專利名稱：一種改良的利用濕地收割蘆竹強(qiáng)化人工濕地去除氨氮的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水處理領(lǐng)域，具體地說，它涉及一種改良的利用濕地收割蘆竹強(qiáng)化人工濕地去除氨氮的方法。
背景技術(shù)：
人工濕地是根據(jù)天然濕地凈化污水的原理，以自然濕地工藝為主體，聯(lián)合基質(zhì)、微生物和植物作用，構(gòu)建出的一種具有投資省、管理簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)的生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)。經(jīng)過近40年的發(fā)展，人工濕地作為一種極具潛力的污水脫氮技術(shù)，得到國(guó)內(nèi)外的廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)人工濕地多采用自流進(jìn)水方式，濕地中的溶解氧主要來自水面與空氣的接觸以及植物根系泌氧作用。由于根系泌氧能力和氣液面氧擴(kuò)散較弱，濕地床體內(nèi)部，特別是床體內(nèi)的非根際區(qū)，溶解氧濃度偏低，甚至處于缺氧狀態(tài)，從而硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖和硝化反應(yīng)的發(fā)生受到限制，氨氮的去除效果較差，進(jìn)而影響濕地的脫氮能力。因此，對(duì)于提高人工濕地脫氮效果來說，改善濕地內(nèi)的溶解氧狀態(tài)是十分必要的。在人工濕地系統(tǒng)的去污機(jī)制中，水生植物發(fā)揮著重要的作用，表現(xiàn)為水質(zhì)凈化效果好、能耗低、簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)效益高。但是就目前而言，收割后的濕地植物處置問題是制約濕地可持續(xù)發(fā)展 的瓶頸因素，長(zhǎng)期以來，濕地收割植物多數(shù)被直接還田或者焚燒，對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)也造成資源浪費(fèi)。現(xiàn)有濕地中，濕地植物以蘆竹居多。人工濕地中植物產(chǎn)量大、來源廣泛且價(jià)格低廉，若能將收割后的植物秸桿進(jìn)行炭化并施加至人工濕地作為濕地填料，能夠增強(qiáng)保水性能，提高孔隙度和通氣性，促進(jìn)濕地植物和微生物對(duì)污染物的去除作用，緩解濕地基質(zhì)的吸附壓力，延長(zhǎng)其飽和期限，還能實(shí)現(xiàn)資源回收，解決收割后植物的處理問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)傳統(tǒng)人工濕地脫氮效果差、溶解氧水平低，以及收割后濕地植物的處置問題，本發(fā)明提供了一種利用濕地收割蘆竹強(qiáng)化人工濕地去除氨氮的方法。本方法增強(qiáng)了對(duì)污水中NH/-N的去除效果，且無二次污染，還能有效降低傳統(tǒng)人工濕地建造和運(yùn)行費(fèi)用，具有水處理效果穩(wěn)定、可緩沖對(duì)水力和污染負(fù)荷的沖擊等特點(diǎn)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案如下:
一種改良的利用濕地收割蘆竹強(qiáng)化人工濕地去除氨氮的方法，本濕地類型為潛流型或表面流人工濕地，包括池體、進(jìn)出水系統(tǒng)、裝填在池體內(nèi)的濕地基質(zhì)以及種植于基質(zhì)上的濕地植物蘆竹，所述蘆竹在收割季收割后炭化處理得到蘆竹生物質(zhì)炭材料，然后將蘆竹生物質(zhì)炭材料作為濕地基質(zhì)回填到池體內(nèi)；所述濕地基質(zhì)分為三層結(jié)構(gòu)，自下而上依次為底層、中間層和表層，底層與表層為碎石，中間層即為蘆竹生物質(zhì)炭材料，所述蘆竹生物質(zhì)炭材料為濕地基質(zhì)總體積的30 50% ；
其中蘆竹炭化處理得到蘆竹生物質(zhì)炭材料的過程為:
(1)原料制備:將收割后的蘆竹秸桿洗凈，切短至4 5_，烘干備用；
(2)蘆竹秸桿預(yù)處理:將第(I)步得到的蘆竹秸桿加入溫和堿反應(yīng)液中浸泡預(yù)處理，溫和堿反應(yīng)液為NaOH和H2O2組成的混合水溶液，其中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25 2%，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14 1.01 %，余量為水；預(yù)處理參數(shù)為:溫度40 80°C，固液比(g/mL) 1:30 1:10，處理時(shí)間4h 32h，將經(jīng)預(yù)處理后的蘆竹秸桿用水洗至中性后烘干備用；
(3)將第(2)步預(yù)處理后的蘆竹秸桿在氮?dú)夥諊陆^氧熱解制得蘆竹生物炭，其中熱解溫度為40(T80(TC，熱解時(shí)間為1.5 2.5h ；
(4)將第(3)步制備的蘆竹生物炭放入粉碎機(jī)中破碎，過篩，取8(Γ40目的蘆竹生物炭作為吸附材料，用去離子水洗滌以使蘆竹生物炭的PH值降低至7.5 8，之后放入烘箱中烘干即制備得到所述的蘆竹生物質(zhì)炭材料。所述第(2)步蘆竹秸桿預(yù)處理時(shí)，溫和堿反應(yīng)液中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選1-1.5%,H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選0.3-0.6% ;預(yù)處理溫度優(yōu)選55-70°C，固液比(g/ml)優(yōu)選1:15-25，預(yù)處理時(shí)間優(yōu)選15-28h。 所述底層厚度為8 9cm,中間層厚度為6 14cm,表層厚度為4 5cm,底層與表層的碎石粒徑為I 2cm。所述池體為圓柱形，其直徑為15 25cm，高度為20 30cm，濕地基質(zhì)總高度比池體上沿低2-3cm，水位高度與濕地基質(zhì)平齊；池體側(cè)壁頂部設(shè)置進(jìn)水管，底部設(shè)置排水管，進(jìn)水管和排水管管內(nèi)徑為2 5cm。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
I)生物質(zhì)炭能增強(qiáng)保水性能，提高孔隙度和通氣性，對(duì)濕地中硝化反應(yīng)有很強(qiáng)的促進(jìn)作用，特別是對(duì)于DO傳遞性較差的水平潛流人工濕地，生物質(zhì)炭能夠改善其內(nèi)部DO環(huán)境。與傳統(tǒng)人工濕地相比，本發(fā)明中DO水平明顯提高(提高0.2 3.0mg/L)，增強(qiáng)了硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖和硝化反應(yīng)的發(fā)生，從而強(qiáng)化了氨氮的去除效果，進(jìn)而加強(qiáng)了濕地的脫氮能力。2)生物質(zhì)炭的灰分元素(如K、Ca和Mg等)較為豐富，施進(jìn)濕地后作為可溶性養(yǎng)分被植物利用，通過提供和貯存營(yíng)養(yǎng)元素以及改善基質(zhì)的理化性質(zhì)來促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。3)本發(fā)明使用的蘆竹生物質(zhì)炭比表面積大(800 900 m2/g)、孔徑大部分分布在30 50nm之間，多中孔，含有羥基、羧基、內(nèi)酯基、酚羥基和羰基等多種含氧基團(tuán)，有利于對(duì)氨氮的吸附且適合作為微生物生長(zhǎng)發(fā)育的載體，并且環(huán)境友好，無二次污染，使用時(shí)間長(zhǎng)。4)本發(fā)明利用蘆竹作為人工濕地植物，在基質(zhì)中加入生物質(zhì)炭，構(gòu)建生物質(zhì)炭潛流型人工濕地，從上述三個(gè)方面來強(qiáng)化濕地對(duì)污水中nh4+-n的去除效果，其去除率高達(dá)近90%，與傳統(tǒng)人工濕地相比平均提高了 50%左右。5)本發(fā)明使用的生物質(zhì)炭材料是以濕地植物為原料制備的，不僅解決了收割后濕地植物處置不當(dāng)對(duì)環(huán)境造成二次污染的問題，還有效強(qiáng)化了濕地對(duì)nh4+-n的去除效果，且實(shí)現(xiàn)了濕地植物的再利用。6)本發(fā) 明充分利用適宜于微生物生長(zhǎng)的生物質(zhì)炭材料，利用生物質(zhì)炭材料和濕地植物的相互促進(jìn)作用，強(qiáng)化了人工濕地處理污水的能力，提高了濕地植物和濕地基質(zhì)對(duì)污水處理的貢獻(xiàn)率，解決了收割后濕地植物處置不當(dāng)對(duì)環(huán)境造成二次污染的問題，無論在處理效果上，還是在所帶來的經(jīng)濟(jì)效益上，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。


圖1-本發(fā)明人工濕地結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2-實(shí)施例中傳統(tǒng)人工濕地與本發(fā)明的DO對(duì)比圖。圖3-實(shí)施例中傳統(tǒng)人工濕地與本發(fā)明對(duì)NH/-N去除效果對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明濕地類型為潛流或表面流人工濕地，包括池體1、進(jìn)出水系統(tǒng)、裝填在池體內(nèi)的濕地基質(zhì)以及種植于基質(zhì)上的濕地植物蘆竹2，所述蘆竹在收割季收割后炭化處理得到蘆竹生物質(zhì)炭材料，然后將蘆竹生物質(zhì)炭材料作為濕地基質(zhì)回填到池體內(nèi)。所述濕地基質(zhì)分為三層結(jié)構(gòu)，自下而上依次為底層3、中間層4和表層5,底層3與表層5為碎石，中間層4即為蘆竹生物質(zhì)炭材料，所述蘆竹生物質(zhì)炭材料為濕地基質(zhì)總體積的30 50%。其中蘆竹炭 化處理得到蘆竹生物質(zhì)炭材料的過程為:
(O原料制備:將收割后的蘆竹秸桿洗凈，切短至4 5_，烘干備用；
(2)蘆竹秸桿預(yù)處理:將第(I)步得到的蘆竹秸桿加入溫和堿反應(yīng)液中浸泡預(yù)處理，溫和堿反應(yīng)液為NaOH和H2O2組成的混合水溶液，其中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25 2%，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14 1.01 %，余量為水；預(yù)處理參數(shù)為:溫度40 80°C，固液比(g/mL) 1:30 1:10，處理時(shí)間4h 32h，將經(jīng)預(yù)處理后的蘆竹秸桿用水洗至中性后烘干備用；
(3)將第(2)步預(yù)處理后的蘆竹秸桿在氮?dú)夥諊陆^氧熱解制得蘆竹生物炭，其中其中熱解溫度為40(T80(TC，熱解時(shí)間為1.5 2.5h ;優(yōu)選熱解溫度為45(T600°C，熱解時(shí)間為
1.8^2.1h ;更優(yōu)選熱解溫度500°C，熱解時(shí)間2h ；
(4)將第(3)步制備的蘆竹生物炭放入粉碎機(jī)中破碎，過篩，取8(Γ40目的蘆竹生物炭作為吸附材料，用去離子水洗滌以使蘆竹生物炭的PH值降低至7.5 8，之后放入烘箱中烘干即制備得到所述的蘆竹生物質(zhì)炭材料。新制備的生物炭呈堿性，PH約為l(Tll，洗滌是為了使生物炭的PH降低至7.5^8,以防止氨氮以氨氣狀態(tài)揮發(fā)逸出。所述第(2)步蘆竹秸桿預(yù)處理時(shí)，溫和堿反應(yīng)液中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選1_1.5%,H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選0.3-0.6% ;預(yù)處理溫度優(yōu)選55-70°C，固液比(g/ml)優(yōu)選1:15-25，預(yù)處理時(shí)間優(yōu)選15-28h。更優(yōu)選為:溫和堿反應(yīng)液中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.24%, H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.35% ;預(yù)處理溫度64°C，固液比(g/ml) 1:22.2，預(yù)處理時(shí)間26.5h。所述底層厚度為8 9cm,中間層厚度為6 14cm,表層厚度為4 5cm,底層與表層的碎石粒徑為I 2cm。如果蘆竹生物質(zhì)炭材料位于表層則容易漂浮流失，而如果位于底層并被上層碎石壓緊，又容易被上層碎石壓碎，因此本發(fā)明蘆竹生物質(zhì)炭材料位于兩層碎石之間，由兩層碎石對(duì)其定位，且表層厚度較淺，為4 5cm,這樣就不會(huì)壓碎生物質(zhì)炭材料。所述池體I為圓柱形，其直徑為15 25cm，高度為20 30cm，濕地基質(zhì)總高度比池體上沿低2-3cm，實(shí)際濕地基質(zhì)填充高度為18 28cm，水位高度與濕地基質(zhì)平齊(保持在18 28cm處)，在預(yù)先設(shè)定的水位高度處設(shè)有水位控制閥6，當(dāng)高于該水位時(shí)，水位控制閥6自動(dòng)打開排水，使水位始終維持在該高度。池體側(cè)壁頂部設(shè)置進(jìn)水管7，底部設(shè)置排水管
8,排水管8上設(shè)有止水閥9,進(jìn)水管和排水管管內(nèi)徑為2 5cm,用以進(jìn)水和排水。所述蘆竹種植密度為15 25株/ m2。本發(fā)明蘆竹生物質(zhì)炭呈堿性，pH值為7.5 8 ;具有大小不一的多孔結(jié)構(gòu)，表面比較粗糙；具有很高的比表面積(800 900 m2/g)和總孔容(0.2 0.3 cm3/g);孔徑大部分分布在30 50nm之間，表現(xiàn)為中孔為主，有利于對(duì)氨氮的吸附；含有羥基、羧基、內(nèi)酯基、酚羥基和羰基等多種含氧基團(tuán)，這些基團(tuán)有利于氨氮的吸附處理。所述濕地基質(zhì)中蘆竹生物質(zhì)炭含量高達(dá)30 50%(蘆竹生物質(zhì)炭:基質(zhì)，體積比)?？赡芴J竹產(chǎn)生生物質(zhì)炭的速度不與生物質(zhì)炭材料的消耗速度匹配，生物質(zhì)炭的產(chǎn)出量可能過量，也可能欠量。正常情況下，生物質(zhì)炭的產(chǎn)出量容易過量，此時(shí)可以儲(chǔ)存起來用于彌補(bǔ)其他濕地系統(tǒng)產(chǎn)出量的不足。如果水體污染嚴(yán)重，那么生物質(zhì)炭材料消耗較快，可能導(dǎo)致同一片濕地系統(tǒng)上濕地植物產(chǎn)生生物質(zhì)炭的速度不能跟上生物質(zhì)炭材料的消耗速度，此時(shí)可以向其它濕地系統(tǒng)借用濕地植物所產(chǎn)生的生物質(zhì)炭。原則上，制備生物質(zhì)炭材料所用的植物應(yīng)當(dāng)與其上栽種的植物為同一種植物。本發(fā)明污水進(jìn)入人工濕地系統(tǒng)后，在濕地植物、包含蘆竹生物質(zhì)炭的基質(zhì)以及微生物的協(xié)同作用下，通過物理、化學(xué)和生物作用得以凈化。污水經(jīng)凈化后，水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB 18918-2002) 一級(jí)B標(biāo)。以下通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本發(fā)明的效果。構(gòu)建兩個(gè)人工濕地反應(yīng)器W1 (傳統(tǒng)人工濕地)和W2 (本發(fā)明)，試驗(yàn)裝置如圖1所示，反應(yīng)器的尺寸:直徑20cm、高26cm。池體側(cè)壁頂部和底部設(shè)置進(jìn)水管和排水管(管內(nèi)徑為2 5cm),用以進(jìn)水和排水。反應(yīng)器填料為碎石和自制的蘆竹生物質(zhì)炭，投加的蘆竹生物質(zhì)炭占基質(zhì)的體積比為O (W1)和39% (W2)。填料的填充高度為23cm，反應(yīng)器中水位保持在23cm，每個(gè)反應(yīng)器中初始蘆竹質(zhì)量約為100g?；钚晕勰嗳∽灾貞c市雞冠石污水處理廠，活性污泥經(jīng)過濾洗凈后用人工配置的污水馴化，每天換水一次，馴化一個(gè)月后接種到濕地反應(yīng)器中。反應(yīng)器進(jìn)水為人工配置的污水，進(jìn)水方式均為間歇進(jìn)水，水溫為20 30 °C,HRT=2d,共持續(xù)兩個(gè)月，使反應(yīng)器穩(wěn)定。反應(yīng)器穩(wěn)定后，在一個(gè)周期內(nèi)，跟蹤測(cè)定濕地反應(yīng)器中NH4+-N和DO等指標(biāo)，觀察其變化規(guī)律。將加水時(shí)刻記為O時(shí)刻，3011^11、111、211、311、411、811、1611、3211、4811取濕地反應(yīng)器水樣，測(cè)定其指標(biāo)。通過對(duì)W1和W2中NH4+-N和DO的跟蹤觀察，可以發(fā)現(xiàn)與W1相比，W2可以提高50%的NH4+-N去除率，且其DO水平明顯較高，有利于濕地的運(yùn)行。最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種改良的利用濕地收割蘆竹強(qiáng)化人工濕地去除氨氮的方法，本濕地類型為潛流型或表面流人工濕地，包括池體(I)、進(jìn)出水系統(tǒng)、裝填在池體內(nèi)的濕地基質(zhì)以及種植于基質(zhì)上的濕地植物蘆竹(2)，其特征在于:所述蘆竹在收割季收割后炭化處理得到蘆竹生物質(zhì)炭材料，然后將蘆竹生物質(zhì)炭材料作為濕地基質(zhì)回填到池體內(nèi)；所述濕地基質(zhì)分為三層結(jié)構(gòu)，自下而上依次為底層(3)、中間層(4)和表層(5)，底層與表層為碎石，中間層即為蘆竹生物質(zhì)炭材料，所述蘆竹生物質(zhì)炭材料為濕地基質(zhì)總體積的30 50% ； 其中蘆竹炭化處理得到蘆竹生物質(zhì)炭材料的過程為: (1)原料制備:將收割后的蘆竹秸桿洗凈，切短至4 5_，烘干備用； (2)蘆竹秸桿預(yù)處理:將第(I)步得到的蘆竹秸桿加入溫和堿反應(yīng)液中浸泡預(yù)處理，溫和堿反應(yīng)液為NaOH和H2O2組成的混合水溶液，其中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25 2%，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14 1.01 %，余量為水；預(yù)處理參數(shù)為:溫度40 80°C，固液比(g/mL) 1:30 1:10，處理時(shí)間4h 32h，將經(jīng)預(yù)處理后的蘆竹秸桿用水洗至中性后烘干備用； (3)將第(2)步預(yù)處理后的蘆竹秸桿在氮?dú)夥諊陆^氧熱解制得蘆竹生物炭，其中熱解溫度為40(T800°C，熱解時(shí)間為1.5 2.5h ； (4)將第(3)步制備的蘆竹生物炭放入粉碎機(jī)中破碎，過篩，取8(Γ40目的蘆竹生物炭作為吸附材料，用去離子水洗滌以使蘆竹生物炭的PH值降低至7.5 8，之后放入烘箱中烘干即制備得到所述的蘆竹生物質(zhì)炭材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的利用濕地收割蘆竹強(qiáng)化人工濕地去除氨氮的方法，其特征在于:所述第(2)步蘆竹秸桿預(yù)處理時(shí)，溫和堿反應(yīng)液中NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選1-1.5%，H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選0.3-0.6% ;預(yù)處理溫度優(yōu)選55-70°C，固液比(g/ml)優(yōu)選1:15-25，預(yù)處理時(shí)間優(yōu)選15-28h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的利用濕地收割蘆竹強(qiáng)化人工濕地去除氨氮的方法，其特征在于:所述底層厚度為8 9cm,中間層厚度為6 14cm,表層厚度為4 5cm,底層與表層的碎石粒徑為I 2cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改良的利用濕地收割蘆竹強(qiáng)化人工濕地去除氨氮的方法，其特征在于:所述池體(I)為圓柱形，其高度為20 30cm，濕地基質(zhì)總高度比池體上沿低2-3cm，水位高度與濕地基質(zhì)平齊；池體側(cè)壁頂部設(shè)置進(jìn)水管(7)，底部設(shè)置排水管(8)，進(jìn)水管和排水管管內(nèi)徑為2 5cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改良的利用濕地收割蘆竹強(qiáng)化人工濕地去除氨氮的方法，本人工濕地包括池體、進(jìn)出水系統(tǒng)、濕地基質(zhì)以及濕地植物蘆竹，所述蘆竹收割后炭化處理(炭化前經(jīng)過溫和堿預(yù)處理)得到蘆竹生物質(zhì)炭材料，然后將生物質(zhì)炭材料作為濕地基質(zhì)回填到池體內(nèi)；所述濕地基質(zhì)自下而上依次為底層、中間層和表層，中間層即為該生物質(zhì)炭材料。本方法增強(qiáng)了對(duì)污水中NH4+-N的去除效果，且無二次污染，還能有效降低傳統(tǒng)人工濕地建造和運(yùn)行費(fèi)用，具有水處理效果穩(wěn)定、可緩沖對(duì)水力和污染負(fù)荷的沖擊等特點(diǎn)。本發(fā)明不僅解決了收割后濕地植物處置不當(dāng)對(duì)環(huán)境造成二次污染的問題，還有效強(qiáng)化了濕地對(duì)NH4+-N的去除效果，且實(shí)現(xiàn)了濕地植物的再利用。
文檔編號(hào)C02F3/32GK103253774SQ20131021859
公開日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年6月4日
發(fā)明者黃磊, 高旭, 杜剛, 魯言言, 常寶軍, 郭勁松 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)