CN109516563A

CN109516563A - 电极强化高效人工湿地及基于人工湿地的污水处理方法

Info

Publication number: CN109516563A
Application number: CN201811396594.7A
Authority: CN
Inventors: 高占平; 梁柱; 董俊; 翁绍真
Original assignee: Nanjing Cec Environmental Protection Co Ltd
Current assignee: Nanjing Cec Environmental Protection Co Ltd
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2019-03-26

Abstract

本发明公开了一种电极强化高效人工湿地，包括进水管、出水管、基质层、填料层、电极区和防渗层；进水管布置在人工湿地的上部，出水管布置在人工湿地的下部；基质层布置在人工湿地的表层，基质层上栽种有湿地植物；填料层布置在基质层下方，包括位于上层的陶粒层和位于下层的鹅卵石层；电极区包括交替布置的阳极电极和阴极电极，阳极电极和阴极电极垂直插入基质层并延伸至陶粒层。进一步还公开了基于人工湿地的污水处理方法。本发明基于电极生物膜法，利用自养反硝化不需有机碳源，高效且几乎无二次污染的处理低C/N污水的特点，弥补了传统人工湿地对低C/N污水脱氮的限制情况，同时也通过人工湿地的优点弥补了电极生物膜法处理成本较高的缺陷。

Description

电极强化高效人工湿地及基于人工湿地的污水处理方法

技术领域

本发明涉及人工湿地污水处理技术领域，尤其是一种电极强化高效人工湿地湿地及污水处理方法。

背景技术

人工湿地处理污水技术最早于20世纪70年代在德国被提出，这一时期研究大部分是在对自然湿地改造的基础上进行的，且主要是对自然湿地和氧化塘的联合处理效果进行实验。到20世纪80年代，人工湿地的研究开始脱离以自然湿地为基础而完全以人工的方式搭建，此时期的系统的构建，常在其中填入砾石、土壤等基质，同时种植水生植物，并进入大规模应用阶段。从20世纪90年代开始，人工湿地开始在成为一项科学研究，新型的、去污能力更强的人工湿地相继产生，不仅在水力负荷、处理效果方面得到改善，同时具有经济效益。

1972年，Kickuth提出根际区理论，合理解释了人工湿地中同时存在硝化反硝化的原因。1983年，在美国某州有研究利用人工湿地处理污水，在水力停留时间为24h的条件下，能有效去除BOD₅、NH₃-N等污染物。在九十年代后国外人工湿地应用于污水处理的数量逐渐增加。我国人工湿地处理污水的研究相对较晚，主要对不同的基质、植物等对污水处理效果以及不同污染物的去除效果进行了大量研究，并且在多地建造人工湿地用于城市生活污水和工业废水的处理。

经多年发展的人工湿地污水处理技术，已经在各种污水，如生活污水、工业污水、暴雨径流、农业面源污水等的处理方面得到了充分的利用，是水体污染控制有效的途径之一。然而，该技术对低C/N污水处理存在的问题较难解决，常用的投加碳源方法虽然简便、易操作，却会导致二次污染或者反硝化不彻底等问题。

电极生物膜法脱氮是通过挂膜驯化在阴极表面形成微生物膜，该膜上的自养反硝化菌利用微电解水产生的氢进行反硝化作用脱氮。它兼有电化学原理与生物原理，并且利用了自养反硝化不需有机碳源，能耗低，以及系统内部产氢利用率高等特点，因此能高效、清洁的处理低C/N污水。

微电解反应器中，阴极、阳极是分别与电源的负极、正极相连接，因此，阴极周围的氧化性物质，能够通过阴极获得来自负极的电子后转化为还原态，同时，阳极附近的还原性物质的电子因为正极周围电子的聚集而转移至阳极上，从而变成氧化态。一般而言，生活污水中的基本离子有H+、Cl-、OH-、NO^3-等，在这种有多种离子存在的污水中，首先析出的离子需要通过比较综合考虑了平衡电极电势和离子析出电势的实际析出电极电势的大小而得到。在综合各种基本离子的析出电势后得出，电极生物膜法的阴极首先电解水产氢，阳极(以碳为材料)则首先产生二氧化碳。阴极表面首先发生的反应：

2H⁺+2e^-→H₂

2H₂O+2e^-→H₂+2OH-

阳极表面(以碳为材料)首先发生的反应：

C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^-

2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-

因此，在电极生物膜反应器中，两个电极有着十分重要的作用。阳极如果为碳材料则会产生二氧化碳等中和反硝化产生的碱，缓冲体系的pH，同时能够为自养反硝化菌提供无机碳源。阴极不仅是连通电路的导体同时更是充当生物载体的角色，并且阴极上电解水产氢通过生物膜由内向外溢出，为阴极生物膜中反硝化作用创造良好的厌氧条件。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开一种电极强化高效人工湿地及采用该人工湿地的污水处理方法，以有效提高人工湿地的污水处理效果。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

方案一：一种电极强化高效人工湿地，包括进水管、出水管、基质层、填料层、电极区和防渗层；

所述进水管布置在人工湿地的上部并配置有进水控制阀，所述出水管布置在人工湿地的下部并配置有进水控制阀；

所述基质层布置在人工湿地的表层，基质层上栽种有湿地植物；

所述填料层布置在基质层下方，其包括位于上层的陶粒层和位于下层的鹅卵石层；

所述电极区包括交替布置的阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极垂直插入基质层并延伸至所述陶粒层。

作为一种优选方案，阳极电极和阴极电极为板状结构或柱状结构。

作为一种优选方案，所述阴极电极的表面包裹有活性炭纤维毡。

作为一种优选方案，阴极电极的材质为铜或不锈钢，阳极电极的材质为石墨。

作为一种优选方案，相邻阴阳电极之间的间距为8～10cm。

作为一种优选方案，基质层高度为10～20cm，陶粒层的高度为30～40cm，所述鹅卵石层的高度为50～60cm。

作为一种优选方案，基质层填充的基质为煤渣和沸石，粒径为8～10mm。

作为一种优选方案，陶粒层填充的陶粒粒径为1～2cm。

作为一种优选方案，所述湿地植物为美人蕉、芦苇、鸢尾中的一种或多种。

方案二：一种基于人工湿地的污水处理方法，采用方案一所述的电极强化高效人工湿地进行污水处理，具体包括：

配置模拟废水，将配置好的模拟废水通入所述电极强化高效人工湿地，同时导入一定量的活性污泥进行挂膜，定期更换模拟废水，且挂膜期间不施加电流，环境温度保持在室温；

挂膜培养若干天，当活性污泥挂膜完成后，施加电流进行挂膜驯化，且电流强度在预设范围内逐渐增大，同时逐渐降低更换的模拟废水的C/N，驯化培养若干天后，当硝酸盐氮的去除率稳定在期望范围内时，挂膜驯化结束；

挂膜驯化完成后，将待处理废水通入电极强化高效人工湿地中，通过对包括电流强度和水力停留时间在内的相关参数的调节对废水进行处理。

作为一种优选方案，所述模拟废水的参数指标为：C/N＝3，总氮浓度＝50mg/L，氨氮浓度＝30mg/L，pH为7.5值。

作为一种优选方案，将C/N从3逐渐降低至0.5。

作为一种优选方案，挂膜培养的时间为10～15天，驯化培养的时间为20～30天；施加的电流强度的预设范围是5mA～20mA；待硝酸盐氮去除率稳定的期望范围为80％～85％。

有益效果：

(1)本发明基于电极生物膜法，利用自养反硝化不需有机碳源，高效且几乎无二次污染的处理低C/N污水的特点，弥补了传统人工湿地对低C/N污水脱氮的限制情况，同时，也通过人工湿地的优点弥补了电极生物膜法处理成本较高的缺陷。

(2)采用基质层、填料层和电极区这种结构设计，一方面使得整个人工湿地具备足够的结构强度，另一方面结合传统人工湿地和电极生物膜法，强化人工湿地对低C/N污水的处理效果。

(3)电极区采用活性炭纤维毡包裹不锈钢细棒制作成为阴极，石墨板作为阳极。通过活性炭纤维毡，一方面为微生物的着落提供场所，保护微生物免受水力剪切作用而脱落，另一方面也使得阴极与微生物的有效接触面积最大化，进一步提高处理效率，另外，还能够反应产生作为自养反硝化菌的无机碳源的CO₂，且产生的CO₂部分溶于水还可生成H₂CO₃、HCO₃ ^-等缓冲体系pH值。

(4)结构简单、运行可靠、运行成本及建设成本较低，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1公开的电极强化高效人工湿地主视图；

图2为实施例1公开的电极强化高效人工湿地俯视图；

图3为实施例2公开的电极强化高效人工湿地俯视图。

具体实施方式

传统的人工湿地中微生物群落效应不明显，往往只能用作其他处理工序的补充，尤其是针对低C/N的污水，碳源的缺乏往往满足不了湿地系统中植物和微生物的生长需求，需要投加额外碳源。而电极生物膜法处理成本较高，单独使用不够经济。本发明将人工湿地与电极生物膜法相结合，弥补了彼此不足，高效清洁地去除废水中污染物。

下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

结合图1和图2所示，实施例1公开一种电极强化高效人工湿地(以下简称人工湿地)，主要由进水管1、出水管2、基质层3、填料层4、电极区5组成。

人工湿地采用上部进水、下部出水的方式，进水管1布置在人工湿地的上部并设有进水控制阀11，出水管2布置在人工湿地的下部，并设有出进水控制阀21。

人工湿地的表层为基质层3，为湿地植物的生长提供生根和附着的区域。基质层3的高度为10～20cm，其中的基质采用粒径为8～10mm的煤渣和沸石。基质层3上栽种有湿地植物，例如，美人蕉、芦苇、鸢尾等。湿地植物通过光合作用分解和转化废水中的有机物、硝态氮和磷酸盐等污染物，同时，植物的根系能吸附和富集重金属和有毒有害物质，亦对废水中固体颗粒具有吸附和拦截作用。

基质层3以下为填料层4，具体分为上下两层，上层为陶粒层41，下层为鹅卵石层42。陶粒层41填充的陶粒粒径为1-2cm，高度为30～40cm。鹅卵石层42的高度为50～60cm。陶粒层41和鹅卵石层42一方面是维持整个人工湿地结构强度的主要组成部分，另一方面陶粒和鹅卵石层的多孔隙结构便于废水中固体颗粒的过滤和吸附，有利于处理后洁净废水的排出。

电极区5设置在人工湿地中间位置，深度穿过基质区3延伸至陶粒层41。电极区5内部设有交替布置的阳极电极板51和阴极电极板52，电极板的宽度约为人工湿地宽度的2/3。阴极电极板51的材质为铜或者不锈钢，且阴极表面包裹有一层活性炭纤维毡53。活性炭纤维毡53具有比表面积大、吸附效率高、吸附量大和耐酸碱高温、导电性能好、易再生等优点，并且，内部有孔隙且表面粗糙，使得阴极表面与微生物的有效接触面积较大，且能保护微生物免受水力剪切作用而脱落，从而提高了阴极和污水之间的传质效率。另外，活性炭纤维毡53易于固定、使用寿命长、价格低廉，更重要的是能够反应产生CO₂作为自养反硝化菌的无机碳源，且产生的CO₂部分溶于水可生成H₂CO₃、HCO₃ ^-等缓冲体系pH值。阳极电极板52的材质为石墨。将阴阳两极电极板垂直地交替穿插在基质层和陶粒层，两极板之间间距为8～10cm。阴极、阳极均以导线与电源连接，通过调节电源电压，控制电源电流输出。

考虑到废水在湿地里要有停留时间，也就是反应时间，然后才能通过出水管2排走。因此，还包括湿地最外层的防渗层6，防渗层可采用黏土层，聚乙烯薄膜或者其他建筑工程防水材料，跟常规的人工湿地一样做法，用于防止水渗透到地下，此处不再赘述。

实施例2中公开另一种电极强化高效人工湿地，与实施例1的主要区别在于电极区5内布置的电极的形状不同，如图3所示，其采用柱状电极，即柱状阳极电极板54和柱状阴极电极板55。相对来说，板状电极作用效果更好，但成本较高，适用于小水量总氮浓度较高的污水；柱状电极作用效果略差，但成本更低，适用于大水量总氮浓度较低的污水。在使用时，可根据工况需求进行布置。

基于实施例1公开的人工湿地，实施例3公开一种基于该人工湿地进行污水处理的方法，主要包括以下步骤:

在人工湿地运作前，对活性污泥进行挂膜驯化。具体挂膜驯化过程如下：

配置模拟废水(营养液)参数为：C/N＝3，硝酸盐氮浓度＝50mg/L，氨氮浓度＝30mg/L，pH为7.5。将模拟废水通入电极强化高效人工湿地，同时在人工湿地中导入一定量活性污泥进行挂膜。每天更换模拟废水，即每天定时排出模拟污水，并注入新的模拟污水。挂膜期间不施加电流，环境温度保持室温(20～25℃)即可。当观察到电极板上生物膜活性明显增强(可采用直接观察法，通过肉眼直接观察到电极板上生成生物膜；也可以采用辅助观察法，取电极板上生物膜样本利用显微镜可以观察到菌丝体和活性泥团)，表明活性污泥挂膜完成，通常需要10～15天。挂膜完成后，施加电流，可在5mA-20mA电流强度范围内逐渐增大电流进行挂膜驯化，同时逐渐减低更换的模拟废水的C/N，让细菌逐渐适应低C/N比的废水，具体降低幅度可根据工况实时调整，例如，可将C/N从3降至0.5，每天降低0.1，进行驯化约25d。在此过程，每天测定排出的模拟污水中的硝酸盐氮浓度，对比模拟污水初始浓度得出硝酸盐氮去除率，当硝酸盐氮的去除率稳定在80％～85％之间时，挂膜驯化阶段结束。

待挂膜驯化完成后，将待处理废水通过注水管注入污泥驯化好的人工湿地中，并通过对电流强度和水力停留时间等参数的调节，实现污水处理控制，实现处理效率最大化。其中，具体参数要通过调试确定，这也是污水处理的正常工序，此处不再赘述。

另需要说明的是，活性污泥里有大量微生物群落，微生物通过吃掉废水中的污染物来进行新陈代谢。但由于每种废水水质都不同，活性污泥不能直接拿来处理废水，需要提前培养驯化，也就是增加活性污泥里面微生物数量和去除能力。前面的模拟废水(营养液)就是用来培养活性污泥的。

下面给出一组采用实施例3的具体实施案例。

取污水处理厂活性污泥和模拟废水投入人工湿地装置中，模拟废水指标：进水C/N＝3，总氮浓度＝50mg/L，氨氮浓度＝30mg/L，pH为7.5，对活性污泥进行驯化，每天更换模拟废水，间歇式挂膜10d。然后从5mA到20mA逐渐增加电流强度，驯化周期约10d。

注入待处理废水，该废水水质指标：C/N＝0.75，进水总氮浓度＝75mg/L，COD＝150mg/L，NH4-N浓度＝40mg/L。

通过调节电流强度＝10mA，停留时间HRT＝48h以及pH＝7.5等环境参数，并控制环境温度为20-25℃条件下，硝态氮、氨氮、总氮和COD去除率分别达到：89.59％、39.6％、63.56％和87.01％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电极强化高效人工湿地，其特征在于，包括进水管、出水管、基质层、填料层、电极区和防渗层；

2.如权利要求1所述的人工湿地，其特征在于，所述电极区的电极为板状结构或柱状结构。

3.如权利要求1所述的人工湿地，其特征在于，所述阴极电极的表面包裹有活性炭纤维毡。

4.如权利要求1所述的人工湿地，其特征在于，所述阴极电极的材质为铜或不锈钢，所述阳极电极的材质为石墨。

5.如权利要求1所述的人工湿地，其特征在于，相邻阴阳电极之间的间距为8～10cm。

6.如权利要求1所述的人工湿地，其特征在于，所述基质层高度为10～20cm，所述陶粒层的高度为30～40cm，所述鹅卵石层的高度为50～60cm。

7.如权利要求1所述的人工湿地，其特征在于，基质层填充的基质为粒径为煤渣和沸石。

8.一种基于人工湿地的污水处理方法，其特征在于，采用如权利要求1至7任意一项所述的电极强化高效人工湿地进行污水处理，具体包括：

挂膜培养若干天，活性污泥挂膜完成后，施加电流进行挂膜驯化，电流强度在预设范围内逐渐增大，同时逐渐降低更换的模拟废水的C/N，驯化培养若干天后，当硝酸盐氮的去除率稳定在期望范围内时，挂膜驯化结束；

9.如权利要求8所述的基于人工湿地的污水处理方法，其特征在于，挂膜培养的时间为10～15天，驯化培养的时间为20～30天；施加的电流强度的预设范围是5mA～20mA；待硝酸盐氮去除率稳定的期望范围为80％～85％。

10.如权利要求8所述的基于人工湿地的污水处理方法，其特征在于，所述模拟废水的参数指标为：C/N＝3，总氮浓度＝50mg/L，氨氮浓度＝30mg/L，pH值为7.5。