[发明专利]一种适用于人工湿地的基质材料、人工湿地系统及应用

说明书

本发明具体涉及一种适用于人工湿地的基质材料、人工湿地系统及应用。本发明采用超细纤维作为不饱和区填料，采用碳毡作为优良的电子导体，两者作为功能基质投加到潜流人工湿地不同部位。碳毡的筒状布置，增加其收集电子的有效面积，在高溶解氧区域，作为硝化反应产物的电子被迅速转移并消耗，刺激硝化反应的高效进行；此外，碳毡巨大的比表面积为微生物生长提供了丰富的附着位点，可提高了湿地系统中微生物丰度。添加碳毡后基质吸附对总磷去除的贡献率较传统人工湿地大幅提升。

技术领域

本发明属于生态环境水体净化技术领域，具体涉及一种更加适用于垂直潜流人工湿地的基质材料，应用所述基质材料的人工湿地系统及其在污水处理领域的应用。

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。

人工湿地是1961年提出的一种先进的污水处理生态技术。人工湿地低投资、低运行维护成本以及同时兼具水质净化、水体生态储存、美化景观等功能的特点使其备受关注，自90年代在欧洲得到了广泛的规模化应用，随后在国内得到关注。常见人工湿地按水流方式分为表面流湿地(Surface Flow Wetlands,SFW)和潜流湿地(Subsurface FlowWetlands,SSFW)两类。所谓潜流，就是废水在填料表面下渗流。由于这种湿地的水流一直在湿地内部流动，避免了表面流湿地带来的蚊蝇、臭气等弊端，因而卫生条件较表面流湿地好；同时，潜流型人工湿地的作用位点多，微生物丰富，占地面积小，处理污水效率高，因此这种湿地被广泛采用。

人工湿地应用于污水处理的主要机理包括沉降过滤等物理过程、微生物的好氧和厌氧过程等生物过程，还包括化学作用去除氨氮等有害物质。人工湿地中溶解氧的含量决定了氨氮和COD(化学需氧量)的去除效果。常规人工湿地中供氧的三个主要途径，包括进水补氧、根系泌氧和大气复氧。但由于这些补氧方式所供溶解氧含量有限，并且有机物降解在与硝化作用的溶解氧竞争中更具优势，硝化作用往往受到限制。

在人工湿地中添加不饱和区可以起到补氧的作用，但是不饱和区的添加带来了水头损失，增加了运行成本且容易造成有机碳源的过度消耗，抑制反硝化作用；人工湿地耦合微生物燃料电池通过外接导线连接不饱和区和饱和区，可以同时促进硝化反硝化反应，但是电极间距较短、电极表面接触面积小的缺点，限制了其在实际工程中的应用。

发明内容

本发明的目的在于针对垂直潜流人工湿地运行过程中存在的溶解氧不足的问题，通过增加高比表面积导电基质，强化电子传递，促进氨氮的氧化的方式，提供了一种补氧效率高、氨氮脱除效果好、运行成本低、可工程化应用程度高的利用碳毡导电实现电子供给强化的垂直潜流人工湿地。

基于上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明第一方面，提供一种适用于人工湿地的基质材料，所述基质材料包括吸附材料及传导材料，所述吸附材料用于富集氧气及促进生物膜氧化氨氮产生电子；

所述传导材料为比表面积丰富并且具有生物相容性的材料，用于传导吸附材料表面产生的电子。

上述技术方案中，所述生物膜(或称生物被膜)，是指附着于吸附材料表面被细菌胞外大分子包裹的有组织的细菌群体。人工湿地中的吸附材料接触污水及空气，会在表面长出生物膜，是硝化反应的主力因素。

垂直型人工湿度具有占地面积小，而污水净化效率高的优势。然而，水面下的饱和区部分由于浸泡在水中，氧气溶解量低，因此硝化反应速率慢。本发明联想到，设置一种电子传导基质材料，将不饱和区硝化反应产生的电子转移至饱和区从而提高垂直型人工湿地的硝化反应速率，加快氨氮去除进程，其反应原理如附图1所示。

基于该目的，本发明首先设计得到一种适用于人工湿地的基质材料。本发明第二方面，提供一种人工湿地系统，其特征在于，所述人工湿地系统中包括第一方面所述基质材料；