一种水体中总氮自动高效净化系统及其方法与流程

本发明属于环保和水体修复领域，具体涉及一种水体中总氮自动高效净化方法。
背景技术：
：总氮一般认为是硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮和有机氮的总和。水体中氨氮在氧的作用下生成硝酸盐，并进一步形成硝酸盐，同时水体中亚硝酸盐和硝酸盐在缺氧条件下，受微生物作用转化为氮气。总氮反映水体中富营养化的主要指标。其中《地表水环境指标标准》(gb3838-2002)中明确指出ⅲ类标准1.0mg/l、ⅳ类标准1.5mg/l、ⅴ类标准2.0mg/l；目前水体中总氮污染较为严重，以氨氮污染为主，有机氮也不容忽视。传统的生物处理分为：硝化(氨被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐)、反硝化(硝酸盐或亚硝酸盐转化成氮气)。存在需要建立污水处理构筑物、大面积占地、难以移动等缺点。申请号201510506819.x的中国专利申请文件《一种净化水质的生态浮床》，提供了一种能够净化水质的生态浮床，包括浮床框架，所述浮床框架区域内设置有种植网并且其周边与浮床框架相连接，所述浮床框架周边固定有经过生物膜培养处理的生物滤材且所述生物滤材向所述浮床框架外围延展。但该方法净化效果不稳定，针对总氮去除效果差。申请号201510631203.5的中国专利申请文件《一种养殖池塘用简易生态浮床及系统》，涉及一种养殖池塘用简易生态浮床，包括矩形结构的pvc管框架，所述pvc管框架中间设有栅格栏；所述栅格栏下部吊挂弹性滤料，上部种植水生植物；所述pvc管框架下部吊挂防水帆布，所述防水帆布围住的空间内设有曝气盘管，所述曝气盘管通过曝气提水、增氧，为弹性填料提高有氧环境，被提起的水体从pvc管框架与帆布之间的间隙排出。但该方法投资成本高、处理效果不稳定，对总氮去除效果较差。申请号201510658373.2的中国专利申请文件《多级过滤生物浮岛》，公开了一种多级过滤生物浮岛，包括生物浮床、多级过滤柱系统和支撑杆，所述生物浮床与置于水体中的多级过滤柱系统通过支撑杆连接，所述多级过滤柱系统底部设有锚定装置；所述多级过滤柱系统由若干柱状空心管组成，所述柱状空心管的轴向与水体的水流方向一致，所述柱状空心管内填充有过滤填料。但该方法总氮去除效果差、运行不稳定、操作管理不方便。申请号201510754882.5的中国专利申请文件《一种避鱼式生态修复浮床》，提供了一种避鱼式生态修复浮床，该浮床主体外围设有浮力件；浮力件上穿插有支撑柱，支撑柱的一部分始终位于浮力件之上；浮床主体与支撑柱相连。浮床内部底层为滤食性贝类层，滤食性贝类层之上为藻食性鱼类和食用腐殖质和有机物碎屑的鱼类层，鱼类层之上为水生植物层。但该方法对污染物去除效果差，水质改善不明显。申请号201510787951.2的中国专利申请文件《一种城市河涌水质净化系统与净化方法》，公开了一种城市河涌水质净化系统，根据城市河涌水质情况将河涌划分为三个治理区域，分别为农业养殖废水治理区域、化工废水污染的支涌治理区域和生活污水治理区域，该城市河涌水质净化系统包括清污装置、生物蚯蚓、第一生物坝、第二生物坝、第三生物坝和生态浮岛。但该方法投资大、运行成本高、管理复杂，脱氮效果未明确。申请号201510821137.8的中国专利申请文件《一种利用圩区沟塘生态系统净化圩区多重污水的方法》，属水处理环境
技术领域：
，具体涉及一种利用圩区沟塘生态系统净化圩区多重污水的方法。通过对圩区沟塘形态改造技术、圩区沟塘水系连通技术、基底修复改造技术、水生动植物恢复技术、水生植物浮床强化技术等生态修复组合技术的集成与优化，构建以水质改善为基础、以生态修复为核心、兼顾景观提升的圩区沟塘系统水质净化综合整治工程。但该方法未明确总氮的去除，尤其是总氮原位低成本去除。申请号201510822235.3的中国专利申请文件《城市富营养化河道生态修复方法》，公开了一种城市富营养化河道生态修复方法，包括：在河道的拦控水闸设置拦控水位系统；在主河道，将清淤的土方堆成沿河缓坡、河心岛屿，岸坡比为1:2.5～1:5，从河道堤坝往河道中央依次形成浅水区和深水阔水区；对所述沿河缓坡的坡面进行堆石型和插孔式混凝土块型底型改造；在河心岛屿、底型改造后的沿河缓坡构建堤岸带水生植物带，在沿堤岸带构建植物浮床生物带；在疏浚后的河道放流滤杂食性鱼类和贝类、虾类动物。但该方法对于总氮的去除未作说明，未有专门针对总氮去除的措施。申请号201510823627.1的中国专利申请文件《一种生态浮床，涉及一种生态浮床》，包括支架和设置在支架上的浮床本体，支架包括固定管和设置在固定管内的浮动杆，浮动杆上设有长度可调的连杆，连杆与浮床本体相连，固定管上设有供连杆穿过的限位槽。但该方法仅仅是浮床的发明，对于水质改善，尤其是总氮指标的改善涉及较少。申请号201510868993.9的中国专利申请文件《一种养殖池塘用简易复合浮床及系统的构建方法》，涉及一种养殖池塘用简易复合浮床的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：a)采用矩形结构的pvc管框架(2)，并在其中固定设置栅格栏(3)；b)在栅格栏(3)的下部吊挂弹性滤料；(5)；c)pvc管框架(2)下部吊挂防水帆布(1)，防水帆布(1)围住的空间内设置曝气盘管(4)，防水帆布(1)与pvc管框架(2)之间留有一定间隙；d)栅格栏(3)上部种植水生植物；e)曝气盘管(4)通过曝气提水、增氧，为弹性填料提供有氧环境，被提起的水体从pvc管框架与帆布之间的间隙排出，形成水流循环，未能溶于水的部分气体通过栅格栏(3)向上层排出。但该方法重点是水产养殖废水的增氧措施，未有对水体中总氮的去除进行明确说明。申请号201510937521.4的中国专利申请文件《一种用于河湖水质净化的生态浮床装置》，涉及一种用于河湖水质净化的生态浮床装置，其特征在于：上部边框和下方的下部支撑边框均为矩形结构，上部边框的四个边角通过竖向主立柱与下方的下部支撑边框固定连接组成矩形的框架，上部边框和下部支撑边框的横竖边的中段有竖向次立柱加固，上部边框内通过中间支撑分隔成4～8个矩形区域，植物种植瓶布置在中间支撑分隔出的4～8个矩形区域内，植物种植在植物种植瓶中，上部固定绳横竖排列呈网格状对植物种植瓶上方限位，上部边框两侧长边固定连接有浮块，浮块为对称布置；其能够提高水质净化效率，降低浮床的建造和运行成本。但方法仅仅是浮床的做法，未有涉及水质指标的改善。申请号201511010957.5的中国专利申请文件《一种用于去除重金属污染水体的生态浮床装置》，涉及一种用于去除重金属污染水体的生态浮床装置，其特征在于：浮床由上部支撑边框、下部支撑边框、竖向主立柱、竖向次立柱和中间支撑组成；上部支撑边框和下部支撑边框上下对应布置，中间支撑上下均布置且上下对应分布，浮块置于上部支撑边框的外侧，且对称布置，同时与浮床绑扎在一起；植物种植瓶通过种植瓶上部固定绳和种植瓶下部固定绳固定于每个浮床格内；植物种植瓶内瓶颈位置填充碎石填料，靠近瓶底位置填充软体植物，植物种植瓶中间位置填充吸附材料，植物种植瓶内种植植物；横向每排植物种植瓶之间在瓶底部侧面采用二合一胶水黏贴加固，加固区高度为10～20mm。其能够提高水质净化效率，降低浮床的建造和运行成本。但该方法针对的去除重金属去除，对于总氮的去除未有说明。申请号201610004862.0的中国专利申请文件《一种兼具净化养殖排放水和养殖功能的陆基化池塘系统》，公开了一种兼具净化养殖排放水和养殖功能的陆基化池塘系统，包括陆基池塘养殖区、陆基池塘进水沟渠、陆基池塘排水沟渠和净化养殖池，所述陆基池塘养殖区为养殖主体，通过陆基池塘进水沟渠进水，通过陆基池塘排水沟渠排水，所述陆基池塘排水沟渠末端连接净化养殖池；所述净化养殖池按照不同净化功能划分为泡沫分离和生态净化区、净化养殖区、沉淀区；所述泡沫分离和生态净化区设有依次连接泡沫分离器和生态净化池。但该方法对总氮的去除未有说明，仅对净化养殖排放水和养殖功能的陆基化池塘系统设计。技术实现要素：针对水体中总氮超标严重，现有污水处理手段投资大、运行成本高、工艺灵活性差等突出问题，本发明提供了一种水体中总氮自动高效净化方法。对生物炭基质进行改性，利用植物根系作用对生物炭基质上微生物进行供氧、提高硝化作用。通过总氮检测系统对水体中总氮进行监测，当总氮超过设定的标准值时，反硝化脱氮系统启动回流，改善水力条件和提高反硝化效果。本发明突出优点是脱氮效率高、处理效果好、生物炭资源化利用、原位净化无需占地面积、投资少、运行成本成本低。技术方案本发明的目的通过以下技术方案实现：一种水体中总氮自动高效净化系统，包括：净化系统、改性系统、总氮检测系统、反硝化脱氮系统四个部分。其中净化系统包括浮体、生物炭基质、砾石、土工布、植物；改性系统包括曝气泵、曝气管、曝气冒；总氮检测系统包括总氮检测仪、plc控制器；反硝化脱氮系统包括固定环、回流进水管、回流泵、回流管。一种水体中总氮自动高效净化方法，包括以下步骤：步骤1)净化系统中土工布设置在浮体下方，呈包裹状态，其中底部、侧面均布置土工布。砾石位于底部，紧贴土工布，生物炭基质位于砾石上部，植物种植于生物炭基质上。通过植物根系作用对生物炭基质上微生物进行供氧、提高硝化作用。步骤2)改性系统通过曝气泵进行曝气充氧，曝气管位于生物炭基质的下方和砾石的交界处，空气通过曝气管对生物炭基质进行改性。曝气管的末端设置曝气冒。通过曝气泵对生物炭基质曝气改性，提高生物炭基质微生物活性。步骤3)总氮检测系统中总氮检测仪对水体中的tn进行测试，数据输入至plc控制器，plc控制器根据测试值与设定值之间比对作出判断，用于控制回流泵开启；步骤4)在plc控制器指令下，回流泵启动，将水体通过土工布底部固定的回流进水管泵入回流管，经过回流管上的布水孔进入生物炭基质，通过反硝化脱氮系统回流改善水力条件和提高反硝化效果。步骤5)净化系统、改性系统、总氮检测系统、反硝化脱氮系统都布置在浮体上，布置灵活、组装方便。可根据污染情况，增加或减少处理单元。所述的浮体材料为hdpe(高分子高密度聚乙烯)(食品级)、并且添加了抗老化剂、防紫外线剂等。半径：40-60cm，高度：8-12cm，重量：250g±5g。土工布(1-4)厚度＞2.4mm，规格＞300g/m2，高度80～120cm；生物炭基质比表面积为150-190m2/g，粒径2-5mm，高度60～80cm。最佳填充比30～60％，水力负荷1.3m3/(m2.d)，氮负荷14～49gn/(m2.d)，总氮去除率80～90％。砾石粒径6-8cm，高度20～40cm。所述的改性系统包括曝气泵在启动初期采用间歇曝气培养，控制溶解氧do1.5～2.5mg/l。所述的总氮检测系统包括总氮检测仪，量程0～50mg/l，准确度标准偏差<1.5％。plc控制器控制以下几种情况：情况1：tn<2mg/l；plc控制器(3-2)控制回流泵(4-3)不开启。情况2：tn2～5mg/l；plc控制器(3-2)控制回流泵(4-3)，回流比50～80％。情况3：tn5～8mg/l；plc控制器(3-2)控制回流泵(4-3)，回流比100～150％。情况4：tn＞8mg/l；plc控制器(3-2)控制回流泵(4-3)，回流比150～200％。所述的反硝化脱氮系统包括回流进水管、回流泵、回流管，回流进水管固定在土工布形成的包裹的底部。相比于现有技术，本发明的优点在于：(1)利用改性系统对生物炭基质进行改性，利用植物根系作用对生物炭基质上微生物进行供氧、提高硝化作用。(2)通过总氮检测系统对水体中总氮进行监测，当总氮超过设定的标准值时，反硝化脱氮系统启动回流，改善水力条件和提高反硝化效果。本发明突出优点是脱氮效率高、处理效果好、投资少、运行成本成本低。(3)净化系统、改性系统、总氮检测系统、反硝化脱氮系统都布置在浮体上，布置灵活、组装方便。以原位处理为主，减少占地和工程投资，工艺操作灵活。附图说明图1为一种水体中总氮自动高效净化系统的连接关系示意图；图2为一种水体中总氮自动高效净化系统的结构示意图；图3为图2的俯视图；图4为曝气管所在位置的剖视图；图5为曝气管所在位置的剖视图；其中，净化系统：1、改性系统：2、总氮检测系统：3、浮体：1-1、生物炭基质：1-2、砾石：1-3、土工布：1-4、植物：1-5；曝气泵：2-1、曝气管：2-2、曝气冒：2-3；总氮检测仪：3-1、数据线：3-2；固定环：4-1、回流进水管：4-2、回流泵：4-3、回流管：4-4。具体实施方式通过下面具体实施例进一步介绍本发明的技术方案。实施例1某河道中设置净化系统1、改性系统2、总氮检测系统3、反硝化脱氮系统4四个部分。净化系统1、总氮检测系统3、反硝化脱氮系统4依次连接，改性系统2连接至净化系统1。净化系统1中土工布1-4设置在浮体1-1下方，呈包裹状态，其中底部、侧面均布置土工布1-4。砾石1-3位于土工布包裹的底部，紧贴土工布1-4，生物炭基质1-2位于砾石1-3上部，植物1-5种植于生物炭基质1-2上。通过植物根系作用对生物炭基质1-2上微生物进行供氧、提高硝化作用。净化系统1中浮体1-1材料采用hdpe(高分子高密度聚乙烯)(食品级)、且添加了抗老化剂、防紫外线剂等。半径：50cm，高度：10cm，重量：250g±5g。土工布1-4厚度＞2.4mm，规格＞300g/m2，高度100cm；生物炭基质1-2比表面积为150-190m2/g，粒径2-5mm，高度70cm。最佳填充比50％，水力负荷1.3m3/(m2.d)，氮负荷14～49gn/(m2.d)，总氮去除率80～90％。砾石1-3粒径6-8cm，高度30cm。改性系统2包括曝气泵2-1、曝气管2-2、曝气冒2-3，曝气管2-2一端连接曝气泵，末端设置曝气冒2-3。通过曝气泵2-1进行曝气充氧，曝气管2-2位于生物炭基质1-2的下方和砾石1-3的交界处，空气通过曝气管2-2对生物炭基质1-2进行改性，提高生物炭基质1-2微生物活性。改性系统2的曝气泵2-1在启动初期采用间歇曝气培养，控制溶解氧do1.5～2.5mg/l。总氮检测系统3包括总氮检测仪3-1，量程0～50mg/l，准确度标准偏差<1.5％。反硝化脱氮系统4包括固定环4-1、回流进水管4-2、回流泵4-3、回流管4-4。水体中总氮自动高效净化方法，包括以下步骤：步骤1)植物1-5种植于净化系统1的生物炭基质1-2上。通过植物根系作用对生物炭基质1-2上微生物进行供氧、提高硝化作用。生物炭基质、砾石采用土工布1-4包裹，然后土工布布置在浮体下方。步骤2)改性系统2通过曝气泵2-1进行曝气充氧，曝气管2-2位于生物炭基质1-2的下方和砾石1-3的交界处，空气通过曝气管2-2对生物炭基质1-2进行改性，提高生物炭基质1-2微生物活性。曝气管2-2的末端设置曝气冒2-3。步骤3)总氮检测系统3中总氮检测仪3-1对水体中的tn进行测试，数据输入至plc控制器3-2，plc控制器3-2根据测试值与设定值之间比对作出判断，用于控制回流泵4-3开启。步骤4)在plc控制器3-2指令下，回流泵4-3启动，将水体通过土工布1-4底部的固定环4-1上固定的回流进水管4-2泵入回流管4-4，然后经过回流管4-4上的布水孔进入生物炭基质1-2，通过反硝化脱氮系统4回流改善水力条件和提高反硝化效果。步骤5)净化系统1、改性系统2、总氮检测系统3、反硝化脱氮系统4都布置在浮体上，布置灵活、组装方便。可根据污染情况，增加或减少处理单元。该方法治理前后的水质情况见表1。情况1：tn1.8mg/l<2mg/l；plc控制器3-2控制回流泵4-3不开启。表1实施例1治理前后水质情况指标ph总氮含量tn(mg/l)nh3-n(mg/l)治理前6～91.81.1治理后6～91.00.6去除率-44.4％45.5％实施例2其他同实施例1。情况2：tn2～5mg/l；plc控制器3-2控制回流泵4-3，回流比50～80％。该方法治理前后的水质情况见表2。表2实施例2治理前后水质情况指标ph总氮含量tn(mg/l)nh3-n(mg/l)治理前6～94.53.6治理后6～91.51.1去除率-66.7％69.4％实施例3其他同实施例1。情况3：tn5～8mg/l；plc控制器3-2控制回流泵4-3，回流比100～150％。该方法治理前后的水质情况见表3。表3实施例3治理前后水质情况指标ph总氮含量tn(mg/l)nh3-n(mg/l)治理前6～96.85.2治理后6～92.21.8去除率-67.6％65.4％实施例4其他同实施例1。tn≥8mg/l以上，plc控制器3-2控制回流泵4-3，回流比160～250％。该方法治理前后的水质情况见表4。表4实施例4治理前后水质情况指标ph总氮含量tn(mg/l)nh3-n(mg/l)治理前6～99.27.9治理后6～93.22.8去除率-65.2％64.5％当前第1页12