CN103253774B - 一种改良的利用湿地收割芦竹强化人工湿地去除氨氮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改良的利用湿地收割芦竹强化人工湿地去除氨氮的方法，本人工湿地包括池体、进出水***、湿地基质以及湿地植物芦竹，所述芦竹收割后炭化处理（炭化前经过温和碱预处理）得到芦竹生物质炭材料，然后将生物质炭材料作为湿地基质回填到池体内；所述湿地基质自下而上依次为底层、中间层和表层，中间层即为该生物质炭材料。本方法增强了对污水中NH4 +-N的去除效果，且无二次污染，还能有效降低传统人工湿地建造和运行费用，具有水处理效果稳定、可缓冲对水力和污染负荷的冲击等特点。本发明不仅解决了收割后湿地植物处置不当对环境造成二次污染的问题，还有效强化了湿地对NH4 +-N的去除效果，且实现了湿地植物的再利用。
Description
技术领域
本发明属于水处理领域，具体地说，它涉及一种改良的利用湿地收割芦竹强化人工湿地去除氨氮的方法。
背景技术
人工湿地是根据天然湿地净化污水的原理，以自然湿地工艺为主体，联合基质、微生物和植物作用，构建出的一种具有投资省、管理简单、运行费用低廉等优点的生态修复***。经过近40年的发展，人工湿地作为一种极具潜力的污水脱氮技术，得到国内外的广泛应用。
传统人工湿地多采用自流进水方式，湿地中的溶解氧主要来自水面与空气的接触以及植物根系泌氧作用。由于根系泌氧能力和气液面氧扩散较弱，湿地床体内部，特别是床体内的非根际区，溶解氧浓度偏低，甚至处于缺氧状态，从而硝化细菌的生长繁殖和硝化反应的发生受到限制，氨氮的去除效果较差，进而影响湿地的脱氮能力。因此，对于提高人工湿地脱氮效果来说，改善湿地内的溶解氧状态是十分必要的。
在人工湿地***的去污机制中，水生植物发挥着重要的作用，表现为水质净化效果好、能耗低、简单易行、经济效益高。但是就目前而言，收割后的湿地植物处置问题是制约湿地可持续发展的瓶颈因素，长期以来，湿地收割植物多数被直接还田或者焚烧，对环境造成污染，同时也造成资源浪费。现有湿地中，湿地植物以芦竹居多。
人工湿地中植物产量大、来源广泛且价格低廉，若能将收割后的植物秸秆进行炭化并施加至人工湿地作为湿地填料，能够增强保水性能，提高孔隙度和通气性，促进湿地植物和微生物对污染物的去除作用，缓解湿地基质的吸附压力，延长其饱和期限，还能实现资源回收，解决收割后植物的处理问题。
发明内容
针对传统人工湿地脱氮效果差、溶解氧水平低，以及收割后湿地植物的处置问题，本发明提供了一种利用湿地收割芦竹强化人工湿地去除氨氮的方法。本方法增强了对污水中NH4 +-N的去除效果，且无二次污染，还能有效降低传统人工湿地建造和运行费用，具有水处理效果稳定、可缓冲对水力和污染负荷的冲击等特点。
本发明实现上述目的的技术解决方案如下：
一种改良的利用湿地收割芦竹强化人工湿地去除氨氮的方法，本湿地类型为潜流型或表面流人工湿地，包括池体、进出水***、装填在池体内的湿地基质以及种植于基质上的湿地植物芦竹，所述芦竹在收割季收割后炭化处理得到芦竹生物质炭材料，然后将芦竹生物质炭材料作为湿地基质回填到池体内；所述湿地基质分为三层结构，自下而上依次为底层、中间层和表层，底层与表层为碎石，中间层即为芦竹生物质炭材料，所述芦竹生物质炭材料为湿地基质总体积的30～50%；
其中芦竹炭化处理得到芦竹生物质炭材料的过程为：
（1）原料制备：将收割后的芦竹秸秆洗净，切短至4~5cm，烘干备用；
（2）芦竹秸秆预处理：将第（1）步得到的芦竹秸秆加入温和碱反应液中浸泡预处理，温和碱反应液为NaOH和H2O2组成的混合水溶液，其中NaOH质量分数为0.25～2%，H2O2质量分数为0.14～1.01 %，余量为水；预处理参数为：温度40～80℃，固液比（g/mL）1:30～1:10，处理时间4h～32h，将经预处理后的芦竹秸秆用水洗至中性后烘干备用；
（3）将第（2）步预处理后的芦竹秸秆在氮气氛围下绝氧热解制得芦竹生物炭，其中热解温度为400~800℃，热解时间为1.5~2.5h；
（4）将第（3）步制备的芦竹生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取80~40目的芦竹生物炭作为吸附材料，用去离子水洗涤以使芦竹生物炭的pH值降低至7.5~8，之后放入烘箱中烘干即制备得到所述的芦竹生物质炭材料。
所述第（2）步芦竹秸秆预处理时，温和碱反应液中NaOH质量分数优选1-1.5%，H202质量分数优选0.3-0.6%；预处理温度优选55-70℃，固液比（g/ml）优选1:15-25，预处理时间优选15-28h。
所述底层厚度为8～9cm，中间层厚度为6～14cm，表层厚度为4～5cm，底层与表层的碎石粒径为1～2cm。
所述池体为圆柱形，其直径为15～25cm，高度为20～30cm，湿地基质总高度比池体上沿低2-3cm，水位高度与湿地基质平齐；池体侧壁顶部设置进水管，底部设置排水管，进水管和排水管管内径为2～5cm。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
1)生物质炭能增强保水性能，提高孔隙度和通气性，对湿地中硝化反应有很强的促进作用，特别是对于DO传递性较差的水平潜流人工湿地，生物质炭能够改善其内部DO环境。与传统人工湿地相比，本发明中DO水平明显提高(提高0.2～3.0mg/L)，增强了硝化细菌的生长繁殖和硝化反应的发生，从而强化了氨氮的去除效果，进而加强了湿地的脱氮能力。
2)生物质炭的灰分元素(如K、Ca和Mg等)较为丰富，施进湿地后作为可溶性养分被植物利用，通过提供和贮存营养元素以及改善基质的理化性质来促进植物的生长。
3) 本发明使用的芦竹生物质炭比表面积大(800～900 m2/g)、孔径大部分分布在30～50nm之间，多中孔，含有羟基、羧基、内酯基、酚羟基和羰基等多种含氧基团，有利于对氨氮的吸附且适合作为微生物生长发育的载体，并且环境友好，无二次污染，使用时间长。
4) 本发明利用芦竹作为人工湿地植物，在基质中加入生物质炭，构建生物质炭潜流型人工湿地，从上述三个方面来强化湿地对污水中NH4 +-N的去除效果，其去除率高达近90%，与传统人工湿地相比平均提高了50%左右。
5) 本发明使用的生物质炭材料是以湿地植物为原料制备的，不仅解决了收割后湿地植物处置不当对环境造成二次污染的问题，还有效强化了湿地对NH4 +-N的去除效果，且实现了湿地植物的再利用。
6) 本发明充分利用适宜于微生物生长的生物质炭材料，利用生物质炭材料和湿地植物的相互促进作用，强化了人工湿地处理污水的能力，提高了湿地植物和湿地基质对污水处理的贡献率，解决了收割后湿地植物处置不当对环境造成二次污染的问题，无论在处理效果上，还是在所带来的经济效益上，都具有明显的优势。
附图说明
图1-本发明人工湿地结构示意图。
图2-实施例中传统人工湿地与本发明的DO对比图。
图3-实施例中传统人工湿地与本发明对NH4 +-N去除效果对比图。
具体实施方式
本发明湿地类型为潜流或表面流人工湿地，包括池体1、进出水***、装填在池体内的湿地基质以及种植于基质上的湿地植物芦竹2，所述芦竹在收割季收割后炭化处理得到芦竹生物质炭材料，然后将芦竹生物质炭材料作为湿地基质回填到池体内。所述湿地基质分为三层结构，自下而上依次为底层3、中间层4和表层5，底层3与表层5为碎石，中间层4即为芦竹生物质炭材料，所述芦竹生物质炭材料为湿地基质总体积的30～50%。
其中芦竹炭化处理得到芦竹生物质炭材料的过程为：
（1）原料制备：将收割后的芦竹秸秆洗净，切短至4~5cm，烘干备用；
（2）芦竹秸秆预处理：将第（1）步得到的芦竹秸秆加入温和碱反应液中浸泡预处理，温和碱反应液为NaOH和H2O2组成的混合水溶液，其中NaOH质量分数为0.25～2%，H2O2质量分数为0.14～1.01 %，余量为水；预处理参数为：温度40～80℃，固液比（g/mL）1:30～1:10，处理时间4h～32h，将经预处理后的芦竹秸秆用水洗至中性后烘干备用；
（3）将第（2）步预处理后的芦竹秸秆在氮气氛围下绝氧热解制得芦竹生物炭，其中其中热解温度为400~800℃，热解时间为1.5~2.5h；优选热解温度为450~600℃，热解时间为1.8~2.1h；更优选热解温度500℃，热解时间2h；
（4）将第（3）步制备的芦竹生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取80~40目的芦竹生物炭作为吸附材料，用去离子水洗涤以使芦竹生物炭的pH值降低至7.5~8，之后放入烘箱中烘干即制备得到所述的芦竹生物质炭材料。新制备的生物炭呈碱性，pH约为10~11，洗涤是为了使生物炭的pH降低至7.5~8，以防止氨氮以氨气状态挥发逸出。
所述第（2）步芦竹秸秆预处理时，温和碱反应液中NaOH质量分数优选1-1.5%，H202质量分数优选0.3-0.6%；预处理温度优选55-70℃，固液比（g/ml）优选1:15-25，预处理时间优选15-28h。更优选为：温和碱反应液中NaOH质量分数1.24%，H202质量分数0.35%；预处理温度64℃，固液比（g/ml）1:22.2，预处理时间26.5h。
所述底层厚度为8～9cm，中间层厚度为6～14cm，表层厚度为4～5cm，底层与表层的碎石粒径为1～2cm。
如果芦竹生物质炭材料位于表层则容易漂浮流失，而如果位于底层并被上层碎石压紧，又容易被上层碎石压碎，因此本发明芦竹生物质炭材料位于两层碎石之间，由两层碎石对其定位，且表层厚度较浅，为4～5cm，这样就不会压碎生物质炭材料。
所述池体1为圆柱形，其直径为15～25cm，高度为20～30cm，湿地基质总高度比池体上沿低2-3cm，实际湿地基质填充高度为18～28cm，水位高度与湿地基质平齐（保持在18～28cm处），在预先设定的水位高度处设有水位控制阀6，当高于该水位时，水位控制阀6自动打开排水，使水位始终维持在该高度。池体侧壁顶部设置进水管7，底部设置排水管8，排水管8上设有止水阀9，进水管和排水管管内径为2～5cm，用以进水和排水。
所述芦竹种植密度为15～25株/ m2。本发明芦竹生物质炭呈碱性，pH值为7.5～8；具有大小不一的多孔结构，表面比较粗糙；具有很高的比表面积(800～900 m2/g)和总孔容(0.2～0.3 cm3/g)；孔径大部分分布在30～50nm之间，表现为中孔为主，有利于对氨氮的吸附；含有羟基、羧基、内酯基、酚羟基和羰基等多种含氧基团，这些基团有利于氨氮的吸附处理。所述湿地基质中芦竹生物质炭含量高达30～50%(芦竹生物质炭：基质，体积比)。
可能芦竹产生生物质炭的速度不与生物质炭材料的消耗速度匹配，生物质炭的产出量可能过量，也可能欠量。正常情况下，生物质炭的产出量容易过量，此时可以储存起来用于弥补其他湿地***产出量的不足。如果水体污染严重，那么生物质炭材料消耗较快，可能导致同一片湿地***上湿地植物产生生物质炭的速度不能跟上生物质炭材料的消耗速度，此时可以向其它湿地***借用湿地植物所产生的生物质炭。原则上，制备生物质炭材料所用的植物应当与其上栽种的植物为同一种植物。
本发明污水进入人工湿地***后，在湿地植物、包含芦竹生物质炭的基质以及微生物的协同作用下，通过物理、化学和生物作用得以净化。污水经净化后，水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标。
以下通过对比实验来验证本发明的效果。
构建两个人工湿地反应器W1(传统人工湿地)和W2(本发明)，试验装置如图1所示，反应器的尺寸：直径20cm、高26cm。池体侧壁顶部和底部设置进水管和排水管(管内径为2～5cm)，用以进水和排水。
反应器填料为碎石和自制的芦竹生物质炭，投加的芦竹生物质炭占基质的体积比为0(W1)和39％(W2)。填料的填充高度为23cm，反应器中水位保持在23cm，每个反应器中初始芦竹质量约为100g。
活性污泥取自重庆市鸡冠石污水处理厂，活性污泥经过滤洗净后用人工配置的污水驯化，每天换水一次，驯化一个月后接种到湿地反应器中。
反应器进水为人工配置的污水，进水方式均为间歇进水，水温为20～30℃，HRT=2d，共持续两个月，使反应器稳定。
反应器稳定后，在一个周期内，跟踪测定湿地反应器中NH4 +-N和DO等指标，观察其变化规律。将加水时刻记为0时刻，30min、1h、2h、3h、4h、8h、16h、32h、48h取湿地反应器水样，测定其指标。
通过对W1和W2中NH4 +-N和DO的跟踪观察，可以发现与W1相比，W2可以提高50％的NH4 +-N去除率，且其DO水平明显较高，有利于湿地的运行。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种改良的利用湿地收割芦竹强化人工湿地去除氨氮的方法，本湿地类型为潜流型或表面流人工湿地，包括池体（1）、进出水***、装填在池体内的湿地基质以及种植于基质上的湿地植物芦竹（2），其特征在于：所述芦竹在收割季收割后炭化处理得到芦竹生物质炭材料，然后将芦竹生物质炭材料作为湿地基质回填到池体内；所述湿地基质分为三层结构，自下而上依次为底层（3）、中间层（4）和表层（5），底层与表层为碎石，中间层即为芦竹生物质炭材料，所述芦竹生物质炭材料为湿地基质总体积的30～50%；
其中芦竹炭化处理得到芦竹生物质炭材料的过程为：
（1）原料制备：将收割后的芦竹秸秆洗净，切短至4~5cm，烘干备用；
（2）芦竹秸秆预处理：将第（1）步得到的芦竹秸秆加入温和碱反应液中浸泡预处理，温和碱反应液为NaOH和H2O2组成的混合水溶液，其中NaOH质量分数为0.25～2%，H2O2质量分数为0.14～1.01 %，余量为水；预处理参数为：温度40～80℃，固液比以g/mL计1:30～1:10，处理时间4h～32h，将经预处理后的芦竹秸秆用水洗至中性后烘干备用；
（3）将第（2）步预处理后的芦竹秸秆在氮气氛围下绝氧热解制得芦竹生物炭，其中热解温度为400~800℃，热解时间为1.5~2.5h；
（4）将第（3）步制备的芦竹生物炭放入粉碎机中破碎，过筛，取80~40目的芦竹生物炭作为吸附材料，用去离子水洗涤以使芦竹生物炭的pH值降低至7.5~8，之后放入烘箱中烘干即制备得到所述的芦竹生物质炭材料；
所述池体（1）为圆柱形，其高度为20～30cm，湿地基质总高度比池体上沿低2-3cm，水位高度与湿地基质平齐；池体侧壁顶部设置进水管（7），底部设置排水管（8），进水管和排水管管内径为2～5cm。
2.根据权利要求1所述的改良的利用湿地收割芦竹强化人工湿地去除氨氮的方法，其特征在于：所述第（2）步芦竹秸秆预处理时，温和碱反应液中NaOH质量分数优选1-1.5%，H202质量分数优选0.3-0.6%；预处理温度优选55-70℃，固液比以g/mL计优选1:15-25，预处理时间优选15-28h。
3.根据权利要求1所述的改良的利用湿地收割芦竹强化人工湿地去除氨氮的方法，其特征在于：所述底层厚度为8～9cm，中间层厚度为6～14cm，表层厚度为4～5cm，底层与表层的碎石粒径为1～2cm。
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