CN106698628B - 一种富营养化水体磷的原位持续去除方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种富营养化水体磷的原位持续去除方法与装置。该装置是由三层穿孔圆管构成主体框架，三层管的底部密封，中心管是一个中空管，管内填充有机物溶液和/或异化铁还原细菌液；第二层管填充纯富铁基质或富铁基质和植物碎屑的混合物；最外层管填充河砂颗粒；三层管的内壁上都贴有一层网纱，网纱紧贴管壁。本发明使用的材料容易获得，成本低廉，应用于富营养水体可以持续有效地去除磷。

Description

一种富营养化水体磷的原位持续去除方法与装置
技术领域
本发明涉及环保领域，特别涉及一种富营养化水体磷的原位持续去除方法与装置。
背景技术
随着城市居民生活、工业的发展，污水处理厂的尾水以及未经处理的生活污水排入湖泊等水体，致使水体中的氮、磷含量逐年升高。氮磷水平升高，会刺激藻类大量繁殖甚至爆发，藻类死亡后分解会使水体产生霉味和臭味，影响鱼类等水生生物的生存，形成水体富营养化污染，严重破坏水环境质量。
对于富营养化水体中藻类的爆发，最根本的防治方法是降低水中氮磷浓度，特别是磷的浓度。除了截留外源排入的氮磷外，还需要对已进入水体的磷进行原位去除。目前水体磷的原位去除方法主要是在水体中投撒磷的吸附或化学沉淀剂，使其从上覆水转移到底泥中，但这种方式不能根本性地从水体去除磷，底泥中的磷在一定条件下会再次释放到水中。此外，药剂投加后会很快沉积到底泥，不能持续地去除水体磷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种可持续除磷、成本低、工艺简单的富营养化水体磷的原位持续去除方法。
本发明的另一目的在于提供一种富营养化水体磷的原位持续去除装置。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种富营养化水体磷的原位持续去除装置，是由三层穿孔圆管构成主体框架，三层管的底部密封，管高50～100cm或根据水体深度设置，三层管的内壁上都贴有一层网纱(孔径0.5cm左右)，网纱紧贴管壁；装置中间的中心管是一个中空管，管内径1～1.8cm，管内填充有机物溶液和/或异化铁还原细菌液；第二层管内径3～4cm，填充纯富铁基质或富铁基质和植物碎屑的混合物；最外层管内径5cm左右，填充河砂颗粒；富铁基质和河砂颗粒的填充高度根据水深设置，低于水面1～3cm。
三层管的管壁在盛装基质以下部分从上到下均匀地打四排孔并呈十字对称，每排孔间距3～5cm，孔径0.5～1cm。
所述富铁基质为铁含量较高的赤红壤、砖红壤及铁矿物等材料，植物碎屑为烘干的植物茎叶等材料破碎成的颗粒，经过研磨过20目筛的颗粒大小。
所述河砂为粒径1mm左右的沙砾。
所述有机物溶液为葡萄糖、淀粉或其他易生物降解有机碳化合物溶液。
所述异化铁还原菌液为具有异化铁还原功能的混合菌液，可以从河流底泥或水稻土中富集获得。
一种富营养化水体磷的原位持续去除方法，是采用上述装置，包括以下步骤：
(1)将装置的外层管孔打开，然后将装置放入水中，管口在水面以上，单纯使用富铁基质的装置，每隔3～7天向中心管内加入COD在1000～3000mg/L有机物溶液约100～150ml和异化铁还原菌液约20～30ml；使用富铁基质和植物碎屑的混合物的装置，只需一次投加异化铁还原菌液约20～30ml；有机物溶液和/或异化铁还原细菌液扩散至第二层管的富铁基质中，有机物降解会消耗水中氧形成厌氧环境，进而在异化铁还原菌液作用下，富铁基质中的三价铁被有机物厌氧还原为亚铁离子，然后亚铁离子通过管壁小孔扩散到最外层管的河砂层间隙水中；
(2)间隙水中磷酸根离子与亚铁离子反应形成沉淀，沉积在河砂表面；同时，亚铁离子被间隙水中的氧或硝酸盐氮氧化形成无定形三价铁氧化物，并沉积在河砂表面，对水中无机磷具有较强的吸附作用；
(3)步骤(1)和(2)的反应持续进行，使得装置附近水中的磷不断扩散进入外层河砂间隙水，然后被沉积固定在河砂表面，达到原位除磷的效果。
当富铁基质中的三价铁被完全还原或河砂表面空隙被填满后，可通过更换新的富铁基质和河砂颗粒，继续发挥除磷作用。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
(1)本发明对城市污水处理厂出水以及未经处理的生活污水带入的可溶性磷，具有较好的去除能力，持续地使装置附近水中的磷维持在较低的水平。
(2)本发明通过降低水中磷浓度，抑制藻类生长，维持水体上部澄清。
(3)本发明使用的材料容易获得，成本低廉，应用于富营养水体可以持续有效地去除磷。
附图说明
图1为本发明装置的主视图。
图2为本发明装置的俯视图。
其中：1、中空管；2、富铁基质管；3、河砂管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
以长宽高为54x40x29cm的塑料水箱模拟富营养化水体，以磷酸二氢钾和自来水来配置水体总磷浓度为0.15mg/L。如图1和2所示，装置的第二层管的内径为3cm，最外层管的内径为5cm，中空管1的内径1.6cm。中空管内填充COD1400mg/L的葡萄糖溶液和异化铁还原菌液。第二层管填充富铁基质2，采用的富铁基质是砖红壤，土壤经过研磨过20目筛后使用。最外层管填充河砂3。富铁基质和河砂高度约25cm。
将装置放置于水箱中，水箱液面高于装置内土壤和河砂1-2cm，水体体积约60L。每5天向中空管中缓缓加入COD1400mg/L的葡萄糖溶液100ml和10ml的异化铁还原菌液。
装置启动，每天测定中空管内和水箱中的亚铁离子浓度和COD浓度。每次加入葡萄糖溶液后，亚铁离子浓度逐渐上升，COD浓度逐渐下降。2天后亚铁离子浓度达到峰值140mg/L，随后稳定在50-70mg/L，直到实验20天，亚铁离子浓度逐渐下降到20mg/L并趋于零。实验全程22天，水箱中的总磷浓度持续下降，总磷浓度从0.15mg/L下降到0.048mg/L，去除率达到68％，水面保持澄清，水底有少量沉淀。
实施例2
以长宽高为54x40x29cm的塑料水箱模拟富营养化水体，以磷酸二氢钾和自来水来配置水体总磷浓度为0.15mg/L-0.2mg/L。本次实验装置以植物碎屑作为有机物，采用的植物是白花鬼针草的叶片。采集回来的植物叶片在烘箱中105℃下烘干6小时，粉碎。将粉碎后的植物碎屑和研磨过筛的富铁基质砖红壤按质量比1:2的比例混匀，加入到内径4cm的第二层管中。最外层管内径5cm，填充河砂。中空管内径1.6cm。整个装置高50cm，富铁基质和植物碎屑的混合物以及河砂的高度约25cm。
将装置放置于水箱中，水箱液面高于装置内土壤和河砂1-2cm，水体体积约60L。取10ml的异化铁还原细菌液稀释至100ml，缓缓的加入到中空管内。
装置启动，每天测定装置中空管内和水箱中的亚铁离子浓度和COD浓度。实验开始后，亚铁离子浓度逐渐上升，COD浓度逐渐下降，反应初期，COD浓度最大达到了25000mg/L。10天后，装置内的亚铁离子浓度迅速上升，反应速率达到最大值，每天上升100mg/L。30天后，亚铁离子浓度仍缓慢的持续上升，此时水箱中的总磷浓度已下降到0.05mg/L，去除率达到70％。更换水箱中的富营养水，初始总磷浓度为0.22mg/L。装置内反应持续进行，重新配置的富营养化水在6天后总磷去除率就达到60％，水箱内出现少量沉淀，水面清澈见底，COD浓度仍有18000mg/L。反应50天和60天时，分别进行了第三次和第四次的重新配置富营养化水，总磷的去除率均在6天内达到60％以上，证明该装置仍有大量的亚铁离子溶出。此时装置内的亚铁离子浓度达到最大值1000mg/L。基于亚铁离子浓度仍在较高水平，取学校内湖泊水，把装置放入装有湖泊水的水箱中(约50L)，持续监测总磷浓度。初始浓度为0.08mg/L，反应4天后下降到0.06mg/L，去除率为30％，有藻类附着在装置孔外壁，水面从原来的浅绿色变得澄清见底。装置运行了80天，亚铁离子持续溶出，对一定范围内的总磷保持着较高的去除率，水面保持清澈见底。
五次模拟富营养水体的总磷浓度和总磷去除率：

Claims (8)

1.一种富营养化水体磷的原位持续去除装置，其特征在于：是由三层穿孔圆管构成主体框架，三层管的底部密封，管高50～100cm或根据水体深度设置；中心管是一个中空管，管内径1～1.8cm，管内填充异化铁还原细菌液、或有机物溶液和异化铁还原细菌液的混合液；第二层管内径3～4cm，填充纯富铁基质或富铁基质和植物碎屑的混合物；最外层管内径5cm左右，填充河砂颗粒；富铁基质和河砂颗粒的填充高度根据水深设置，低于水面1～3cm；三层管的内壁上都贴有一层网纱，网纱紧贴管壁。
2.根据权利要求1所述的富营养化水体磷的原位持续去除装置，其特征在于：三层管的管壁在盛装基质以下部分从上到下均匀地打四排孔并呈十字对称，每排孔间距3～5cm，孔径0.5～1cm。
3.根据权利要求1所述的富营养化水体磷的原位持续去除装置，其特征在于：所述富铁基质为赤红壤、砖红壤及铁矿物，植物碎屑为烘干的植物茎叶破碎成的颗粒，经过研磨过20目筛的颗粒大小。
4.根据权利要求1所述的富营养化水体磷的原位持续去除装置，其特征在于：所述河砂为粒径1mm左右的沙砾。
5.根据权利要求1所述的富营养化水体磷的原位持续去除装置，其特征在于：所述有机物溶液为葡萄糖、淀粉或其他易生物降解有机碳化合物溶液。
6.根据权利要求1所述的富营养化水体磷的原位持续去除装置，其特征在于：所述异化铁还原菌液为具有异化铁还原功能的混合菌液，可以从河流底泥或水稻土中富集获得。
7.一种富营养化水体磷的原位持续去除方法，其特征在于：是采用权利要求1～6任一项所述的装置，包括以下步骤：
(1)将装置的外层管孔打开，然后将装置放入水中，管口在水面以上，单纯使用富铁基质的装置，每隔3～7天向中心管内加入COD在1000～3000mg/L有机物溶液100～150ml和异化铁还原菌液20～30ml；使用富铁基质和植物碎屑的混合物的装置，只需一次投加异化铁还原菌液20～30ml；有机物溶液和/或异化铁还原细菌液扩散至第二层管的富铁基质中，有机物降解会消耗水中氧形成厌氧环境，进而在异化铁还原菌液作用下，富铁基质中的三价铁被有机物厌氧还原为亚铁离子，然后亚铁离子通过管壁小孔扩散到最外层管的河砂层间隙水中；
(2)间隙水中磷酸根离子与亚铁离子反应形成沉淀，沉积在河砂表面；同时，亚铁离子被间隙水中的氧或硝酸盐氮氧化形成无定形三价铁氧化物，并沉积在河砂表面，对水中无机磷具有吸附作用；
(3)步骤(1)和(2)的反应持续进行，使得装置附近水中的磷不断扩散进入外层河砂间隙水，然后被沉积固定在河砂表面，达到原位除磷的效果。
8.根据权利要求7所述的富营养化水体磷的原位持续去除方法，其特征在于：当富铁基质中的三价铁被完全还原或河砂表面空隙被填满后，可通过更换新的富铁基质和河砂颗粒，继续发挥除磷作用。
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