本发明涉及污水处理，具体涉及一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统。
背景技术：
1、甲烷是一种重要的温室气体，其全球变暖潜能是二氧化碳的约25倍，虽然排放量仅占温室气体排放总量的14%，但其对气候变化的贡献却达到了30%。湿地生态系统是甲烷最大的自然来源，全球每年产生的甲烷排放量中有82%来自湿地系统。人工湿地模拟自然湿地的净化机制，利用植物、微生物、土壤等自然过程来去除水中的污染物，单位面积的人工湿地甲烷排放量是天然湿地的2-10倍。在湿地生态系统中，植物和微生物利用自身同化作用，将水体中的有机碳固定在湿地基质中，进而形成了湿地的碳“汇”作用。另外一方面，长期处于缺氧厌氧的湿地环境中，植物腐败分解的有机质又会在厌氧生物的作用下，经历产甲烷过程，并释放甲烷至大气环境中，促使湿地向碳“源”功能发展。由于湿地长期处于厌氧缺氧的环境下，通过曝气增氧的方式改变湿地底层的溶解氧环境，是削减甲烷排放的重要途径之一，然而传统的曝气增氧方式氧利用率较低，易造成湿地运行能耗的激增，且传统曝气过程氧分子在液相中的存留时间较短，很难与微生物、填料协同发挥作用，因此在减污降碳方面发挥的作用较为有限。如何有效提高曝气增氧型人工湿地中氧的利用率，以及如何有效发挥氧分子与微生物和填料之间的协同作用，成为甲烷减排曝气增氧型人工湿地设计的关键。
2、微纳米气泡一般指直径在1 mm以下，1 μm以上的气泡。对比传统曝气设备，微纳气泡曝气装置具有以下优点：1、微纳气泡在水中上浮速度慢，在水中停留的周期远大于普通气泡；2、氧传质系数高；3、微纳气泡表面带有负电荷。目前，微纳气泡设备已在水处理、生物医学工程、纳米材料等众多科学技术领域被广泛应用。将微纳气泡技术与人工湿地耦合，可大幅提高氧的传质效率和利用率，采用间歇曝气的运行方式，形成人工湿地好氧/厌氧交替条件，在有效减少产甲烷菌丰度的同时，也可降低运行耗能。
3、铁是一种普遍存在的元素，铁材料具有较高的化学活性和可操作性，已被广泛应用于污水处理中。由于fe2+/fe3+氧化还原循环，铁基填料用于人工湿地可有效提高微生物活性和反硝化效率，同时，也为铁还原型甲烷厌氧氧化（fe-aom）创造条件，有效减少甲烷排放。
4、为此，本发明提出一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统具有重要意义。
技术实现思路
1、鉴于现有技术存在的问题，本发明的提出了一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，实现人工湿地减污降碳协同增效的目标。
2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
3、一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，包括铁基垂直潜流人工湿地池体，所述铁基垂直潜流人工湿地池体前端依次设有布水渠、阀门井及微纳气泡曝气装置，所述布水渠与阀门井之间设有挡墙，其中铁基垂直潜流人工湿地池体后端设有集水渠，所述布水渠与阀门井通过管道连接，所述阀门井与微纳气泡曝气装置通过管道连接，所述微纳气泡曝气装置与铁基垂直潜流人工湿地结构通过上方穿孔管连接，所述穿孔管分为上下两部分，下方穿孔管的端部延升至布水渠，铁基垂直潜流人工湿地池体顶部种植有湿地植物。
4、进一步地，所述微纳气泡曝气装置包括无机陶瓷膜组件，所述无机陶瓷膜组件前端的液体进口与液泵通过管路连接，所述无机陶瓷膜组件前端的气体进口与空气压缩机通过管路连接，所述无机陶瓷膜组件后端设有文丘里管，所述文丘里管与出水管连接，所述出水管与上方穿孔管连接。
5、进一步地，所述无机陶瓷膜组件前端的液体进口与液泵连接的管路上设有液压表，所述液泵进水口设有进水管，所述进水管上设有微纳气泡曝气装置阀门。
6、进一步地，所述铁基垂直潜流人工湿地池体包括自下而上的夯实基础、防渗层及功能基质，所述功能基质包括自下而上分别铺设鹅卵石填料层、黄铁矿与火山岩混合填料层及铁碳填料层，所述铁碳填料层上覆盖土层，其中土层上种植有湿地植物。
7、进一步地，所述防渗层包括自下而上的聚乙烯薄膜和c10混凝土垫层。
8、进一步地，所述穿孔管采用pe材料，穿孔管的孔间距小于铁基垂直潜流人工湿地单元宽度的10% ，穿孔管孔径为10 mm。
9、进一步地，所述铁基垂直潜流人工湿地池体为矩形，长度为20～50 m，长宽比为1:1～3，单元面积小于1500 m²，水力坡度小于1%。
10、进一步地，所述鹅卵石填料层的鹅卵石粒径为20-30 mm，厚度为10 cm；所述黄铁矿与火山岩混合填料层中天然黄铁矿粒径为20-25 mm，火山岩粒径为20-25 mm，黄铁矿与火山岩混合填料层厚度为40 cm；所述铁碳填料层中铁碳粒径为15-20 mm，厚度约为30 cm。
11、进一步地，所述湿地植物采用常见的挺水植物黄菖蒲，每株黄菖蒲行间距为15cm，列间距为15 cm，种植密度为40 株/m²。
12、进一步地，所述微纳气泡曝气装置打出的气泡尺寸为30-90 μm，氧气转移效率每英尺水超过85％。
13、与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
14、1）本发明通过将微纳气泡曝气装置与铁基垂直潜流人工湿地池体耦合，利用微纳气泡高效增氧改善人工湿地池体的厌氧产甲烷情况；同时，利用铁碳和黄铁矿组合填料，强化湿地系统中的铁氨氧化过程，进一步减少甲烷排放；并通过优化人工湿地基质类型与配比，提高污染物去除效能；
15、2）本发明将微纳气泡与优化后的含铁基质发挥协同作用，生成活性氧物种，可强化人工湿地系统对难降解微污染物的去除，实现人工湿地减污降碳协同增效；
16、3）本发明利用微纳气泡在水中的传质效率高、保持时间更长等特点，有效调控人工湿地底层的溶解氧环境与微生物群落结构，实现人工湿地甲烷减排；同时，采用间歇曝气的运行方式，营造好氧/厌氧交替的溶解氧环境，一方面，可以减小运行能耗；另一方面，也为铁还原型甲烷厌氧氧化（fe-aom）创造条件，有效减少甲烷排放。
1.一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，包括铁基垂直潜流人工湿地池体，其特征在于所述铁基垂直潜流人工湿地池体前端依次设有布水渠（1）、阀门井（2）及微纳气泡曝气装置（3），所述布水渠（1）与阀门井（2）之间设有挡墙，其中铁基垂直潜流人工湿地池体后端设有集水渠（6），所述布水渠（1）与阀门井（2）通过管道连接，所述阀门井（2）与微纳气泡曝气装置（3）通过管道连接，所述微纳气泡曝气装置（3）与铁基垂直潜流人工湿地结构通过上方穿孔管（5）连接，所述穿孔管（5）分为上下两部分，下方穿孔管（5）的端部延升至布水渠（6），铁基垂直潜流人工湿地池体顶部种植有湿地植物（4）。
2.根据权利要求1所述的一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，其特征在于所述微纳气泡曝气装置（3）包括无机陶瓷膜组件（35），所述无机陶瓷膜组件（35）前端的液体进口与液泵（33）通过管路连接，所述无机陶瓷膜组件（35）前端的气体进口与空气压缩机（37）通过管路连接，所述无机陶瓷膜组件（35）后端设有文丘里管（36），所述文丘里管（36）与出水管（38）连接，所述出水管（38）与上方穿孔管（5）连接。
3.根据权利要求2所述的一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，其特征在于所述无机陶瓷膜组件（35）前端的液体进口与液泵（33）连接的管路上设有液压表（34），所述液泵（33）进水口设有进水管（31），所述进水管（31）上设有微纳气泡曝气装置阀门（32）。
4.根据权利要求1所述的一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，其特征在于所述铁基垂直潜流人工湿地池体包括自下而上的夯实基础（7）、防渗层（8）及功能基质（9），所述功能基质（9）包括自下而上分别铺设鹅卵石填料层（91）、黄铁矿与火山岩混合填料层（92）及铁碳填料层（93），所述铁碳填料层（93）上覆盖土层（94），其中土层（94）上种植有湿地植物（4）。
5.根据权利要求4所述的一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，其特征在于所述防渗层（8）包括自下而上的聚乙烯薄膜（82）和c10混凝土垫层（81）。
6.根据权利要求1所述的一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，其特征在于所述穿孔管（5）采用pe材料，穿孔管（5）的孔间距小于铁基垂直潜流人工湿地单元宽度的10% ，穿孔管（5）孔径为10 mm。
7.根据权利要求1所述的一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，其特征在于所述铁基垂直潜流人工湿地池体为矩形，长度为20～50 m，长宽比为1:1～3，单元面积小于1500 m²，水力坡度小于1%。
8.根据权利要求4所述的一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，其特征在于所述鹅卵石填料层（91）的鹅卵石粒径为20-30 mm，厚度为10 cm；所述黄铁矿与火山岩混合填料层（92）中天然黄铁矿粒径为20-25 mm，火山岩粒径为20-25 mm，黄铁矿与火山岩混合填料层（92）厚度为40 cm；所述铁碳填料层（93）中铁碳粒径为15-20 mm，厚度约为30 cm。
9.根据权利要求4所述的一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，其特征在于所述湿地植物（4）采用常见的挺水植物黄菖蒲（41），每株黄菖蒲行间距为15 cm，列间距为15 cm，种植密度为40 株/m²。
10.根据权利要求1所述的一种减少温室气体甲烷排放的微纳气泡曝气型铁基系统，其特征在于所述微纳气泡曝气装置（3）打出的气泡尺寸为30-90 μm，氧气转移效率每英尺水超过85％。
