CN107434302B - 一种增强人工湿地生物脱氮效果的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强人工湿地生物脱氮效果的方法，是在人工湿地的前端设置一碳源缓释装置，污水先经过碳源缓释装置后再进入人工湿地；所述碳源缓释装置的外部由网状框架结构构成，内部置有农业废弃物。本发明将农业废弃物置于人工湿地的前端，通过控制农业废弃物投加速率和混合比例，利用农业废弃物的缓释作用为人工湿地反硝化脱氮提供碳源，从而提高人工湿地的总氮去除率。

Description

一种增强人工湿地生物脱氮效果的方法
技术领域
本发明涉及一种增强人工湿地生物脱氮效果的方法，属于水污染控制与污水处理领域。
背景技术
人工湿地指的是人工建造水池或者沟槽，在其内部填充一定厚度的填料，底部设置防渗层，上部种植水生植物，利用填料吸附、植物和微生物联合的生物化学作用来实现污水的净化。人工湿地具有处理效果稳定、运行费用低、投资少、耐冲击负荷能力强等优点，并且具有一定的观赏价值和经济效益，在污水处理领域尤其是城市污水厂尾水和农村污水处理中得到了广泛应用。
人工湿地的净化机理主要是利用微生物、植物、基质复合生态系统的协同作用来实现污水的高效处理。人工湿地对含氮有机物的处理主要通过氨化作用、硝化与反硝化有用、植物吸收以及基质吸附来实现，其中微生物是去除含氮有机物的主要途径。在有氧环境中，氨氧化细菌通过氨化作用将有机氮转化为氨氮，亚硝化细菌和硝化细菌通过硝化作用将氨氮氧化成硝态氮。在缺氧环境中，反硝化细菌以硝态氮作为电子受体，有机碳源作为电子供体，逐渐将硝态氮还原成氮气，从而实现含氮污染物的去除。然而，国内污水处理厂普遍存在碳源不足、碳氮比低的问题，直接导致污水厂出水呈现氮元素高度硝化、碳源不足的特点，并且进一步限制了人工湿地的深度处理。为解决这一问题，在实际工程中常采用外加碳源(甲醇、乙酸钠、葡萄糖等)的方式促进反硝化。虽然外加碳源的方式能够取得很好的脱氮效果，但是也大幅度提升了处理成本。因此，寻找合适、廉价的碳源也成为人工湿地深度处理污水的研究重点。
我国是农业大国，每到夏、秋收获季节，将会产生大量的农业废弃物，例如各种植物秸秆、玉米棒、马铃薯等。这些农业废弃物不仅给农村的生态环境造成巨大的污染，更是宝贵资源的浪费。为此，大家开始研究各种农业废弃物的资源化利用技术。由于农业废弃物含有大量的含碳有机物，例如纤维素、木质素、淀粉等，完全可以作为一种外加碳源用于污水脱氮处理。但是，采用农业废弃物作为外加缓释碳源也面临着难以解决的问题：(1)农业废弃物碳源的缓释速率和反硝化碳源需求难以匹配，容易造成二次污染；(2)农业废弃物和处理工艺没有进行整合设计，造成工艺运行和管理的复杂化。
发明内容
本发明针对现有问题，提供一种增强人工湿地生物脱氮效果的方法，为人工湿地反硝化脱氮提供碳源，从而提高人工湿地的总氮去除率。
本发明增强人工湿地生物脱氮效果的方法，是在人工湿地的前端设置一碳源缓释装置，污水先经过碳源缓释装置后再进入人工湿地；所述碳源缓释装置内置有农业废弃物。
本发明将农业废弃物置于人工湿地的前端，通过控制农业废弃物投加速率和混合比例，利用农业废弃物的缓释作用为人工湿地反硝化脱氮提供碳源，从而提高人工湿地的总氮去除率。
本发明所采用的农业废弃物，包括植物秸秆、玉米芯、马铃薯、腐烂水果、树叶、树皮、棉花等中的一种或几种，若为多种时，混合比例可以采用等比例混合或根据碳源缓释速率进行差异配比；差异配比原则是控制混合农业废弃物的碳源释放速率相对稳定。这些农业废弃物主要成分为纤维素、半纤维素、木质素、淀粉等碳水化合物，含碳有机物所占比例最大，且容易被微生物分解。
所述碳源缓释装置内的农业废弃物在投加前需要经过切割、磨碎等预处理，将粒径控制在0.1-5cm。
所述碳源缓释装置的外部由网状框架结构构成，内部置有农业废弃物。所述碳源缓释装置外部的网状框架结构的网孔孔径为0.1-5cm，既能保证水流通畅和碳源释放，又能截留农业废弃物颗粒。所述碳源缓释装置可由单个装置或多个装置组合放置于人工湿地前端。
所述碳源缓释装置的有效容积为人工湿地有效容积的1/100-1/3，能够定期进行投加或置换农业废弃物。
所述碳源缓释装置内的农业废弃物可以是一次性投加或多次投加；采用多次投加方式时，每次投加的农业废弃物的量及投加频率要以经过碳源缓释装置后进水污水的碳氮比(化学需氧量与总氮的质量比)控制在3/1-8/1为依据。
所述碳源缓释装置内可以不接种污泥，也可以接种少量活性污泥或富含纤维素降解菌的污泥；如果接种，以接种污泥的干重计，质量浓度为0.01-1g/L。
本发明所采用的前置碳源缓释装置方式不受人工湿地类型的限制，但是未经过农业废弃物碳源释放的进水碳氮比(化学需氧量与总氮的质量比)不宜超过6.5/1。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点：
相比于中国专利文献《一种补充复合垂直流人工湿地碳源的装置》(授权公告号CN201334400Y)提到的利用葡萄糖作为外加碳源用于人工湿地反硝化脱氮的装置，本方法在保证人工湿地良好的脱氮效果的基础上大幅度节省了传统碳源投加所带来的高昂运行成本；相比于直接将农村废弃物作为填料用于人工湿地系统，本发明具有操作便利，结构简单，运行稳定且可控等优点；同时本发明可以根据季节变化或水质变化更换农业废弃物投加量、混合比例及投加频次以达到稳定的缓释效果；相比于传统碳源直接投加到原水中，本方法采用的农业废弃物的缓释碳源能够延长其在人工湿地中的反应时间，既能节省碳源，又能减少了污泥产量。此外，从人工湿地中收割的植物秸秆等经过预处理后仍可作为缓释碳源进行循环利用。综上，本发明方法较之前的专利申请，在实施目标、所要解决的关键问题及方法途径均有显著的差异。本发明具有结构简单、操作便利，在保证人工湿地良好的反硝化脱氮效果的基础上，能够大幅度降低运行成本，具有较好的应用前景，可为城镇污水厂尾水处理及农村污水处理提供技术参考。
附图说明
图1为本发明前置碳源缓释装置的人工湿地示意图。
图中：1粗砂层，2小块砾石，3页岩陶粒，4大块沸石，5水生植物，6农业废弃物，7投加装置。
图2为本发明前置碳源缓释装置的人工湿地污水处理效果。
具体实施方式
下面结合附图以及非限定实施例对本发明的技术方案做进一步分析说明。
本发明增强人工湿地生物脱氮效果的方法，是在人工湿地的前端设置一碳源缓释装置，污水先经过碳源缓释装置后再进入人工湿地；所述碳源缓释装置内置有农业废弃物。
本发明所采用的农业废弃物，包括植物秸秆、玉米芯、马铃薯、腐烂水果、树叶、树皮、棉花等中的一种或几种，若为多种时，混合比例可以采用等比例混合或根据碳源缓释速率进行差异配比；差异配比原则是控制混合农业废弃物的碳源释放速率相对稳定。这些农业废弃物主要成分为纤维素、半纤维素、木质素、淀粉等碳水化合物，含碳有机物所占比例最大，且容易被微生物分解。
所述碳源缓释装置内的农业废弃物在投加前需要经过切割、磨碎预处理，将粒径控制在0.1-5cm。
所述碳源缓释装置外部由网状框架结构构成，内置农业废弃物，网孔孔径为0.1-5cm，既能保证水流通畅和碳源释放，又能截留农业废弃物颗粒。可由单个或多个装置组合放置于人工湿地前端。
所述碳源缓释装置的有效容积为人工湿地有效容积的1/100-1/3，能够定期进行投加或置换农业废弃物。
所述碳源缓释装置内的农业废弃物可以是一次性投加或多次投加；采用多次投加方式时，每次投加的农业废弃物的量及投加频率要以经过碳源缓释装置后进水污水的碳氮比(化学需氧量与总氮的质量比)控制在3/1-8/1为依据。
所述碳源缓释装置内可以不接种污泥，也可以接种少量活性污泥或富含纤维素降解菌的污泥；如果接种，以接种污泥的干重计，质量浓度为0.01-1g/L。
本发明所采用的前置碳源缓释装置方式不受人工湿地类型的限制，但是未经过农业废弃物碳源释放的进水碳氮比(化学需氧量与总氮的质量比)不宜超过6.5/1。
具体实施例：
在本实施例中选择玉米芯作为缓释碳源，通过静态试验测得的玉米芯的稳定缓释速率约为1mg COD/(g·d)。校园生活污水经过膜生物反应器的出水添加硝态氮后(由于生活污水经过处理后出水硝态氮浓度小于5mg/L，为使得人工湿地处理效果表现的更加明显，向出水中投加25mg/L的硝酸钾)作为人工湿地的进水。人工湿地的进水水量为10L/d，进水COD小于30mg/L，硝态氮浓度约为30mg/L，进水氨氮小于1.5mg/L。本实施例设计采用COD:TN＝6进行投加缓释碳源，即投加1800g玉米芯作为缓释碳源，但是投加装置只够容纳400g的玉米芯，故实际运行只投加400g玉米芯。具体实施步骤如下：
1、称取400g风干后的玉米芯进行打碎，颗粒直径控制在0.5-5cm，在校园树根部取适量落叶覆盖的土壤(腐殖质)，去除大颗粒砾石等杂物后混合均匀，然后接种到玉米芯上(即与玉米芯混合均匀)；接种后将玉米芯置于投加装置中。
2、按照附图1搭建人工湿地，将农业废弃物投加装置插入人工湿地前端部分，如附图1所示。人工湿地开始持续进水，间隔一天对出水的硝态、总氮和COD进行测定，运行结果如图2所示。
人工湿地系统运行到第15天时，出水的COD已经小于30mg/L，并且出水总氮小于10mg/L；运行到第55天，出水COD稳定小于30mg/L，达到了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅳ类水标准，出水总氮稳定小于5mg/L，达到了类地表Ⅳ类水标准。
经过大约2个月的运行，出水保持稳定的处理效果，这说明缓释碳源的缓释作用并不是短暂的，而是长期稳定进行的。农业废弃物碳源的缓释效果主要依靠微生物分解作用进行的，本发明对于缓释碳源的选择并不局限于玉米芯，对于富含纤维度、半纤维素或淀粉等碳水化合物的农业废弃物同样可行。

Claims (3)

1.一种增强人工湿地生物脱氮效果的方法，其特征在于：是在人工湿地的前端设置一碳源缓释装置，污水先经过碳源缓释装置后再进入人工湿地；所述碳源缓释装置的外部由网状框架结构构成，内部置有农业废弃物；
所述农业废弃物包括植物秸秆、玉米芯、马铃薯、腐烂水果、棉花、树皮、树叶中的一种或几种；
所述碳源缓释装置内的农业废弃物在投加前需要经过切割、磨碎预处理，将粒径控制在0.1-5cm；所述碳源缓释装置外部网状框架结构的网孔孔径为0.1-5 cm；
所述碳源缓释装置内的农业废弃物是一次性投加或多次投加，每次投加的农业废弃物的量及投加频率以经过碳源缓释装置后进水污水的碳氮比控制在3 /1-8/1为依据；
所述碳源缓释装置的进水碳氮比≤6.5/1；
所述碳源缓释装置的有效容积为人工湿地有效容积的1/100-1/3。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述碳源缓释装置由单个装置或多个装置组合放置于人工湿地前端。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述碳源缓释装置内不接种污泥，或者接种活性污泥或富含纤维素降解菌的污泥。
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