一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统

1.本发明属于环境工程中底泥污染修复技术领域，具体涉及一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统。


背景技术：

2.随着城市化进程的加快，城市污水处理和农业排放问题日益突出，传统的污水处理方式需要占用大量的土地资源和能源，而且造成的环境影响也不容忽视。为了解决这些问题，人们开始研究和开发新的污水处理技术，其中包括利用湿地生态系统进行污水处理的方法，人工湿地是一种模拟天然湿地的人工构造物，通过引入湿地植物和微生物来降解和吸收废水中的有机污染物和氮、磷等营养物质，人工湿地具有处理效果好、管理简单、造价低廉等优点，已经得到越来越广泛的应用。
3.传统的人工湿地脱氮方法主要依靠菌群和环境条件来达到脱氮效果，但是其受温度和ph等环境条件影响较大，稳定性和脱氮效率较低，然而利用电动力学促进脱氮的方法可以克服这些缺点，提高处理效率和稳定性，因此受到越来越多的关注。目前市场上已经有了很多种不同类型的人工湿地产品，但是它们通常都存在一些缺点。例如，一些产品需要大量的土地空间，不适用于城市等土地资源紧张的地区；一些产品需要较高的建设和运营成本，不适用于低收入地区；另外一些产品处理效果不稳定，难以满足污水处理的要求。因此，需要一种新型的、具有高效、灵活和经济性的组装式人工湿地系统。
4.人工湿地系统作为一种处理城市排放和农业污染的生态系统，已经越来越受到人们的重视和应用。然而，在长期运行过程中，由于污泥、杂草等原因，人工湿地往往会出现管道堵塞、水流慢、处理效果降低等诸多问题，严重影响了其正常运行和处理效率。目前市场上已经有了很多种不同的解决方法，但是它们通常都存在一些缺点。例如，一些方法需要使用化学品或高压水等方式进行清洗，这样会对环境造成一定程度的破坏；一些方法需要频繁维护和更换设备，导致运营成本较高，需要改进。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，能够解决现有人工湿地往往会出现管道堵塞、水流慢、处理效果降低等诸多问题，严重影响了其正常运行和处理效率的问题。
6.为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：
7.本发明实施例提供一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，该人工湿地系统包括框架式组件，所述框架式组件的底部设置有防渗层，所述防渗层之上设有湿地填料层，所述湿地填料层之上设置有植物基质层；
8.所述植物基质层设置有多棵湿地植物；所述植物基质层和所述湿地填料层上至少设置有1个电极井，所述电极井顶部设置有半球形结构的集气罩；所述电极井在水平位置位于所述框架式组件中心处，所述电极井底部与所述防渗层接触，所述电极井顶部伸出所述
植物基质层，并与所述集气罩密封连接，并预留有电极导线接口及加料管接口；所述电极井两侧分别设置有电势测针，所述电势测针从所述植物基质层插入至湿地填料层中，用于监测所述框架式组件内部的电势分布情况；
9.所述湿地填料层用于吸附污水中的氮，所述湿地填料层中的生物净化作用将废水中的氨氮通过微生物降解生成硝态氮；所述湿地植物的上部植物根系用于吸收累积氮；
10.所述电极井用于提供电动力学反应条件，通过电渗流作用向所述湿地填料层注入脱氮微生物菌液，补充微生物反应所需碳源；
11.所述人工湿地系统还包括直流稳压电源、电势及电流监测系统，所述电势及电流监测系统与所述电势测针电性连接；所述直流稳压电源用于向所述电极井中的电极供电，以促进所述湿地填料层中电渗及点化学反应的发生，同时根据所述电流及湿地电势分布监测信息，调节电源输出电压大小、改变电渗流方向；
12.所述人工湿地系统还包括气体管理设备，所述气体管理设备包括管路、真空泵和气体吸附塔，所述气体管理设备通过管路与集气罩相连，用于处理所述电极井中反应产生的氨，不宜直接排放的气体及臭味，利用真空泵和气体吸附塔吸收废气。
13.根据本发明一可选实施例，所述电极井包括阳极、阴极和电解液；所述阳极为石墨电极，所述阴极为金属电极，所述电解液为具有铵盐的水体污染物；所述直流稳压电源的正极和负极分别与所述电极井的阳极和阴极电性连接。
14.根据本发明一可选实施例，所述直流稳压电源的电压为4～8v，所述电极井的阳极和阴极之间的电压梯度为0.5～0.8v/cm，所述电极井的阳极和阴极之间的间距为10～50cm。
15.根据本发明一可选实施例，所述气体吸附塔为分层结构，所述气体吸附塔的底层为碱液吸收设备，通过喷淋碱液吸收废弃；所述气体吸附塔的上层为吸附层，通过活性炭吸附材料，吸收废气。
16.根据本发明一可选实施例，所述加料管为塑料材质，用于向所述电极井注入或者抽排液体物料。
17.根据本发明一可选实施例，所述集气罩用于收集电极井反应产生的气体，所述集气罩侧边预留有三通管路接口，该三通管路接口与主管相连，最终将收集的气体传输至所述气体管理设备。
18.根据本发明一可选实施例，所述湿地填料层填充介质包括沸石、砾石和陶粒。
19.根据本发明一可选实施例，所述植物基质层包括种植素土，所述植物基质层上的湿地植物包括芦苇、香蒲和菖蒲。
20.根据本发明一可选实施例，所述框架式组件外壳采用高强度塑料或者钢材焊接成型。
21.根据本发明一可选实施例，所述防渗层包括粘土防渗层、膨润土防渗层和高密度聚乙烯防渗层。
22.有益效果：本发明实施例提供一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，该人工湿地系统包括框架式组件，框架式组件的底部设置有防渗层，防渗层之上设有湿地填料层，湿地填料层之上设置有植物基质层；植物基质层设置有多棵湿地植物；植物基质层和湿地填料层上至少设置有1个电极井，该电极井顶部设置有半球形结构的集气罩；与现有技术
相比，本发明采用模块化设计，易于组装和拆卸，可以根据实际需求随意扩展和缩小功能模块的尺寸；还采用人工湿地与电动力学注入脱氮菌液的组合方式，可以有效地去除污水中的营养物质和有机污染物；通过电势和电流的监测能够有效监控湿地填料堵塞问题，有利于实现污水处理的自动化管理。
附图说明
23.为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本技术实施例提供的一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统的示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.针对现有人工湿地技术与装置方面的不足，本发明提出一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，包括带有电极井的模块化的框架式组件、电源管理设备、气体管理设备。采用模块化设计，易于组装和拆卸，可以根据实际需求随意扩展和缩小功能模块的尺寸；采用人工湿地与电动力学注入脱氮菌液的组合方式，可以有效地去除污水中的营养物质和有机污染物；通过电势和电流的监测能够有效监控湿地填料堵塞问题，有利于实现污水处理的自动化管理。
27.具体地，如图1所示，一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统包括框架式组件1，框架式组件1的底部设置有防渗层2，防渗层2之上设有湿地填料层3，湿地填料层3之上设置有植物基质层4。框架式组件1、防渗层2、湿地填料层3和植物基质层4为本发明的核心功能单元，框架式组件1外壳采用高强度塑料或者钢材焊接成型，具有一定的强度和稳定性。防渗层2包括粘土防渗层、膨润土防渗层和高密度聚乙烯防渗层。本实施例采用模块化设计，易于组装和拆卸，可以根据实际需求随意扩展和缩小上述功能模块的尺寸。
28.植物基质层4设置有多棵湿地植物6，述植物基质层包括种植素土，湿地植物包括芦苇、香蒲和菖蒲。植物基质层4和湿地填料层3上至少设置有1个电极井5，电极井5顶部设置有半球形结构的集气罩7，电极井5在水平位置位于框架式组件1中心处，电极井5底部与防渗层2接触，电极井5顶部伸出植物基质层4，并与集气罩7密封连接，并预留有电极导线接口及加料管10接口。电极井5为空心柱状结构，空心柱状结构用于安装电极及储存液体，电极材料可以选择不锈钢、石墨、导电土工合成材料等。电极井5两侧分别设置有电势测针8，电势测针8从植物基质层4插入至湿地填料层3中，电势测针8用于监测框架式组件2内部的电势分布情况；本实施例中的电势测针8包括第一电势测针8-1和第二电势测针8-2，第一电势测针8-1位于电极井5的左侧，第二电势测针8-2位于电极井5的右侧。
29.湿地填料层3填充介质包括沸石、砾石和陶粒。湿地填料层3用于吸附污水中的氮，湿地填料层3中的生物净化作用将废水中的氨氮通过微生物降解生成硝态氮；湿地植物6的上部植物根系用于吸收累积氮。
30.电极井5用于提供电动力学反应条件，通过电渗流作用向湿地填料层2注入脱氮微生物菌液，补充微生物反应所需碳源。还有电极井5中电解反应脱氮，产生氨气nh3，可以有效地去除污水中的营养物质和有机污染物。
31.人工湿地系统还包括直流稳压电源、电势及电流监测系统，电势及电流监测系统与电势测针8电性连接；直流稳压电源用于向电极井中的电极供电，以促进湿地填料层中电渗及点化学反应的发生，同时根据电流及湿地电势分布监测信息，调节电源输出电压大小和改变电渗流方向。若某个区域内有电势明显低，表明该区域电阻增大，即发生淤堵，此时可以取出单个组件更换即可，清除淤堵。
32.人工湿地系统还包括气体管理设备，气体管理设备包括管路、真空泵和气体吸附塔，气体管理设备通过管路与集气罩7相连，用于处理电极井中5反应产生的氨，不宜直接排放的气体及臭味，利用真空泵和气体吸附塔吸收废气。气体吸附塔为分层结构，气体吸附塔的底层为碱液吸收设备，通过喷淋碱液吸收废弃；气体吸附塔的上层为吸附层，通过活性炭等吸附材料，吸收废气。
33.本实施例中的电极井5包括阳极、阴极和电解液；阳极为石墨电极，阴极为金属电极，金属电极的材料为铁、钼、镍、铜和铬中的一种材料，电解液为具有铵盐的水体污染物；直流稳压电源的正极和负极分别与电极井的阳极和阴极电性连接。直流稳压电源的电压为4～8v，电极井5的阳极和阴极之间的电压梯度为0.5～0.8v/cm，电极井5的阳极和阴极之间的间距为10～50cm。
34.加料管10为塑料材质，用于向电极井注入或者抽排液体物料。集气罩5用于收集电极井反应产生的气体，集气罩5侧边预留有三通管路接口，该三通管路接口与主管相连，最终将收集的气体传输至气体管理设备。
35.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内；本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

技术特征：
1.一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，其特征在于，包括框架式组件，所述框架式组件的底部设置有防渗层，所述防渗层之上设有湿地填料层，所述湿地填料层之上设置有植物基质层；所述植物基质层设置有多棵湿地植物；所述植物基质层和所述湿地填料层上至少设置有1个电极井，所述电极井顶部设置有半球形结构的集气罩；所述电极井在水平位置位于所述框架式组件中心处，所述电极井底部与所述防渗层接触，所述电极井顶部伸出所述植物基质层，并与所述集气罩密封连接，并预留有电极导线接口及加料管接口；所述电极井两侧分别设置有电势测针，所述电势测针从所述植物基质层插入至湿地填料层中，用于监测所述框架式组件内部的电势分布情况；所述湿地填料层用于吸附污水中的氮，所述湿地填料层中的生物净化作用将废水中的氨氮通过微生物降解生成硝态氮；所述湿地植物的上部植物根系用于吸收累积氮；所述电极井用于提供电动力学反应条件，通过电渗流作用向所述湿地填料层注入脱氮微生物菌液，补充微生物反应所需碳源；所述人工湿地系统还包括直流稳压电源、电势及电流监测系统，所述电势及电流监测系统与所述电势测针电性连接；所述直流稳压电源用于向所述电极井中的电极供电，以促进所述湿地填料层中电渗及点化学反应的发生，同时根据所述电流及湿地电势分布监测信息，调节电源输出电压大小、改变电渗流方向；所述人工湿地系统还包括气体管理设备，所述气体管理设备包括管路、真空泵和气体吸附塔，所述气体管理设备通过管路与集气罩相连，用于处理所述电极井中反应产生的氨，不宜直接排放的气体及臭味，利用真空泵和气体吸附塔吸收废气。2.根据权利要求1所述的一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，其特征在于，所述电极井包括阳极、阴极和电解液；所述阳极为石墨电极，所述阴极为金属电极，所述电解液为具有铵盐的水体污染物；所述直流稳压电源的正极和负极分别与所述电极井的阳极和阴极电性连接。3.根据权利要求2所述的一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，其特征在于，所述直流稳压电源的电压为4～8v，所述电极井的阳极和阴极之间的电压梯度为0.5～0.8v/cm，所述电极井的阳极和阴极之间的间距为10～50cm。4.根据权利要求1所述的一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，其特征在于，所述气体吸附塔为分层结构，所述气体吸附塔的底层为碱液吸收设备，通过喷淋碱液吸收废弃；所述气体吸附塔的上层为吸附层，通过活性炭吸附材料，吸收废气。5.根据权利要求1所述的一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，其特征在于，所述加料管为塑料材质，用于向所述电极井注入或者抽排液体物料。6.根据权利要求1所述的一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，其特征在于，所述集气罩用于收集电极井反应产生的气体，所述集气罩侧边预留有三通管路接口，该三通管路接口与主管相连，最终将收集的气体传输至所述气体管理设备。7.根据权利要求1所述的一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，其特征在于，所述湿地填料层填充介质包括沸石、砾石和陶粒。8.根据权利要求1所述的一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，其特征在于，所述植物基质层包括种植素土，所述植物基质层上的湿地植物包括芦苇、香蒲和菖蒲。
9.根据权利要求1所述的一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，其特征在于，所述框架式组件外壳采用高强度塑料或者钢材焊接成型。10.根据权利要求1所述的一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，其特征在于，所述防渗层包括粘土防渗层、膨润土防渗层和高密度聚乙烯防渗层。

技术总结
本发明提供一种基于电动力学强化脱氮的人工湿地系统，该人工湿地系统包括框架式组件，框架式组件的底部设置有防渗层，防渗层之上设有湿地填料层，湿地填料层之上设置有植物基质层；植物基质层设置有多棵湿地植物；植物基质层和湿地填料层上至少设置有1个电极井，该电极井顶部设置有半球形结构的集气罩；与现有技术相比，本发明采用模块化设计，易于组装和拆卸，可以根据实际需求随意扩展和缩小功能模块的尺寸；还采用人工湿地与电动力学注入脱氮菌液的组合方式，可以有效地去除污水中的营养物质和有机污染物；通过电势和电流的监测能够有效监控湿地填料堵塞问题，有利于实现污水处理的自动化管理。处理的自动化管理。处理的自动化管理。


技术研发人员：雷丹 崔玉洁 庄璐瑶 康满春 史宏海 孔小勇 王志刚 钱坤 佟涛 孙东涛
受保护的技术使用者：中交三公局工程技术有限公司 三峡大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/7/18