一种太阳能活水增氧氮磷同步去除装置及其净化方法与流程

本发明属于面源污染控制和水污染处理技术领域，具体涉及一种太阳能活水增氧氮磷同步去除装置及其净化方法。

背景技术：

农田沟渠是农业地表径流汇入河流、湖泊等天然水体的必经通道，因而对农业非点源污染的削减起着极为重要的作用。近几年，国家开始重视农田沟渠的环保功能，提出要完善高标准农田建设标准规范，要求在敏感区域和大中型灌溉区充分利用现有沟、塘、窖等，配置水生植物群落、格栅和透水坝，建设除氮吸磷等相关设施，净化农田排水及地表径流。

专利号为201710743367.6的发明专利公开了一种便携式农田生态沟渠脱氮除磷装置及方法，该装置包括中空的长方形框架，框架顶面的四个角均设置有第一固定绳，框架内设置有可拆卸长方体形植物生长区，植物生长区内设置有基质，基质上种植有水生植物，植物生长区顶面的四个角均设置有第二固定绳。专利号为201811468836.9的发明专利公开了一种田园景观型生态沟渠氮磷拦截系统及方法，其包括泥沙缓冲带、生态沟渠单元、拦截转化池和田埂植物栅篱，以期将农田作为环境氮磷的消纳汇，达到优化排水水质、改善农田生态环境的目的。

但现有的沟渠氮磷拦截净化装置生态系统较为单一，植物配置种类有限，装置无法根据不同季节实际沟渠液面高度进行灵活调整；而且沟渠水流速较慢，在非降雨天气基本呈静止状态，水体中氧气含量较少，无法满足水生植物及微生物去除污染物的需求。因此，寻求新型沟渠原位处理装置具有实际价值。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，在确保不影响沟渠灌排水功能的前提下，提供一种太阳能活水增氧氮磷同步去除装置及其净化方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种太阳能活水增氧氮磷同步去除装置，其包括格栅和至少两个氮磷同步去除模块，沿水流方向，在沟渠中依次设置格栅和至少两个氮磷同步去除模块，所述格栅内部填充有吸附材料；所述每个氮磷同步去除模块均包括上层脱氮除磷植物笼、下层脱氮除磷植物笼、升降装置、配重底座、第一拦截板、第二拦截板、曝气装置和太阳能供电装置；

所述上层脱氮除磷植物笼的高度与水面平齐，通过升降装置与下层脱氮除磷植物笼固定连接，所述下层脱氮除磷植物笼通过升降装置与配重底座固定连接，所述配重底座固定于沟渠底部；所述上层脱氮除磷植物笼和下层脱氮除磷植物笼均可以通过升降装置上下移动进行高度调节；所述上层脱氮除磷植物笼和下层脱氮除磷植物笼均为无盖箱体结构，所述箱体下方的箱面开设若干孔洞；所述箱体内的上部填充有大颗粒植物生长营养基质，下部填充有细颗粒填料和粗颗粒填料的混合填料，箱体的孔隙直径小于内部填充材料的粒径；所述上层脱氮除磷植物笼的箱体顶部种植挺水植物，所述挺水植物的根部延伸至箱体内填充的植物生长营养基质及混合填料中；所述下层脱氮除磷植物笼的箱体顶部种植沉水植物，所述沉水植物的根部延伸至箱体内填充的植物生长营养基质及混合填料中；所述曝气装置包括曝气机和曝气管线，所述曝气机固定于上层脱氮除磷植物笼箱体上方，所述曝气管线的一端从曝气机中伸出，另一端固定于所述配重底座；

沿水流方向，所述第一拦截板的上端与上层脱氮除磷植物笼的尾部下方固定连接，第一拦截板的下端与下层脱氮除磷植物笼的尾部上方固定连接，第一拦截板将上层脱氮除磷植物笼箱体下部和下层脱氮除磷植物笼箱体上部之间的水流完全拦截；所述第二拦截板的上端与下层脱氮除磷植物笼的尾部下方固定连接，第二拦截板的下端与沟渠底部固定连接，第二拦截板将下层脱氮除磷植物笼和沟渠底部之间的水流完全拦截；

所述太阳能供电装置固定于上层脱氮除磷植物笼箱体上部，通过防水电线与耗电装置连接供电。

作为优选，所述细颗粒填料包括生物炭、活性炭、钢渣、树脂和海绵铁，填料粒径为2-4mm。

作为优选，所述粗颗粒填料包括火山岩、蛭石、沸石、麦饭石和砾石，填料粒径为6-8mm。

作为优选，所述吸附材料包括火山岩、沸石、麦饭石、砾石和活性炭，材料粒径为2-5cm。

作为优选，所述太阳能活水增氧氮磷同步去除装置可以沿水流方向在沟渠中设置多个。

作为优选，所述第一拦截板和第二拦截板在垂直水流方向上的板面高度均可调节。

作为优选，所述曝气管线的长度不小于所述氮磷同步去除装置所处沟渠的深度。

作为优选，所述格栅底部固定于渠底，其顶部与沟渠上部平齐，格栅的宽度与沟渠宽度一致，使沟渠水流能完全流经格栅。

作为优选，所述升降装置采用直臂式、曲臂式和剪叉式中的一种或多种。

本发明的另一目的在于提供一种利用如上述任一处理装置的沟渠排水截留净化方法，其步骤如下：

水流首先流经格栅及其中填充的吸附材料，拦截水流中的悬浮物、吸附水中氮磷污染物的同时，降低水流速度、增加水力停留时间，并且减少了水流对后续装置内植物和基质的冲刷；

格栅拦截缓冲后的水流至氮磷同步去除模块，在每个氮磷同步去除模块中，通过第一拦截板和第二拦截板的阻隔作用，进入上层脱氮除磷植物笼和下层脱氮除磷植物笼处理区域，通过调节升降装置，使上层脱氮除磷植物笼和下层脱氮除磷植物笼分别对不同深度的水流进行脱氮除磷处理；在氮磷同步去除模块中经过步骤1)～3)的处理过程：

1)由于上层脱氮除磷植物笼和下层脱氮除磷植物笼中填充了粒径大小不同的混合填料，填料之间形成的孔隙通道有所延长，因此可以增加水流在填料间的水力停留时间，增强填料对水流中氮磷污染物的去除作用；

2)所述植物在光照条件下进行光合作用和有氧呼吸，通过植物根系作用去除拦截水中污染物，同时，植物根系利用吸附的有机物及营养盐作为植物生长养分，增加了氮磷的利用率；通过曝气装置的曝气充氧作用，使植物根系周围微环境呈现好氧、缺氧和厌氧区域，增加根系微生物多样性，提高脱氮除磷性能；

3)通过水流的冲刷作用和曝气装置对水体充氧，在不同区域的混合填料表面逐渐形成不同的生物膜，利用生物膜作用进行硝化反应、好氧吸磷作用、亚硝化反应和反硝化反应；

在利用太阳能活水增氧氮磷同步去除装置处理沟渠排水的过程中，根据目标工艺调节不同氮磷同步去除模块曝气装置的曝气量大小，使进入上层脱氮除磷植物笼和下层脱氮除磷植物笼中水流的溶解氧浓度不同，实现好氧环境、缺氧环境和厌氧环境的区域大小的不同；

各用电装置通过防水线路与太阳能供电装置连接，利用太阳能供电装置进行供电。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本发明的装置可以根据实际情况进行植物种类配置；

(2)本发明的装置可以根据不同季节实际沟渠液面高度进行灵活调整；

(3)本发明的装置通过太阳能供能储能带动曝气机发电运作，无需外加电源即可增加水体溶解氧含量；

(4)本发明通过拦截板、曝气装置及填料的配合作用，实现了不同区域填料上附着的生物膜在好氧、缺氧和厌氧环境下对水流中氮磷的不同去除作用。

附图说明

图1为本发明所述装置的结构示意图；

图2为图1中氮磷同步去除模块的放大示意图；

本发明附图标记如下：

格栅1、上层脱氮除磷植物笼2、升降装置3、曝气装置4、太阳能供电装置5、下层脱氮除磷植物笼6、第一拦截板71、第二拦截板72、配重底座8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为一种太阳能活水增氧氮磷同步去除装置，其包括格栅和至少两个氮磷同步去除模块，沿水流方向，在沟渠中依次设置格栅1和至少两个氮磷同步去除模块。

格栅1为多孔箱型结构，其内部填充有粒径为2-5cm的吸附材料，火山岩、沸石、麦饭石、砾石和活性炭等均可作为吸附材料使用。格栅1底部固定于渠底，其顶部与沟渠上部平齐，格栅1的宽度与沟渠宽度一致，以保证沟渠水流能完全流经格栅1，经过格栅1作用后的沟渠水流，降低了水流速度，减少了对后续装置内植物和基质的冲刷。

如图2所示，每个氮磷同步去除模块均包括上层脱氮除磷植物笼2、下层脱氮除磷植物笼6、升降装置3、配重底座8、第一拦截板71、第二拦截板72、曝气装置4和太阳能供电装置5。

其中，上层脱氮除磷植物笼2顶部的高度与水面平齐，并且通过升降装置3与下层脱氮除磷植物笼6固定连接，下层脱氮除磷植物笼6通过升降装置3与配重底座8固定连接，配重底座8固定于沟渠底部。上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6均可以通过升降装置3上下移动进行高度调节，上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6与升降装置3的固定方式优选采用可拆卸式连接，以便根据需要更换上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6。升降装置3可以采用直臂式、曲臂式或者剪叉式，为了提高使用寿命，升降装置3表面可以喷涂防水材料，以延缓水流的侵蚀作用。

上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6均为无盖箱体结构，箱体下方的箱面开设若干孔洞，其余箱面封闭不开设孔洞，因此水流仅能从箱体下方的孔洞中流入。箱体内的上部填充有大颗粒植物生长营养基质，下部填充有细颗粒填料和粗颗粒填料的混合填料，该混合填料中细颗粒填料和粗颗粒填料混合均匀。其中，细颗粒填料可以采用粒径为2-4mm的生物炭、活性炭、钢渣、树脂和海绵铁；粗颗粒填料可以采用粒径为6-8mm的火山岩、蛭石、沸石、麦饭石和砾石。脱氮除磷植物笼2箱体上的孔隙直径应小于其内部填充营养基质、细颗粒填料和粗颗粒填料的粒径。上层脱氮除磷植物笼2的箱体顶部种植挺水植物，如美人蕉和香蒲等，挺水植物的根部延伸至箱体内填充的植物生长营养基质及混合填料中。下层脱氮除磷植物笼6的箱体顶部种植沉水植物，如苦草和黑藻等。沉水植物的根部延伸至箱体内填充的植物生长营养基质及混合填料中，以便汲取养分并帮助混合填料形成生物膜。

沿水流方向，第一拦截板71的上端与上层脱氮除磷植物笼2的尾部下方固定连接，第一拦截板71的下端与下层脱氮除磷植物笼6的尾部上方固定连接，第一拦截板71将上层脱氮除磷植物笼2箱体下部和下层脱氮除磷植物笼6箱体上部之间的水流完全拦截。第二拦截板72的上端与下层脱氮除磷植物笼6的尾部下方固定连接，第二拦截板72的下端与沟渠底部固定连接，第二拦截板72将下层脱氮除磷植物笼6和沟渠底部之间的水流完全拦截。也就是说水流只能通过上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6流经该处理装置。而且，第一拦截板71和第二拦截板72在垂直水流方向上的板面高度均可调节。也就是说当调节上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6的高度时，第一拦截板71和第二拦截板72同样可以起到完全阻挡作用，使水流只能通过上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6流经该处理装置。

曝气装置4包括曝气机和曝气管线，曝气机固定于上层脱氮除磷植物笼2箱体上方，为了避免进水损坏机器可以使用防水外壳固定密封。曝气管线的一端从曝气机中伸出，另一端固定于配重底座8，而且曝气管线的长度应不小于所述氮磷同步去除装置所处沟渠的深度，以保证上下调整脱氮除磷植物笼2高度时，水流仍旧能够在竖直方向上充分曝气。太阳能供电装置5固定于上层脱氮除磷植物笼2箱体上部，通过防水电线与耗电装置连接供电。

在实际应用时，该处理装置在雨水丰沛期时可以沿水流方向在沟渠中设置多个，并且通过调节升降装置的高度，使不同高度的水流得到充分处理。在雨水枯竭期时，也可以仅保一组留氮磷同步去除模块甚至仅保留一层脱氮除磷植物笼，拆除多余脱氮除磷植物笼以节约成本，也就是说本发明的处理装置可以根据需要灵活组配。

基于上述处理装置的农田排水截留净化方法，其步骤如下：

水流首先流经格栅1，通过其中填充的吸附材料，不仅将沟渠排水中的垃圾、植物叶片和昆虫残骸等大颗粒污染物进行拦截，还通过吸附材料的吸附性能对水中氮磷等污染物进行初步吸附处理，同时降低了水流速度、增加了水力停留时间，减少了水流对后续装置内植物和基质的冲刷。各用电装置通过防水线路与太阳能供电装置5连接，利用太阳能供电装置5进行供电。

格栅(1)拦截缓冲后的沟渠水流由于第一拦截板71和第二拦截板72的阻隔作用，进入上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6处理区域，通过调节升降装置3，使上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6分别对不同深度的水流进行脱氮除磷处理，具体过程如下：

1)由于上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6中填充了粒径大小不同的混合填料，填料之间形成的孔隙通道有所延长，因此可以增加水流在填料间的水力停留时间，增强填料对水流中氮磷等污染物的去除作用。

2)上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6内种植的植物在光照条件下进行光合作用和有氧呼吸，通过植物根系作用去除拦截水中污染物，同时，植物根系利用吸附的有机物及营养盐作为植物生长养分，增加了氮磷的利用率；由于沟渠水流速较慢，在非降雨天气基本呈静止状态，水体中溶解氧含量较少，植物根系主要是厌氧环境，微生物种类较为单一，因此通过曝气装置4的曝气充氧作用，使植物根系周围微环境呈现好氧、缺氧和厌氧区域，增加根系微生物多样性，提高脱氮除磷性能。

3)水流不断流经上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6箱体中填充的混合填料，会在不同区域的填料表面逐渐形成不同的生物膜，曝气装置4的曝气扰动会对水体进行充氧作用，因此刚进入上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6水体中的溶解氧含量较高，该区域填料表面的生物膜中的微生物处于好氧环境，此时主要进行硝化反应和好氧吸磷作用；随着水体逐渐进入填料中，水体中溶解氧含量逐渐降低，该区域填料表面的生物膜中的微生物处于缺氧环境，此时主要进行亚硝化反应；当水体在混合填料中继续流动时，水体中溶解氧逐渐消耗殆尽，该区域填料表面的生物膜中的微生物处于厌氧环境，此时主要进行反硝化反应。

在实际应用中，可以根据需要调节不同氮磷同步去除模块曝气装置4的曝气量大小，使进入上层脱氮除磷植物笼2和下层脱氮除磷植物笼6中水流的溶解氧浓度不同，实现填料表面好氧环境、缺氧环境和厌氧环境的区域大小的不同，从而使填料表面附着的微生物群落有所差异，可以使水流中氮磷去除更加充分。上述的好氧环境、缺氧环境和厌氧环境区域大小的配比可以根据目标工艺，通过室内模拟试验取得相应的结果，以支撑其在实际工程中的应用。

也就是说，利用本申请的去除装置，不仅可以在竖直方向上实现不同的溶解氧环境，还可以通过调节曝气量的大小，沿水流方向在不同的氮磷同步去除模块中实现不同溶解氧环境，通过设置不少于两个氮磷同步去除模块，实现多种不同溶解氧环境的自由组配，可以使氮磷去除效果更加显著。

本发明作出这种改进的原因是因为：有研究发现，在好氧环境中，由于溶解氧含量变大，微生物进行好氧吸磷，同时进行硝化反应，使氨氮和磷的去除率增强；在缺氧环境中，虽然微生物同时进行吸磷和释磷作用，但由于此时微生物主要进行脱氮反应，硝态氮浓度较高，电子受体多，吸磷释磷作用都可忽略，也就是说在缺氧环境中主要表现为亚硝化反应；在厌氧环境中，反硝化菌利用碳源进行反硝化，同时部分有机物进行氨化。因此可见，在单纯的一种溶解氧环境中，是无法同时完成去除氮磷作用的。因此本发明通过拦截板、曝气装置及填料的配合作用，实现了不同区域的溶解氧含量的差异，因此填料上附着的生物膜在好氧、缺氧和厌氧环境下的种类及作用也不同，从而实现了对水流中氮磷的同步去除作用。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。