本發(fā)明涉及環(huán)境工程污水處理
技術領域：
。更具體地說，本發(fā)明涉及一套垂直流濕地尾水深度脫氮自動化控制的裝置及方法。
背景技術：
：城市污水處理廠尾水經二級處理后可除去大部分的有機物，但與天然水相比，水中的氮濃度仍較高，若直接排入河流和湖泊等自然水體中將會對其造成污染，為了改善受納水體的水環(huán)境質量，須對尾水中的氮進行深度處理。垂直流濕地作為一種投資少、能耗低、運行管理方便、處理效果較好，且具有一定景觀美化功能的污水生態(tài)處理技術，廣泛應用到尾水深度處理回用中，但由于尾水的低c/n比、可生化性差等因素，造成其脫氮效率較低，如何有效提高垂直流濕地尾水深度脫氮效果對促進尾水回用具有重要的現實意義。微生物的硝化反硝化作用是垂直流濕地主要而且長期的脫氮方式，改善硝化作用的主要途徑是提高系統中的溶氧，但過高的溶氧會抑制反硝化作用；改善反硝化作用的主要途徑是補充水體碳源來提高反硝化微生物的活性，但過高的碳源投加會造成出水有機物超標。由此可見，過高的硝化或反硝化作用都不利于氮的去除，為了最大限度地提高濕地系統對氮的去除效果，需對硝化及反硝化速率進行有效地均衡，但目前尚未形成垂直流濕地硝化反硝化均衡調控的自動化實時控制技術。技術實現要素：本發(fā)明的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。本發(fā)明還有一個目的是提供一種垂直流濕地尾水深度脫氮自動化控制的裝置及方法，可實現自動化控制進水、曝氣以及碳源投加過程，達到尾水的深度脫氮，且脫氮效率高、效果明顯，并且降低能耗同時能減少碳源投加量。為了實現根據本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種垂直流濕地尾水深度脫氮自動化控制的裝置，其特征在于，包括：垂直流濕地系統，其包括濕地填料，所述濕地填料的表面種植濕地植物，所述濕地填料的頂部設置水平的布水管，底部設置水平的穿孔收水管，所述布水管連接進水管一端，所述進水管的另一端連接進水池，所述進水管與所述進水池之間連接有進水泵，所述收水管連接出水管；曝氣增氧系統，其包括曝氣機和曝氣管，所述曝氣管為穿孔管且水平設置于進水池中或濕地填料的垂直高度的九分之四處；碳源投加系統，其包括碳源投加管和碳源投加泵，所述碳源投加管為穿孔管且水平設置于濕地填料的垂直高度的九分之五處；orp監(jiān)測系統，其包括兩套orp探頭以及探頭安裝套管，一套orp探頭設置于濕地填料的垂直高度的九分之二處即好氧區(qū)，另一套orp探頭設置于濕地填料的垂直高度的三分之二處即缺氧區(qū)，且兩套orp探頭外套有探頭安裝套管，兩套orp探頭均通過信號線與外部的信號接收器相連。優(yōu)選的是，所述濕地填料為均勻填充的三層，且濕地填料的粒徑從上到下逐漸增大，為2-32mm，上層填充中粗砂，中層填充礫石或陶粒，下層填充碎石或沸石，所述濕地植物種植密度為9-16株/m2。優(yōu)選的是，所述進水泵為蠕動泵，布水管與收水管均在其兩側對稱穿孔，孔徑為10mm，穿孔間距為10cm，且布水管與收水管的穿孔均處于同一水平面內。優(yōu)選的是，還包括采樣管，其設置于垂直流濕地系統的中部或底部，進水管、布水管、收水管、采樣管、出水管均采用pe給水管。優(yōu)選的是，所述曝氣管在管壁兩側向下呈45°角方向開孔，孔徑為3mm，穿孔間距為10cm。優(yōu)選的是，所述碳源投加系統還包括碳源配制池，所述碳源配制池連接碳源投加管，所述碳源配制池與碳源投加管之間連接有碳源投加泵，所述碳源投加泵為蠕動泵，所述碳源投加管在其兩側對稱穿孔，孔徑為10mm，穿孔間距為10cm，且穿孔處于同一水平面內。優(yōu)選的是，還包括控制系統，其包括信號接收模塊、plc控制總模塊以及動力電纜組；兩套orp探頭通過信號線分別連接信號接收模塊，信號接收模塊與plc控制總模塊進行數據傳輸，第一plc控制模塊通過進水泵動力電纜控制進水泵的啟閉，第二plc控制模塊通過曝氣機動力電纜控制曝氣機啟閉，第三plc控制模塊通過碳源投加泵動力電纜控制碳源投加泵的啟閉。本發(fā)明還提供了一種利用本發(fā)明的垂直流濕地尾水深度脫氮自動化控制的裝置進行垂直流濕地尾水深度脫氮的方法，其特征在于，包括以下步驟：1)根據信號接收模塊反饋好氧區(qū)和缺氧區(qū)orp值，第一plc控制模塊控制進水泵的開啟，進行垂直流濕地的自動化進水，根據好氧區(qū)和缺氧區(qū)orp的值進行聯合控制，當二者處于設定的orp值適宜范圍時，進水泵開啟，否則關閉；2)隨著進水布水，尾水通過重力流從上到下滲透，先進入好氧區(qū)，再進入缺氧區(qū)，通過位于好氧區(qū)orp探頭實時監(jiān)控好氧區(qū)orp值，當orp值處于設定的硝化作用適宜范圍時，通過第二plc控制模塊控制曝氣機關閉，否則控制曝氣機開啟；3)隨著重力流經過好氧區(qū)后，尾水進入到缺氧區(qū)進行反硝化作用，通過位于缺氧區(qū)orp探頭實時監(jiān)控缺氧區(qū)的orp值，當orp值處于設定的反硝化作用適宜范圍時，通過第三plc控制模塊控制碳源投加泵關閉，否則控制碳源投加泵開啟。本發(fā)明至少包括以下有益效果：1)本發(fā)明裝置根據水體的污染物降解狀況，靈活間歇式進水，從而有效降低了水力負荷對濕地系統的沖擊，保證了有效地水力停留時間，有利于維持濕地系統的穩(wěn)定性和高效性；2)本發(fā)明裝置通過碳源和溶氧自動化調控，可實現脫氮作用的實時控制，快速有效提高城市污水處理廠尾水脫氮效果；3)本發(fā)明裝置可有效降低曝氣能耗、減少碳源投加量，大大降低了曝氣、碳源投加的成本，具有很好的經濟、環(huán)境效益，推廣應用前景廣闊；4)本發(fā)明選取氧化還原電位(orp)作為濕地脫氮作用的控制參數，建立一套垂直流濕地尾水深度脫氮自動化控制的裝置及方法，實現利用orp作為控制參數，通過自動化編程設計實現實時調控濕地脫氮作用，從而快速經濟有效地提高濕地的脫氮效果。本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。附圖說明圖1是本發(fā)明裝置示意圖一；圖2是本發(fā)明裝置示意圖二；圖3是本發(fā)明裝置垂直流濕地系統結構示意圖一；圖4是本發(fā)明裝置垂直流濕地系統結構示意圖二。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。需要說明的是，下述實施方案中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法，所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得；在本發(fā)明的描述中，術語“橫向”、“縱向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，并不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。如圖1至4所示，本發(fā)明提供一種垂直流濕地尾水深度脫氮自動化控制的裝置，其特征在于，包括：垂直流濕地系統，其包括濕地填料18，所述濕地填料18的表面種植濕地植物16，所述濕地填料18的頂部設置水平的布水管17，底部設置水平的穿孔收水管19，所述布水管17連接進水管14一端，所述進水管14的另一端連接進水池13，所述進水管14與所述進水池13之間連接有進水泵15，所述收水管19連接出水管12；曝氣增氧系統，其包括曝氣機21和曝氣管22，所述曝氣管22為穿孔管且水平設置于進水池13中或濕地填料的垂直高度的九分之四處；碳源投加系統，其包括碳源投加管33和碳源投加泵32，所述碳源投加管33為穿孔管且水平設置于濕地填料的垂直高度的九分之五處；orp監(jiān)測系統，其包括兩套orp探頭42以及探頭安裝套管41，一套orp探頭42設置于濕地填料的垂直高度的九分之二處即好氧區(qū)，另一套orp探頭42設置于濕地填料的垂直高度的三分之二處即缺氧區(qū)，且兩套orp探頭42外套有探頭安裝套管41，兩套orp探頭42均通過信號線56與外部的信號接收器相連。在這種技術方案中，本發(fā)明的垂直流濕地系統為上表面敞口且側面和底面密封的結構，在垂直流濕地系統中放置濕地填料且填充大約為垂直流濕地系統垂直高度的十分之九即可，然后在濕地填料表面種植濕地植物，濕地填料的頂部設置布水管，布水管設置的高度大約在垂直流濕地系統垂直高度從上往下的十分之一處，垂直流濕地系統根據其大小合理分配布水管的根數，根據其形狀設置布水管的形狀，例如垂直流濕地系統為方形的則布水管可呈分散狀均勻平行布置或呈散射狀的射線布置，如果垂直流濕地系統為圓形的則布水管可呈環(huán)狀分散布置，所有的布水管通過一個總的進水管連通，進水管連接進水池，且通過進水泵控制進水，而進水池連通污水處理廠尾水管或者其它需要處理的污水管道，由于重力的作用，污水從布水管進入到濕地填料后會自上而下運動，從而完成硝化和反硝化作用，最終到達濕地填料底部設置的穿孔收水管內，收水管在垂直流濕地底部連接外部的出水管，收水管設置的方式與布水管設置的方式相同，出水管外部流出口設置的高度大約在垂直流濕地系統的垂直高度從上往下的十分之二處，出水管設置的比進水管略低且不位于垂直流濕地系統的底部的平面內，原因是保證濕地系統中污水的停留時間，以便充分完成硝化以及反硝化反應，當污水達到一定的飽和狀態(tài)時，由于重力的作用，處理好的污水會自動從收水管排出到出水管從而流出。為了達到更好的硝化作用，人為的在濕地系統中增加曝氣增氧裝置，其包括曝氣機和曝氣管，曝氣管可對濕地系統提供硝化反應需要的氧氣，因為曝氣添加的是氣體，氣體在垂直流濕地系統中向上移動，因此曝氣管設置的高度為有氧區(qū)有效深度的下部，大約為濕地填料從上到下垂直高度的九分之四左右，曝氣管設置的方式與布水管設置的方式相同；為了同時達到更好的反硝化作用，人為的在濕地系統中同時增加碳源投加裝置，其通過碳源投加管投加，碳源投加管為穿孔管，同時設置方式也與布水管的設置方式相同，可為濕地系統提供反硝化反應需要的碳源，因為碳源是液體，投加后在垂直流濕地系統中向下滲透，因此碳源投加管設置的高度為缺氧區(qū)有效深度的上部，大約為濕地填料從上到下垂直高度的九分之五左右；同時為了更好的控制何時進水、何時曝氣、何時投加碳源，在濕地系統中增加設置了orp檢測系統，通過隨時監(jiān)測氧化還原電位的值來判斷硝化作用以及反硝化作用的情況，orp探頭為兩個，分別監(jiān)測好氧區(qū)和缺氧區(qū)的orp值，大概位于有氧區(qū)和缺氧區(qū)有效深度的中部，有氧區(qū)位于濕地填料垂直高度的九分之二左右，缺氧區(qū)位于濕地填料垂直高度的三分之二左右，監(jiān)測的數據更為準確，探頭安裝套管套于orp探頭外部，其可允許污水進入內部，從而方便orp探頭監(jiān)測orp的值，作用是用于orp探頭在濕地內的安裝和檢修更換，orp探頭通過信號線連接外部的信號接收器，方便實時掌控各區(qū)域的orp值，orp探頭一般設置兩個即可，但在大型的工程應用時，濕地系統面積很大，此時每個區(qū)域就要根據需要來測量orp的值，使結果更準確，更具有實際參考價值，此時orp探頭可設置為多個。另一種技術方案中，所述濕地填料18為均勻填充的三層，且濕地填料18的粒徑從上到下逐漸增大，為2-32mm，上層181填充中粗砂，中層182填充礫石或陶粒，下層183填充碎石或沸石，所述濕地植物16種植密度為9-16株/m2。在這種技術方案中，所述濕地填料從上到下按照粒徑從小到大分三層進行填充，分別采用中粗砂、礫石和碎石或其他除氮效果好的濕地填料如沸石、陶粒等，粒徑2-32mm，每層厚度均為濕地填料的三分之一左右；所述濕地植物可選擇蘆葦、香蒲、美人蕉、鳶尾等，種植密度為9-16株/m2。另一種技術方案中，所述進水泵15為蠕動泵，布水管17與收水管19均在其兩側對稱穿孔，孔徑為10mm，穿孔間距為10cm，且布水管17與收水管19的穿孔均處于水平面內。在這種技術方案中，布水管與收水管的孔相對設置，且處于同一水平面內，可防止堵塞。另一種技術方案中，還包括采樣管11，其設置于垂直流濕地系統的中部或底部，進水管14、布水管17、收水管19、采樣管11、出水管12均采用pe給水管。在這種技術方案中，采樣管的設置為了通過實驗進行進一步研究濕地處理污水的效果，采樣管分別安裝在濕地中部和底部，出水管可兼做頂部采樣管，進水管、布水管、收水管、采樣管、出水管采用pe給水管，且管道的直徑一般為25mm-75mm，而其他管采用pvc排水管。另一種技術方案中，所述曝氣管22在管壁兩側向下呈45°角方向開孔，孔徑為3mm，穿孔間距為10cm。在這種技術方案中，曝氣管是為了給好氧區(qū)補充氧氣，可快速提高濕地中的溶解氧，強化濕地硝化作用，因此孔徑設置與進水管和收水管的孔徑不同，其設置的位置也不用，水平面內的對稱軸以其中軸線為起點向下偏45°角方向開孔，兩側的孔錯開排列，氣體是從下向上移動，如此設置以達到更好的曝氣效果，根據曝氣位置不同，可分為濕地外曝氣和濕地內曝氣，濕地外曝氣是在進水前進行預曝氣，曝氣管安裝在進水池內，濕地內曝氣設置在濕地頂部往下一定距離，通過對上層進行曝氣，形成上部好氧和下部缺氧條件，曝氣管位于水中或濕地內部分采用穿孔管，曝氣的氣水比根據污染物的狀況進行設計。另一種技術方案中，所述碳源投加系統還包括碳源配制池31，所述碳源配制池31連接碳源投加管33，所述碳源配制池31與碳源投加管33之間連接有碳源投加泵32，所述碳源投加泵32為蠕動泵，所述碳源投加管33在其兩側對稱穿孔，孔徑為10mm，穿孔間距為10cm，且穿孔處于水平面內。在這技術方案中，濕地碳源投加系統可快速補充濕地系統反硝化作用所需碳源，強化人工濕地反硝化作用，由碳源配制池、碳源投加泵、碳源投加管組成，碳源采用低分子的甲醇、乙酸、葡萄糖等，可快速補充濕地系統所需碳量，在碳源配制池將碳源配制成一定濃度的溶液，通過碳源投加泵將碳源添加到濕地內，碳源投加泵采用蠕動泵控制加藥量，實現對濕地碳源調控。另一種技術方案中，還包括控制系統55，其包括信號接收模塊、plc控制總模塊以及動力電纜組；兩套orp探頭42通過信號線56分別連接信號接收模塊，信號接收模塊與plc控制總模塊進行數據傳輸，第一plc控制模塊通過進水泵動力電纜53控制進水泵的啟閉，第二plc控制模塊通過曝氣機動力電纜54控制曝氣機啟閉，第三plc控制模塊通過碳源投加泵動力電纜52控制碳源投加泵的啟閉。在這種技術方案中，通過控制系統來自動控制整個濕地系統的運轉，首先orp探頭的信號線連接信號接受模塊，信號接受模塊接收到的信號數據傳輸給plc控制總模塊，控制系統連接外部的一個總的動力電纜51，然后總的動力電纜51連接控制系統的動力電纜組，動力電纜組分別連接外部的動力電纜，plc控制總模塊接受的數據分別傳輸給第一plc控制模塊、第二plc控制模塊、第三plc控制模塊，從而分別通過進水泵動力電纜、曝氣機動力電纜、碳源投加泵動力電纜來控制進水泵、曝氣機、碳源投加泵的啟閉。本發(fā)明還提供了一種利用本發(fā)明的垂直流濕地尾水深度脫氮自動化控制的裝置進行垂直流濕地尾水深度脫氮的方法，其特征在于，包括以下步驟：1)根據信號接收模塊反饋好氧區(qū)和缺氧區(qū)orp值，第一plc控制模塊控制進水泵的開啟，進行垂直流濕地的自動化進水，根據好氧區(qū)和缺氧區(qū)orp的值進行聯合控制，當二者處于設定的orp值適宜范圍時，進水泵開啟，否則關閉；適宜范圍即當同時處于硝化作用適宜范圍(orp值在+200到+400mv)和反硝化作用適宜范圍(orp值在-200到-50mv)時，進水泵開啟。2)隨著進水布水，尾水通過重力流從上到下滲透，先進入好氧區(qū)，再進入缺氧區(qū)，通過位于好氧區(qū)orp探頭實時監(jiān)控好氧區(qū)orp值，當orp值處于設定的硝化作用適宜范圍時，通過第二plc控制模塊控制曝氣機關閉，否則控制曝氣機開啟；當處于硝化作用適宜范圍(orp值在+200到+400mv)時，曝氣機關閉。3)隨著重力流經過好氧區(qū)后，尾水進入到缺氧區(qū)進行反硝化作用，通過位于缺氧區(qū)orp探頭實時監(jiān)控缺氧區(qū)的orp值，當orp值處于設定的反硝化作用適宜范圍時，通過第三plc控制模塊控制碳源投加泵關閉，否則控制碳源投加泵開啟；當處于反硝化作用適宜范圍(orp值在-200到-50mv)時，碳源投加泵關閉。具體實施方式如下：第一步，根據信號線反饋的好氧區(qū)和缺氧區(qū)orp值，plc控制動力泵的啟閉，進行濕地自動化進水；第二步，進水利用位于濕地頂部的穿孔布水管進行布水，通過重力流首先進入好氧區(qū)進行硝化作用，根據信號線反饋的好氧區(qū)orp值，plc控制曝氣機的啟閉，進行硝化作用強化；第三步，通過重力流進水接著進入缺氧區(qū)進行反硝化作用，根據信號線反饋的缺氧區(qū)orp值，plc控制碳源投加泵的啟閉，進行反硝化作用強化；第四步，濕地底部穿孔收水管對處理后的尾水收集，利用重力差通過出水管出水，并根據試驗要求利用分層采樣管進行分層采樣。通過具體的實施例來說明本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明實施例中選用的垂直流濕地系統的大小為：長2m×寬1m×高1m，濕地填料的高度為0.9m，分三層填充，上層填充中粗砂粒徑為2-10mm，中層填充陶粒粒徑為10-22mm，下層填充碎石粒徑為22-32mm，濕地植物為美人蕉且種植密度為16株/m2，布水管距離垂直流濕地頂部的高度為0.1m，收水管位于底部，曝氣管距離濕地填料頂部的高度為0.4m，碳源投加管距離濕地填料頂部的高度為0.5m，上部好氧區(qū)的orp探頭距離濕地填料頂部的高度為0.2m，下部缺氧區(qū)的orp探頭距離濕地填料頂部的高度為0.6m。以下實施例中垂直流濕地系統完全相同，同時進相同的尾水，同時運行，濕地系統中的進水管、布水管、收水管、出水管的孔的設置方式相同，在濕地系統的排列方式也相同，。曝氣增氧系統、碳源投加系統、orp監(jiān)測系統根據不同的實施例設置，在各個實施例中均相同，實施例的設置完全遵循對比試驗的要求進行。投加的碳源為葡萄糖，濃度是25％，曝氣的氣水比為1:4。實施例1：只有曝氣增氧系統。實施例2：曝氣增氧系統結合好氧區(qū)orp監(jiān)測系統。實施例3：只有碳源投加系統。實施例4：碳源投加系統結合缺氧區(qū)orp監(jiān)測系統。實施例5：曝氣增氧系統結合碳源投加系統。實施例6：曝氣增氧系統、碳源投加系統結合好氧區(qū)orp監(jiān)測系統。實施例7：曝氣增氧系統、碳源投加系統結合缺氧區(qū)orp監(jiān)測系統。實施例8：曝氣增氧系統、碳源投加系統結合好氧區(qū)orp監(jiān)測系統以及缺氧區(qū)orp監(jiān)測系統。各實施例的效果對比如下表：(下表所示的曝氣能耗以及碳源投加量均換算成處理一噸尾水所需要的成本，單位為角/噸)脫氮率曝氣能耗碳源投加量實施例189.7％3——實施例288.3％1.8——實施例387.5％——2實施例488.6％——0.9實施例592.1％2.61.7實施例690.8％1.81.2實施例794.3％2.20.8實施例893.9％1.30.6從上表可以看出，不管是哪種實施例的方案，脫氮率均較高，可以滿足脫氮的要求；通過曝氣，可以將氨氮的去除率從50％-60％提高到80-90％，硝化作用提高一倍，而通過碳源投加可以將硝酸鹽的去除率提高到70％-90％，反硝化作用提高一到兩倍。實施例1、實施例3、實施例5對比可知，通過曝氧增氧系統和碳源投加系統結合后，可一定程度上提高脫氮率。實施例1與實施例2對比可知，通過增加好氧區(qū)orp監(jiān)測系統后，可降低曝氣能耗，成本從3角/噸降低到1.8角/噸，降低40％；實施例3與實施例4對比可知，通過增加缺氧區(qū)orp監(jiān)測系統后，可降低碳源投加量，成本從2角/噸降低到0.9角/噸，降低55％。實施例6、實施例7、實施例8對比可知，曝氧增氧系統和碳源投加系統結合后，同時增加orp監(jiān)測系統，當好氧區(qū)和缺氧區(qū)均增加orp監(jiān)測系統時，既可以降低曝氣能耗，又可以降低碳源投加量，實施例6和實施例8對比，碳源投加量成本降低50％，實施例7和實施例8對比，曝氣能耗成本降低41％，終上所述，通過將曝氣增氧系統和碳源投加系統同時增加到同一垂直流濕地系統中，可在一定程度上提高尾水脫氮率；在同一垂直流濕地系統中增加好氧區(qū)和缺氧區(qū)orp監(jiān)測系統，可同時降低曝氣能耗和碳源投加量，曝氣能耗成本可降低大約30-50％，碳源投加量成本可減少大約40-60％，本發(fā)明的自動化控制垂直流濕地尾水脫氮的裝置及方法的作用主要是降低能耗和減少碳源投加量，通過各實施例的證明，本發(fā)明的有益效果是顯著的。盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。當前第1頁12