CN108059242B - 一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控方法及装置 - Google Patents

一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控装置,该装置包括依次连接的A2/O池(1)、纳米曝气池(2)和快速土渗装置(3),向A2/O池(1)中通入待处理的废水,将废水依次在厌氧、缺氧和好氧环境下处理,并传输处理后废水上清液至纳米曝气池(2)中,并将经纳米曝气池(2)处理后废水上清液引入快速土渗装置(3),通过流经铺设于快速土渗装置(3)中的一层或多层填料使污染物得到降解或脱除。本发明中将用于农业活动区中的废水处理为满足灌溉要求的中水,对重金属等污染物含量进行防控,从根本上降低农田作物中重金属等污染物,避免重金属积累危害人类健康,维护农田良好状况,促进农业的持续健康发展。

Description

一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控方法及装置
技术领域
本发明涉及中水回用领域,特别涉及一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控、修复技术及装置。
背景技术
农用地是农作物正常生长所需物质的供应者和调节者,土地质量的高低,直接影响着农作物的产量。随着经济发展,农业活动区对水土资源的需求越来越大,但是水资源约束成为经济发展的瓶颈因素。2003年农业灌溉用水占全国用水总量的64.5%,因而用水资源短缺问题在农业生产中尤为突出。刘昌明的调查发现,由于过量超采地下水,导致北京市城市地面沉降。
然而,采用污水灌溉会导致土壤重金属含量增加,土壤板结,甚至产生土壤污染问题。太原市部分地区以及关中交口灌区的调查结果显示,污灌会导致浅层地下水的重金属污染。我们对北京市1000多个样点土壤和蔬菜的大面积调查研究表明,目前北京市土壤和蔬菜都已存在不同程度的重金属污染问题。
中水回用,是解决水资源危机的重要途径,也是协调水资源与水环境的根本出路,生活污水处理回用,既能减小对地下水的开采,又能带来一定的经济效益。中水是指各种排水经处理后,达到规定的水质标准,可在生活、市政、环境等范围内杂用的非饮用水。因为它的水质指标低于生活饮用水的水质标准,但又高于允许排放的污水的水质标准,处于二者之间,所以叫做“中水”。生活污水数量巨大、稳定、不受气候条件和其它自然条件的限制,将生活污水处理后达到农田灌溉水质标准,可稳定用于农业活动区灌溉,有效缓解水资源短缺问题。
随着城市的发展,人口迅速增加,如果不开展中水回用,届时包括城市在内的农业活动区的缺水问题将会更加突出。因此,在缺水或者极度缺水地区开展中水回用具有重要现实意义,并且有必要开发有效的将废水处理为满足农田灌溉水质标准的中水处理方法或装置,实现废水的有效利用。
基于上述状况,本发明提供了一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控技术及装置,将农业活动区中的废水或进入农业活动区中的废水处理为满足灌溉要求的中水,对重金属等污染物含量进行防控,从根本上降低农田作物中重金属等污染物,促进作物生长,避免重金属积累危害人类健康,维护农田良好状况,促进农业的持续健康发展,保证农业安全和人体安全。
发明内容
为了解决上述问题,本发明人进行了锐意研究,提供了包括A2/O、纳米曝气池和快速土渗装置污染物防控装置,在装置内通过水体、植物、微生物、固体基质的物理、化学、生物三种协同作用,降低或去除废水中的污染物(包括氮、磷、有机物、重金属等)含量,以实现废水净化为满足灌溉要求的中水,从而完成本发明。
本发明的目的在于提供以下技术方案:
1.一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控装置,该装置包括依次连接的A2/O池1、纳米曝气池2和快速土渗装置3,
所述A2/O池1中通有待处理的废水,将废水依次在厌氧池101、缺氧池102和好氧池103中进行处理,并传输经好氧池103处理后废水上清液至纳米曝气池2中;
纳米曝气池2接收A2/O池1的上清液,对上清液进行好氧环境下处理,传输处理后的上清液至快速土渗装置3;
快速土渗装置3中铺设有一层或多层填料,通过使接收的废水上清液流经各层填料使污染物得到降解或脱除。
(2)一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控方法,通过上述(1)所述防控装置进行污染物防控,所述方法包括设置依次连接的A2/O池1、纳米曝气池2和快速土渗装置3;
向A2/O池1中通入待处理的废水,将废水依次在厌氧、缺氧和好氧环境下处理,并传输处理后废水上清液至纳米曝气池2中;
纳米曝气池2接收A2/O池1的废水上清液,对上清液进行好氧环境下处理,传输处理后的上清液至快速土渗装置3;
将经纳米曝气池2处理后废水上清液引入快速土渗装置3,进入铺设于快速土渗装置3中的一层或多层填料使污染物得到降解或脱除。
根据本发明提供的一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控方法与装置,具有以下有益效果:
(1)本发明中A2/O池包括依次连接的厌氧池、缺氧池和好氧池,废水在厌氧-缺氧-好氧环境下通过微生物处理,可在较大程度上降低废水中有机物量、含氮量和含磷量。
(2)纳米曝气池中通有纳米气泡水,可产生氧自由基对长碳链有机物进行降解,且纳米曝气池内填充碳素纤维生态草,纳米瀑气池和碳素纤维生态草的结合相较于纳米瀑气池表现出明显增强的有机物降解、脱氮、悬浮物去除和重金属去除效果。
(3)本发明中的快速土渗装置为多层填料铺设而成,且对每层填料中的填料种类、用量配比、粒径大小和填充高度进行特定的选择,可在快速土渗装置中有效实现重金属吸附、悬浮物滤除、有机物降解和脱磷脱氮。
(4)本发明中的快速土渗装置中种植特定的湿地植物,有利于重金属的富集,且得到的富集有重金属的湿地植物可再利用,制备得到具有光催化效果的功能型生物炭。
(5)本发明中提供了包括A2/O、纳米曝气池和快速土渗装置污染物防控装置,在装置内通过水体、植物、微生物、固体基质的物理、化学、生物三种协同作用,降低或去除废水中的污染物(包括氮、磷、有机物、重金属等)含量,以实现废水净化为满足灌溉要求的中水,可有效缓解水资源短缺和地下水过度开采的问题。
附图说明
图1示出本发明中一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控装置结构示意图。
附图标号说明:
1-A2/O池;
101-厌氧池;
102-缺氧池;
103-好氧池;
2-纳米曝气池;
3-快速土渗装置;
4-温控装置;
5-感温探头;
6-湿地植物
7-排泥孔;
8-搅拌机;
9-二次排泥孔;
10-纳米曝气盘;
11-流量计;
12-纳米曝气机;
13-第一层填料;
14-第二层填料;
15-第三层填料;
16-第四层填料。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明,本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面,但是除非特别指出,不必按比例绘制附图。
如图1所示,本发明人进行了大量研究,提供了一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控装置,以有效控制引入农田中水的污染物如重金属、总氮、总磷含量。该防控装置包括依次连接的A2/O池1、纳米曝气池2和快速土渗装置3,
所述A2/O池1中通有待处理的废水,将废水依次在厌氧、缺氧和好氧环境下处理,并传输处理后废水上清液(好氧环境经好氧环境处理后的上清液)至纳米曝气池2中;
纳米曝气池2接收A2/O池1的上清液,对上清液进行好氧环境下处理如有机物降解、悬浮物沉降和脱氮脱磷,传输处理后的上清液至快速土渗装置3;
快速土渗装置3中铺设有一层或多层填料,通过使接收的废水上清液流经各层填料使污染物得到降解或脱除,如有机物的降解、重金属固定和脱除、悬浮物过滤、脱氮和脱磷。
本发明中,A2/O池1包括依次连接的厌氧池101、缺氧池102和好氧池103,废水先进入厌氧池101,兼性厌氧菌将废水中的易降解有机物转化为挥发性脂肪酸(VFAs)。在厌氧池101中投加聚磷菌,聚磷菌在厌氧池101将体内聚磷分解,释放的能量一部分可供好氧的聚磷菌在厌氧环境下维持生存,另一部分供聚磷菌主动吸收VFAs,并在体内储存聚-β-羟丁酸(PHB)。废水随后进入缺氧池102,在缺氧池102内投加的反硝化细菌利用有机物和硝酸盐进行反硝化脱氮。其后废水进入好氧池103,聚磷菌除了吸收利用废水中残留的易降解有机物外,主要分解体内储存的PHB产生能量供自身繁殖并主动吸收环境中的溶解磷,以聚磷形式在体内存储。好氧池103内投放硝化细菌(亚硝酸细菌和硝酸细菌),将氨氮氧化成亚硝酸根和硝酸根形式,从而增加植物可利用的氮素营养,且便于通过后续反硝化作用进行脱氮。废水经厌氧池101和缺氧池102,废水中有机物、氮、磷被聚磷菌和反硝化细菌利用后浓度得到有效降低。
在一种优选的实施方式中,A2/O池1内温度可通过温控系统进行调节,所述温控系统通过温控装置4中的感温探头5测定A2/O池1中的温度,将测定的温度与设定温度进行比较,调整A2/O池1内温度至设定温度。
在一种优选的实施方式中,A2/O池1的厌氧池101中加有浮萍和水藻等水生植物,经A2/O池1中厌氧和缺氧环境进行酸化消解,通过好氧环境进行酸化后有机物的降解。通过评价本发明中污染物防控装置对有机物的去除效果,在满足灌溉用水中有机物的标准(化学需氧量(CODCr≤150~300))的前提下,向A2/O池1中加入适当量水生植物,在A2/O池1中将水生植物酸化、降解,可为快速土渗装置3中投加的微生物提供繁衍所需的碳源,促进废水中氮、磷和长碳链有机物的去除。
本发明中,A2/O池1的底部设置排泥孔7,优选A2/O池1的厌氧池101、缺氧池102和好氧池103的底部均设置排泥孔7,废水来源复杂,且若采用浮萍和水藻作为细菌生长养分的原材料,废水中必定存在淤泥或沉积物,排泥孔7的设置便于淤泥或沉积物的排出,减少A2/O池1内空间的无效占用。
在一种优选的实施方式中,若采用浮萍和水藻作为细菌生长养分的原材料,在A2/O池1中进行酸化消解,则A2/O池1的厌氧池101和缺氧池102内装有搅拌机8,使得浮萍或水藻得以粉碎,加快酸化分解过程;
优选地,控制A2/O池1中通入纳米曝气池2的上清液COD高于200mg/L,此时,认为A2/O池1中浮萍和水藻的分解程度较好。
本发明中,在A2/O池1的好氧池103和纳米曝气池2的下部设置纳米曝气盘10,通过纳米曝气盘10向好氧池103和纳米曝气池2中通入含氧气流体。进一步的,通入的含氧气流体为纳米气泡水。所述纳米气泡水为含有100~500nm尺寸的微小气泡的水或水溶液,其溶氧量达到10~25mg/L。
由于纳米气泡水中气泡尺寸小,比表面积大,能表现出有别于普通气泡的特性,如由于体积很小在装置中停留时间长,缓慢上升后,zeta电位升高,比表面积增大(普通气泡上升过程中体积增大,比表面积减小;而纳微气泡由于表面张力影响,内部气体产生自增压效果,上升过程中,比表面积增大),发生溃灭产生活性氧自由基,如羟基自由基,从而对水中的长碳链有机物进行高效降解;而溃灭瞬间产生的高温同样利于长碳链有机物的降解。
在一种优选的实施方式中,纳米曝气盘10上的孔径为纳米孔径,纳米曝气盘的设置可进一步保障进入纳米曝气池2中的气泡为纳米尺寸的气泡。纳米曝气盘10通过管路依次与流量计11和纳米曝气机12相连,所述纳米曝气机12向纳米曝气盘10提供含氧气流体,而流量计11可有效控制通入纳米曝气池2中的含氧气流体量(或氧气量)。
在一种优选的实施方式中,纳米曝气池2的底部设置二次排泥孔9,以进一步去除废水中带来的淤泥或沉积物,避免传输至快速土渗装置3时堵塞管道,或加快堵塞快速土渗装置3中填料孔隙。
本发明中,纳米曝气池2可进一步实现长碳链有机物的有效降解,使得纳米曝气池2出水中有机物平均分子量低于308.24Da,优选低于254.50Da。
在一种优选的实施方式中,纳米曝气池2内投加有微生物,所述微生物为Bacillussp.,Bacillus sp.为芽孢杆菌属。Bacillus sp.中细菌如Bacillus sp.LY、Bacillussp.H2或Bacillus sp.JB4可以以长碳链有机物作为生长的碳源,因而其加入可促进对长碳链有机物的降解。
同时,Bacillus sp.LY为具有脱氮功能的异养硝化细菌,Bacillus sp.H2为好氧反硝化细菌,Bacillus sp.JB4为异养硝化-好氧反硝化菌,因而,在利用上述一种或多种细菌在纳米曝气池2中降解长链烃有机物时,还可利用氧气、亚硝酸根或硝酸根作为电子受体进行反硝化脱氮;将上述细菌与经过降解后废水共同输入快速土渗装置3,在快速土渗装置3中还可继续对废水进行脱氮。
在本发明中,纳米曝气池2内填充碳素纤维生态草。纳米瀑气池2和碳素纤维生态草的结合相较于纳米瀑气池2具有明显增强的有机物降解、脱氮、悬浮物去除和重金属去除效果:
(a)碳素纤维生态草是由丙烯酸长纤维制造的PAN系纤维,其具有极高的吸附性和生物亲和性,微生物菌群可在其表面形成粘着性活性生物膜,通过对有机污染物的吸附、生物氧化等环节,结合含氧气流体对水体中的有机污染物进行降解、转化;(b)碳素纤维生态草表面形成生物膜的一个断面上,由外及里形成了好氧、兼性厌氧和厌氧三种反应区,从而为硝化、反硝化作用的细菌群落繁殖创造适宜的条件,最终达到降低总氮的目的;(c)废水中特别是生活污水中含有大量悬浮物可造成农田板结,通过纳米曝气池2的曝气沉沙可去除大颗粒无机组分,通过碳素纤维生态草水下散开树状结构,增加了颗粒物与生物膜的接触,促使曝气沉沙部分未去除的小颗粒悬浮固体在此接触过程中充分沉降;(d)碳素纤维生态草对矿物质、重金属具有超强的吸附和富集作用:一方面碳素纤维生态草表面附着的大量微生物在与污染物充分接触的过程中不断吸收和富集重金属;另一方面生态草表面的生物膜产生大量的生物絮凝剂,将重金属充分絮集。
在本发明中,快速土渗装置3由上至下铺设有三层至六层填料,每层填料可选自土壤、生物炭、功能型生物炭、矿石颗粒如砾石、天然沸石、火山石、方解石、石灰石、鹅卵石等、硅藻土或弗洛里硅藻土中的一种或多种。
在一种优选的实施方式中,快速土渗装置3由上至下铺设有四层填料:
第一层填料13进行重金属吸附和有机物的降解;
第二层填料14进行重金属吸附固定;
第三层填料15进行重金属吸附并通过在此区域内投放聚磷菌以其聚磷能力降低待净化废水中的磷含量;
第四层填料16进行重金属吸附,通过构建厌氧环境使得聚磷菌在此区域内脱磷,以促进其在第三层填料区域内的聚磷能力,并通过投放厌氧反硝化细菌降低待净化废水中的氮含量。
在本发明的一种优选的实施方式中,0-500cm处铺设有第一层填料13,第一层填料13为土壤和功能型生物炭的混合填料,混合比例为3:(6~8),优选为3:7。
其中,生物炭是在缺氧的条件下生物质经高温、脱油后得到的高碳含量的材料。功能型生物炭则是负载有过渡金属的生物炭。
功能型生物炭具有生物炭的以下特点:(1)微观结构上,具有多孔性特征,且生物炭相较于其他材料具有可控的孔隙度即微孔隙(<0.9nm)、小孔隙(<2nm)和大孔隙(>50nm)。大孔隙可以保证与其配合使用的土壤的通气性和保水能力,同时也为微生物提供了生存和繁殖的场所,从而提高微生物的活性和繁衍速度;微、小孔隙影响生物炭对分子的吸附和转移,生物炭的孔隙结构能减小水分的渗透速度,增强了土壤对移动性很强和容易淋失的养分元素的吸附能力;因而其多孔结构利于第一层填料上植物的生长;
(2)生物炭的多孔性能决定其具有较大的表面积,对区域水中的有机物可进行大量吸附,利于对有机物的吸附后降解;
(3)生物炭表面具有羧基﹑酚羟基﹑羰基含氧官能团,上述官能团所产生的表面负电荷使得生物炭具有较高的阳离子交换量,可有效吸附废水中重金属离子。
值得注意的是,功能型生物炭除了具有生物炭所具有的上述特点外,由于其负载有过渡金属(如镍、钴、铁),可利用过渡金属的光催化作用,在氧气存在下将吸附在功能型生物炭表面的水分子或氢氧根氧化生成活性氧,如羟基自由基·OH,使其对有机污染物进行降解、脱硫(S)、脱氯(Cl),降低有机污染物毒性及臭味。
本发明中在第一层填料13中以功能型生物炭为主,辅助加入土壤,土壤的加入以利于第一层填料13上植物的种植。经过试验发现,土壤和功能型生物炭以3:(6~8)混合时,由于活性炭对土壤的固定,可实现植物的良好生长,且以功能型生物炭为主的填料,可吸附大量有机物,通过过渡金属离子的光催化作用,有效实现对有机物的降解。若土壤和功能型生物炭的比例低于3:8,土壤比例降低,由于缺少必要养分,植物生长态势缓慢;若土壤和功能型生物炭的比例高于3:6,降低了光催化的效果,对有机物的降解效率下降。
在进一步优选地实施方式中,第一层填料13特别是功能型生物炭的粒径为0.10-0.30cm,在此粒径范围内,功能型生物炭对土壤起支撑作用,便于空气进入填料层,植物根部与空气得到有效接触,利于种植在第一层填料13上的水生植物的生长;位于水体下部的功能型生物炭在氧气存在下进行光催化,实现有效降解。如果功能型生物炭的粒径小于0.10cm,对空气进入填料层不利,缺少氧气不利于植物生长和有机污染物降解;如果功能型生物炭的粒径大于0.30cm,大粒径的颗粒由于较小的表面积,不利于光催化效率。
在更进一步优选地实施方式中,第一层填料13上种植湿地植物6,优选为梭鱼草和美人蕉。梭鱼草和美人蕉可以在富营养化的水体中正常生长,表现出很好的水体净化效果,通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用,可有效降低水中悬浮物、总氮、总磷、和化学需氧量(COD)值。值得关注的是,梭鱼草和美人蕉对重金属表现出极高的富集能力,两种植物在体内积累的重金属是普通水生植物的100倍以上,但其正常生长不受影响。通过收获植物可将重金属从水体中彻底除去,因而,选用此两种水生植物进行种植,为行之有效的降低重金属的生态方法。
在更进一步优选地实施方式中,功能型生物炭可通过快速土渗装置3中种植的湿地植物6(梭鱼草和美人蕉)经碳化、活化除油、还原、干燥得到。植物在生长过程中源源不断吸收重金属至体内,吸收重金属的植物生物质烧制为活性炭,重金属不是粘结在碳结构上,而是镶嵌在植物碳纤维内,其联结结构无比稳固,生物炭内重金属负载量远远超过现有负载方式,具备更高的电容和光催化能力。
在一种优选的实施方式中,湿地植物6生长过程添加鼠李糖脂或聚天门冬氨酸中一种或其组合,优选鼠李糖脂和天门冬氨酸组合使用,促进植物体内重金属的富集,使得植物体内重金属达到植物能够承受的最高浓度。鼠李糖脂和天门冬氨酸具有良好的生物相容性和生物降解性,鼠李糖脂为水溶性生物表面活性剂,可通过乳化、增溶作用促进土壤等吸附的重金属的溶出,便于植物吸收;而天门冬氨酸具有鳌合活化重金属离子能力,可将土壤等吸附的重金属溶出,同时还兼具其他螯合剂所不具备的可有效促进植物生长的优势。我们发现,将两者以设定比例混合,可使植物对重金属获得有效富集。
优选的,鼠李糖脂的添加量在待处理废水中的浓度为1~20mg/L,聚天门冬氨酸的添加量在待处理废水中的浓度为1~25mg/L。
在本发明的一种优选的实施方式中,500-1000cm处铺设第二层填料14,第二层填料14为土壤、天然沸石、石灰石的混合填料,混合比例为1:(2~3):(0.5~1),优选为1:2:0.5。
沸石是含水多孔硅铝酸盐的总称,其结晶构造主要由(SiO)四面体组成。Al3+和Si4 +作为构架离子和氧原子一起构成了沸石分子的整体框架,部分Si4+为Al3+取代,导致负电荷过剩,同时沸石构架中有一定孔径的空腔和孔道,决定了其具有吸附和离子交换的性质,其对氨氮的吸附和重金属的吸附固定相较于其他矿石原料有更大的优势。
石灰石同样存在较多的孔隙结构,因而可对重金属起到有效的吸附,同时石灰石可对水体的酸碱性起到有效的调节作用,对上层填料中植物生长以及水体中微生物的繁殖起到至关重要的作用(聚磷菌多在pH5~pH9下繁殖,硝化细菌和反硝化细菌多在pH6.0~pH8.5下繁殖)。同时,石灰石对氟离子有较强的吸收,有效降低水体中氟的含量。
土壤的存在同样为人工湿地中湿地植物6提供支撑;同时,研究表明,由于土壤中存在黏粒矿物、氧化物和土壤有机质等,土壤对重金属有富集倾向,使得其对重金属离子的吸附能力不容小觑。
经过大量的实验研究,本发明中选择第二层填料14中土壤、天然沸石、石灰石的混合比例为1:(2~3):(0.5~1),在此范围内,可实现大部分重金属的吸附固定和对水体的酸碱度调节。如果土壤比例增加,由于其吸附重金属吸附效果弱于天然沸石和石灰石,降低了重金属吸附能力;反之,可能影响植物生长的营养储备。如果天然沸石增加,对重金属的吸附增强,相应的土壤或石灰石量下降,同样对植物生长或水体酸碱度调控造成威胁。同样地,石灰石比重的增加对水体酸碱度调控有利,但相应降低了其他组分的效力;反之,水体酸碱度的调控不能迅速有效进行,进而影响微生物的功能活动。
在进一步优选地实施方式中,第二层的填料13的粒径为0.08-0.1cm,相当于或低于第一层填料13中功能型生物炭的粒径,且相当于或高于第三层填料15的粒径。此粒径范围的选择考虑到气体流通和总金属吸附两者的协调;粒径低于0.08cm时,虽然促进了对重金属的吸附,但由于堆积密度增大,空气流通降低,不利于第三层填料15区域中投放的聚磷菌的聚磷过程;粒径高于0.1cm时,促进了空气流通,但相应的重金属吸附能力较0.08cm时有明显的降低。
在本发明的一种优选的实施方式中,1000-1500cm处铺设第三层填料15,第三层填料15为粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭的混合填料,混合比例为1:(3~4):(1~1.5),优选为1:3:1。
本发明中以粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭此三种具有多孔隙的填料在快速土渗装置深层进行重金属吸附。三者的共同特点是孔隙度高,便于微生物的挂膜生长。其中,采用粉煤灰作为分子筛是基于粉煤灰的主要成分与分子筛的主要成分相近,且粉煤灰目前是作为废弃物处理,由于其包含Cr、Hg、As和Pb等重金属离子,对空气、水源、土壤等都造成了污染,将其作为分子筛,利用其阳离子交换特性和孔道结构,可实现重金属的吸附,且使得废弃污染源可得到有效利用。
生物炭由于大表面积,同样具有优异的重金属吸附能力。
弗洛里硅藻土相较于普通硅藻土孔容大、比表面积大、重金属和有机污染物的吸附性更强。特别地,弗洛里硅藻土具有深度效应,即在深层过滤时,分离过程只发生在介质的“内部”,部分穿过弗洛里硅藻土表面的比较小的杂质粒子,被硅藻土内部曲折的微孔构造和内部更细小的孔隙所阻留,当微粒撞到通道的壁上时,才有可能脱离液流;弗洛里硅藻土的这种性质有利于细菌微生物在此区域的较长时间滞留,便于微生物的投放。
由于粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭对不同的重金属具有不同的吸附优势,设定粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭的混合比例为1:(3~4):(1~1.5),在提高各重金属离子吸附的同时,可利于微生物投放。
在一种优选的实施方式中,粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭的粒径为0.05-0.08cm。由于上述三种填料孔隙度高,在此小粒径范围内,有利于对重金属离子的吸附,且便于微生物的挂膜生长。
在一种优选的实施方式中,第三层填料15区域内投放聚磷菌以其聚磷能力降低待净化废水中磷含量。所述聚磷菌选自不动杆菌属(Acinetobacter)、气单胞菌属(Aeromonas)、假单胞菌属(pseudomonas)中一种或多种,优选为假单胞菌pseudomonaalcaligenes。
在需氧条件下,聚磷菌以游离氧为电子受体氧化细胞内贮存的β-羟丁酸(PHB),利用该反应产生的能量,过量地从水中摄取磷酸盐合成高能物质三磷酸腺苷(ATP),其中一部分供给细菌合成和维持生命活动,一部分则合成聚磷酸盐蓄积在细菌细胞内。在厌氧条件下,聚磷菌在分解体内聚磷酸盐的同时产生ATP,聚磷菌在厌氧条件下释放出磷,其好氧聚磷量大于厌氧释磷量,故通过聚磷菌的投放可有效控制废水中磷含量。
在本发明的一种优选的实施方式中,1500-2000cm处铺设第四层填料16,第四层填料16为鹅卵石、生物炭的混合填料,混合比例为1:(1~2),优选为1:1。鹅卵石同样具有重金属吸附能力,与生物炭配合,对重金属进行协同吸附作用。
在进一步优选地实施方式中,第四层填料16的粒径为0.30-0.50cm,较大粒径的填料使得填料间具有较大的间隙,便于投放的微生物的流通。由于第三层填料15的粒径较小,在一定程度上限制了微生物进入第四层填料16,若第四层填料16的粒径同样减小,聚磷菌不能有效往返于第三、四层填料,不利于聚磷—释磷的进行。
在更进一步优选地实施方式中,所述第四层填料16为缺氧或厌氧环境,在第四层填料16中投加有厌氧反硝化细菌,优选为异养厌氧反硝化细菌。反硝化细菌能够使NO3 -逐步转变为NO2 -、NO、N2O和N2,脱离水体体系,从而达到脱氮的目的。废水中本身存在一定的硝化细菌和反硝化细菌,本发明中加入设定量的反硝化细菌,可进一步促进废水中脱氮效率。
在更进一步优选地实施方式中,所述第四层填料16中还投加有聚磷菌,聚磷菌在厌氧条件下释磷,此条件下的释磷可促进其在第三层填料区域的好氧条件下更好的聚磷。
在快速土渗装置3中加入反硝化细菌和聚磷菌,或者A2/O池1中加入的反硝化细菌、硝化细菌和聚磷菌,或者纳米曝气池2中加入的具有脱氮功能的细菌,共同在快速土渗装置3中完成脱氮除磷,使废水中氮磷含量进一步有效降低,利于达到灌溉用水平。
为了实现和保持第四层填料16的缺氧或厌氧环境,第三层填料15与第四层填料16之间填充极性高聚物聚苯胺膜。极性高聚物聚苯胺膜具有透水不透气的独特功能,可使得第三层填料15和第四层填料16间进行水和微生物的流通,但是防止了上层含氧气体进入第四层填料16,保证了厌氧反硝化细菌和聚磷菌在此区间的生命活动。
植物的生长需要适当量的磷肥和氮肥,磷肥中磷和氮肥中氮以酸根离子形式被植物吸收,但是,每年施入土壤中的肥料只有部分被当季作物吸收利用,其余被土壤固定,形成大量酸盐沉积,造成土壤板结。废水尤其是生活污水中可能富含氮、磷,两者以有机磷、有机氮或者无机磷、无机氮的形式存在,有机磷、有机氮在A2/O池1和快速土渗装置3中分解为无机磷、无机氮和短碳链,形成的无机磷、无机氮也多以酸根离子形式存在于水体中。若氮、磷含量超过植物所需,必定影响土壤的状况,同样造成酸盐沉积、土壤板结。因而,本发明人经过大量研究,确定了在快速土渗装置3中设置好氧区(第一、二和三层填料区)和厌氧区(第四层填料区),通过投放聚磷菌和反硝化细菌,进一步有效解决氮、磷过量的问题。
上述第一层填料13、第二层填料14、第三层填料15和第四层填料16的厚度均为500cm,填料总厚度为2000cm;其为各填料层的优选厚度,以有效实施各层的功能。第一层填料13的厚度可以为100~700cm,第二层填料14的厚度可以为300~700cm,第三层填料15的厚度可以为200~600cm,第四层填料16的厚度可以为100~600cm。
本发明中,快速土渗装置3在沿其长度方向的两侧设置有进水管和出水管,进水管和出水管上均设置有控制阀门。进水管向第一层填料13内部通入废水,出水管汇集由第四层填料16流出的水体。同时打开进水管和出水管的阀门,人工湿地为垂直下行流运行模式。垂直下行流运行模式大大增加了废水与空气的接触面积,有利于氧的传输,提高了氮磷净化处理效果,且废水从表面由上到下竖向流至填料床底,废水在流动过程中依次经过不同的介质层,从而达到对重金属和悬浮物的净化。
本发明的另一目的在于提供一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控方法,通过上述防控装置以有效控制引入农田的废水水中的污染物含量,所述方法包括设置依次连接的A2/O池1、纳米曝气池2和快速土渗装置3;
向A2/O池1中通入待处理的废水,将废水依次在厌氧、缺氧和好氧环境下处理,并传输处理后废水上清液(经好氧环境处理后的上清液)至纳米曝气池2中;
纳米曝气池2接收A2/O池1的废水上清液,对上清液进行好氧环境下处理如有机物降解、悬浮物沉降和脱氮脱磷,传输处理后的上清液至快速土渗装置3;
将经纳米曝气池2处理后废水上清液引入快速土渗装置3,进入铺设于快速土渗装置3中的一层或多层填料使污染物得到降解或脱除,如有机物的降解、重金属固定和脱除、悬浮物过滤、脱氮和脱磷。处理后的废水即中水满足农田灌溉水质要求,将其输送至农田中进行灌溉。
本发明中,A2/O池1包括依次连接的厌氧池101、缺氧池102和好氧池103,在厌氧池101中投加聚磷菌,聚磷菌在厌氧池101将体内聚磷分解;在缺氧池102内投加反硝化细菌,利用有机物和硝酸盐进行反硝化脱氮;在好氧池103中,聚磷菌主动吸收环境中的溶解磷,以聚磷形式在体内存储,且好氧池103内投放硝化细菌,将氨氮氧化成亚硝酸根和硝酸根形式,增加植物可利用的氮素营养且可通过后续反硝化作用控制废水中总氮量。
在本发明的一种实施方式中,向A2/O池1的厌氧池101中通入浮萍和水藻等水生植物,经A2/O池1中厌氧和缺氧环境进行酸化消解,通过好氧环境进行酸化后有机物的降解。在满足灌溉用水中有机物的标准的前提下,在A2/O池1中将水生植物酸化、降解为短碳链有机物,可为快速土渗装置3中投加的微生物提供繁衍所需的碳源,提高废水中氮、磷和长碳链有机物的去除。
在本发明的一种实施方式中,控制A2/O池1的上清液COD高于200mg/L,此时,认为A2/O池1中浮萍和水藻的分解程度较好,确定为得到高含量的有机物。
本发明中,在A2/O池1的好氧池103和纳米曝气池2的下部设置纳米曝气盘10,通过纳米曝气盘10向好氧池103和纳米曝气池2中通入含氧气流体。进一步的,通入的含氧气流体为纳米气泡水。所述纳米气泡水为含有100~500nm尺寸的微小气泡的水或水溶液,其溶氧量达到10~25mg/L。
在一种优选的实施方式中,纳米曝气池2内填充碳素纤维生态草。
在本发明中,快速土渗装置3中由上至下铺设有四层填料:
第一层填料13进行重金属吸附和有机物的降解;
第二层填料14进行重金属吸附固定;
第三层填料15进行重金属吸附并通过在此区域内投放聚磷菌以其聚磷能力降低待净化废水中的磷含量;
第四层填料16进行重金属吸附,通过构建厌氧环境使得聚磷菌在此区域内脱磷,以促进其在第三层填料区域内的聚磷能力,并通过投放厌氧反硝化细菌降低待净化废水中的氮含量。
具体地,第一层填料13为土壤和功能型生物炭的混合填料,混合比例为3:(6~8),优选为3:7,填料的粒径为0.10-0.30cm,填料厚度为100~700cm。
第二层填料14为土壤、天然沸石、石灰石的混合填料,混合比例为1:(2~3):(0.5~1),优选为1:2:0.5,填料的粒径为0.08-0.1cm,填料厚度为300~700cm。
第三层填料15为粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭的混合填料,混合比例为1:(3~4):(1~1.5),优选为1:3:1,填料的粒径为0.05-0.08cm,填料厚度为200~600cm。
第四层填料16为鹅卵石、生物炭的混合填料,混合比例为1:(1~2),优选为1:1,填料的粒径为0.30-0.50cm,填料厚度为100~600cm。
本发明中,各填料层中不同物料的比例为重量比。
在一种优选的实施方式中,快速土渗装置3(第一层填料上)内种植湿地植物,所述湿地植物6为梭鱼草和美人蕉。优选地,湿地植物6生长过程向快速土渗装置3中加入鼠李糖脂或聚天门冬氨酸中一种或其组合,优选鼠李糖脂和天门冬氨酸组合使用,促进植物体内重金属的富集,使得植物体内重金属达到植物能够承受的最高浓度。
在一种优选的实施方式中,第三层填料15与第四层填料16之间填充极性高聚物聚苯胺膜,在第三层填料15区域内投加聚磷菌,在第四层填料16区域内投加反硝化细菌和聚磷菌。
本发明中,由于在快速土渗装置3中种植了湿地植物梭鱼草和美人蕉,其对重金属有极为优异的富集效果,因而可通过该湿地植物进行功能型生物炭的制备,制得的功能型生物炭可作为填料回用于快速土渗装置。
本发明的一种优选的实施方式中,功能型生物炭的制备包括以下步骤:
步骤1),破碎植物体,进行碳化,得到活性炭;
步骤2),将活性炭进行活化处理,得到活化后活性炭;
步骤3),将活化后活性炭进行还原处理,得到功能型生物炭。
在步骤1)中,根据需要将整株植物体破碎成3-5mm长度。
在加热容器如管式马弗炉内充满氩气,使之成惰性环境,升高加热容器内温度至1200℃后,将破碎的植物体颗粒放置入管式马弗炉中,保持1200℃120min,200min内从1200℃降低至20℃,将生物质碳化。
在步骤2)中,用蒸馏水对活性炭进行清洗,至洗后水清亮为清洗标准。向洗后的活性炭中加入30-50%重量浓度的氯化锌至液面高过活性炭,搅拌,微波辐射设定时间后,25℃浸泡过夜,即为活化。对活化后活性炭进行清洗至中性,干燥,备用。
活化使得步骤1)碳化生成的生物油脱离活性炭内部孔隙,防止生物油堵塞活性炭内部孔隙,降低吸附和光催化效果。
活化过程中,采用300W-700W微波辐射20~30min。
在步骤3)中,将活化后活性炭烘干,在低温的环境下滴加硼氢化钠溶液还原活性炭中金属离子至低价态,如还原亚铁离子为零价铁。优选地,滴加的同时用振荡器以100~140转/分振摇,促进活化反应的进行。硼氢化钠溶液的浓度为10mmol/L~30mmol/L。
用蒸馏水清洗活性炭后烘干,待冷却至室温后将还原处理后的活性炭,装满容器并密封,置于烘箱中,在180~680℃温度下加热10~60分钟,冷却至室温即制得功能型生物炭(也即原位自还原负载型活性炭)。
植物在生长过程中源源不断吸收重金属至体内,吸收重金属的植物生物质烧制为活性炭,重金属不是粘结在碳结构上,而是镶嵌在植物碳纤维内,其联结结构无比稳固,生物炭内重金属负载量远远超过现有负载方式,生物炭活化后,其表面灰分焦油被清除,金属离子暴露出来,经过硼氢化钠还原,成为负载重金属的活性炭,不但具备活性炭本身调控城市水力、为土壤增加肥效、养分固持以及改善微生物生境的性能,同时具备电容、催化的功能。
实施例
实施例1
如图1所示,模拟设置极度缺水农业活动区中水回用污染物防控装置,并利用该装置进行废水中污染物控制,设置依次连接的A2/O池、纳米曝气池和快速土渗装置,向A2/O池中通入待处理的废水和藻类,使废水和藻类依次进入厌氧池(溶氧量≤0.2mg/L)、缺氧池(溶氧量0.2~0.5mg/L)和好氧池(溶氧量2~4mg/L),并传输好氧池上清液(COD高于200mg/L)至纳米曝气池,在纳米曝气池的好氧环境下进行废水处理,纳米曝气池中溶氧量保持在4~6mg/L,纳米曝气池中加入微生物Bacillus sp.(Bacillus sp.H2和Bacillus sp.JB4),以及CFS-1型碳素纤维生态草(北京京阳环保工程有限公司);将经纳米曝气池处理后废水上清液引入快速土渗装置。
快速土渗装置中设置四层填料,0-500cm处第一层填料为土壤和功能型生物炭的混合填料,混合比例为3:7,填料粒径为0.10-0.30cm,其上种植有湿地植物梭鱼草和美人蕉;500-1000cm处第二层填料为土壤、天然沸石、石灰石的混合填料,混合比例为1:2:0.5,填料粒径为0.08-0.1cm;1000-1500cm处第三层投加聚磷菌pseudomona alcaligenes,第三层填料为粉煤灰分子筛(河南铭泽环保科技有限公司,13X分子筛)、弗洛里硅藻土和生物炭的混合填料,混合比例为1:3:1,填料粒径为0.05-0.08cm;1500-2000cm处第四层投加厌氧反硝化细菌及聚磷菌pseudomona alcaligenes,第四层填料为鹅卵石、生物炭的混合填料,混合比例为1:1,填料粒径为0.30-0.50cm;第三层填料与第四层填料之间填充极性高聚物聚苯胺膜(根据“王辉.电化学合成聚苯胺薄膜光电性能的研究[J].西安交通大学学报,1999,(08):107-108”合成得到)。
实施例2~18
与实施例1类似,区别如下表1所示。
表1
实施例编号 与实施例1的区别(比例顺序同实施例1)
实施例2 第一层填料为土壤
实施例3 第一层填料中填料比例为1:1
实施例4 第一层填料粒径为0.01~0.08cm
实施例5 第一层填料粒径为5~30mm
实施例6 第二层填料为原比例的土壤和石灰石
实施例7 第二层填料为原比例的土壤和天然沸石
实施例8 第二层填料中填料比例为1:1:2
实施例9 第二层填料粒径为0.01-0.05cm
实施例10 第二层填料粒径为1~10mm
实施例11 第三层填料为原比例的粉煤灰分子筛和生物炭
实施例12 第三层填料为原比例的粉煤灰分子筛和弗洛里硅藻土
实施例13 第三层填料中填料比例为1:1:1
实施例14 第三层填料粒径为0.005-0.03cm
实施例15 第四层填料为鹅卵石
实施例16 第四层填料粒径0.001~0.30cm
实施例17 第三、四层填料区域不投放聚磷菌
实施例18 第四层填料区域不投放厌氧反硝化细菌
实验例
通过测定处理前后水中重金属、CODCr、总磷、总氮含量、pH值,对实施例1~18中污染物控制方法的效果进行评价,结果如表2所示。
评价用水采集自北京市城市污水,向水中加入Pb(NO3)2、Zn(NO3)2、Na3PO4、NaNO3,使得水中Pb的浓度为1.15mg/L,Zn的浓度为5.56mg/L,总P含量为10.17mg/L,总N含量为27.33mg/L,CODCr为224mg/L,pH为7.35;将污水通入水处理装置中进行一系列处理,进水速率为2.5L/min,出水速率为2.5L/min,处理时间为24h(A2/O池约10h、纳米曝气池约2h,快速土渗装置约12h),测定24h后出水水质。
表2
由表2可知,第一层填料中功能型生物炭比例的下降,主要影响对重金属和COD值的降低;而填料尺寸变小,利于重金属的吸附,可能因为影响空气进入水中,降低了微生物脱磷、脱氮能力;填料尺寸变大,促进微生物脱磷、脱氮,磷、氮含量下降;但对重金属的吸附也产生了一定的不利影响。
第二层填料中,天然沸石比例的下降,主要影响对重金属的吸附和固定,使得处理后体系中重金属含量较高;石灰石比例的下降使得体系中pH调节受到影响,微生物的脱磷脱氮效率降低,使得水中总氮、总磷含量较高;而填料粒径的下降,可明显提升的对重金属的吸附,但是由于气体流通受阻,对COD和总氮、总磷的调控不利。
第三层填料中,弗洛里硅藻土有利于微生物存在,且促进微生物脱磷、脱氮,随着其比例的下降,脱磷脱氮效果有所下降;而生物炭由于优异的吸附性能,去除后对重金属水平有一定影响;而填料粒径的下降,可明显提升的对重金属的吸附。
第四层填料中,活性炭相较于鹅卵石具有更高的重金属吸附性,因而用鹅卵石取代活性炭会使重金属水平略有升高;填料粒径的降低增强了吸附性能,但是堆积紧密,不利于微生物脱磷脱氮活动,因而随第四层填料粒径下降,总磷、总氮水平略有升高。
厌氧反硝化细菌和聚磷菌分别有脱氮和脱磷功能,向水中不投加该两种细菌后,水体中总氮、总磷量分别有明显的提升。
由实施例中实验结果可知,采用本发明装置对污水进行处理后可以使高含量Pb降至0.1mg/L以下,高含量Zn降至1.5mg/L以下,CODCr降至100mg/L以下,总P降至1.5mg/L以下,总N降至5.0mg/L以下,pH维持在中性水平,满足《GB5084-2005中华人民共和国国家标准农田灌溉水质标准》要求。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
以上结合具体实施方式和/或范例性实例以及附图对本发明进行了详细说明,不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解,在不偏离本发明精神和范围的情况下,可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进,这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控装置,该装置包括依次连接的A2/O池(1)、纳米曝气池(2)和快速土渗装置(3),
所述A2/O池(1)中通有待处理的废水,将废水依次在厌氧池(101)、缺氧池(102)和好氧池(103)中进行处理,并传输经好氧池(103)处理后废水上清液至纳米曝气池(2)中;
纳米曝气池(2)接收A2/O池(1)的上清液,对上清液进行好氧环境下处理,传输处理后的上清液至快速土渗装置(3);
在A2/O池(1)的好氧池(103)和纳米曝气池(2)的下部设置纳米曝气盘(10),通过纳米曝气盘(10)向好氧池(103)和纳米曝气池(2)中通入含氧气流体;
通入的含氧气流体为纳米气泡水,所述纳米气泡水为含有100~500nm尺寸的微小气泡的水或水溶液,其溶氧量达到10~25mg/L;
纳米曝气池(2)出水中有机物平均分子量低于308.24Da;
快速土渗装置(3)中由上至下铺设有四层填料,通过使接收的废水上清液流经各层填料使污染物得到降解或脱除;
第一层填料(13)中土壤和功能型生物炭的混合重量比例为3:(6~8),填料粒径为0.10-0.30cm,进行重金属吸附和有机物的降解;
第二层填料(14)中土壤、天然沸石和石灰石的混合重量比例为1:(2~3):(0.5~1),填料粒径为0.08-0.1cm,进行重金属吸附固定;
第三层填料(15)粉煤灰分子筛、弗洛里硅藻土和生物炭的混合重量比例为1:(3~4):(1~1.5),填料粒径为0.05-0.08cm,进行重金属吸附并通过在此区域内投放聚磷菌以其聚磷能力降低废水中的磷含量;
第四层填料(16)中鹅卵石、生物炭的混合重量比例为1:(1~2),填料粒径为0.30-0.50cm,进行重金属吸附,通过构建厌氧环境使得聚磷菌在此区域内脱磷;
第三层填料(15)与第四层填料(16)之间填充极性高聚物聚苯胺膜,使第四层填料所在区域形成厌氧环境。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,A2/O池(1)的厌氧池(101)中加有水生植物浮萍和水藻,经A2/O池(1)中厌氧和缺氧环境进行酸化消解,通过好氧环境进行酸化后有机物的降解;
A2/O池(1)的厌氧池(101)和缺氧池(102)内装有搅拌机(8),使得浮萍或水藻得以粉碎;
控制A2/O池(1)中通入纳米曝气池(2)的上清液COD高于200mg/L。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,纳米曝气池(2)内投加有微生物,所述微生物为芽孢杆菌属Bacillus sp.。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,纳米曝气池(2)内填充碳素纤维生态草。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,
所述第四层填料(16)中投加有厌氧反硝化细菌;
所述第四层填料(16)中投加有聚磷菌。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,快速土渗装置(3)中种植湿地植物(6);
湿地植物(6)生长过程添加鼠李糖脂或聚天门冬氨酸中一种或其组合。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,湿地植物为梭鱼草和美人蕉;湿地植物(6)生长过程添加鼠李糖脂和天门冬氨酸组合。
8.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,第一层填料(13)中功能型生物炭通过快速土渗装置(3)中种植的湿地植物(6)制备得到,制备方法包括以下步骤:
步骤1),破碎植物体,在惰性环境下于1200℃保持120min,200min内从1200℃降低至20℃,进行碳化,得到活性炭;
步骤2),用蒸馏水对活性炭进行清洗,至洗后水清亮,向洗后的活性炭中加入30-50%重量浓度的氯化锌至液面高过活性炭,搅拌,300W-700W微波辐射20~30min,25℃浸泡过夜,得到活化后活性炭;
步骤3),将活化后活性炭烘干,在低温的环境下滴加10mmol/L~30mmol/L硼氢化钠溶液还原活性炭中金属离子至低价态,蒸馏水清洗活性炭后烘干,得到功能型生物炭。
9.一种极度缺水农业活动区中水回用污染物防控方法,通过权利要求1至8之一所述防控装置进行污染物防控,所述方法包括设置依次连接的A2/O池(1)、纳米曝气池(2)和快速土渗装置(3);
向A2/O池(1)中通入待处理的废水,将废水依次在厌氧、缺氧和好氧环境下处理,并传输处理后废水上清液至纳米曝气池(2)中;
纳米曝气池(2)接收A2/O池(1)的废水上清液,对上清液进行好氧环境下处理,传输处理后的上清液至快速土渗装置(3);
将经纳米曝气池(2)处理后废水上清液引入快速土渗装置(3),进入铺设于快速土渗装置(3)中的多层填料使污染物得到降解或脱除。
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