一种好氧堆肥强化水平潜流人工湿地脱氮装置及应用
技术领域
本发明涉及废物资源化
技术领域
，尤其涉及一种好氧堆肥强化水平潜流人工湿地脱氮装置及应用。背景技术
好氧堆肥是一种被广泛运用的污泥深度处理方式，通过好氧微生物发酵降解污泥中的有害物质，使污泥转化为有价值的资源。污泥好氧堆肥后的产物经过风险评估合格后可用作土壤调理剂和有机肥等。然而，污泥好氧堆肥过程中会排放大量恶臭气体，这限制了该工艺的发展。研究发现，NH3是污泥好氧堆肥过程中排放量最大的恶臭气体。堆肥车间内的高浓度NH3除了会对人体产生强烈的感官影响，还会对眼、呼吸道等造成严重的健康危害。因此，NH3是污泥好氧堆肥过程中恶臭污染的关键因子，治理NH3是消除恶臭污染的关键。但与此同时，NH3可作为无机氮肥等资源的原料。如果能在污泥好氧堆肥过程中将其产生的废NH3作为氮肥利用，不仅可以消除恶臭污染、保护环境空气质量，而且可以实现资源回收利用。
人工湿地是一种“用人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏隔水层，充填一定深度的基质层，种植水生植物，利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，使污水得到净化”的生态工程系统。人工湿地净水功能（如脱氮）已成为湿地重要生态服务功能。在人工湿地脱氮的过程中，主要分为物理作用、化学作用和生物作用。生物作用可占总氮去除的60%以上，生物作用方式主要为植物吸收及微生物的氨化、硝化/反硝化过程等。人工湿地依据水流的方式不同，通常可分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。水平潜流人工湿地具有水力负荷和污染负荷大，占地面积小，很少有恶臭和孳生蚊蝇现象等优点。但是水平潜流人工湿地中氧气不足，以缺氧、厌氧环境为主，硝化能力受到限制，制约了其去除污水中NH4 +的效果。
若将好氧堆肥产生的废气通入人工湿地中，废气中的氧气会增加水中溶解氧的含量从而起到强化人工湿地的硝化作用，提升脱氮效能。此外，废气中的NH3溶于水后形成NH4 +，可作为氮肥被湿地植物吸收利用，实现废NH4 +资源化。
授权号CN105198085B，公开了一种并联水平潜流人工湿地强化脱氮除磷系统及方法。主要由进水水量调节器、多单元并联水平潜流人工湿地主体和出水水位控制器组成。通过进水水量调节器和出水水位控制器调节水平潜流人工湿地中水位，增强水平潜流人工湿地系统内大气复氧的性能，提高系统内溶解氧水平与微生物活性，促进硝化反应的进行。通过多单元水平潜流人工湿地并联的配置，使处理水量稳定且可持续。污水按前后顺序经过强化除氮基质层和强化除磷基质层，增强脱氮除磷效果，避免因基质不合理填充造成的污染物去除效果下降。该发明弥补了水平潜流人工湿地中溶解氧水平低，脱氮除磷效果差的缺失，但仅用于水处理领域，对于有机废弃物的资源化则不能适用，并且对于一定水位以下的含氧量低的情况也不能适用。
公开号CN103043865A，公开了一种上向流曝气生物滤池—水平潜流人工湿地组合中水处理系统。它由上向流曝气生物滤池和水平潜流人工湿地组成；上向流曝气生物滤池包括位于池底的进水导流管，在进水导流管之上依次设置有滤板、承托层、A段填料区、B段填料区和出水区，出水区上装有连通水管，该连通水管与水平潜流人工湿地的调节池连通；曝气管从承托层内引出；水平潜流人工湿地的下层包括调节池，与调节池并列的基质区，基质区从左至右依次为碎石区、钢渣区、沸石区和出水口砾石区，在出水口砾石区安装有出水管；水平潜流人工湿地上层有覆土层和水生植物。该发明实现了污水就地处理与利用，简化污水处理工艺流程，降低运营管理成本。主要用于水污染治理，但对于具体的污水治理效果却没有提及，也不能实现废物资源化。
发明内容
针对目前污泥好氧堆肥产生的大量废NH3难以回收利用、水平潜流人工湿地的脱氮效果因溶解氧含量低而受到限制的问题，本发明的目的在于提供一种好氧堆肥强化水平潜流人工湿地脱氮装置及应用，可以实现好氧堆肥产生废NH3的资源化，且通过调节NH3的浓度，调整水平潜流人工湿地硝化区域的含氧量，增强硝化能力，强化水平潜流人工湿地的脱氮效能。
本发明的具体技术方案为：首先，本发明提供了一种好氧堆肥强化水平潜流人工湿地脱氮装置，包括好氧堆肥单元和水平潜流人工湿地单元；
所述好氧堆肥单元包括智能供气设备、堆肥反应器和智能曝气设备；
所述智能供气设备连接堆肥反应器进气口，堆肥反应器出气口连接至少一个水平潜流人工湿地单元的曝气管；
所述智能曝气设备包括设于水平潜流人工湿地的氮素浓度检测部件和溶解氧浓度检测部件，以及设于堆肥反应器的氧浓度检测部件和温度检测部件。
本发明好氧堆肥单元包括智能供气设备、堆肥反应器和智能曝气设备，智能供气设备连接堆肥反应器进气口，堆肥反应器出气口连接通入水平潜流人工湿地单元的曝气管。智能供气设备用于提供送入堆肥反应器中的气体量，进而调整堆肥反应器出气口以及曝气管出气的氧气含量，具体方法为：智能供气设备供入反应器气体量越大，出口处气体量含氧浓度越高；智能供气设备供入反应器气体量越小，出口处气体量含氧浓度越低。智能曝气设备能够通过水平潜流人工湿地的溶解氧浓度检测部件和水质氮素检测部件，以及设于堆肥反应器的氧浓度检测部件和温度检测部件调整智能供气设备和反应器参数；为了提高效率，堆肥反应器出气口可以连接通入多个水平潜流人工湿地单元的曝气管。
作为优选，所述水平潜流人工湿地单元包括由下至上依次为防渗层、基质层和植被层；所述基质层包括粗砂层、填料层、土壤层；所述土壤层包括硝化土层和反硝化土层；所述硝化土层pH为7.0-8.0，反硝化土层pH为6.5-7.5。
基质层包括了粗砂层、填料层、土壤层。反应层分布有引起硝化反应和反硝化反应的微生物，因此对此层的pH的设定是为了使微生物能够具有较好的活性，pH调节可以用乙酸-乙酸钠缓冲液，或碳酸钠-碳酸氢钠缓冲液。植被层的存在是为了更好地利用N元素，吸收未被沸石吸附的NH4 +和部分硝化反应产物。
作为优选，所述填料层为屉式结构；所述填料层填料为沸石；
本发明进一步实现N元素资源化的方案是采用了屉式结构的填料层，当硝化区的NH4 +浓度达到设定值时，人工湿地停止进气进水，将布水区水位控制在屉式结构以下，抽出屉式结构，更换填料层。更换下来的沸石可以作为土壤改良剂。
作为优选，所述沸石通过活化处理，所述活化处理步骤包括：
（1）将天然沸石置入质量分数为5 %-10 %的H2O2溶液中浸泡2-3 h，然后取出沥干；
（2）在300-400 ℃条件下焙烧沸石，焙烧时间为3-6 h；
（3）将步骤（2）所得沸石迅速置入质量分数为5 %-10 %的NaCl溶液中骤冷并浸泡1-2 h，随后再在浸泡液中超声处理，完成后再用清水冲洗至少一次，清洗后在离子水中超声处理，并取出沥干；
（4）将步骤（3）所得沸石进行微波干燥，获得活化沸石。
为了使沸石获得活化效果，首先将沸石置入质量分数为5 %-10 %的H2O2溶液中浸泡2-3 h，使沸石孔道内填充H2O2溶液，随后对其进行的高温焙烧，由于H2O2溶液填充在孔道里，在高温下会分解出O2，能够更好地去除沸石中的有机物，并且生成气体，可以疏通沸石孔道；其次，在NaCl溶液中骤冷，使沸石表面物质随着表面水膜的沸腾迅速脱离，疏通表面孔道，并迅速将内部的气体排出，Na+能够置换沸石中Ca2+、Mg2+等半径较大的阳离子，空间位阻变小，内扩散加快，交换容量增大，从而提高了沸石对NH4 +的吸附能力和离子交换能力，同时，浸泡充分后进行超声处理，可以将加速孔道内的液体流速，使得Na+交换更加充分，随后进行冲洗沥干，并在去离子水中浸泡超声，清洗孔道；沥干后进行微波干燥，微波的作用下，沸石孔道内的水分子剧烈振动，撞击沸石孔道，使得沸石结构更加疏松，从而进一步提高沸石活性。
作为优选，所述粗砂层通有曝气管；所述曝气管呈网状结构或盘式结构，曝气管上分布有均匀的竖直向下的布气口，布气口设有滤网。
为了更加充分地曝气，在曝气管上设有均匀分布的布气口，且为了防止布气口堵塞，本装置采用的布气口方向为竖直向下，并在布气口套有滤网所述曝气管布气口竖直向下和滤网设置是为了防止粗砂层中颗粒物堵塞曝气管，同时管口设有滤网能够使布气口的气泡细化，增大气体与水的接触面积。
作为优选，所述水平潜流人工湿地单元包括布水区、硝化区、反硝化区和集水区；所述硝化区为堆肥废气进入水平潜流人工湿地的曝气区域；所述硝化区与反硝化区之间通过隔板分隔；所述布水区进水口位置在竖直方向高于集水区出水口。
水在布水区通过渗透作用进入硝化区，为了更好的利用硝化区的NO3 -以及NO2 -，本发明将硝化区与反硝化区通过隔板隔开，防止两边的微生物互窜；为了使得集水区出水口的排放达到预期目标，反硝化区出水位置设于底部。硝化区的反应方程式为：
NH4 ++1.5O2→NO2 -+H2O+2H+
NO2 -+0.5O2→NO3 -
反硝化区的反应方程式为：
2NO3 -+10e-+12H+→N2+6H2O
作为优选，所述硝化区设有溶解氧浓度检测部件和氮素检测部件，其中氮素检测部件设于隔板顶端硝化土层和反硝化土层交界处；所述硝化区溶解氧浓度范围为2~3 mg/L，NH4 +浓度<35 mg/L；所述集水区出水口NH4 + <5 mg/L。
为了使得硝化区有充足的氧气，本发明设定的硝化区溶解氧浓度范围为2~3 mg/L，并且设定NH4 +浓度<35 mg/L，当检测到NH4 +浓度≥35 mg/L时，可更换沸石；反硝化区出水根据城镇污水排放标准一级A限定，集水区出水口NH4 +浓度 <5 mg/L。
作为优选，所述堆肥反应器包括搅拌器；所述搅拌器连接智能曝气设备；所述智能曝气设备连接智能供气设备。
为了控制进入人工湿地的气体量，使NH3能够充分资源化，本发明采用了智能化的控制技术，通过监测硝化区的氮素含量，调控智能供气设备和搅拌器，实现实际通气效率和气体成分比的控制。
作为优选，所述堆肥反应器中的温度范围为室温至65℃；所述堆肥反应器中氧浓度占气体质量百分比为10%-15%。
所述堆肥反应器中温度<65℃，超过65℃可能会引起微生物失活，影响堆肥效率。
其次，本发明还提供了上述任一项所述脱氮装置对人工湿地进行脱氮的方法：
（1）通过气泵智能供气设备将空气泵入堆肥反应器，将堆肥反应器中的NH3带入到曝气管；此时堆肥反应器中搅拌器搅拌堆肥物质；
（2）曝气管中的空气和NH3从布气口进入到水平潜流人工湿地的粗砂层，NH3和空气中的O2溶入到水中，产生NH4 +；
（3）NH4 +进入到填料层，部分NH4 +会被沸石填料吸附，剩余NH4 +进入到土壤层；
（4）进入土壤层的NH4 +在硝化土层发生硝化反应，产生硝化物，部分硝化物和未转化成硝化物的NH4 +被植物吸收，余下部分进入到反硝化土层；
（5）反硝化土层发生了反硝化反应，将NO3 -和NO2 -还原成了N2，反应后的水进入到集水区，然后在出水口检测排出；
其中，水平潜流人工湿地的氮素浓度检测部件和溶解氧浓度检测部件，实时监测硝化区的氮素浓度和溶解氧浓度，并信息反馈给智能曝气设备，进而调节智能供气设备和搅拌器；设于堆肥反应器的氧浓度检测部件和温度检测部件实时监测堆肥反应器中的温度和氧浓度，并信息反馈给智能曝气设备，进而调节智能供气设备和搅拌器；
所述氮素浓度检测部件监测到的NH4 +浓度≥35 mg/L时，更换填料层。
本发明提供的好氧堆肥强化水平潜流人工湿地脱氮方法，首先是通过智能供气设备将气体泵入堆肥反应器，气体经过堆肥物质后通过曝气管进入水平潜流人工湿地的粗砂层，由于布水区渗入的水淹没了硝化土层，所以气体可以上浮填料层，填料层吸收一部分NH4 +，剩余部分进入到土壤层的硝化土层发生硝化反应，反应产物和未转化成硝化物的NH4 +经过被植物吸收一部分之后，剩余部分随着水流进入到反硝化土层，反硝化生成氮气，水流进入集水区。其中水平潜流人工湿地的氮素浓度检测部件和溶解氧浓度检测部件，以及设于堆肥反应器的氧浓度检测部件和温度检测部件实时监测硝化区的氮素浓度和溶解氧浓度以及设于堆肥反应器中的温度和氧浓度，并反馈给智能曝气设备，进而调节智能供气设备和搅拌器。当氮素浓度检测部件监测到的NH4 +浓度≥35 mg/L时，即说明沸石吸附能力达到饱和，需要更换填料层。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
1.实现好氧堆肥产生废NH3的资源化，利用沸石富集NH4 +，吸附饱和后可用作土壤调理剂，拓宽好氧堆肥工艺的实际应用；
2.水平潜流人工湿地硝化区域含氧量智能化控制，增强硝化能力，提高水平潜流人工湿地的转换效率。
附图说明
图1是本发明的整体装配示意图；
图2是本发明的硝化区示意图；
图3是本发明的反硝化区示意图；
图4是本发明布气口示意图。
附图标记为：
1.智能供气设备，2.堆肥反应器，3.氧浓度检测部件，4.温度检测部件，5.搅拌器，6.粗砂层，7.曝气管，8.进水口，9.布水区，10.植被层，11.水层，12.氮素浓度检测部件，13.填料层，14.硝化土层，15. 布气口，16.出水口，17.防渗层，18.反硝化土层，19.集水区，20.土壤层，21.隔板，22.智能曝气设备。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。在本发明中所涉及的装置、材料和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、材料和方法。
总实施例
如图1所示的填料层13后，智能供气设备1将空气泵入堆肥反应器2中，见图2，氧浓度检测部件3和氮素浓度检测部件12将结果反馈到智能曝气设备22，智能曝气设备22调控搅拌器5的搅拌速度以及智能供气设备1泵入的气体量，同时温度检测部件4监控堆肥反应器2中温度，并反馈至智能曝气设备22。堆肥反应器2中的气体通过曝气管7进入到水平潜流人工湿地当中，曝气管7的布气口15置于水平潜流人工湿地的粗砂层，并且开口竖直向下。布水区9设有进水口8，布水区9中的水通过渗透作用进入到粗砂层，进而随着布水区的水位上升，硝化区水位也依次上升至硝化土层14，填料层13，土壤层20，进而越过隔板流入到反硝化土层18，再到集水区19，直至集水区水位达到出水口16的位置，此时人工湿地表面覆有水层11，植被层10中的植物生长于土壤层和水层。布气口15带有滤网，见图4，出气中的氧气和的NH3溶于水中，形成NH4 +。此处设有溶解氧浓度检测部件3，当溶解氧浓度不在2-3 mg/L时就会反馈到智能曝气设备2，部分NH4 +被填料层吸附，未被吸附的上浮进入到硝化土层14，发生硝化反应，转化成NO3 -或NO2 -，硝化土层14设有氮素浓度检测部件12，当NH4 +浓度超过35mg/L时，即提示更换沸石，硝化土层中部分NH4 +、NO3 -和NO2 -会被植被层吸收，剩余部分NO3 -或NO2 -进入到反硝化土层18，经反硝化生成N2，最后出水口16处的水质检测中，NH4 +浓度 <5mg/L。堆肥反应器2中的温度控制<65 ℃，并且氧浓度占气体质量百分比为10-15 %。
实施例1
装置中，溶解氧浓度检测部件3检测到硝化层14氧浓度小于2 mg/L，信号反馈至智能曝气设备22，智能供气设备1泵入气体量增加。
实施例2
装置中，溶解氧浓度检测部件3检测到硝化层14氧浓度大于3 mg/L，信号反馈至智能曝气设备22，智能供气设备1泵入气体量减小。
实施例3
装置中，氮素浓度检测部件12检测到土壤层20NH4 +浓度超过35 mg/L，关闭进水口，降低布水区9水位至沸石填料层13以下，抽出沸石填料层13的屉式结构，更换沸石填料，放回沸石填料层13的屉式结构，打开进水口。
实施例4
与实施例1相比不同之处在于，本实施例采用了活化沸石，沸石活化的具体方法为：
（1）将天然沸石置入质量分数为5%的H2O2溶液中浸泡2 h，然后取出沥干；
（2）在300 ℃条件下焙烧沸石，焙烧时间为3 h；
（3）将步骤（2）所得沸石迅速置入质量分数为5 %的NaCl溶液中骤冷并浸泡1 h，随后再在浸泡液中超声处理，完成后再用清水冲洗至少一次，清洗后在离子水中超声处理，并取出沥干；
（4）将步骤（3）所得沸石进行微波干燥，获得活化沸石。
装置运行过程与实施例1相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
