因此，水处理技术的发展一直备受国际关注。人工湿地作为一种低成本、低能耗、高去除率、易于操作和维护的污水处理技术，在水污染控制方面占有越来越重要的地位，非常适合中小城镇及广大农村地区的污水处理。

一般将人工湿地主要分为以下四大类，表面流人工湿地(FWSCW)、潜流式人工湿地(HSSFCW)、垂直流人工湿地(VFCW)、复合流人工湿地系统(Hybrid CWs)，其中，垂直流人工湿地(VFCW)，它结合了表面流人工湿地和潜流人工湿地的特点。污水在湿地表面纵向流入，可以分为上流式和下流式两种流向。流经整个填料床体后由底部或顶部的集水管排出。垂直流人工湿地一般呈圆柱形结构，基质床体有利于生物膜的形成，污水能与生物膜充分混合后反应，比潜流式人工湿地有更强的氧运输能力。在垂直流人工湿地系统中亚硝氮的积累较少，一般只有在低水位运行时，才会有较多亚硝氮积累。运行水位越低，垂直流人工湿地系统对COD的去除效果越好。垂直流人工湿地对COD的去除效率优于潜流式人工湿地，有学者研究得出，潜流式人工湿地和垂直流人工湿地对铵根离子(NH4+)的去除率分别达为59％和68％，可见垂直流人工湿地系统对硝化作用营造了更有利的条件。与潜流式人工湿地相比，有更好更稳定的净化效果。垂直流人工湿地对有机物和悬浮物(SS)都有很好的去除效果，但与潜流式人工湿地相比，反硝化能力较弱，因此，对总氮(TN)的去除有很大的局限性。

在垂直流人工湿地系统处理污水的过程中，除氮主要是由微生物的氨化、硝化和反硝化作用实现的。人工湿地对氮、磷和有机物的去除是通过复杂的物理、化学和生物作用实现的。其中物理学过程主要包括吸附、过滤和沉积作用，化学过程主要是沉淀、吸附、离子交换、氧化和水解作用等。其中，基质类型、微生物种类和数量以及植物类型等因素决定了这些过程发生的速度和强度。人工湿地的脱氮过程是依靠植物、微生物和基质间的相互作用，将各种形态的氮进行相互转化，将无机氮转化为有机氮，有机氮再转化为气态氮释放到大气中的过程。当污水中的氮以硝酸盐为主要存在形态时，人工湿地的主要除氮途径为直接反硝化过程；当污水中的氮以氨态氮为主时，主要是通过植物吸收、吸附、硝化和氨化过程达到去除效果。污水中的有机物包括可溶和不可溶性有机物，主要通过人工湿地系统中的微生物作用，将大部分有机物进行转化、分解合成自身生长、繁殖所需要的物质，并产生CO₂和H₂O排到外部环境中。