本發(fā)明涉及生態(tài)工程技術(shù)研究領(lǐng)域，尤其涉及一種模擬復(fù)合垂直流人工濕地底層厭氧環(huán)境的裝置，同時(shí)還涉及一種模擬復(fù)合垂直流人工濕地底層厭氧環(huán)境的方法。

背景技術(shù)：

人工濕地技術(shù)綜合植物、微生物和基質(zhì)的作用，在人為可控的條件下發(fā)揮天然濕地的污水凈化功能，是一種極具發(fā)展前景的污水生態(tài)處理技術(shù)。其中，氧在人工濕地中的空間分布是決定其凈化效果的關(guān)鍵限制性因子。在濕地表層好氧區(qū)域，氧可作為電子受體直接參與微生物的好氧分解與轉(zhuǎn)化過程，并影響著濕地植物的生理生態(tài)特征；而在濕地底層缺氧或厭氧區(qū)域，NO₃-、SO₄²-、Fe³+和錳氧化物等可作為電子受體，參與反硝化、硫酸鹽還原和甲烷生成等厭氧過程，對(duì)濕地系統(tǒng)中氮、碳等元素的地球生物化學(xué)循環(huán)中起著重要作用。然而，由于厭氧微生物分離與純培養(yǎng)的困難、底層基質(zhì)采樣觀測(cè)的不便，對(duì)濕地底層厭氧微生物的多樣性及其凈化功能的認(rèn)識(shí)和利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于好氧微生物。許多厭氧微生物擁有獨(dú)特且多樣的代謝途徑和功能，如近年來新發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化菌、厭氧甲烷氧化菌等，它們不僅在生物進(jìn)化中具有特殊地位和重要意義，而且在生物修復(fù)技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。以厭氧氨氧化菌為例，已有學(xué)者通過控制人工濕地進(jìn)水組成、進(jìn)水方式等，實(shí)現(xiàn)了濕地系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)的厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮途徑，該途徑無需投加額外碳源，尤其適用于低碳氮比污水的處理。因此，模擬人工濕地底層厭氧環(huán)境可為認(rèn)識(shí)和挖掘濕地厭氧微生物資源，利用并強(qiáng)化厭氧微生物的凈化功能提供一個(gè)基礎(chǔ)研究平臺(tái)。

在對(duì)濕地厭氧環(huán)境的研究中，僅有針對(duì)濕地植物根際厭氧區(qū)域通過投加有機(jī)物消耗底泥中的氧氣從而形成低氧或厭氧環(huán)境的研究。但是這些方法所用到的裝置類似植物培養(yǎng)裝置，并不能模擬控制濕地底層深部的厭氧環(huán)境，而且外加碳源會(huì)改變?cè)袧竦叵到y(tǒng)中基質(zhì)微生物生存的微環(huán)境，從而改變微生物群落結(jié)構(gòu)，無法原位模擬底層厭氧微生物的形成和發(fā)育情況。而在濕地底層基質(zhì)取樣分析的研究中，大多是采用預(yù)埋套管或鉆孔，取樣過程會(huì)破壞濕地系統(tǒng)的原有結(jié)構(gòu)和樣品微環(huán)境，且隨著基質(zhì)深度的增加，操作難度加大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要提供一種制作簡(jiǎn)單且能夠原位模擬復(fù)合垂直流人工濕地底層厭氧環(huán)境的裝置及方法。

本發(fā)明的實(shí)施例提供一種模擬復(fù)合垂直流人工濕地底層厭氧環(huán)境的裝置，包括分段隔離的上層單元和底層單元，所述上層單元包括下行流上層單元和上行流上層單元，所述底層單元包括下行流底層單元和上行流底層單元，所述下行流上層單元通過垂直的第一管道與下行流底層單元連通，所述第一管道的豎直部分連接下行流上層單元的底部，所述第一管道的水平部分連接下行流上層單元的上部，所述下行流底層單元通過第二管道與上行流底層單元水平連通，所述上行流底層單元通過垂直的第三管道與上行流上層單元連通，所述第三管道的水平部分連接上行流底層單元的上部，所述第三管道的豎直部分連接上行流上層單元的底部，所述下行流上層單元的上端設(shè)有進(jìn)水口，所述進(jìn)水口連接進(jìn)水管，所述上行流上層單元的上端設(shè)有出水口，所述出水口連接出水管，所述進(jìn)水口的位置高于出水口的位置，在所述上層單元中填充上層濕地基質(zhì)，在所述底層單元中填充底層濕地基質(zhì)，所述上層濕地基質(zhì)中種植濕地植物。

進(jìn)一步地，所述下行流上層單元和上行流上層單元的底端的同一水平位置分別設(shè)有第一隔板和第二隔板，所述第一隔板和第二隔板上均布有若干篩孔，所述上層濕地基質(zhì)填充在第一隔板和第二隔板的上方，所述第一隔板和第二隔板的上方填充的上層濕地基質(zhì)的高度不同，所述下行流底層單元和上行流底層單元的底端的同一水平位置分別設(shè)有第三隔板和第四隔板，所述第三隔板和第四隔板上均布有若干篩孔，所述底層濕地基質(zhì)填充在第三隔板和第四隔板的上方，所述第三隔板和第四隔板的上方填充的底層濕地基質(zhì)的高度相同。

進(jìn)一步地，在所述下行流上層單元、上行流上層單元、下行流底層單元、上行流底層單元的基質(zhì)填充位置等距離地設(shè)置取樣口，方便取樣觀察，所述位于下行流上層單元的上取樣口可連接進(jìn)水管以實(shí)現(xiàn)低位進(jìn)水。

進(jìn)一步地，所述下行流底層單元的底端設(shè)有第一排污閥，所述上行流底層單元的底端設(shè)有第二排污閥，通過所述第一排污閥和第二排污閥可以排出死水，在所述下行流上層單元上設(shè)置第一水位觀測(cè)管，在所述上行流上層單元上設(shè)置第二水位觀測(cè)管，所述第一水位觀測(cè)管和第二水位觀測(cè)管可以在實(shí)驗(yàn)操作過程中用以觀察水位。

進(jìn)一步地，所述進(jìn)水管上設(shè)有進(jìn)水管閥，通過調(diào)節(jié)所述進(jìn)水管閥可以控制流體的輸入，所述出水管上設(shè)有出水管閥，通過調(diào)節(jié)所述出水管閥可以控制流體的輸出，所述進(jìn)水管連接蠕動(dòng)泵，所述蠕動(dòng)泵控制流體輸入的流量，所述蠕動(dòng)泵上安裝有定時(shí)開關(guān)，所述定時(shí)開關(guān)控制進(jìn)水管閥的打開和關(guān)閉，所述第一管道、第二管道和第三管道上均設(shè)有連接閥，通過調(diào)節(jié)所述連接閥可以控制其內(nèi)流體的輸送與否，所述出水管可連接水箱。

進(jìn)一步地，所述下行流上層單元和上行流上層單元的頂部均為敞口，所述下行流上層單元和上行流上層單元的上部形成好氧段，所述下行流底層單元和上行流底層單元的頂部均采用密封蓋密封，以隔絕空氣，所述下行流底層單元和上行流底層單元形成厭氧段。

進(jìn)一步地，所述密封蓋上設(shè)置采樣孔，通過采樣孔可采集底層濕地基質(zhì)的樣本和氣體樣本，并可通過采樣孔插入電極探頭以便原位測(cè)定底層濕地基質(zhì)的基本理化指標(biāo)，所述基本理化指標(biāo)包括pH、氧化還原電位、O₂、H₂、H₂S、NO、N₂O、溫度、NO₂^-、NO₃^-。

進(jìn)一步地，所述下行流底層單元和上行流底層單元的數(shù)量為一個(gè)或多個(gè)，通過設(shè)置并聯(lián)的多個(gè)下行流底層單元和上行流底層單元可作為平行或交替運(yùn)行以滿足實(shí)驗(yàn)或處理需求。

進(jìn)一步地，所述上層濕地基質(zhì)包括石英砂，所述底層濕地基質(zhì)包括常規(guī)水處理濾料、受污染的原位底泥或土壤及其混合物。

一種使用該裝置來模擬復(fù)合垂直流人工濕地底層厭氧環(huán)境的方法，所述方法包括以下步驟：打開所述連接閥和出水管閥，并通過所述定時(shí)開關(guān)打開進(jìn)水管閥，污水由蠕動(dòng)泵提升至進(jìn)水管進(jìn)入下行流上層單元，污水流過下行流上層單元的濕地植物、上層濕地基質(zhì)和第一隔板上的篩孔后流到下行流上層單元底部，并得到第一次凈化；經(jīng)過第一次凈化的污水通過第一管道流入下行流底層單元，經(jīng)過第一次凈化的污水流過下行流底層單元的底層濕地基質(zhì)和第三隔板上的篩孔后流到下行流底層單元底部，并得到第二次凈化；經(jīng)過第二次凈化的污水繼續(xù)流動(dòng)經(jīng)第二管道流入上行流底層單元的底部，污水在壓力差作用下在上行流底層單元中向上流動(dòng)，經(jīng)過第二次凈化的污水流過第四隔板上的篩孔、上行流底層單元的底層濕地基質(zhì)后流到上行流底層單元的上層，并得到第三次凈化；經(jīng)過第三次凈化的污水流經(jīng)第三管道，并在壓力差作用下向上流入上行流上層單元的底部，而后在上行流上層單元中繼續(xù)向上流動(dòng)，經(jīng)過第三次凈化的污水流過第二隔板上的篩孔、上行流上層單元的上層濕地基質(zhì)、濕地植物后流到上行流上層單元的上層，并得到第四次凈化；經(jīng)過第四次凈化的污水通過出水管流出到水箱中。

本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：本發(fā)明通過將上層單元和底層單元分段隔離，以及將下行流底層單元和上行流底層單元分段隔離，構(gòu)成了分段化的復(fù)合垂直流人工濕地“U型”結(jié)構(gòu)，不僅制作簡(jiǎn)單，而且能夠定量、原位模擬固定深度的濕地底層厭氧環(huán)境；本發(fā)明通過將下行流上層單元和下行流底層單元分段隔離，及將上層流底層單元和上行流上層單元分段隔離，可獨(dú)立分析底層厭氧環(huán)境，有效避免好氧段和厭氧段的相互影響；本發(fā)明通過在厭氧段設(shè)置取樣口，可直接對(duì)底層濕地基質(zhì)采樣或觀測(cè)，有效避免對(duì)底層厭氧環(huán)境的破壞，操作簡(jiǎn)單靈活，具有很好的推廣和應(yīng)用潛力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種模擬復(fù)合垂直流人工濕地底層厭氧環(huán)境的裝置示意圖。

圖2是本發(fā)明裝置多個(gè)下行流底層單元和上行流底層單元相互并聯(lián)的示意圖。

圖3是本發(fā)明一種模擬復(fù)合垂直流人工濕地底層厭氧環(huán)境的方法流程圖。

圖中符號(hào)說明：1-上層單元；11-下行流上層單元；111-進(jìn)水口；12-上行流上層單元；121-出水口；13-上層濕地基質(zhì)；14-第一隔板；15-第二隔板；16-取樣口；17-第一水位觀測(cè)管；18-第二水位觀測(cè)管；2-底層單元；21-下行流底層單元；22-上行流底層單元；23-底層濕地基質(zhì)；24-第三隔板；25-第四隔板；26-密封蓋；261-采樣孔；27-第一排污閥；28-第二排污閥；3-第一管道；31-連接閥；4-第二管道；5-第三管道；6-進(jìn)水管；61-進(jìn)水管閥；7-蠕動(dòng)泵；71-定時(shí)開關(guān)；8-出水管；81-出水管閥；9-水箱。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。

請(qǐng)參考圖1和圖2，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種模擬復(fù)合垂直流人工濕地底層厭氧環(huán)境的裝置，包括分段隔離的上層單元1和底層單元2，上層單元1包括下行流上層單元11和上行流上層單元12，底層單元2包括下行流底層單元21和上行流底層單元22，下行流上層單元11通過垂直的第一管道3與下行流底層單元21連通,第一管道3的豎直部分連接下行流上層單元11的底部，第一管道3的水平部分連接下行流底層單元21的上部，下行流底層單元21通過第二管道4與上行流底層單元22水平連通，上行流底層單元22通過垂直的第三管道5與上行流上層單元12連通，第三管道5的水平部分連接上行流底層單元22的上部，第三管道5的豎直部分連接上行流上層單元12的底部，第一管道3、第二管道4和第三管道5上均設(shè)有連接閥31，通過調(diào)節(jié)連接閥31可以控制其內(nèi)流體的輸送與否，下行流上層單元11的上端設(shè)有進(jìn)水口111，進(jìn)水口111連接進(jìn)水管6，進(jìn)水管6上設(shè)有進(jìn)水管閥61，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水管閥61可以控制流體的輸入，進(jìn)水管6連接蠕動(dòng)泵7，蠕動(dòng)泵7控制流體輸入的流量，蠕動(dòng)泵7上安裝有定時(shí)開關(guān)71，定時(shí)開關(guān)71控制進(jìn)水管閥61的打開和關(guān)閉，上行流上層單元12的上端設(shè)有出水口121，出水口121連接出水管8，出水管8上設(shè)有出水管閥81，通過調(diào)節(jié)出水管閥81可以控制流體的輸出，出水管8可連接水箱9，進(jìn)水口111的位置高于出水口121的位置，在下行流上層單元11和上行流上層單元12中填充上層濕地基質(zhì)13，上層濕地基質(zhì)13包括石英砂，在下行流底層單元21和上行流底層單元22中填充底層濕地基質(zhì)23，底層濕地基質(zhì)23包括常規(guī)水處理濾料、受污染的原位底泥或土壤及其混合物，上層濕地基質(zhì)13中可種植濕地植物。

下行流上層單元11和上行流上層單元12的底端的同一水平位置分別設(shè)有第一隔板14和第二隔板15，第一隔板14和第二隔板15上均布有若干篩孔，上層濕地基質(zhì)13填充在第一隔板14和第二隔板15的上方，第一隔板14和第二隔板15的上方填充的上層濕地基質(zhì)13的高度不同，一實(shí)施例中，第一隔板14的上方填充的上層濕地基質(zhì)13的高度比第二隔板15的上方填充的上層濕地基質(zhì)13的高度高5厘米；下行流底層單元21和上行流底層單元22的底端的同一水平位置分別設(shè)有第三隔板24和第四隔板25，第三隔板24和第四隔板25上均布有若干篩孔，底層濕地基質(zhì)23填充在第三隔板24和第四隔板25的上方，第三隔板24和第四隔板25的上方填充的底層濕地基質(zhì)23的高度相同。

下行流上層單元11和上行流上層單元12的頂部均為敞口，下行流上層單元11和上行流上層單元12的上部形成好氧段；下行流底層單元21和上行流底層單元22的頂部均采用密封蓋26密封，以隔絕空氣，在密封蓋26上設(shè)置若干采樣孔261，采樣孔261可用以采集底層濕地基質(zhì)23的樣本和氣體樣本，并可通過采樣孔261插入電極探頭以便原位測(cè)定底層濕地基質(zhì)23的基本理化指標(biāo)，基本理化指標(biāo)包括pH、氧化還原電位、O₂、H₂、H₂S、NO、N₂O、溫度、NO₂^-、NO₃^-，下行流底層單元21和上行流底層單元22形成厭氧段；在下行流底層單元21的底端設(shè)有第一排污閥27，上行流底層單元22的底端設(shè)有第二排污閥28，通過第一排污閥27和第二排污閥28可以排出死水。

在下行流上層單元11、上行流上層單元12、下行流底層單元21、上行流底層單元22的基質(zhì)填充位置等距離地設(shè)置取樣口16，方便取樣觀察，位于下行流上層單元11的上取樣口16可連接進(jìn)水管6以實(shí)現(xiàn)低位進(jìn)水。

在下行流上層單元11上設(shè)置第一水位觀測(cè)管17，在上行流上層單元12上設(shè)置第二水位觀測(cè)管18，第一水位觀測(cè)管17和第二水位觀測(cè)管18可以在實(shí)驗(yàn)操作過程中用以觀察水位。

參考圖3，一種使用該裝置來模擬復(fù)合垂直流人工濕地底層厭氧環(huán)境的方法，包括以下步驟：

步驟S201，打開連接閥31和出水管閥81，并通過定時(shí)開關(guān)71打開進(jìn)水管閥61。

步驟S202，污水由蠕動(dòng)泵7提升至進(jìn)水管6進(jìn)入下行流上層單元11，污水流過下行流上層單元11的濕地植物、上層濕地基質(zhì)13和第一隔板14上的篩孔后流到下行流上層單元11底部，并得到第一次凈化。

步驟S203，經(jīng)過第一次凈化的污水通過第一管道3流入下行流底層單元21，經(jīng)過第一次凈化的污水流過下行流底層單元21的底層濕地基質(zhì)23和第三隔板24上的篩孔后流到下行流底層單元21底部，并得到第二次凈化。

步驟S204，經(jīng)過第二次凈化的污水繼續(xù)流動(dòng)經(jīng)第二管道4流入上行流底層單元22的底部，污水在壓力差作用下在上行流底層單元22中向上流動(dòng)，經(jīng)過第二次凈化的污水流過第四隔板25上的篩孔、上行流底層單元22的底層濕地基質(zhì)23后流到上行流底層單元22的上層，并得到第三次凈化。

步驟S205，經(jīng)過第三次凈化的污水流經(jīng)第三管道5，并在壓力差作用下向上流入上行流上層單元12的底部，而后在上行流上層單元12中繼續(xù)向上流動(dòng)，經(jīng)過第三次凈化的污水流過第二隔板15上的篩孔、上行流上層單元12的上層濕地基質(zhì)13、濕地植物后流到上行流上層單元12的上層，并得到第四次凈化。

步驟S206，經(jīng)過第四次凈化的污水通過出水管8流出到水箱9中。

一實(shí)施例中，選用兩套裝置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩套裝置中的下行流上層單元11、上行流上層單元12、下行流底層單元21和上行流底層單元22采用圓柱體結(jié)構(gòu)，下行流上層單元11和上行流上層單元12的柱體高度為六十五厘米，下行流底層單元21和上行流底層單元22的柱體高度為三十五厘米，下行流上層單元11、上行流上層單元12、下行流底層單元21和上行流底層單元22的柱體直徑為十六厘米，進(jìn)水口111的位置比出水口121的位置高五厘米，分別在距下行流上層單元11、上行流上層單元12、下行流底層單元21和上行流底層單元22的底部五厘米處設(shè)置第一隔板14、第二隔板15、第三隔板24和第四隔板25，第一隔板14、第二隔板15、第三隔板24和第四隔板25上布有若干直徑為兩毫米的篩孔，上層濕地基質(zhì)13為粒徑二至四毫米的石英砂，將第一套裝置的第一隔板14的上方填充的上層濕地基質(zhì)13的層高設(shè)為三十厘米，將第二套裝置的第一隔板14的上方填充的上層濕地基質(zhì)13的層高設(shè)為五十厘米，并在下行流上層單元11、上行流上層單元12、下行流底層單元21和上行流底層單元22的基質(zhì)填充位置每隔十厘米設(shè)置一個(gè)取樣口16，水力停留時(shí)間為一天，采用間歇進(jìn)水的方式，即進(jìn)水三小時(shí)后停留三小時(shí)，第一套裝置的進(jìn)水流量為十二升/天，第二套裝置的進(jìn)水流量為十八升/天，將碳氮比為二的模擬人工污水通過蠕動(dòng)泵7提升到進(jìn)水管6，進(jìn)水中化學(xué)需氧量、總氮和總磷分別設(shè)為100毫克/升、50毫克/升和3.9毫克/升；裝置正式運(yùn)行期，每三天采集一次水樣，通過分析監(jiān)測(cè)兩套裝置各個(gè)單元出水的基本理化指標(biāo)和水質(zhì)指標(biāo)，并對(duì)運(yùn)行多個(gè)批次的監(jiān)測(cè)結(jié)果取平均值，得到結(jié)果如下：兩套裝置的底層單元2的氧化還原電位值均小于0毫伏,且第二套裝置底層單元2的氧化還原電位值較第一套裝置低100毫伏；當(dāng)總氮固定、進(jìn)水中NH₄⁺/NO₃^-的比值為六時(shí)，第二套裝置的總氮平均去除率為44.5％，第一套裝置的總氮平均去除率為39.5％，第二套裝置的氨氮平均去除率為38.2％，第一套裝置的氨氮平均去除率為30.2％；當(dāng)總氮固定、進(jìn)水中NH₄⁺/NO₃^-的比值為一時(shí)，第二套裝置的總氮平均去除率為60.4％，第一套裝置的總氮平均去除率為50.0％，第二套裝置的氨氮平均去除率為68.4％，第一套裝置的氨氮平均去除率為45.5％，這些結(jié)果說明通過對(duì)上層濕地基質(zhì)13加高二十厘米可增強(qiáng)該模擬系統(tǒng)中氨氮及硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化過程。

本發(fā)明通過將上層單元1和底層單元2分段隔離，以及將下行流底層單元21和上行流底層單元22分段隔離，構(gòu)成了分段化的復(fù)合垂直流人工濕地“U型”結(jié)構(gòu)，不僅制作簡(jiǎn)單，而且能夠定量、原位模擬固定深度的濕地底層厭氧環(huán)境；本發(fā)明通過將下行流上層單元11和下行流底層單元21分段隔離，及將上層流底層單元22和上行流上層單元12分段隔離，可獨(dú)立分析底層厭氧環(huán)境，有效避免好氧段和厭氧段的相互影響；本發(fā)明通過在厭氧段設(shè)置取樣口16，可直接對(duì)底層濕地基質(zhì)23采樣或觀測(cè)，有效避免對(duì)底層厭氧環(huán)境的破壞，操作簡(jiǎn)單靈活，具有很好的推廣和應(yīng)用潛力。

參考圖2，下行流底層單元21和上行流底層單元22的數(shù)量為一個(gè)或多個(gè)，通過設(shè)置并聯(lián)的多個(gè)下行流底層單元21和上行流底層單元22可作為平行或交替運(yùn)行以滿足實(shí)驗(yàn)或處理需求。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位詞是以附圖中零部件位于圖中以及零部件相互之間的位置來定義的，只是為了表達(dá)技術(shù)方案的清楚及方便。應(yīng)當(dāng)理解，所述方位詞的使用不應(yīng)限制本申請(qǐng)請(qǐng)求保護(hù)的范圍。

在不沖突的情況下，本文中上述實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。