一种基于比表面积的人工湿地滤料减污降碳筛选系统及运行方法

本发明属于节能环保、生态环境保护研究领域，具体涉及一种基于比表面积的人工湿地滤料减污降碳筛选系统及运行方法。

背景技术：

1、在碳达峰碳中和的背景下，人工湿地技术作为现今污水处理、河道生态修复的主要手段，如我国农村、城镇污水处理常采用人工湿地，因其充分发挥环境自身潜力，将水处理与资源化结合获得最佳收益。但由于不同地区有着不同的污染特征，对人工湿地设计参数与运行管理有着不同要求，如何评估人工湿地效益需引入有效性的概念。而人工湿地滤料作为人工湿地的主要影响因素起着至关重要的作用，因此，需要一种对于人工湿地滤料污染物削减性能和降碳效果的评估方法对滤料参数进行科学评估与精准调节，从根本解决人工湿地滤料堵塞问题。

2、申请号201610019042.9的中国专利申请文件《一种用于测试滤料性能的模拟测试装置及测试方法》，其特征在于：测试装置包括树脂测试模块，该树脂测试模块包括由树脂原水水箱和树脂罐连接组成的树脂过滤单元，由药洗箱和树脂罐连接组成的树脂药洗单元，以及由冲洗水箱和树脂罐连接组成的树脂冲洗单元。该方法仅仅适用于树脂滤料，较为简单一，无法对人工湿地滤料类型筛选与质量评估。

3、申请号201710686485.8的中国专利申请文件《一种人工湿地除磷基质填料及其制备方法》，其特征在于：将硅灰石、粉煤灰以及页岩粉碎、过筛、水洗、干燥、按配比混匀，得到混合粉料。该方法仅注重于基质填料的制备，未对填料表征以及污染物去除有效性进行评估，对于滤料的功效描述只停留于理论层面，缺乏说服力。

4、申请号201810771008.6的中国专利申请文件《一种基于swmm模型考虑lid净化作用的污染物去除率计算方法》，其特征在于：提取管线和汇水区基础数据，并将这些基础数据输入至swmm模型；在已经输入基础数据的swmm模型中添加水质计算模块。该计算方法及模型进队污染物去除进行计算，无法适用于滤料性能的判定与评价。

技术实现思路

1、发明目的：滤料是影响人工湿地处理效果的主要影响因素，由于其较大的比表面积可对水体中污染进行吸附去除。但由于存在质量不高、吸附性能较差、易堵塞且无法快速识别滤料类型等突出问题，导致实际应用过程中出现污水漫溢、导致出水不达标等情况。为了克服上述问题，本发明提供了一种基于比表面积的人工湿地滤料减污降碳筛选系统及运行方法，结合水力学特性与污染物运移研究，重点对滤料孔隙率、粒径、比表面积进行渗透性能判定以及污染物去除效果和降碳效果评价，辅以信息反馈与数据校核进行样品溯源，精准定位劣质产品，实现对人工湿地滤料的筛选与评估。

2、技术方案：本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种基于比表面积的人工湿地滤料减污降碳筛选系统，包括依次相连的预处理系统(1)、理化检测系统(2)、生化判定系统(3)和样品溯源系统(4)四个子系统，样品溯源系统的输出端连接至理化检测系统；

4、所述预处理系统包括真空清洗装置与酸溶净化装置，用于对人工湿地滤料表面进行杀菌除杂；所述理化检测系统包括孔隙率测定仪、粒径分析仪、比表面积测定仪、水质检测仪和温室气体检测仪，用于对滤料孔隙率、粒径、比表面积、水质和温室气体排放进行测定；所述生化判定系统包括数学模型判定单元，用于对滤料渗透系数、污染物削减能力和降碳效果进行模拟判定；所述样品溯源系统包括信息反馈单元与数据校核单元，用于对劣质滤料进行信息反馈与数据校核，精准定位滤料类型。

5、上述的一种基于比表面积的人工湿地滤料减污降碳筛选系统，所述的真空清洗装置为真空式等离子清洗机，可控温在0～121℃内，通过密封低压高温震动对滤料表面污染物及微生物进行去除；酸溶净化装置采用的酸性溶剂是标准盐酸或者硫酸，预处理时间tp不低于30min；

6、所述的孔隙率测定仪量程为0.001～99.99g/cm3，单个样本测量时间为0.3～1.5s；粒径测定仪采用全密封半导体激光测定技术，量程为0.1～800μm，误差范围为0.5～1.0％，单个样本测量时间为0.02～0.15s；

7、比表面积测定仪采用标准粉进行k值标定，范围为1.135～1.769，测量精度相对误差≤1‰，单个样本测量时间为0.05～0.2s；

8、所述水质检测仪的测量范围为0-40000mg/l，消解时间15min且可设定，重现度<5％；

9、所述温室气体检测仪量程分辨率n2o：0-500ppm、1ppm；ch4：0-1000ppm、1ppm；co2：0-500ppm、1ppm，精度误差≤±2％f.s，重复性≤±1％，响应时间t90＜25s。

10、上述的一种基于比表面积的人工湿地滤料减污降碳筛选系统的运行方法，首先对滤料预处理与清洗净化；然后检测滤料理化特性；接着判定滤料生化效果，对滤料进行渗透系数判定、污染物削减能力评价和降碳效果评价；最后，样品溯源及优化过程对劣质滤料进行信息反馈和数据校核。

11、具体包括以下步骤：

12、步骤1)样品预处理：待测滤料样品首先通过预处理系统的真空式等离子清洗机，对表面污染物以及附着性微生物进行快速去除；然后通过酸溶净化对滤料表面及孔隙内难溶性杂质进行酸溶降解；在烘箱中加热干燥，留存待测；

13、步骤2)样品的理化检测：称取预处理后的干燥滤料样品6～10g，单个样品依次进行孔隙率测定、粒径测定，比表面积测定、所处理水样水质测定以及温室气体测定，每个样品重复3次取平均值，所得数据导出为f1(p1，d1，as1)，n个样品检测时则相应导出cn＝{f1(p1，d1，as1)，f2(p2，d2，as2)，……，fn(pn，dn，asn)}，其中，n为滤料样品数量；

14、步骤3)生化判定系统对导出数据首先采用常水头试验模型对渗透系数和有效处理水体积进行判定，其计算公式如式1和式2：

15、

16、注：kt：滤料在t℃时的渗透系数，m/d；

17、a：滤料比表面积系数，取0.1～1.5，无量纲；

18、qn：人工湿地流量参数，取0～16，m3/d；

19、l：人工湿地水力直线距离，取0～15m；

20、δh：平均水头差，取0～0.6m；

21、a：人工湿地面积参数，取10～120m2；

22、k20：混合滤料层在20℃时的渗透系数，m/d；

23、ηt：在t℃时水的动力粘滞系数，取0.727～1.516，10-6kpa·s；

24、η20：在20℃时水的动力粘滞系数，取1.010，10-6kpa·s；

25、当k20＜k0判定该产品不符合标准，为劣质产品，并通过样品溯源系统将信息反馈至理化检测系统进行数据校核，精准定位cn所属类型；当k20≥k0判定该产品符合标准，为优质产品，可继续对污染物削减能力q进行评价，评价方法如式3：

26、

27、注：q：污染物吸附量，mg/g；

28、相应比表面积单位浓度吸附量，取0～0.1，l/g；

29、c：设计污染物浓度，取0～300mg/l；

30、n：温度常数，取0～0.99；

31、q0：饱和吸附量，取3.73～10.52mg/g；

32、当η∈(0,80％)时，则判定该产品不符合标准，为劣质产品，并通过样品溯源系统将信息反馈至理化检测系统进行数据校核，精准定位cn所属类型；当η∈[80％,100％]时判定该产品符合标准，为优质产品，可继续对样品减污效果进行评价，评价方法如式3：

33、

34、注：c1、c0中cod浓度，mg/；

35、c1、c0中nh3-n浓度，mg/l；

36、c1、c0中tn浓度，mg/l；

37、c1、c0中tp浓度，mg/l；

38、ε：污染物最小排放比，取0.75～2.5，无量纲；

39、χ：污染物最大排放比，取0.5～15，无量纲。

40、当0.75≤ξ≤2.5且0.5≤ψ≤15时判定该产品符合标准，为优质产品；否则判定该产品不符合标准，为劣质产品，并通过样品溯源系统将信息反馈至理化检测系统进行数据校核，精准定位cn所属类型。判定该产品符合标准后可继续对样品降碳效果进行评价。

41、步骤4)对步骤3所判定的符合标准的样品进行降碳效果评价，评价方法如

42、式4：

43、

44、注：co2产：co2产生量，mgco2/h；

45、t:人工湿地运行时间，h；

46、v：滤料使用量,m3；

47、co2:单位用量的滤料的co2产生量，mg co2/m3·h；

48、ch4:单位用量的滤料的ch4产生量；mgch4/m3·h；

49、n2o:单位用量的滤料的n2o产生量；mgn2o/m3·h；

50、m:ch4-co2转化系数，取20-30，无量纲；

51、n:n2o-co2转化系数，取20-30，无量纲；

52、当ω＞1时，则判定该产品不符合标准，为劣质产品，并通过样品溯源系统将信息反馈至理化检测系统进行数据校核，精准定位cn所属类型；当ω∈[0,1]时判定该产品符合标准，为优质产品。

53、公式4中，所涉及的判定采用的排放限值c0参考《地表水环境质量标准基本项目标准限值》中ⅲ类水标准。

54、有益效果：

55、(1)本发明从源头对滤料比表面积、孔隙度、粒径进行控制，通过数据模拟对其渗透性能、污染物去除能力和降碳效果进行判定评价，从根本上解决了滤料堵塞问题，实现了对滤料渗透性与有效性的双保证。

56、(2)本发明耗时短、见效快，快速精准地筛选出易堵塞与污染物去除效果差的滤料类型，可作为实际工程中人工湿地滤料的选型与更换的理论指导，为提高人工湿地运行效率提供技术支撑。

57、(3)本发明信息反馈机制可筛选出抽样检测中的不合格产品，可推动行业制造工艺以及标准参数的提升与优化，并作为采购方进行质量把控的重要抓手。