CN113104982A - 一种强化低温下污染物降解的***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水体净化技术领域，具体涉及一种强化低温下污染物降解的***及方法。该***包括：人工湿地、磁性材料和导流板；磁性材料垂直且上下交错设置在人工湿地内，在两相邻磁性材料重叠区域，以及靠近地面的区域，采用导流板代替部分磁性材料，使磁场分布均匀；磁性材料与导流板组成阻挡装置，使污水在人工湿地内形成波形潜流。基于磁性材料引入所产生的磁效应，不仅能够改变微生物细胞膜结构及骨架，使得某些微生物对低温条件产生更强的抗性，以适应这种低温环境，交错分布的磁性材料波形还能使污水在人工湿地内呈波形流态，与基质更充分接触；本***适合处理温度为4～15℃的城镇生活污水、工业废水。

Description

一种强化低温下污染物降解的***及方法

技术领域

本发明属于水体净化技术领域，具体涉及一种强化低温下污染物降解的***及方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

近些年来，与污水处理相关的新兴工艺层出不穷，而人工湿地凭借着投资低廉、效果稳定、管理方便和环境友好等优点而受到了广泛关注。但低温环境使湿地中的微生物和植物活性降低甚至死亡，由于基质中的微生物活性降低，颗粒物质不能有效降解，水的黏性增加，孔隙率减小，传递氧的速率降低，导致基质含氧量降低，这严重影响人工湿地的去污效果并限制了该技术在冬季或低温条件下的使用。

因此研究如何强化低温条件下人工湿地去污效果有一定的意义。目前所采取的主要措施包括人工保温措施、种植耐寒性湿地植物，以及与其他工艺组合的方式等等，上述措施在一定程度上可以强化低温环境下人工湿地的污染物去除效果，但同时也存在一定局限性，如投资过大，维护复杂，效果不显著等。因此提出一种操作简单、经济有效的技术以强化低温环境下人工湿地的去污效果，是克服人工湿地技术在应用推广过程中时空限制的关键突破，也是使人工湿地能够得到推广应用的关键。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种强化低温下污染物降解的***及方法，基于磁性材料引入所产生的磁效应，不仅能够改变微生物细胞膜结构及骨架，使得某些微生物对低温条件产生更强的抗性，以适应这种低温环境，交错分布的磁性材料和导流板还能使污水在人工湿地内呈波形流态，与基质更充分接触；本***是针对人工湿地在冬季或低温条件下运行时易受到低温影响，导致污染物去除效果降低的情况，提出的一种能够强化去污效果的有效方案，所述***适合处理温度为4～15℃的城镇生活污水、工业废水。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种强化低温下污染物降解的***，包括：人工湿地、磁性材料和导流板；

磁性材料垂直且上下交错设置在人工湿地内，在两相邻磁性材料重叠区域，以及靠近地面的区域，采用导流板代替部分磁性材料，使磁场分布均匀；

磁性材料与导流板组成阻挡装置，使污水在人工湿地内形成波形潜流。

本发明第二方面提供一种采用上述***进行低温下污染物降解的方法，具体包括：

将待处理的污水采用连续进水的方式通过进水管均匀进入人工湿地中，污水经过磁性材料与导流板组成的阻挡装置后，呈波形流态，污水在人工湿地流动过程中反复经过好氧区与厌氧区，对氮、有机物等污染物进行有效去除，净化后所得出水经排水管排出。

本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果：

(1)本发明采用磁性材料与导流板组成阻挡装置，使污水在人工湿地内成波形潜流，从而令人工湿地中污水与基质的接触更加充分，促进了磷、重金属等污染物的去除效果。

(2)通过磁性材料的强化，人工湿地中微生物的生长和代谢活性增加，有利于增强硝化反硝化等作用，磁性材料产生的磁场还能改变微生物细胞膜结构及骨架，使得某些微生物对低温条件产生更强的抗性，以适应这种低温环境，有利于低温环境下污染物的降解。

(3)磁性材料产生的磁效应能够促进氧气在水中溶解，并在水中产生活性氧，这些活性氧基团或物质具有较强的氧化性能，可以氧化水中的有机物。此外，大气的复氧能力会增强，有助于缓解人工湿地的外加曝气量以节约成本。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明所述强化低温下污染物降解的***结构示意图；

图2为人工湿地内进水管俯视图；

图3为曝气装置布设图；

图4为固定装置的结构示意图；

图5为固定装置的主体的俯视图；

其中：1：人工湿地，2：进水管，3：导流板，4：磁性材料，5：固定装置，6：曝气装置，7：曝气引管，8：鼓风机，9：植物，10：细沙层，11：填料，12：阻挡装置，13：磁铁矿石，14：承托层，15：排水管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有的强化低温条件下人工湿地去污效果的方法存在投资过大，维护复杂，效果不显著等问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种强化低温下污染物降解的***，包括：人工湿地、磁性材料和导流板；

磁性材料垂直且上下交错设置在人工湿地内，在两相邻磁性材料重叠区域，以及靠近地面的区域，采用导流板代替部分磁性材料，使磁场分布均匀；

磁性材料与导流板组成阻挡装置，使污水在人工湿地内形成波形潜流。

其中，磁性材料是指能够在人工湿地内产生稳定磁场的材料；垂直且上下交错设置的磁性材料在两相邻磁性材料重叠区域以及靠近地面的区域会出现磁场分布不均匀的现象，影响波形潜流形成，本发明采用导流板在这两个区域处替代部分磁铁，能够使整个***内的磁场更加均匀稳定，使污水以波形潜流平稳流动。另外，本发明对导流板代替磁性材料的量不做特殊限定，因为不同磁性材料对于磁场均匀性的影响不同，只要最终能够实现均匀磁场的目的，可以根据需要来衡量导流板的替代量。

优选的，所述磁性材料为永磁铁，进一步优选为稀土永磁材料，更进一步的优选为钕铁硼磁铁；

该磁性材料为长方体形状，高度与间距的比例为1:1～1:3，使人工湿地内部磁场强度为50～100mT。

本发明将磁性材料与导流板组成阻挡装置垂直设置于人工湿地内，目的主要在于三方面：

(1)阻挡装置能够令污水在人工湿地内呈波形流态，使人工湿地中污水与基质的接触更加充分，促进磷、重金属等污染物的去除效果。

波形潜流是指内部污水呈包括水平流、上行流和下行流在内的混合流态，可将水半潜流湿地和垂直潜流湿地的优点集于一身，使污水多次经过湿地内部具有不同处理特性的构造层.与湿地***中下层的微生物和基质充分接触，增加了污水在湿地内部的水力停留时间，有机营养物质得剑充分降解，湿地床体发挥吏大效率，从而达到增强污水处理的目的。

(2)改变微生物细胞膜结构，增加其低温抗性。磁性材料产生的磁场能够改变微生物细胞膜结构及骨架，使得某些微生物对低温条件产生更强的抗性，以适应这种低温环境，有利于低温环境下污染物的降解。

(3)去除污水中的有机污染物。磁性材料产生的磁效应能够促进氧气在水中溶解，并在水中产生活性氧，这些活性氧基团或物质具有较强的氧化性能，可以氧化水中的有机物。

基于上述效果，本发明通过将磁性材料与导流板组成阻挡装置垂直设置于人工湿地内，解决了人工湿地在冬季或低温条件下运行时易受到低温影响，导致污染物去除效果降低的问题，该***适合处理温度为4～15℃的城镇生活污水、工业废水。

本发明的一个或多个实施方式中，阻挡装置的高度均大于人工湿地深度的2/3，阻挡装置过高会影响污水的波形流态，同时也会限制污水在人工湿地***中的流动。

本发明的一个或多个实施方式中，所述人工湿地内自上而下依次设置有种植植物、细沙层、填料与废弃磁铁矿石的混合层、承托层和曝气装置。

优选的，在人工湿地上部的种植植物为耐寒且生长周期较长的植物，包括但不限于西伯利亚鸢尾、黄花鸢尾、水芹、灯心草、虎耳草、花菖蒲，可选其中一种或几种种植。

优选的，所述细沙层由粒径<0.5cm的细沙组成。

优选的，所述承托层由粒径为6～10cm的碎石组成。

优选的，填充的填料与废弃磁铁矿石的混合物的直径为1～3cm，废弃磁铁矿石与填料的比例为1:3～1:10，所述填料包括但不限于石灰石、火山岩、沸石、页岩、陶粒、炉渣、砾石等材料中一种或几种。在人工湿地中添加废弃磁铁矿石，不仅实现了废物再利用，还可以进一步扩大磁化区域以增强***内部的磁化作用。

优选的，阻挡装置不得高出细沙层。

本发明的一个或多个实施方式中，所述***还设置有进水管，进水管位于细沙层下方，出水管位于承托层，均配备阀门。

本发明的一个或多个实施方式中，在人工湿地内部的进水管长度不得超出人工湿地边缘与离其最近的阻挡装置的距离，不得少于此距离的一半；

进一步优选的，人工湿地内部的进水管表面包裹纱布，管壁均匀分布布水孔。

本发明的一个或多个实施方式中，所述曝气装置为微孔曝气管，布设在人工湿地(有进水管的一侧)与离其最近的阻挡装置之间，曝气装置通过曝气引管连接有鼓风机，实现大气复氧，使此部分人工湿地内溶解氧的含量为2～3mg/L。

本发明的一个或多个实施方式中，磁性材料与导流板组成的阻挡装置、设置在人工湿地底部的曝气装置以及大气复氧将人工湿地分为好氧区和厌氧区，曝气装置与大气复氧的范围为人工湿地的好氧区，其余部分为人工湿地厌氧区。

本发明的一个或多个实施方式中，通过固定装置将磁性材料和导流板固定。

优选的，固定装置为无磁性的不锈钢材料，此固定装置主体为长方体，尺寸根据磁铁和导流板的尺寸而定，为方便将磁铁和导流板放入其中，其上表面不做任何处理，另外五面全为×形镂空，两个长方体之间采用同样品质的不锈钢管来连接。

本发明第二方面提供一种采用上述***进行低温下污染物降解的方法，具体包括：

将待处理的污水采用连续进水的方式通过进水管均匀进入人工湿地中，污水经过磁性材料与导流板组成的阻挡装置后，呈波形流态，污水在人工湿地流动过程中反复经过好氧区与厌氧区，对氮、有机物等污染物进行有效去除，净化后所得出水经排水管排出。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

根据本发明所述***，在实验室构建波形潜流人工湿地小试装置，为长方体，长为100cm，宽为30cm，高为60cm。

所述人工湿地内自上而下依次设置有种植植物、细沙层、填料与废弃磁铁矿石的混合层、承托层和曝气装置。人工湿地内进水管长度为20cm，进水孔的直径为0.7cm，表面包裹着纱布。此人工湿地上部种植西伯利亚鸢尾。细沙层由粒径<0.3cm的细沙组成，其厚度为10cm。承托层由粒径为6～8cm的碎石组成，其厚度为15cm。混合层的厚度为35cm，在此层填充砾石与废弃磁铁矿石的混合物，混合物的直径为1～3cm，磁铁矿石与砾石的比例为1:4。人工湿地中共交错放置三个阻挡装置，两个阻挡装置水平间隔为25cm，阻挡装置长为20cm，宽为5cm，高为40cm。第一个阻挡装置放置在细沙层与混合层，此装置上方为20×5×10cm的导流板，下方为20×5×30cm的钕铁硼磁铁。第二个阻挡装置放置在混合层与承托层，此装置上方为20×5×20cm的导流板，下方为20×5×20cm的钕铁硼磁铁。使人工湿地内部磁场强度为50～100mT。采用316型奥氏体不锈钢材料制作固定装置，此固定装置主体为长方体，高为40cm，长为20.5cm，宽为5.5cm，为方便将磁铁放入其中，其上表面不做任何处理，另外五面全为×形镂空。两个长方体之间采用长为25cm的316型奥氏体不锈钢管来连接。在人工湿地底部放置一个微孔曝气管，长为50cm，可在曝气装置和鼓风机中间放置一个流量计，通过曝气引管将三者连接，使其为人工湿地增氧。通过控制流量计，使曝气期间人工湿地内溶解氧的含量为2～3mg/L。

此人工湿地温度为4～15℃，采用连续进水方式，控制进入进水管的水体的TN浓度为40mg/L，COD浓度为200mg/L，TP浓度为5mg/L，重金属Mn的进水浓度为5mg/L，重金属Cu的进水浓度为5mg/L。

经过本实施例所述工艺处理，水体中TN、COD、TP、Mn、Cu平均出水浓度分别达到12.3mg/L，20.18mg/L，0.56mg/L，1.12mg/L和0.76mg/L。

实施例2

在陕西省某郊区根据本专利所述方法构建实验人工湿地，人工湿地长为8.4m，宽为3m，高为2.1m。

所述人工湿地内自上而下依次设置有种植植物、细沙层、填料与废弃磁铁矿石的混合层、承托层和曝气装置。人工湿地内进水管长度为80cm，表面包裹着纱布。此人工湿地上部种植水芹。细沙层由粒径<0.5cm的细沙组成，其厚度为30cm。承托层由粒径为8～10cm的碎石组成，其厚度为40cm。混合层的厚度为140cm，在此层填充砾石与废弃磁铁矿石的混合物，混合物的直径为3～5cm，磁铁矿石与砾石的比例为1:3。人工湿地中共交错放置六个阻挡装置，两个阻挡装置水平间隔为120cm，阻挡装置长为5m，宽为0.5m，高为1.4m。第一个阻挡装置放置在细沙层与混合层，此装置上方为5×0.5×0.3m的导流板，下方为5×0.5×1.1m的钕铁硼磁铁。第二个阻挡装置放置在混合层与承托层，此装置上方为5×0.5×0.9m的导流板，下方为5×0.5×0.5m的钕铁硼磁铁，第三和第五个阻挡装置同第一个一致，第四和第六个阻挡装置同第二个一致。使人工湿地内部磁场强度为50～100mT。采用316型奥氏体不锈钢材料制作固定装置，此固定装置主体为长方体，高为1.4m，长为5.1m，宽为0.55m，为方便将磁铁放入其中，其上表面不做任何处理，另外五面全为×形镂空。两个长方体之间采用316型奥氏体不锈钢管来连接。在人工湿地底部放置一个微孔曝气管，长为2.4m，曝气装置和鼓风机通过曝气引管连接，使此部分人工湿地内溶解氧的含量为2～3mg/L。

此人工湿地温度为10～15℃，采用连续进水方式，控制进入进水管的水体的TN浓度为80mg/L，COD浓度为400mg/L，TP浓度为10mg/L，重金属Mn的进水浓度为10mg/L，重金属Cu的进水浓度为10mg/L。

经过本实施例所述工艺处理，水体中TN、COD、TP、Mn、Cu平均出水浓度分别达到22.4mg/L，56.18mg/L，2.37mg/L，3.12mg/L和2.13mg/L。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种强化低温下污染物降解的***，其特征在于：包括：人工湿地、磁性材料和导流板；

磁性材料垂直且上下交错设置在人工湿地内，在两相邻磁性材料重叠区域，以及靠近地面的区域，采用导流板代替部分磁性材料，使磁场分布均匀；

磁性材料与导流板组成阻挡装置，使污水在人工湿地内形成波形潜流。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于：阻挡装置的高度均大于人工湿地深度的2/3。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于：所述人工湿地内自上而下依次设置有种植植物、细沙层、填料与废弃磁铁矿石的混合层、承托层和曝气装置；

优选的，阻挡装置不得高出细沙层。

4.如权利要求3所述的***，其特征在于：所述***还设置有进水管和出水管，进水管位于细沙层下方，出水管位于承托层，均配备阀门。

5.如权利要求4所述的***，其特征在于：在人工湿地内部的进水管长度不得超出人工湿地边缘与离其最近的阻挡装置的距离，不得少于此距离的一半；

优选的，人工湿地内部的进水管表面包裹纱布，管壁均匀分布布水孔。

6.如权利要求3所述的***，其特征在于：所述曝气装置为微孔曝气管，布设在人工湿地有进水管的一侧与离其最近的阻挡装置之间，曝气装置通过曝气引管连接有鼓风机，实现大气复氧，使此部分人工湿地内溶解氧的含量为2～3mg/L。

7.如权利要求6所述的***，其特征在于：阻挡装置、设置在人工湿地底部的曝气装置以及大气复氧将人工湿地分为好氧区和厌氧区，曝气装置与大气复氧的范围为人工湿地的好氧区，其余部分为人工湿地厌氧区。

8.如权利要求3所述的***，其特征在于：所述磁性材料为永磁铁，进一步优选为稀土永磁材料，更进一步的优选为钕铁硼磁铁；

该磁性材料为长方体形状，高度与间距的比例为1:1～1:3，使人工湿地内部磁场强度为50～100mT；

优选的，在人工湿地上部的种植植物为耐寒且生长周期较长的植物，包括但不限于西伯利亚鸢尾、黄花鸢尾、水芹、灯心草、虎耳草、花菖蒲；

优选的，所述细沙层由粒径<0.5cm的细沙组成；

优选的，所述承托层由粒径为6～10cm的碎石组成；

优选的，填充的填料与废弃磁铁矿石的混合物的直径为1～3cm，废弃磁铁矿石与填料的比例为1:3～1:10，所述填料包括但不限于石灰石、火山岩、沸石、页岩、陶粒、炉渣、砾石材料中一种或几种。

9.如权利要求1所述的***，其特征在于：通过固定装置将磁性材料和导流板固定；

优选的，固定装置为无磁性的不锈钢材料。

10.采用权利要求1-9任一项所述的***进行低温下污染物降解的方法，其特征在于：具体包括：

将待处理的污水采用连续进水的方式通过进水管均匀进入人工湿地中，污水经过磁性材料与导流板组成的阻挡装置后，呈波形流态，污水在人工湿地流动过程中反复经过好氧区与厌氧区，对氮、有机物等污染物进行有效去除，净化后所得出水经排水管排出。

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