CN111717995A - 自养反硝化人工塘、构建方法及利用人工塘对污水进行脱氮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工塘、构建方法及利用人工塘进行污水深度脱氮的方法，属于环境工程水处理工艺及理论的创新。在待处理污水地挖掘人工塘床体，并在底部的硫磺填料区铺设包括硫磺、石灰石、沸石、火山岩的填料块；在人工塘的水体内设置漂浮于水体的生态浮岛，水面以上部分种植植物，水面以下部分悬挂生物载体填料；将待处理污水引入人工塘，挂膜处理至出水水质稳定且总氮去除率达到75％以上。人工塘对污水氨氮进行硝化和反硝化处理达到深度脱氮；人工塘内的填料可拆卸填料，方便人工塘的构建、拆除；本发明方法处理后的出水浊度明显降低、造价成本低廉、脱氮效率高，氨氮、总氮、硝态氮的去除率均达到80％以上。

Description

自养反硝化人工塘、构建方法及利用人工塘对污水进行脱氮 的方法

技术领域

本发明涉及对污水厂尾水中氮素的深度去除，属于污水深度处理技术应用领域，尤其涉及对水质中硝态氮(NO₃-N)及氨氮(NH₄-N)的去除。确切地说该系统分为好氧硝化区和兼性厌氧自养反硝化区，好氧区主要通过微生物硝化作用使氨氮转化为硝态氮；兼性厌氧区主要利用硫磺作为电子供体，硝态氮(NO₃-N)及亚硝态氮(NO₂-N)作为电子受体，通过硫自养反硝化菌对污水厂尾水进行深度脱氮。

发明背景

氮、磷元素是污水厂尾水排入湖泊、河流等地表水重要水质指标，氮素是引起水体富营养化的重要因素，根据GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》，总氮<＝5mg/L，总磷<＝0.5mg/L；而根据GB3838-2002《地表水环境质量标准》IV类标准，总氮<＝1.5mg/L，总磷<0.3mg/L，因此针对C\N比低，且氮素以硝态氮为主，不能满足地表水规定的国家标准的污水厂尾水，一般需通过深度处理才可排入湖泊，因此如何对污水厂尾水进行深度脱氮具有重要意义。

污水厂尾水具有排放量大、含碳量低、总氮(TN)偏高且污水厂尾水氮素主要以硝态氮为主，氨氮偶尔超标等特点，目前对污水厂尾水常用的深度处理技术为过滤、生物滤池、传统人工湿地、膜分离等，其中膜分离、人工湿地等技术处理效果较好。但因污水厂尾水排放量大，通过膜分离技术进行深度处理往往会造成处理成本偏高，而人工湿地因其对污水处理负荷大、运行维护方便等优点得到国内广泛关注。污水厂尾水量大、总氮(TN)超标、C/N比低，通过异养反硝化系统很难对污水厂尾水进行深度脱氮。

人工塘又称为稳定塘，主要是通过自然地形或者人工挖掘形成池塘，利用水中的植物、浮游生物、藻类等物理、生物、化学综合作用对污水实现深度净化，其具有处理量大、运行管理方便等诸多优点。

人工塘根据塘体水深可分为好氧塘、兼性塘、厌氧塘三大类，好氧塘主要是去除水中的氨氮(NH₄-N)，往往需要曝气设施来增强硝化过程；兼性塘与厌氧塘处理污水负荷大，但处理效率低，一般不作为污水深度处理设施。

硫自养反硝化过程利用硫磺(S)作为电子供体，硝态氮(NO₃-N)及亚硝态氮(NO₂-N)作为电子受体对尾水进行深度脱氮。沸石表面的阳离子极易与水中的阳离子发生离子交换有助于维持体系的酸碱度平衡。因此，以硫磺(S)作为反应器填料有利于弥补异养反硝化脱氮过程中电子供体的不足和稳定系统pH值。

根据研究，普通氧化塘对污水中总氮(TN)的去除率为30％～35％，处理效果并不是十分理想。

发明内容

本发明的目的针对现有污水长尾水处理存在的技术问题，提供一种污水厂尾水脱氮人工塘，该脱氮人工塘能对污水同步进行硝化、反硝化处理，通过将载体填料进行模块化填装，可以有效的控制污水在人工塘内的水力停留时间，便于在不同的水质条件下进行灵活的拆卸与安装，突破了传统的人工塘只能提供硝化作用的局限性，将硝化与反硝化作用在人工塘中实现较好的结合，有效进行低C/N比污水厂尾水的深度脱氮处理，提高对污水总氮的去除率、减少运行成本及管理费用，使出水总氮(TN)水质达到地表水IV类排放标准，并且对环境起到良好的美化作用。

为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种自养反硝化人工塘的构建方法，包括如下顺序进行的步骤：

1)在待处理污水地挖掘人工塘床体，并在人工塘床体底部铺设填料块，其中填料块中的填料包括硫磺、石灰石、沸石、火山岩，形成硫磺填料区；人工塘的底部设置出水口与出水管相连通，排出处理后的污水；

2)在人工塘的水体内设置生态浮岛，生态浮岛漂浮于水面，生态浮岛水面以上部分种植植物，生态浮岛水面以下部分悬挂生物载体填料；

3)将待处理污水引入人工塘，进行挂膜处理，直至人工塘出水水质稳定，污水的总氮去除率达到并保持在75％以上，即得自养反硝化人工塘。

其中，步骤1)中所述填料块为长方体型或正方体型。填料块整齐排列在人工塘的底部。

特别是，沿着人工塘的长度方向，在人工塘内设置N个隔板将人工塘分成N+1个反应区，其中N为整数，N＝0、1、2、3、……的整数。

尤其是，在隔板靠近人工塘长度方向侧壁的一侧从上至下沿着人工塘的深度方向均匀设置多个均匀配水的导流孔，形成导流区，而另一侧不设置导流孔。

特别是，导流区的宽度与隔板的宽度之比为20-60：100，优选为30-35：100，进一步优选为35：100；导流孔孔径为(10±1)mm。

特别是，所述硫磺填料区的高度与人工塘的有效深度之比为10-50：100，优选为30-50：100，进一步优选为30-35：100，更进一步优选为30：100。

尤其是，所述硫磺填料区的有效体积与人工塘有效总体积之比为(0.1-0.5):1，优选为(0.3-0.5)：1，进一步优选为(0.3-0.35)：1，更进一步优选为0.3：1。

人工塘有效深度是指人工塘内部水体的实际深度；所述有效体积(容积)是指人工塘内部实际容纳的水体体积。

特别是，所述填料块中硫磺、石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：(0.8-1.2)：(0.9-1.2)：(0.7-1.2)，优选为1:1:1:1。

尤其是，所述硫磺为颗粒状，粒径为10-20mm；石灰石为颗粒状，其粒径为20-25mm；沸石为颗粒状，其粒径为10-15mm；火山岩为颗粒状，其粒径为25-28mm。

将硫磺、石灰石、沸石、火山岩混匀后，装填于网状外壳中，制成长方体型或正方体形的填料块。

硫自养反硝化菌通过自养反硝化会产生大量的酸，通过添加石灰石、沸石等填料，可有效地控制出水pH。

其中，步骤1)中所述污水为C/N<2且NO₃-N质量浓度≥16mg/L的污水。

特别是，步骤1)中所述人工塘床体呈长方体形或正方体形，优选为长方体形。

尤其是，所述人工塘床体的有效深度≤3m，优选为0.8-1.5m，进一步优选为0.9-1.1m，更进一步优选为1m。

本发明的人工塘在水深0.4～0.6m，该区域为好氧区，主要是进行硝化作用，水深0.6～1m为兼性厌氧及厌氧区，主要是为自养反硝化菌提供良好的生存环境。

好氧区(即主要为生态浮岛及水面以下悬挂生物载体填料的区域)主要是在阳光照射充足，利用人工塘池体内的挺水植物、好氧微生物等共同作用，对尾水进行硝化作用；兼性厌氧区及厌氧区(即主要是在人工塘底部填装模块化硫磺固体填料的区域部分)主要是利用硫自养反硝化菌进行反硝化，将低价态硫氧化为硫酸盐的同时将水中的NO₃ ^--N或NO₂ ^--N转化为氮气。

其中，步骤1)中所述污水选择C/N比≤2的污水，优选为C/N比为1～2的污水。

特别是，所述污水选择C/N比低于2，优选为C/N比为1～2的污水处理厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。

其中，所述污水为C/N<2且NO₃-N质量浓度≥16mg/L的污水。

特别是，所述污水为C/N<2且NO₃-N质量浓度≥16mg/L的污水厂尾水、市政污水处理厂污水或生活污水。

尤其是，所述污水的硝态氮(NO₃-N)浓度范围16～19mg/L。

其中，步骤2)中所述悬挂的生物载体填料在水下的深度与人工塘的有效深度之比为10-50：100，优选为20-40：100，进一步优选为25：100。

特别是，所述生态浮岛的面积(漂浮在水面上的面积)与人工塘水面的面积之比为10-40：100，优选为30：100。

其中，所述生态浮岛水面下悬挂的生物载体填料的深度与人工塘水深之比为10-50:100，优选为20-40:100，进一步优选为25:100。

特别是，所述生态浮岛水面下悬挂的生物载体填料的体积与所述人工塘有效总容积之比为5-15：100，优选为7-12：100，进一步优选为10：100；

尤其是，所述生态浮岛与生物载体填料区的有效体积与人工塘有效总体积之比为(0.4-0.6)：1。

其中，所述生物载体填料选择悬挂式填料、定型固定式填料。

特别是，所述悬挂式填料选择软性填料、半软性填料、组合填料或弹性填料，优选为弹性填料。

尤其是，所述生物载体填料为条状。

其中，所述生态浮岛水面以上部分种植的植物为挺水植物，其中挺水植物的选择西伯利亚鸢尾，芦苇、风车草或菖蒲中的一种或多种，优选为西伯利亚鸢尾或芦苇。

特别是，所述挺水植物的种植密度为10-30株/m²，优选为16株/m²。

挺水植物的根系发达，具有一定的输氧能力，且为耐冲击负荷能力较强的植物。使根系周边部位形成好氧微环境，有利于好氧菌的生长，提供水体中的氨氮的去除效率。

所生态浮岛水面以上种植挺水植物，水面以下悬挂条状生物载体填料，为好氧微生物提供良好的生长与附着环境。

其中，步骤3)中所述挂膜处理包括如下步骤：

3-1)在温度为20-30℃的条件下，将待处理污水从人工塘顶部引入，污水依次流经悬挂生物载体填料的区域、硫磺填料区，水流向下流至人工塘底部，经出水口、出水管排出人工塘，进行第一阶段的挂膜处理，其中保持水力停留时间≥15h；

3-2)在温度为20-30℃的条件下，第一阶段挂膜处理至少15天后，加大进水量，保持水力停留时间≥5h，流经悬挂生物载体填料的区域，模块化装填的硫磺载体填料区，水流下行至人工塘底部，经出水口、出水管排出人工塘，进行第二阶段的挂膜处理；其中在第二阶段挂膜处理过程中每天监测人工塘出水水质，直至TN的去除率达到并维持在75％以上，且保持稳定。

特别是，步骤3-1)中所述水力停留时间优选为15-24h，进一步优选为18h；步骤3-2)中所述水力停留时间优选为5-15h，进一步优选为9h。

尤其是，所述待处理污水的C/N比≤2、NO₃-N质量浓度≥16mg/L。

其中，所述第一阶段挂膜处理时间优选为15-30天。通常为≥15天，夏季15-20天；春季、秋季、冬季20-30天；第一阶段挂膜处理过程中处理温度为26-29℃。

特别是，所述第二阶段挂膜处理时间优选为15-30天。通常夏季15-20天；春季、秋季、冬季20-30天；第二阶段挂膜处理过程中处理温度为26-29℃。

本发明另一方面提供一种按照上述方法构建而成的自养反硝化人工塘。

本发明再一方提供一种利用上述自养反硝化人工塘对污水进行深度脱氮的方法，包括将污水输送至上述自养反硝化人工塘内，进行脱氮处理，其中控制水利停留时间≥4h。

其中，所述脱氮处理过程中控制处理温度为10-35℃。

特别是，控制脱氮处理温度为20-30℃，进一步优选为26-29℃。

其中，控制水力停留时间为4-24h，优选为8-18h，进一步优选为11-12h。

特别是，控制生态浮岛与生物载体填料区水力停留时间为5-11h；硫磺填料区的水力停留时间为3-7h。

尤其是，控制生态浮岛与生物载体填料区的水力停留时间为8h；硫磺填料区的水力停留时间为4h。

其中，所述污水为C/N比≤2的污水，优选为C/N比为1～2的污水。

特别是，所述污水为污水厂厂尾水，所述污水的C/N<2，且NO₃-N质量浓度≥16mg/L。

尤其是，所述污水的硝态氮(NO₃-N)浓度范围16～22mg/L。

特别是，所述污水为C/N<2，且NO₃-N质量浓度≥16mg/L的污水处理厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明提出了氧化塘硝化、自养反硝化相集成，对污水厂尾水进行深度脱氮的思想，这一思想本着充分利用人工塘的空间结构，以最低的成本实现尾水最高的深度脱氮效率。

2、本发明所述的方法对污水进水氨氮(NH₄-N)、总氮(TN)、硝态氮(NO₃-N)的去除率均达到80％以上。

3、本发明通过在该装置设置导流板一定程度上增加水力停留时间HRT，更利于对尾水的深度脱氮。设置导流板可以是水流分布更加均匀，避免死水区的产生。

4.本发明的人工塘下部铺设模块化填料，将填料进行模块化填装，在污水处理过程中通过填料模块的增加或者减少，不仅可以对反应的水力停留时间进行灵活的调控，并且方便后期填料的更换与调整。

5、本发明方法中好氧区通过悬挂生物载体，种植西伯利亚鸢尾，芦苇等挺水植物(优选为西伯利亚鸢尾)，利用植物生长来对污染物进行深度去除；兼性厌氧区填料硫磺、沸石、石灰石、火山岩价格低廉、填料易于获取，且运行稳定及管理方便，传统的通过添加碳源来为反硝化提供电子供体的方式，但硝化速率并不是很高,并且对温度和水力停留时间的变化的适应性不理想,，而利用硫自养反硝化技术进行反硝化深度脱氮，其脱氮效率是异养反硝化深度脱氮的6-8倍，能够处理量达的污水厂尾水，因此可以节约一定的经济成本。

本发明的深度脱氮人工塘将硝化与硫自养反硝化技术相结合，进行污水厂尾水的深度脱氮处理，充分利用水体空间，氧化塘上部分兼具景观和深度净水的功能；水面以下填料部分为微生物的生长提供良好的附着场所,填料为脱氮反应的进行提供充足的反应物,充分对尾水进行深度脱氮。

本发明人工塘内分为好氧区和兼性厌氧区，好氧区主要以生态浮岛及生物载体填充，塘体种上挺水植物等，其目的为微生物生长提供良好的环境；兼性厌氧区主要以硫磺、石灰石、沸石、火山岩等填料混合的模块化硫磺填料填充。好氧区主要对氨氮(NH₄-N)进行去除，使氨氮(NH₄-N)转化为硝态氮(NO₃-N)；兼性厌氧区通过加入硫磺，弥补了进水碳源的不足，通过自养反硝化进行深度脱氮，石灰石、沸石等填料对出水pH具有一定的调节作用。因此，本系统能够很好地对污水厂尾水进行深度脱氮。

采用兼性厌氧人工塘中试装置反应器，选用硫磺、石灰石、沸石、火山岩等填料，并按照一定的配比比例(优选为1:1:1:1)加入到填料框中，其填料框放置反应器底层，污水厂尾水由人工塘进水口进入，并由进水口处的布水板使水流均匀分布，人工塘底层处于厌氧区或兼性厌氧区，添加的硫磺、石灰石等填料，为硫自养反硝化菌提供了良好的生长环境，进而对污水中的硝态氮进行去除；距人工塘水体表面0-0.5m的区域内水体中氧气充足，可利用人工塘本身具有较好的硝化作用对污水中氨氮进行去除，使出水总氮(TN)水质达到地表水水质IV类。

附图说明

图1为本发明自养反硝化人工塘的结构示意图(俯视图)；

图2为本发明人工塘相邻两个隔板中一隔板的结构示意图；

图3为本发明人工塘相邻两个隔板中另一隔板的结构示意图；

图4为图1中沿着A-A线的剖视图；

图5为图1中沿着B-B线的剖视图；

附图标记说明

1、人工塘；2、2a、隔板；3a、第一反应区；3b、第二反应区；3c、第三反应区；4、导流孔；5、生态浮岛；6、生态载体填料；7、挺水植物；8、硫磺填料块。

具体实施方式

下面结合附图、具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

图1、4、5分别是本发明污水厂尾水深度脱氮自养反硝化人工塘装置的平面图、A-A剖面图、B-B剖面图，

如图1，深度脱氮的自养反硝化人工塘1整体为长方体，长、宽、深度分别为3m、1m、1.1m，有效深度为1m。沿着人工塘的长度方向通过2个隔板2、2a将人工塘分成3个同步进行硝化、反硝化处理的，沿着水流的方向依次为第一反应区3a，第二反应区3b、第三反应区3c，隔板的高度与人工塘的深度相同，隔板的宽度与人工塘的宽度相匹配，如图1。本发明的人工塘也可以不设置隔板，或设置多个隔板。

隔板靠近人工塘长度方向侧壁的一侧从上至下沿着人工塘的深度方向均匀设置多个均匀配水的导流孔4，形成导流区，如图2、3，另一侧端不设置导流孔，水流通过导流孔依次从第一反应区、第二反应区、第三反应区，相邻两个隔板上的导流区分别靠近人工塘的不同的长度方向的侧壁，使得水流在人工塘的反应区内折流，水流在整个人工塘内呈S型流动，导流区的宽度与隔板的宽度之比为20-60：100，优选为35：100；导流孔孔径为(10±1)mm。

本发明具体实施方式中人工塘体以隔板分成三个反应区为例，其他分隔成多个反应区或不分隔均适用于本发明。设置导流孔的目的是延长水力停留时间。

自养反硝化人工塘的整个反应系统分为好氧区、兼性厌氧区及厌氧区，好氧区为水深0.4～0.6m，兼性厌氧区及厌氧区水深为0.6-1m，实际工程化应用中，该高度可作为参考。

污水从进水口(图中未示出)送入人工塘的第一反应区，并且在进水口处设置布水板(图中未示出)，均匀布水，沿着人工塘的长度方向设置2个隔板，水流通过隔板上的导流孔依次流入第二、第三反应区，水流流向呈S型流动，污水通过好氧区、兼性厌氧及厌氧区的净化处理后从出水口流出(图中未示出)。

如图4、5，人工塘的第一、第二、第三反应区内设置生态浮岛5，生态浮岛水面以下悬挂生物载体填料6，形成生物载体填料区，为好氧微生物提供良好的生长和附着环境；水面以上种植挺水植物。

生态浮岛占人工塘水面的面积之比为10-40：100，优选为30：100；悬挂的生物载体填料在水下的深度与人工塘的有效深度之比为10-50：100，优选为20-40：100，进一步优选为25：100；所述生态浮岛水面下悬挂的生物载体填料的体积与所述人工塘有效总容积之比为5-15：100，优选为7-12：100，进一步优选为10：100；所述生物载体填料选择条状的弹性填料(河南省洁康环保公司，洁康-JK011)。

生物载体填料选择聚烯烃类、聚酰胺中的耐腐蚀、耐温、耐老化的材料，采用拉丝，丝条制毛工艺，制成丝条，然后将丝条穿插固着在耐腐、高强度的中心绳上，使丝条呈立体均匀排列辐射状态，制成了悬挂式立体弹性填料的单体，填料在有效区域内能立体全方位均匀舒展满布，使气、水、生物膜得到充分混渗、接触、交换，生物膜均匀地着床在每一根丝条上，保持良好的活性和空隙可变性，而且能在运行过程中获得愈来愈大的比表面积，能进行良好的新陈代谢。在生态浮岛水面以下区域悬挂条状生物载体填料，便于水体中的微生物进行附着于生长。

生物载体：具有有效表面积大，适合微生物生长和吸附的特点，是对国内处理污水，生物膜处理技术采用的多种填料中开发的最新系列产品，在污水的生化处理中具有全立体结构，比表面积大，易挂膜，不堵塞的优点，主要起生物膜载体的作用，同时兼具有截留悬浮物的作用，生物附着力强，比表面积大，孔隙率高，化学和生物稳定性能好。本发明的生物载体主要采用的是立体弹性填料。

生态浮岛上种植的挺水植物，选择适合污水处理地气候的西伯利亚鸢尾、芦苇、风车草或菖蒲中的一种或多种，优选为西伯利亚鸢尾或芦苇，进一步优选为西伯利亚鸢尾；挺水植物的种植密度为10-30株/m²，优选为16株/m²。

本发明具体实施方式中以生态浮岛占人工塘水面的面积之比为30：100；悬挂的生物载体填料在水下的深度与人工塘的有效深度之比为25：100；所述生态浮岛水面下悬挂的生物载体填料的体积与所述人工塘有效总容积之比为10：100；挺水植物以西伯利亚鸢尾；挺水植物的种植密度为16株/m²为例进行说明。

人工塘的底部铺设呈长方体型或正方体型的填料块8(本发明具体实施方式中填料块的形状为长方体型)，填料块包括网状外壳(图中未示出)和填充在外壳内部的包括硫磺、石灰石、沸石、火山岩的填料。多块填料块铺设在人工塘的底部，形成硫磺填料区。

硫磺填料区的高度与人工塘的有效深度之比为10-50：100，优选为30-50：100，进一步优选为30-35：100，更进一步优选为30：100。硫磺填料区的有效体积与人工塘有效总体积之比为(0.1-0.5):1，优选为(0.3-0.5)：1，进一步优选为(0.3-0.35)：1，更进一步优选为0.3：1。其中所述有效深度是指人工塘内容纳的水体的实际深度；所述有效体积是指人工塘内容纳的水体的体积。

特别是，所述人工塘的深度为90-110cm，优选为100cm；生态浮岛下生物载体填料区的高度为20-40cm，优选为25cm，模块化的硫磺填料区的高度为30-35cm，优选为30cm。

网状外壳采用不锈钢铁丝材料制成的网状结构，相邻铁丝之间的间距为1-1.5cm(优选为1.5cm)，即铁丝网的网孔的长度为10～15mm，宽度为10～15mm；网状外壳为长方体型或正方体型，优选为长方体型；网状外壳的厚度为10-20cm，优选为20cm；长度和宽度可以根据人工塘的长度和宽度而定，通常网状外壳的长度为人工塘长度的1/4-1/2，优选为1/2；网状外壳的宽度为人工塘宽度的1/4-1/2，优选为1/2。网状外壳的长度为0.7m～0.9m，优选为0.8m；宽度为0.7m～0.9m，优选为0.8m，即单个填料块的长度为0.7-0.9m，优选为0.8m；宽度为0.7-0.9m，优选为0.8m；厚度为0.1-0.2m，优选为0.2m。

填料块中硫磺、石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：(0.8-1.2)：(0.9-1.2)：(0.7-1.2)，优选为1:1:1:1。硫磺、石灰石、沸石、火山岩均为颗粒状，粒径分别为10-20mm；20-25mm；10-15mm；25-28mm。

本发明具体实施方式中以硫磺填料区的高度与人工塘的有效深度之比为30：100；硫磺填料区的有效体积与人工塘有效总体积之比为0.3：1；填料块中硫磺、石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1:1:1:1为例，其他体积之比例如硫磺、石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：(0.8-1.2)：(0.9-1.2)：(0.7-1.2)也是适用于本发明。

人工塘底部铺设的填料块由硫磺、石灰石、沸石、火山岩等组成，石灰石、沸石填料对出水pH起到一定的调节作用；填料以模块化添加，水体经过好氧区进行硝化过程，经过兼性厌氧区及厌氧区进行自养反硝化处理，充分利用人工塘的空间结构，通过硝化、硫自养反硝化过程对低C/N比的尾水实现深度脱氮，塘体种植植物实现对水体中N、P元素的去除。

本发明主要是对传统的人工塘进行了技术与效果的优化。普通的人工塘一般是起硝化作用，对环境起美化作用，但是实际污水厂出水硝态氮高，亚硝态氮低，因此本研究的想法是利用人工塘进行硝化和反硝化，并且美化环境。将人工塘与硫自养反硝化相结合,植物种植区内种植的输氧植物对污染物的去除主要分为直接作用和间接作用，植物丰富的根系具有庞大的吸附表面，能从土壤溶液中吸收一部分无机氮作为自身营养成分，用于合成植物蛋白等有机氮，此外无机磷可以通过植物吸收和同化作用下被合成ATP等有机成分，这部分就可以通过植物的收割得以去除(属于直接作用)；另外植物根系将氧气输送到根区，使根表面呈现氧化状态，氨可以被这一区域的硝化细菌硝化。硫磺填料区,可以通过反硝化作用去除污水中的硝态氮,整个过程通过硝化喝反硝化作用实现对污水的深度脱氮处理.

人工塘内填料进行模块化，可以对填料进行拆卸，使得装置运行更加灵活，并且通过拆卸填料，可以调节水力停留时间(HRT)，实现对反应运行条件的灵活调控，其中控制HRT是本专利的关键点。打破了传统的人工氧化塘在水环境治理领域中所起的作用，将硫自养反硝化技术应用于氧化塘中，实现对氨氮，硝态氮和亚硝态氮的同步去除。

本发明自养反硝化人工塘的工作原理如下：

C/N比低于2且NO₃-N质量浓度≥16mg/L的污水处理厂尾水从进水口流入本发明人工塘的第一反应区3a，进水口处设置布水板(图中未示出)均匀布水，水流由第一反应区经过隔板2上的导流孔均匀布水，流入第二反应区3b，再由第二反应区经过隔板2a上的导流孔均匀布水，流入第三反应区3c，水流在隔板2、2a的作用下呈S型流动，延长了人工塘的水力停留时间，提高了污水脱氮效率。

人工塘内设置有生态浮岛，且生态浮岛的水面以下部分悬挂生物载体填料，为微生物提供良好的附着和生长环境；水面以上部分种植挺水植物，挺水植物兼具景观和深度净化水质的功能，植物丰富的根系具有庞大的吸附表面，吸收水液中的无机氮为自身生长，吸收和同化无机磷合成ATP；将空气中的氧气输送至根区，使得根表面呈氧化状态，利于硝化细菌的硝化作用。水流流入人工塘的第一、第二、第三反应区内，通过人工塘上部的生态浮岛和生物载体填料区的硝化作用，将水中的氨氮(NH₄ ⁺-N)转化为硝态氮(NO₃ ^--N)；水流通过人工塘底部的硫磺填料区的反硝化作用将水体中硝态氮(NO₃—N)转化为氮气(N₂)，达到脱氮的目的，硫磺填料区内填料块中的硫磺为自养反硝化过程提供充足的电子供体，水体中的硝态氮作为电子受体，通过反硝化过程将水体中硝态氮(NO₃—N)转化为氮气(N₂)，从而达到去除水中氮素的作用，但是由于硫自养反硝化过程消耗碱度，会使得出水pH变低，因此填料中添加石灰石，对出水pH起到一定的调节作用；填料以模块化装置添加，便于进行拆卸并调节水力停留时间。

本发明的自养反硝化人工塘通过隔板分隔成多个反应区，污水沿着水流的方向经过多次反复的硝化与反硝化反应，对低C/N比的污水进行深度脱氮处理，处理后的污水由出水管排出人工塘。

实施例1

1、挖掘人工塘床体

在待处理污水地，挖掘长方体型人工塘床体，人工塘床体的深度通常<3m，在人工塘床体的上部开设进水口，与进水管相连接，将污水引入人工塘；底部开设有出水口，与出水管相连接，将深度脱氮处理后的出水引出人工塘；并沿着人工塘的长度方向设置2个隔板，将人工塘沿着长度方向分成3个大小相同且相对独立的反应区，第一、第二、第三反应区，如图1；隔板靠近人工塘长度方向侧壁的一侧从上至下沿着人工塘的深度方向均匀设置多个导流孔4，形成导流区；相邻两个隔板上的导流区分别靠近人工塘不同的长度方向的侧壁，使得进入人工塘的水流呈S型流动，导流区的宽度与隔板的宽度之比为20-60：100，优选为30-35：100，进一步优选为35:100。

2、配制填料

2A)将粒径为分别为10-20mm；20-25mm；10-15mm；25-28mm的硫磺，石灰石、沸石、火山岩混合均匀，配制成硫磺填料区填料，即硫磺/石灰石/沸石/火山岩填料，其中硫磺，石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：(0.8-1.2)：(0.9-1.2)：(0.7-1.2)(优选为1：1：1：1)；

2B)将硫磺填料区填料分装至网状外壳内，其中网状外壳采用不锈钢铁丝材料制成的网状结构，相邻铁丝之间的间距为1-1.5cm(优选为1.5cm)，即铁丝网的网孔的长度为10～15mm，宽度为10～15mm；网状外壳为长方体型或正方体型，优选为长方体型；网状外壳的厚度为10-20cm，优选为20cm；单个填料块的厚度为10-20cm，优选为20cm；长度和宽度可以根据人工塘的长度和宽度而定，通常网状外壳的长度为人工塘长度的1/4-1/2，优选为1/2；网状外壳的宽度为人工塘宽度的1/4-1/2，优选为1/2。网状外壳的长度为0.7m～0.9m，优选为0.8m；宽度为0.7m～0.9m，优选为0.8m，即填料块的长度为0.7-0.9m，优选为0.8m；宽度为0.7-0.9m，优选为0.8m；厚度为0.1-0.2m，优选为0.2m。

2C)将填料块铺设在人工塘的底部，形成硫磺填料区，其中，硫磺填料区的高度与人工塘有效高度之比为10-50：100，优选为30-50：100，进一步优选为30-35：100更进一步优选为30：100；

3、人工塘挂膜处理

3A)第一阶段挂膜处理

将污水处理厂的C/N比≤2、NO₃-N质量浓度≥16mg/L的污水从进水管引入本发明的人工塘进水口，通过布水板均匀布水，在人工塘的水体的表面设置水体浮岛，生态浮岛水面以下悬挂弹性生物载体填料(河南洁康环保，洁康-JK011)，形成生物载体填料区，为好氧微生物提供良好的生长和附着环境；水面以上种植挺水植物西伯利亚鸢尾；生态浮岛占人工塘水面的面积之比为10-40：100(优选为30：100)；悬挂的生物载体填料在水下的深度与人工塘的有效深度之比为10-50：100(优选为20-40：100，进一步优选为25：100)；所述生态浮岛水面下悬挂的生物载体填料的体积与所述人工塘有效总容积之比为为5-15：100，优选为7-12：100，进一步优选为10：100)；挺水植物的种植密度为10-30株/m²，优选为16株/m²。

污水依次流经悬挂生物载体填料的区域、硫磺填料区，水流向下流至人工塘底部，经出水口、出水管排出人工塘，进行第一阶段的挂膜处理，其中保持水力停留时间为18h(通常为≥15h，优选为15-24h)；连续运行15天(通常为≥15天，夏季15-20天；春季、秋季、冬季20-30天，本实施例以夏季)，进行第一阶段挂膜处理，其中第一阶段挂膜处理过程中水温在20-30℃，优选为26～29℃；

挂膜处理第一阶段对污水厂尾水污染物的去除主要分为填料的吸附阶段、微生物优势菌种的初步培养阶段。

3B)第二阶段挂膜处理

加大进水量，控制水力停留时间为≥5h(优选为5-15h，进一步优选为9h)，进行第二阶段挂膜处理，连续运行15天(通常为≥15天，夏季15-20天；春季、秋季、冬季20-30天，本实施例以夏季)，直至出水水质稳定，即得本发明的挂膜成功的污水深度脱氮自养反硝化人工塘，其中第二阶段挂膜处理过程中水温在20-30℃，优选为26～29℃；

在第二阶段挂膜处理过程中每天监测装置出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮、硝态氮、铵态氮、pH和溶解氧浓度，取平均值后计算相应的去除率，本发明人工塘的出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在75％以上，保持稳定，本发明的污水深度脱氮人工塘构建完成。

人工塘挂膜成功之后，生态浮岛的挺水植物兼具景观和深度净化水质的功能；浮岛水面以下的生物载体填料区为微生物的生长提供良好的附着场所,有助于脱氮作用的进行,且填料中的硫磺可以为反硝化作用提供电子供体；人工塘底部的硫磺填料区内填料(硫磺/石灰石/沸石/火山岩)层附着大量的Thiobacillus，Sulfurimonas，Halothiobacillus等脱氮硫杆菌利用溶解在水中的单质硫还原硝酸盐，将进水中的硝酸盐还原成氮气，单质硫被氧化成硫酸盐；人工湿地内的沸石将水体中残余的氨氮吸附，并将进水中含有的细小悬浮颗粒物截留下来，此外对系统的pH具有缓冲能力，可以防止反硝化过程中的pH下降；

脱氮硫杆菌进行硫自养的反应方程式为

1.06NO₃ ^-+1.11S+0.3CO₂+0.785H₂O→0.06C₅H₇O₂N+0.5N₂+1.11SO₄ ^2-+1.16H⁺

本发明将人工塘与硫自养反硝化相结合，脱除进水中的硝酸盐，由于脱氮硫杆菌生长缓慢，增殖速率远远低于异养菌，因此，该潜流湿地系统在高效反硝化脱氮的同时，也不会由于微生物的大量繁殖而造成潜流湿地系统堵塞。同时利用湿地床中种植的植物，实现对进水中氮磷的去除。

本发明植物种植区内种植的输氧植物对污染物的去除主要分为直接作用和间接作用，植物丰富的根系具有庞大的吸附表面，能从水液中吸收一部分无机氮作为自身营养成分，用于合成植物蛋白等有机氮，此外无机磷可以通过植物吸收和同化作用下被合成ATP等有机成分，这部分就可以通过植物的收割得以去除(属于直接作用)；另外植物根系将氧气输送到根区，使根表面呈现氧化状态，氨可以被这一区域的硝化细菌硝化。另外，种植的是一定量的经济植物，具有一定的经济性。

实施例2

以长葛市某污水处理厂尾水为例进行深度脱氮处理，污水水量、水质如表1所示。

1、挖掘人工塘床体

在待处理污水地，挖掘长方体型人工塘床体，人工塘床体的长、宽、深度分别为3m、1m、1.1m，有效深度为1m(即为人工塘内水的深度，人工塘的底部至水面的高度；通常<3m)的，在人工塘床体的上部开设进水口，与进水管相连接，将污水引入人工塘；底部开设有出水口，与出水管相连接，将深度脱氮处理后的出水引出人工塘；并沿着人工塘的长度方向设置2个隔板，将人工塘沿着长度方向分成3个大小相同且相对独立的反应区，第一、第二、第三反应区，如图1；隔板靠近人工塘长度方向侧壁的一侧从上至下沿着人工塘的深度方向均匀设置多个导流孔4，形成导流区，导流区的宽度与隔板的宽度之比为35：100(通常为20-60：100)；相邻两个隔板上的导流区分别靠近人工塘不同的长度方向的侧壁，使得进入人工塘的水流呈S型流动。

2、配制填料

2A)将粒径为分别为10-20mm；20-25mm；10-15mm；25-28mm的硫磺，石灰石、沸石、火山岩混合均匀，配制成硫磺填料区填料，即硫磺/石灰石/沸石/火山岩填料，其中硫磺，石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：1：1：1(通常为1：(0.8-1.2)：(0.9-1.2)：(0.7-1.2))；

2B)将硫磺填料区填料分装至网状外壳内，其中网状外壳采用不锈钢铁丝材料制成的网状结构，相邻铁丝之间的间距为1-1.5cm(优选为1.5cm)，即铁丝网的网孔的长度为10～15mm，宽度为10～15mm；网状外壳为长方体型或正方体型，优选为长方体型；网状外壳的厚度为10-20cm，优选为20cm；单个填料块的厚度为10-20cm，优选为20cm；长度和宽度可以根据人工塘的长度和宽度而定，通常网状外壳的长度为人工塘长度的1/4-1/2，优选为1/2；网状外壳的宽度为人工塘宽度的1/4-1/2，优选为1/2。网状外壳的长度为0.7m～0.9m，优选为0.8m；宽度为0.7m～0.9m，优选为0.8m，即填料块的长度为0.7-0.9m，优选为0.8m；宽度为0.7-0.9m，优选为0.8m；厚度为0.1-0.2m，优选为0.2m。

2C)将填料块铺设在人工塘的底部，形成硫磺填料区，其中，硫磺填料区的高度与人工塘有效高度之比为30：100(通常为10-50：100，优选为30-50：100，进一步优选为30-35：100)；

3、人工塘挂膜处理

3A)第一阶段挂膜处理

将污水处理厂的(C/N比≤2、NO₃-N质量浓度为16-22mg/L)(通常C/N比≤2、NO₃-N质量浓度≥16mg/L)的污水从进水管引入本发明的人工塘进水口，通过布水板均匀布水，在人工塘的水体的表面设置水体浮岛，生态浮岛水面以下悬挂弹性生物载体填料(河南洁康环保，洁康-JK011)，形成生物载体填料区，为好氧微生物提供良好的生长和附着环境；水面以上种植挺水植物西伯利亚鸢尾；生态浮岛占人工塘水面的面积之比为30：100(通常为10-40：100)；悬挂的生物载体填料在水下的深度与人工塘的有效深度之比为25：100(通常为10-50：100，优选为20-40：100)；所述生态浮岛水面下悬挂的生物载体填料的体积与所述人工塘有效总容积之比为10：100(通常为5-15：100，优选为7-12：100)；挺水植物的种植密度为16株/m²(通常为10-30株/m²)。

尾水通过进水管引入本发明人工塘，由布水板均匀布水，通过调整进水量、控制水力停留时间为18h(通常为≥15h，优选为15-24h)，在温度为26～29℃(通常为20～30℃)的条件下运行，进行第一阶段挂膜处理；

3B)第二阶段挂膜处理

第一阶段挂膜处理15天(通常为≥15天，夏季15-20天；春季、秋季、冬季20-30天，本实施例以夏季)后，加大进水量，控制水力停留时间为9h(通常为≥5h，优选为5-15h)，在温度为26～29℃的条件下运行，进行第二阶段挂膜处理，直至出水水质稳定，第二阶段挂膜处理15天(通常为≥15天，夏季15-20天；春季、秋季、冬季20-30天，本实施例以夏季)。

在第二阶段挂膜处理过程中每天监测装置出水水质，检测出水的COD、总氮以及氨氮、硝态氮、铵态氮、pH、溶解氧浓度的平均值，计算相应的去除率，第二阶段挂膜处理15天后COD的去除率达到20～40％以上；总氮去除率达到85％以上；氨氮去除率最高达到75％以上，检测指标基本不变，检测指标基本不变，去除率基本维持稳定，本发明的污水尾水深度脱氮人工塘构建完成。

本发明装置的出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在85％以上，保持稳定，测定结果如表1。

4、人工塘运行(污水尾水深度脱氮处理)

将污水厂尾水(水质如表1所示)通过进水管引入挂膜成功的自养反硝化人工塘，进过进水管、布水板向人工塘内均匀布水，进水流量为0.8L/min，污水在人工塘的水力停留时间为12h(其中，生态浮岛与生物载体填料区水力停留时间为8h，硫磺填料区的水力停留时间为4h)，系统运行过程中温度维持为25-28℃，进水pH基本维持在7.52～7.89，DO基本维持在1.8-2.2之间。

利用本发明人工塘进行污水尾水深度脱氮处理过程中，以脱氮温度为25-28℃，水力停留时间为12h为例进行说明，其他脱氮温度在10-35℃；水力停留时间为4-24h均适用于本发明。

污水经过潜流人工湿地处理后的出水水质(COD、硝酸盐、氨氮、总氮)测定结果的见表1。其中，按照HJ/T 399-2007《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》检测水中的化学需氧量(COD)；按照GB11894-89《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》检测水中总氮(TN)；按照HJ 535-2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》检测水中氨氮(NH₄ ⁺-N)；按照HJ/T 346-2007《水质硝酸盐测定紫外分光光度法》检测水中硝酸盐氮(NO₃ ^--N)；水中溶解氧的测定采用哈希的隔膜电极法检测水中溶解氧(DO)。

表1污水水量以及污水处理前后水质测定结果

人工塘稳定运行操作条件为：反应温度在25～28℃之间，pH在7.52～7.89之间；进水方式为连续式进水；流量为0.8L/min。

从表1的水质测定结果可知：采用本发明的自养反硝化生物澄清池强化污水厂尾水深度脱氮装置处理市政污水出水，去除效果显著，脱氮效果明显，其中硝酸盐去除率可达到80％以上；总氮去除率为80％以上，氨氮去除率可达到75％，出水pH基本维持在7.52～7.89。

实施例3

除了步骤2)中硫磺，石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1:0.8:1.2:0.7；硫磺填料区的高度与人工塘有效高度之比为35：100；

步骤3)中生态浮岛占人工塘水面的面积之比为40：100；悬挂的生物载体填料在水下的深度与人工塘的有效深度之比为20：100(通常为10-50：100，优选为20-40：100)；所述生态浮岛水面下悬挂的生物载体填料的体积与所述人工塘有效总容积之比为12：100；挺水植物的种植密度为10株/m²之外，其余与实施例2相同。

污水厂尾水经过人工塘的深度脱氮处理后的出水水质(COD、硝酸盐、氨氮、总氮)的测定结果见表1。从表1的水质测定结果可知：采用本发明的人工塘处理市政污水，去除效果显著，脱氮效果明显，其中NO₃-N的去除率可达到80％；总氮去除率为80％以上，出水pH基本维持在6.5-7.0。

本发明的人工塘反硝化填料进行模块化，可以对填料进行拆卸，使得人工塘运行更加灵活，并且通过装载或拆卸填料，可以调节水力停留时间(HRT)，实现对反应运行条件的灵活调控，其中控制HRT是本专利的关键点，因为HRT时间太短,可能导致污染物去除效果不明显,HRT如果太长,可能会导致出水变臭,因此控制HRT是关键点。打破了传统的氧化塘在水环境治理领域中所起的作用，将硫自养反硝化技术应用于氧化塘中，实现对氨氮，硝态氮和亚硝态氮的同步去除。

本发明的人工塘主要解决的技术问题和有益效果如下：通过将好氧区与厌氧区结合在一套装置中，实现硝化和反硝化在同一装置中进行，实现对污水厂尾水的深度脱氮处理，并且得到较为理想的处理效果。

Claims (10)

1.一种自养反硝化人工塘的构建方法，其特征是，包括如下顺序进行的步骤：

1)在待处理污水地挖掘人工塘床体，并在人工塘床体底部铺设填料块，其中填料块中的填料包括硫磺、石灰石、沸石、火山岩，形成硫磺填料区；人工塘的底部设置出水口与出水管相连通，排出处理后的污水；

2)在人工塘的水体内设置生态浮岛，生态浮岛漂浮于水面，生态浮岛水面以上部分种植植物，生态浮岛水面以下部分悬挂生物载体填料；

3)将待处理污水引入人工塘，进行挂膜处理，直至人工塘出水水质稳定，污水的总氮去除率达到并保持在75％以上，即得自养反硝化人工塘。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，步骤3)中所述挂膜处理包括如下步骤：

3-1)在温度为20-30℃的条件下，将待处理污水从人工塘顶部引入，污水依次流经悬挂生物载体填料的区域、硫磺填料区，水流向下流至人工塘底部，经出水口、出水管排出人工塘，进行第一阶段的挂膜处理，其中保持水力停留时间≥15h；

3-2)在温度为20-30℃的条件下，第一阶段挂膜处理至少15天后，加大进水量，保持水力停留时间≥5h，流经悬挂生物载体填料的区域，模块化装填的硫磺载体填料区，水流下行至人工塘底部，经出水口、出水管排出人工塘，进行第二阶段的挂膜处理；其中在第二阶段挂膜处理过程中每天监测人工塘出水水质，直至TN的去除率达到并维持在75％以上，且保持稳定。

3.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤1)中所述硫磺填料区的高度与人工塘的深度之比为10-50：100。

4.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，所述硫磺区填料填料块中填料硫磺，石灰石、沸石、火山岩的体积之比为1：(0.8-1.2)：(0.9-1.2)：(0.7-1.2)。

5.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤2)中所述生态浮岛的面积与人工塘水面的面积之比为10-40：100。

6.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤2)中所述生态浮岛水面下悬挂的生物载体填料的体积与所述人工塘有效总容积之比为5-15：100。

7.一种自养反硝化人工塘，其特征是，按照如权利要求1-6任一所述方法构建而成。

8.一种利用如权利要求7所述的自养反硝化人工塘对污水进行深度脱氮的方法，包括将污水输送至如权利要求7所述的自养反硝化人工塘内，进行脱氮处理，其中控制水利停留时间≥4h。

9.如权利要求8所述的深度脱氮方法，其特征是，所述脱氮处理过程中控制处理温度为10-35℃。

10.如权利要求8或9所述的深度脱氮方法，其特征是，所述污水为污水厂厂尾水，所述污水的C/N<2，且NO₃-N质量浓度≥16mg/L。

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