CN109111045B - 一种强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统 - Google Patents

一种强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于水污染控制与治理技术领域的一种强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统。所述强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统，包括配水系统和渗滤床，所述配水系统将水导入渗滤床；所述渗滤床包括渗滤床主体以及设置在渗滤床主体内的自上而下依次设置的土壤覆盖层、布水层、强化除磷层、强化脱氮反应层、深度净化层、排水层；所述布水层分布设置有布水管，所述布水管在布水层均匀布水，所述布水管和配水系统相连。本发明的渗滤床系统，通过铁碳微电解化学还原及固体碳源强化生物脱氮两方面，并耦合铁碳以及高容量磷吸附材料除磷，达到同步高效脱氮及除磷的目的，具备无二次污染、防堵塞且高负荷、操作成本低的优势。

Description

一种强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统
技术领域
本发明属于水污染控制与治理技术领域，具体涉及一种强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统。
背景技术
氮磷污染是导致水体富营养化的重要原因，高效去除氮磷是许多污染水体治理面临的问题之一。渗滤床系统可以通过填料的吸附、截留以及微生物作用去除水中有机污染物、悬浮物和氮磷。生物脱氮是渗滤床系统去除污染水体中氮的有效方法，氮的生物去除包括硝化和反硝化过程，反硝化需要充足的有机碳源才能进行完全。但是许多污染的水体或城市污水碳氮比低，导致反硝化过程不彻底，氮的脱除效率较低。完全依赖生物作用脱氮存在局限性，尤其当水中C/N比较低时，需辅以其他形式的脱氮方法。目前的方法中，利用铁与碳间较大的电位差，构建铁碳微电解系统，阳极铁被氧化失去电子，阴极氢质子接受电子还原成H2，H2作为电子供体，而NO3 -作为电子受体，可实现化学还原脱氮。但是铁碳微电解系统在还原硝态氮的过程中往往会产生一定量的氨氮，造成水体二次污染，这是需要解决的问题。
补充有机碳源也是一种强化生物反硝化脱氮的措施。补充的碳源包括液体碳源，如甲醇、乙醇、乙酸等有机物，但液体碳源需要持续加入才能够达到强化反硝化的目的，另外控制加入量比较困难，过量加入会造成二次污染。为此，有的研究采用固体碳源，所述固体碳源包括天然材料和人工合成材料，天然材料如稻壳，玉米芯，麦秆，树皮、木屑等，人工合成材料如多聚物包括聚己内醇(PCL)，聚乳酸(PLA)，聚羟基脂肪酸酯(PHA)等。天然固体碳源由于释放速率有限，往往强化反硝化效果比较差。而开发负载型可控释放固体碳源并用于强化反硝化过程已经成为研究的热点。
磷往往是与氮伴生的营养元素，磷的去除主要有生物除磷、化学除磷以及物理吸附法。利用富含铁、铝、镁、钙、镧、锆等元素的天然材料及人工合成材料，往往可以达到吸附除磷的目的。提高材料的磷吸附性能及容量，延长使用周期，是当前除磷材料研发面临的难题。铁碳微电解系统具有反硝化脱氮作用的同时，还可以通过内部微电解、氧化作用等被腐蚀，产生Fe2+、Fe3+以及它们的水解产物Fe(OH)2、Fe(OH)3，通过化学键合、卷扫、絮凝、沉淀等作用，产生除磷作用。但铁碳微电解除磷效果有限，尤其是当铁碳材料板结氧化后会丧失除磷功能。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种具有强化反硝化脱氮及除磷功能的渗滤床系统，通过铁碳微电解化学还原及固体碳源强化生物脱氮两方面，并耦合铁碳以及高容量磷吸附材料除磷，达到同步高效脱氮及除磷的目的。
为此，本发明的技术方案如下：
一种强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统，包括配水系统和渗滤床，所述配水系统将水导入渗滤床；
所述渗滤床包括渗滤床主体以及设置在渗滤床主体内的自上而下依次设置的土壤覆盖层、布水层、强化除磷层、强化脱氮反应层、深度净化层和排水层；
所述强化除磷层由沙砾、土壤、凹凸棒土颗粒和有机碳负载型类水滑石组成；
所述强化脱氮反应层由海绵铁和颗粒碳组成；
所述布水层分布设置有布水管，所述布水管在布水层均匀布水，所述布水管和配水系统相连。
上述渗滤床系统中，所述土壤覆盖层由田园土构成，覆盖厚度为5-10cm；所述布水层厚度为5-10cm，由河砂和卵石构成。
进一步的，上述渗滤床系统中，所述土壤覆盖层覆盖田园土，在土壤覆盖层种植适宜当地的植物，具体可选芦苇、美人蕉、香蒲、灯芯草等植物，既有景观功能，植物还可以通过吸收作用去除部分氮磷以及重金属等污染物。
所述布水层中填埋布水管，河沙和卵石保护布水管，防止布水管堵塞。
上述渗滤床系统中，所述强化除磷层中沙砾、土壤、凹凸棒土颗粒和有机碳负载型类水滑石的体积比分别为：20-30：20-30：20-30：10-20。
上述渗滤床系统中，所述有机碳负载型类水滑石为有机碳负载型Mg-Al类水滑石。
上述渗滤床系统中，所述有机碳负载型Mg-Al类水滑石的制备方法包括：将硝酸镁和硝酸铝溶于水中得到A液，将有机碳源和碱溶于水中得到B液；吹脱后，在氮气气氛下将A液和B液同时滴入水中，搅拌并保持pH在9-11，混合后于60-90℃老化10-24h，清洗、在50-70℃干燥12-36h得到。
其中，所述硝酸镁可选择六水合硝酸镁，所述硝酸铝可选择九水合硝酸铝，所述硝酸镁和硝酸铝的质量比为3-5:1-3；
所述有机碳源为淀粉、葡萄糖、乙酸钠中的一种或多种；
所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或两种；
所述有机碳源和碱的质量比为4-10：3-12。
具体的，所述有机碳负载型Mg-Al类水滑石的可以按以下方法制备：
称取15-25g六水合硝酸镁和5-15g九水硝酸铝溶于100ml水中为A溶液，称取4-10g有机碳源，包括淀粉、葡萄糖、乙酸钠中的一种或几种，3-8g氢氧化钠溶于100ml水中为B溶液，各个溶液均用氮气吹脱30min。然后在氮气气氛下将AB同时缓慢滴入事先装有100ml去离子水的三口烧瓶中剧烈搅拌并保持pH在10左右。混合后于60-90℃老化10-24h。用去离子水洗沉淀三次。在50-70℃干燥12-36h。
上述渗滤床系统中，所述强化脱氮反应层中还包括脱氮微生物，所述脱氮微生物负载于海绵铁和颗粒碳上；海绵铁与颗粒碳的填充量的体积比为1：1-2，所述海绵铁的粒径为0.5-2cm，所述颗粒碳粒径为0.5-2cm。
所述脱氮微生物包括硝化细菌和反硝化菌。
负载脱氮微生物的方法可以通过接种活性污泥的方法进行；例如，在填充海绵铁和颗粒碳后，接种活性污泥，经过沉淀和培养将硝化及反硝化菌附着在海绵铁及颗粒碳上。
上述渗滤床系统中，所述强化除磷层厚度为20-40cm，所述强化脱氮反应层厚度为20-40cm。
上述渗滤床系统中，所述深度净化层厚度为15-30cm，所述深度净化层由沸石和碎砖组成，沸石和碎砖填充体积比为1:1-5，其中所述沸石粒径为1-2cm,所述碎砖粒径为1-2cm。
上述渗滤床系统中，所述排水层厚度为5-10cm，由砂砾或卵石组成，所述卵石的粒径为2-4cm；在所述排水层设置集水管和出水口，所述集水管和出水口相连。
上述渗滤床系统中，所述砂砾为过10-20目筛的砂砾。
上述渗滤床系统中，所述配水系统包括蓄水池、进水管设置在进水泵，进水泵通过进水管将蓄水池中的水导入渗透床中。
本发明的优点和有益效果：
1.本发明的强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统中，强化除磷层由砂砾、土壤、高效除磷材料凹凸棒土颗粒和有机碳负载型类水滑石按一定的比例组成；具有较高的除磷效果，对磷酸盐具有较高的吸附容量，强化除磷，延长填料的使用周期，提高处理负荷。
2.本发明的强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统中，与强化除磷层配合使用的强化脱氮反应层由海绵铁，颗粒碳及其上负载的脱氮微生物构成，海绵铁和颗粒碳构成铁碳微电解系统，可还原脱氮。由强化除磷层中的有机碳负载型Mg-Al类水滑石缓释的有机碳源可作为反硝化的补充碳源，克服水体中低碳氮比的局限性，强化渗滤床系统脱氮。海绵铁因腐蚀产生的Fe2+可被铁自养反硝化菌利用，实现反硝化脱氮。海绵铁和颗粒碳混合能较好解决堵塞通路的问题。
附图说明
图1是本发明的强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统结构示意图；
其中附图标记为：
1-蓄水池，2-进水泵，3-渗滤床主体，4-植被，5-土壤覆盖层，6-布水层，7-布水管，8-强化除磷层，9-强化脱氮反应层，10-深度净化层，11-排水层，12-集水管，13-出水口阀门，14-出水口。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。下面的说明是采用举例的方式，但是本发明的保护范围不应局限于此。
实施例1
如图1所示，本发明的强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统，包括配水系统和渗滤床，其特征在于，所述配水系统将水导入渗滤床；
所述渗滤床包括渗滤床主体3以及设置在渗滤床主体内的自上而下依次设置的土壤覆盖层5、布水层6、强化除磷层8、强化脱氮反应层9、深度净化层10和排水层11；
所述布水层6分布设置有布水管7，所述布水管7在布水层6均匀布水，所述布水管7和配水系统相连。
所述配水系统中蓄水池1通过进水泵2与渗滤床主体3通过布水管7相连，渗滤床主体3是箱体，长宽高分别为2m×1.5m×1.2m，渗滤床主体3材质可以为有机玻璃板材。进入渗滤床的水从上往下渗滤，在土壤覆盖层5之上可以选择种植植被4，植被选取芦苇，土壤覆盖层覆盖田园土厚度为10cm。
布水层6填充的是厚度5cm的河砂和卵石，之中的布水管7上有穿孔，孔的直径为1cm，材质为PVC管。往下是厚度30cm的强化除磷层，强化除磷层8由沙砾、土壤、凹凸棒土颗粒和有机碳负载型Mg-Al类水滑石组成，沙砾、土壤、凹凸棒土颗粒和有机碳负载型Mg-Al类水滑石的体积比分别为：30：25：25：20。
所述的有机碳负载型镁铝类水滑石制备方法包括：称取19.23g六水合硝酸镁和9.38g九水硝酸铝溶于100ml水中为A溶液，称取6.1522g乙酸钠和6g氢氧化钠溶于100ml水中为B溶液，各个溶液均用氮气吹脱30min。然后在氮气气氛下将AB同时缓慢滴入事先装有100ml去离子水的三口烧瓶中剧烈搅拌并保持pH在10左右。混合后于75℃老化12h。用去离子水洗沉淀三次。在60℃干燥24h。
所述强化脱氮反应层9厚度为30cm，由海绵铁和颗粒碳构成，其中海绵铁与颗粒碳的填充量占体积比为1:1，海绵铁的粒径0.5-2cm，颗粒碳粒径0.5-2cm；向强化脱氮反应层中接种活性污泥，经过沉淀和培养，将脱氮微生物附着在海绵铁及颗粒碳上。所述活性污泥来源于生活污水处理厂的二沉池。
所述深度净化层10厚度为20cm，由沸石和碎砖组成，二者的填充体积比为1:1，沸石粒径为1-2cm,碎砖粒径为1-2cm。
所述的排水层11厚度为10cm，填充粒径2-4cm的卵石，排水层11中埋设集水管12，集水管12上孔的直径为1cm，材质为PVC管。出水经出水口14排出渗滤床。
操作时，将需要处理的水通过蓄水池、进水泵进入渗滤床，然后通过在布水管7均匀分布于布水层6，然后经过层层渗滤，于排水层11汇集，通过集水管12和出水口排出渗滤床。
进水水质为硝氮12～23mg/L，氨氮3～7mg/L，总磷1.5～5mg/L，COD40～100mg/L，水力停留时间4小时，经过渗滤床处理之后，硝氮去除率80～85％，氨氮去除率87～91％，总磷去除率90～95％，COD去除率50～65％。
实施例2
本发明所述的强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统，如图1所示，包括配水系统和渗滤床，蓄水池1通过进水泵2与渗滤床主体3相连，渗滤床主体3是箱体，长宽高分别为2m×1.5m×1.2m，水从上往下渗滤，在土壤覆盖层5之上种植植被4，植物选取美人蕉，土壤覆盖层覆盖田园土厚度为5cm。
布水层6填充的是厚度10cm的河砂和卵石，之中的布水管7上有穿孔，孔的直径为1cm，材质为PVC管。
往下是厚度25cm的强化除磷层，强化除磷层8由沙砾、土壤、凹凸棒土颗粒和有机碳负载型Mg-Al水滑石组成，沙砾、土壤、凹凸棒土颗粒和有机碳负载型Mg-Al类水滑石的体积比分别为：25：30：30：15。
所述的有机碳负载型镁铝类水滑石制备方法包括：称取23.54g六水合硝酸镁和7.52g九水硝酸铝溶于100ml水中为A溶液，称取8g淀粉和8g氢氧化钠溶于100ml水中为B溶液，各个溶液均用氮气吹脱30min。然后在氮气气氛下将AB同时缓慢滴入事先装有100ml去离子水的三口烧瓶中剧烈搅拌并保持pH在10左右。混合后于90℃老化16h。用去离子水洗沉淀三次。在70℃干燥36h。
所述强化脱氮反应层9厚度为40cm，其中海绵铁与颗粒碳的填充量占体积比为1:2，海绵铁的粒径0.5-2cm，颗粒碳粒径0.5-2cm。进一步的，向强化脱氮反应层接种活性污泥(所述活性污泥来源于生活污水处理厂的二沉池。)，通过接种沉淀和培养，将脱氮微生物附着在海绵铁及颗粒碳上。
所述深度净化层10厚度为15cm，由沸石和碎砖组成，二者的填充体积比为1:5，沸石粒径为1-2cm,碎砖粒径为1-2cm。
所述的排水层11厚度为5cm，填充粒径2-4cm的卵石，排水层11中埋设集水管12，集水管12上孔的直径为1cm，材质为PVC管。出水经出水口14排出渗滤床。
操作时，将需要处理的水通过蓄水池、进水泵进入渗滤床，然后通过在布水管7均匀分布于布水层6，然后经过层层渗滤，于排水层11汇集，通过集水管12和出水口14排出渗滤床。
进水水质为硝氮12～23mg/L，氨氮3～7mg/L，总磷1.5～5mg/L，COD40～100mg/L，水力停留时间4小时，经过渗滤床处理之后，硝氮去除率78～85％，氨氮去除率85～90％，总磷去除率88～95％，COD去除率47～63％。

Claims (6)

1.一种强化反硝化脱氮除磷渗滤床系统，包括配水系统和渗滤床，其特征在于，所述配水系统将水导入渗滤床；
所述渗滤床包括渗滤床主体以及设置在渗滤床主体内的自上而下依次设置的土壤覆盖层、布水层、强化除磷层、强化脱氮反应层、深度净化层和排水层；
所述强化除磷层由沙砾、土壤、凹凸棒土颗粒和有机碳负载型类水滑石组成；所述强化除磷层中沙砾、土壤、凹凸棒土颗粒和有机碳负载型类水滑石的体积比为：20-30：20-30：20-30：10-20；
所述强化脱氮反应层由海绵铁和颗粒碳组成；
所述强化脱氮反应层中还包括脱氮微生物，所述脱氮微生物负载于海绵铁和颗粒碳上；海绵铁与颗粒碳的填充量的体积比为1：1-2，所述海绵铁的粒径为0.5-2cm，所述颗粒碳粒径为0.5-2cm；
所述强化除磷层厚度为20-40cm，所述强化脱氮反应层厚度为20-40cm；
所述深度净化层厚度为15-30cm，所述深度净化层由沸石和碎砖组成，沸石和碎砖填充体积比为1:1-5，其中所述沸石粒径为1-2cm,所述碎砖粒径为1-2cm；
所述布水层分布设置有布水管，所述布水管在布水层均匀布水，所述布水管和配水系统相连。
2.根据权利要求1所述的渗滤床系统，其特征在于，所述土壤覆盖层由田园土构成，覆盖厚度为5-10cm；所述布水层厚度为5-10cm，由河砂和卵石构成。
3.根据权利要求1所述的渗滤床系统，其特征在于，所述有机碳负载型类水滑石为有机碳负载型Mg-Al类水滑石。
4.根据权利要求3所述的渗滤床系统，其特征在于，所述有机碳负载型Mg-Al类水滑石的制备方法包括：将硝酸镁和硝酸铝溶于水中得到A液，将有机碳源和碱溶于水中得到B液；吹脱后，在氮气气氛下将A液和B液同时滴入水中，搅拌并保持pH在9-11，混合后于60-90℃老化10-24h，清洗，在50-70℃干燥12-36h得到。
5.根据权利要求1所述的渗滤床系统，其特征在于，所述排水层厚度为5-10cm，由砂砾或卵石组成，所述卵石的粒径为2-4cm；在所述排水层设置集水管和出水口，所述集水管和出水口相连。
6.根据权利要求1所述的渗滤床系统，其特征在于，所述配水系统包括蓄水池，进水管设置有进水泵，进水泵通过进水管将蓄水池中的水导入渗滤床中。
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