一种用于沟渠铵氮转化的水力驱动生物转盘及其装置

1.本实用新型涉及农业沟渠技术领域，特别是涉及一种用于沟渠铵氮转化的水力驱动生物转盘及其装置。


背景技术：

2.氮是农作物细胞蛋白质的主要成分，也是叶绿素、植物激素等有机化合物的主要成分，适当施加氮肥有利于提高农作物的产量和质量，常用的氮肥有铵态氮肥、硝态氮肥和酰胺态氮肥。但铵态氮肥易被土壤胶体吸附，长时间的富集后易形成局部高浓度铵氮环境，对农作物生长产生毒害作用，且农作物吸收过量的铵态氮对钙、镁、钾等养分的吸收具有一定的抑制作用，因此铵态氮肥不能大量使用；虽然硝态氮肥易溶于水，更易被农作物吸收，且对钙、镁、钾等养分的吸收无抑制作用，且硝酸盐带负电荷，不易被土壤胶体吸附，可有效避免局部高氮环境，但硝态氮肥价格相对高昂，因此也难以成规模化应用。目前通常采用酰胺态氮肥亦称为尿素，尿素是固体氮中含氮最高的氮肥，且价格相对较低，可以广泛应用，但尿素在土壤中水解后会以铵态氮形式存在与土壤及水体环境中，因此大量施用尿素仍然会造成农用地域及水体铵氮过剩问题。
3.目前，对农业沟渠铵氮的合理化处理尚无十分有效的措施，大部分仍采用排至大型水体进行稀释的方法，但这种方法仍然无法避免水体内铵氮富集的问题。于是技术人员将研究的方向转移到了生物转盘脱氮反应池上，通过将沟渠中的水通入反应池内，在生物转盘两侧盘面的脱氮生物膜作用下达到脱氮的目的，但目前生物转盘的都是用电力进行驱动，而农田往往无法接电，因此造成了很大的局限性。目前有一种水力驱动的脱氮生物转盘反应池，其中生物转盘的外周壁上设有倾斜的挡板，通过水流推动挡板，继而可带动生物转盘转动，达到脱氮目的，但上述生物转盘中挡板是设置在生物转盘的外周壁上的，为了满足挡板具有足够的动力，挡板就需要具有一定的长度，但沟渠的深度是有限的，这导致生物转盘本身尺寸根据需要要进行缩小，导致与水流接触面积缩小，脱氮效果变弱，同时沟渠中往往存在垃圾和杂草等杂物，很容易钩挂在位于生物转盘外周的挡板上，影响转盘的转动效果，最终影响脱氮效果；而且由于生物转盘的本体是一个实心圆板，沟渠中的水只是从而实心圆板两侧的生物膜侧面流过，与生物膜接触面积较小，因此截氮效率也很难保证。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是解决上述技术问题，提供一种用于沟渠铵氮转化的水力驱动生物转盘及其装置，生物转盘采用了两个相互扣合网面圆盘，同时将水流挡板设置在生物转盘的两侧，沟渠中的水能够穿过网面圆盘与网面圆盘中的生物填料充分接触，大幅提高接触面积，从而提高铵氮截留和转化的效率；同时挡板设置在生物转盘的侧面，无需缩减生物转盘原本的尺寸，能够保证生物转盘与沟渠中的水具有足够的接触面积，同时还能够避免钩挂沟渠中的垃圾或杂草等杂物，影响转盘转动。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种用于沟渠铵
氮转化的水力驱动生物转盘，所述生物转盘包括两个相互扣合的网面圆盘，两个所述网面圆盘形成了用于装填具有铵氮吸附和转化特性的填料的空腔，所述网面圆盘的盘面为可供沟渠水通过的网格面，两个所述网格面相背的盘面上凸出有若干条水流挡板，若干所述水流挡板的外接圆与所述网格面同圆心设置。
6.优选的，所述水流挡板的外接圆的直径与所述网面圆盘的直径大小相同。
7.优选的，所述水流挡板有四条，四条所述水流挡板形成米字形结构。
8.本实用新型还提供了一种用于沟渠铵氮转化的装置，采用了上述水力驱动生物转盘，包括设置在所述农业沟渠内的调节池和反应池，所述调节池内设有碱度投加装置，所述反应池与所述调节池的背水面连通，所述调节池的迎水面、所述调节池和所述反应池之间以及所述反应池的背水面上均设有闸门，所述反应池上设有与所述闸门连接的控制系统，所述反应池和所述调节池内设有与所述控制系统相连的氮素浓度监测装置、酸碱监测装置、温度控制装置和温度监测装置；所述生物转盘转动连接在所述反应池内，且所述生物转盘的转动方向与水流方向平行。
9.优选的，所述生物转盘至少一半面积浸没在所述反应池内的水位中。
10.优选的，所述生物转盘通过转轴转动连接在所述反应池内，若干所述生物转盘间隔设置在一根转轴上并形成一组所述生物转盘，所述反应池内转动连接有若干组所述生物转盘。
11.优选的，相邻两组所述生物转盘之间设有微孔曝气装置。
12.优选的，所述转轴连接有驱动机构，所述驱动机构与太阳能板连接。
13.优选的，所述反应池背水面上设有与所述调节池连接的回流管。
14.优选的，所述填料为天然沸石。
15.本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
16.1、本实用新型中的生物转盘采用了两个相互扣合网面圆盘，并在网面圆盘中填满具有铵氮吸附和转化特性的填料，生物转盘转动时，沟渠中的水始终浸透生物转盘，沟渠中的水与生物转盘中的填料立体接触，从而大幅提高沟渠水与填料所形成的生物膜的接触面积，保证了提高铵氮吸附和转化的效果；同时也正是因为生物转盘的盘面为能够供水流通过的网面圆盘，在网面圆盘上设置水流挡板不会造成水流在水流挡板处形成涡流进而卷动生物膜，造成生物膜的破碎脱离的问题，同时也就无需为了适应沟渠深度，而将生物转盘尺寸进行缩减，减少与沟渠水接触面积；同时设置在转盘两侧的水流挡板不会钩挂沟渠中的垃圾或杂草等杂物，影响转盘转动。
17.2、本实用新型中水流挡板有四条，四条水流挡板形成米字形结构，米字形结构，显著增加了水流挡板与沟渠水接触频率，有利于水流顺畅的推动生物转盘转动；同时米字形结构能够给予生物转盘有效的支撑，帮助提高生物转盘自身的结构强度。
18.3、本实用新型中的装置采用上述水力驱动生物转盘，调节池和反应池顺着沟渠水流方向设置在沟渠之中，打开闸门，沟渠水流流过调节池和反应池，通过调节池提前加入碱性物质，调节沟渠中酸碱度，保证反应池内的生物转盘上的生物菌群达到最佳的活性，以保证对铵态氮的吸附和转化效率；当沟渠中水进入反应池后，生物转盘在水流推动下能够进行转动，无需电力供应，从而扩大了应用范围，然后在装置的吸附和转化下，大幅降低沟渠中的铵氮元素，避免铵氮富集形成局部高浓度铵氮环境，对农作物生长产生毒害作用，影响
农作物吸收钙、镁、钾等养分。
19.4、本实用新型中相邻两组生物转盘之间设有微孔曝气装置，通过曝气提高沟渠水的溶氧能力，为生物转盘上的生物膜提供足够的氧气，保证生物菌群的活性，同时能够防止沟渠内悬浮物下沉，保证反应池内铵氮元素与生物菌群充分反应。
20.5、本实用新型中转轴还连接有太阳能驱动的驱动机构，以弥补水流动力不足的情况，保证生物转盘的正常转动。
21.6、本实用新型中反应池背水面上设有与调节池连接的回流管，将处理过的沟渠水再次进行二次截留转化，有利于铵氮的转化，保证铵氮截留转化效果。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为一种用于沟渠铵氮转化的装置侧视示意图；
24.图2为一种用于沟渠铵氮转化的装置俯视示意图；
25.图3为生物转盘结构示意图；
26.图4为生物转盘立体结构示意图。
27.附图标记说明：1、网面圆盘；2、水流挡板；3、调节池；4、反应池；5、碱度投加装置；6、闸门；7、转轴；8、微孔曝气装置；9、太阳能板；10、回流管；11、空气泵；12、回流泵。
具体实施方式
28.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.本实施例提供一种用于沟渠铵氮转化的水力驱动生物转盘，如图1至图4所示，生物转盘由两个网面圆盘1相互扣合而成，两个网面圆盘1扣合在一起后形成中空的空腔，空腔内添加有具有铵氮吸附
‑
解吸特性的填料，网面圆盘1的盘面为网格面，两个网面圆盘1相背的盘面上凸出有若干条水流挡板2，若干水流挡板2的外接圆与网格面同圆心设置。当沟渠水流流动时，流动的水会推动水流挡板2，继而带动生物转盘在沟渠中转动，同时沟渠中的水贯通网面圆盘1，始终浸透生物转盘与空腔中填料所形成的生物膜接触，然后沟渠水中的铵氮元素被生物膜中的生物菌群截留、解吸并转化，从而降低铵氮元素的浓度，避免铵氮元素进入土壤后造成局部富集。生物转盘转动时，沟渠中的水始终浸透生物转盘与空腔中的填料形成立体接触，相较于现有的只是从两侧与生物膜接触的生物转盘，大幅提高了沟渠水与填料所形成的生物膜的接触面积，同时挡水板也正是因为生物转盘为能够供水流通过的网面圆盘1，在生物转盘两侧上设置水流挡板2不会在挡水板之间形成涡流，水会穿过网面圆盘1。同时水流挡板2设置生物转盘两侧，不会变相增大生物转盘尺寸，也就无需为了适应沟渠深度，而将生物转盘原本尺寸进行缩减，减少与沟渠水接触面积；同时设置在转盘
两侧的水流挡板2不会钩挂沟渠中的垃圾或杂草等杂物，影响转盘转动。
30.本实施例中，如图3至图4所示，水流挡板2的外接圆的直径与网面圆盘1的直径大小相同，即水流挡板2的长度与生物转盘的长度相同，水流挡板2与沟渠水接触面积增大，提高了水流对水流挡板2的推动里，保证水流具有足够的动力推动生物转盘顺畅的转动。
31.本实施例中，如图3至图4所示，水流挡板2有四条，四条水流挡板2形成米字形结构，一方面能够增大与沟渠水流接触频率，使水流能够更加顺畅的推动生物转盘，同时米字型结构能够给与网面圆盘1支撑，提高生物转盘自身的结构强度，避免水流冲击与挤压下发生变形，同时米字型结构同圆心设置在生物转盘的两侧，更能保证生物转盘稳定的转动。
32.本实施例中，生物转盘为高强度、轻质量的pvc材料，pvc材料能够保证生物转盘长期浸泡在沟渠中，无需担心被腐蚀的问题，能够保证生物转盘长时间的使用。当然，生物转盘也不仅仅局限于pvc材料，也可为木质、竹质、亚克力等材质。
33.本实施例中，具有铵氮吸附
‑
解吸特性的填料可为饭麦石、斜发沸石等天然沸石中的一种或多种组合，天然沸石来源广，易获得，在农业沟渠中使用无二次污染隐患。天然沸石在微生物的新陈代谢活动中会产生菌胶团，然后在天然沸石表面形成生物膜，当铵氧化菌(aob)和氮氧化菌(nob)在生物膜中成为绝对优势菌群时，便完成了生物转盘的制备，水体或土壤中的铵氮在有氧及有碱度的条件下被铵氧化菌(aob)和氮氧化菌(nob)先转化为亚硝氮，然后再被转化为硝态氮，硝态氮易溶于水，易被农作物吸收，且对钙、镁、钾等养分的吸收无抑制作用，可有效避免局部高氮环境；具体解吸
‑
转化包括两个过程：其一，铵氮从填料上解吸，也是铵氮吸附能力恢复的一个过程；其二，解吸出来的铵氮在aob和nob的作用下，消耗碱度和氧气，被转化为硝氮。
34.如图1至图2，本实施例中提供了一种用于沟渠铵氮转化的装置，采用了上述水力驱动生物转盘，包括设置在农业沟渠内的调节池3和反应池4，调节池3内设有碱度投加装置5，反应池4与调节池3的背水面连通，调节池3的迎水面、调节池3和反应池4之间以及反应池4的背水面上均设有闸门6，反应池4上设有与闸门6连接的控制系统，反应池4和调节池3内设有与控制系统相连的氮素浓度监测装置、酸碱监测装置、温度控制装置和温度监测装置；生物转盘转动连接在反应池4内，且生物转盘的转动方向与水流方向平行。通过控制系统控制先打开调节池3迎水面上的闸门6，调节池3上的设有碱度投加装置5投入碱性物质，调节酸碱度，然后打开调节池3和反应池4之间的闸门6和反应池4背水面的闸门6，进入反应池4内与沟渠水在生物转盘的作用下氨氮被生物膜截留和反应，并从反应池4背水面的闸门6流出。
35.本实施例中，生物转盘至少一半面积浸没在反应池4内的水位中，以保证生物转盘与沟渠水的反应面积，保证对沟渠水氨氮元素的有效截留和转化。
36.本实施例中，如图2所示，生物转盘通过转轴7转动连接在反应池4内，若干生物转盘间隔设置在一根转轴7上并形成一组生物转盘，反应池4内转动连接有若干组生物转盘。
37.本实施例中，如图2所示，在相邻两组生物转盘之间设有微孔曝气装置8，微孔曝气装置8通过反应池4一侧的空气泵11提供空气，通过微孔曝气装置8增大沟渠水的溶氧度，为生物膜与沟渠水中的铵态氮的反应提供足够的氧气。
38.本实施例中，转轴7连接有驱动机构，驱动机构与太阳能板9连接，在水流动力不足时，通过太阳能板9能够辅助生物转盘转动，保证生物转盘能够顺畅转动，以及具有一定的
转速。当然也可安装风能为备用能源生物转盘转动或给微孔曝气装置8供电。
39.本实施例中，反应池4背水面上设有与调节池3连接的回流管10，回流管10设有回流泵12，将反应池4中的废水抽回调节池3，进行二次截留和转化，从而保证氨氮截留和转化的效果。
40.本实施例中，生物转盘的制作方式如下：
41.首先，生物转盘至少50％的面积浸没在反应池4中的液面下；然后，将模拟废水作为实验用水通入反应池4中，连续进水驯化，此时生物转盘的转速为0.6
‑
15转/分钟，然后通过水温控制器将反应池内4的水温控制为30
±
5℃，进水nh
4+
‑
n的浓度为50mg/l，ph为7.0
±
0.5，水力停留时间(hrt)为8
‑
16h(按反应池4总体积计算，下同)，通过氮素浓度监测装置定期检测出水中氮素浓度(nh
4+
‑
n、no2‑
‑
n、no3‑
‑
n)变化。水中铵氮浓度变化具有一定的特征，即在吸附阶段呈逐步降低趋势，当吸附饱和后呈逐渐升高的趋势。当出水铵氮降至10
‑
15mg/l时视为吸附完成；然后在出水铵氮浓度升至45
‑
50mg/l时，关闭反应池4闸门6停止进水和出水，在填料上接种活性污泥，并通过碱度投加装置5补充碱度然后开启曝气装置8并曝气，闷曝；当反应池4中no3‑
‑
n浓度升至35
‑
45mg/l时，即视为转化完成，将反应池4排空，重复以上过程，直至hrt稳定在10
±
2h，视为具有转化铵氮能力的生物转盘制作完成。模拟废水是由nh4cl配制，活性污泥来自垃圾填埋场，接种的活性污泥mlss约为2500
‑
3000mg/l。曝气是根据溶解氧进行控制，溶解氧浓度需维持3
‑
5mg/l，以电磁式节能曝气设备供氧，出气构件为微孔曝气盘。碱度供体为nahco3或na2co3，根据反应器体积、进水铵氮浓度，按碱度/铵氮(质量浓度比)＝7.5添加。
42.本实施例中，沟渠铵氮转化的装置正常运行：启动生物转盘，转速为0.6
‑
8转/分钟，水温控制为30
±
5℃。当反应池4中的沟渠水进水铵氮为20
‑
150mg/l，出水铵氮浓度为10mg/l时视为正常运行，当反应器中铵氮浓度增加至20
±
5mg/l时，则视为运行控制点，此时需要停止进水，并通过调节池3补充碱度并曝气，进行铵氮解吸
‑
转化，直至铵氮降为10mg/l以下为止，然后将反应池4排空，然后进行正常的运行，以上运行过程均通过控制系统控制和氮素浓度监测装置、酸碱监测装置、温度控制装置和温度监测装置实时监控铵氮浓度实现自动化控制。当生物转盘中的填料出现板结或生物膜过厚时，将会降低填料的吸附
‑
解吸性能；此时，需对填料进行冲洗，冲洗液中含有大量的微生物菌体，可直接用于灌溉；吸附性能减弱的填料可换下来埋至农作物根部，可作为氮肥缓释材料使用。
43.本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。