基于水生植物-生物炭-微生物共生系统的固碳除氮装置

本发明涉及水体治理与生态修复，更具体的说是涉及一种基于水生植物-生物炭-微生物共生系统的固碳除氮装置。

背景技术：

1、受限于资金紧缺和现有技术短板，目前污水处理厂大多数只能做到二级处理，虽然可以大幅削减有机污染物，但对溶解性氮素缺乏有效的去除手段，这导致经污水处理厂处理后排出的尾水中依然含有大量溶解态氮如硝氮、铵氮等，对周边水环境健康造成重大威胁，具有致其富营养化的极大风险。微生物脱氮是水环境氮素去除的主要途径，然而污水处理厂尾水由于有机碳匮乏、氮素负荷超标，导致碳氮比过低，抑制了微生物脱氮过程。提高低污染水体的微生物脱氮效能，促进氮素削减和水质净化，是亟需解决的难题。

2、水生植物修复是实现水环境生态修复的重要手段，通过根系氮吸附与基质微生物富集共同促进水质氮负荷削减，人工湿地、生态塘等设施是利用水生植物与基质微生物相互作用实现水质净化的典型生态工程。针对低碳氮比的水质净化问题，通过提升水质碳氮比以促进微生物脱氮效能是一种有效手段。一些方法通过直接添加外源有机碳到水体中，可有效增加碳氮比从而促进脱氮效率，但由此带来了二次污染的问题；一些方法通过添加生物炭到基质中，通过为微生物提供碳源来促进微生物氮代谢活性，但由于设备结构设计简单，无法富集多类型微生物，使其功能发挥受限；一些方法使用的生物炭无法为植物提供有效成分，致使生物炭与植物无法形成共生体，导致整个系统脱氮效率欠佳。

3、专利202021310857.0公开了一种去除水体氮污染的植物固相生物碳多级根孔湿地系统，该发明是构建一套湿地系统包括内环和外环过滤系统，使用生物炭作为植物种植基质，配备纳米曝气管。该发明具有以下缺陷：高能耗，需要给纳米曝气管持续供能来维持富氧环境；两环结构构筑的生境复杂度较低，导致富集的微生物种类较少，脱氮效率较低；

4、专利202110930040.6公开了一种用于强化低碳氮比尾水脱氮的复合型人工湿地，该发明主要是针对低碳氮比的污水处理厂尾水设计了一种以生物炭为有效成分的人工湿地构造方法。该发明具有以下缺陷：传统的人工湿地构造方法，无法形成多维复合微域系统为多类型微生物提供富集场所，促进多种微生物协同作用；生物炭的选择使用玉米芯生物炭，玉米芯生物炭硅含量低，不能为植物提供硅肥，对植物生长和氮吸附促进作用低；

5、专利202011046514.2公开了一种用于污水处理厂尾水脱氮除磷的强化生态浮床技术，该发明在传统生态浮床的基础上添加了新型缓释碳源和生物炭填料。该发明具有以下缺陷：没有配置收集固碳模块，生物炭释放的碳源直接扩散到水体，导致微生物利用率低，脱氮效率不高；结构相对较简单，微生物与植物联动作用不强；

6、专利202210022077.3公开了一种低碳氮比污染水的脱氮除磷处理装置及水处理方法，该发明装置包含生态处理室、强化脱氮室和厌氧反应室。该装备具有以下缺陷：将需氧、厌氧等不同微生物脱氮反应分成3个室，占地大，造价高；建造工艺复杂。

7、因此，基于现有技术中遇到的问题以及针对低碳氮比污水处理厂尾水的氮去除问题，本发明提供了一种固碳除氮装置，构建水生植物-生物炭-微生物共生体，基于三者的耦合作用协同促进水质氮素削减，实现低碳氮比尾水水质净化。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于水生植物-生物炭-微生物共生系统的固碳除氮装置，针对污水处理厂尾水碳含量匮乏、氮含量超标的问题，通过植物、生物炭和微生物的耦合作用协同削减尾水氮素负荷，实现水环境生态修复。

2、本发明所解决的技术问题包括：

3、(1)针对尾水低碳氮比抑制微生物脱氮的问题，通过植物泌碳、生物炭缓释碳、生物膜固碳的方式提高尾水的碳氮比，促进微生物反硝化作用，削减尾水氮负荷；

4、(2)针对脱氮微生物协同作用效率低的问题，通过三筒结构的构造，营造微氧-缺氧-富氧多重微域，构建硝化、反硝化、厌氧氨氧化菌等需氧、厌氧微生物共生系统，基于微生物的种间交互作用促进微生物脱氮效能；

5、(3)针对水生植物生长速率慢、氮吸附效率低的问题，通过生物炭释放硅元素，促进水生植物尤其是禾本科植物繁殖生长，提高植物存活率和植物氮吸收能力；

6、(4)针对污水处理厂尾水治理成本高的问题，本发明可低成本、高效率实现低碳氮比污水处理厂尾水水质净化，避免外源物质(填料)扩散到水体中引起二次污染。

7、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

8、一种基于水生植物-生物炭-微生物共生系统的固碳除氮装置，从外到内依次包括：外筒、中筒、内筒、填料和植物；

9、其中，外筒由陶粒和混凝土混合制成；

10、中筒由具有孔隙率>90％和小孔径为15-80ppi的有机滤材构成；

11、内筒由pvc管制成。

12、优选的，所述填料由沸石和生物炭混合得到。

13、优选的，所述植物为禾本科植物。

14、优选的，所述陶粒和混凝土的质量比为10：4，所述陶粒为粒径5-10mm的球形煤矸石陶粒。

15、优选的，所述有机滤料包括生化棉、活性炭过滤棉、无纺布过滤棉。

16、上述优选带来的有益效果为：由有机材料作为中筒，填充内外筒之间空隙，水分可通过渗透作用侵入，氧气则难以透过，同时促进微生物附着，形成良好的生物膜。

17、优选的，所述pvc管上设置有若干个孔径为2-3cm的圆形通孔；

18、上述优选带来的有益效果为：由pvc管作为植物种植筒，可以允许水分自由流动。

19、优选的，所述沸石和生物炭的质量比为9.5:0.5。

20、上述优选带来的有益效果为：沸石可吸附滞留水中氮素为植物提供氮源，同时作为附着位点促进微生物形成微生物膜，生物炭可缓慢释放有机碳，为微生物提供高效有机碳源，同时释放硅元素，促进植物生长和根系发育，增强植物氮吸收效率。

21、优选的，所述生物炭为水稻秸秆生物炭。

22、优选的，所述禾本科植物包括芦苇、芦竹或蒲苇。

23、上述优选带来的有益效果为：根系发达的禾本科植物具有耐淹耐污、去污力强等特点，是理想的水质净化植物材料，根系发达一方面促进微生物附着，一方面分泌有机碳促进微生物生长，同时生物炭释放的硅对禾本科植物生长发育具有明显的促进作用。

24、本发明装置主要结构由内筒、中筒和外筒构成，不同材料组合构成了微氧-缺氧-富氧多维微域结构，促进不同需氧类型的脱氮微生物富集形成具不同功能的微生物膜。

25、其中，外筒接纳高氮负荷和高氧含量的尾水，在陶粒上形成富氧微域，促进好氧微生物如硝化菌等富集生长；

26、内筒中的沸石颗粒获得植物根系泌氧形成微氧微域，促进兼性微生物如需氧反硝化菌等富集生长；

27、中筒缺乏氧气来源，形成厌氧微域，促进厌氧微生物如厌氧反硝化菌、厌氧氨氧化菌等富集生长。

28、同时，植物根系泌碳和生物炭缓释碳通过扩散作用为内筒和中筒的微生物提供了充足碳源。

29、富含硅元素的水稻秸秆生物炭可释放硅，为禾本科水生植物提供充足硅肥，促进植物生长和氮吸附能力。

30、此外，外筒的硝化菌通过硝化作用将氨氮转化为硝氮，为中筒的反硝化菌提供氮源。

31、因此，不同类型的功能微生物通过该发明装置的多维微域，与植物和生物炭形成共生体，协同促进污水处理厂低碳氮比尾水实现氮素削减和水质净化。

32、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

33、(1)有效提升污水处理厂尾水碳氮比，为脱氮微生物提供高效碳源，营造适合不同类型微生物生长的微生境，促进微生物氮去除效率；

34、(2)提高植物生长速率和氮吸附效率，促进植物氮去除效率；

35、(3)低成本、高效率实现污水处理厂尾水氮素削减和净化。