CN112010429A - 一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统,包括:硫自养反硝化湿地子系统,包括第一填料及硫自养反硝化细菌;以及自养硝化湿地子系统,包括第二填料及自养硝化细菌;所述硫自养反硝化湿地子系统与所述自养硝化湿地子系统相连通,污水从所述硫自养反硝化湿地子系统底部流入,在所述硫自养反硝化湿地子系统与所述自养硝化湿地子系统之间循环,直至所述污水的水质满足预设标准后排出。系统依靠的微生物都是红树林湿地系统中本身存在的耐盐(或嗜盐)微生物,运行调试后能有效去除海水养殖污水中的氮素污染物和有机污染物,提高湿地的去污效率。

Description

一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统
技术领域
本发明涉及生态环境保护技术领域,尤其涉及一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统。
背景技术
海水养殖废水含有的丰富氮磷,是造成水体富营养化的重要原因。以我国广东省为例,仅2008年广东省近海海域养殖氮排放量高达170kt,磷排放量高达30kt,COD(Chemical oxygen demand)排放量高达360kt,海水养殖面源污染的贡献率已达25%,且养殖区与近海污染区有明显的相关性。
由于养殖环境、方式和污水排放形式的差异,导致污水处理方法复杂而多样化。目前,国内外主要采用物理、化学、生物方法来处理养殖污水。相较于前两者,生物法具有生态环境友好,操作简单,耗能少,运行维护成本低等显著优点受到人们推崇。其代表性传统工艺主要有膜生物反应器(MBR)、序列间歇式活性污泥法(SBR)、活性污泥法(CAS)等,但存在脱氮功能微生物易受盐度影响,长期运行在高盐度条件下易出现功能衰退,系统稳定性较差,污染物去除效率下降等缺点。
有鉴于此,如何在改善在高盐度条件下的污水处理效率是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统,旨在解决现有的在高盐度条件下的污水处理效率低的问题。
一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其中,包括:
硫自养反硝化湿地子系统,用于对污水进行脱氮,包括:第一填料及硫自养反硝化细菌、硫还原细菌及硫氧化细菌;以及
自养硝化湿地子系统,用于对污水进行脱氨,包括:第二填料及自养硝化细菌;
所述硫自养反硝化湿地子系统与所述自养硝化湿地子系统相连通,污水从所述硫自养反硝化湿地子系统底部流入,在所述硫自养反硝化湿地子系统与所述自养硝化湿地子系统之间循环,直至所述污水的水质满足预设标准后排出。
上述所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,通过将所述硫自养反硝化湿地子系统与所述自养硝化湿地子系统配合使用,提高了湿地的去污效率,降低了运营成本。
可选地,所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其中,所述第一填料为陶粒、沸石和火山岩中的一种或多种。
可选地,所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其中,所述第二填料为海沙、硫铁矿或硫磺。
可选地,所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其中,还包括种植在所述硫自养反硝化湿地子系统和/或自养硝化湿地子系统中的红树植物秋茄。
可选地,所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其中,所述自养硝化湿地子系统还包括:用于为所述自养硝化湿地子系统内部供氧的曝气设备。
可选地,所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其中,所述硫自养反硝化湿地子系统内部的溶解氧浓度不高于0.5mg/L。
可选地,所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其中,所述自养硝化湿地子系统内部的溶解氧浓度不低于2.0mg/L。
可选地,所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其中,所述海沙的粒径为0.1-0.5mm。
可选地,所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其中,所述污水经自养硝化湿地子系统回流至所述硫自养反硝化湿地子系统,其中所述污水的回流比为(2-4):1。
可选地,所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其中,所述红树植物秋茄的种植密度为10-16株/m2
附图说明
图1为本发明实施案例提供的一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统的结构示意图;
图2为本发明实施案例提供的一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统中基于硫酸盐还原的硫自养反硝化原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施方式。相反地,提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。
海水养殖过程中产生的污染物主要包括养殖对象排泄物、剩余饵料、生活垃圾、化学药品以及病原菌等,这些污染物不易发生转移和扩散,易导致养殖水体自然污染的发生。目前多采用生物法来处理养殖污水,但是现有的生物法存在脱氮功能的微生物易受盐度的影响,长期运行在高盐度条件下易出现功能衰退,系统稳定性较差,污染物去除效率下降等缺点。
发明人在秋茄人工湿地中,盐度在0.9%的条件下发现了具有高效氨氧化作用的AOA-Candidatus nitrosoarchaeum;通过对比发现在2%盐度时AOB(硝化细菌)受到明显抑制,丰度仅为10-3.46×102copies/g,而AOA的丰度高达1.32×106-1.87×107copies/g,也证实了AOA(氨氧化古菌,Ammonia oxidizing archaea)比AOB对氧气、盐度和基质变化的适应性更好,受到环境胁迫时仍能保持较好的氨氧化活性,污水盐度为2%时,氨氮去除率为86.4±1.1%。AOA广泛地参与了全球氮循环过程,具有巨大的硝化潜力,对盐度的其他环境因子的变化都有很强的耐受性,是含盐污水脱氮的良好选择。
由于养殖方式和密度的不同,海水养殖污水中C/N也变化较大。而湿地在低C/N条件下受有机碳源不足的限制,脱氮效率往往较低。有机碳源作为反硝化作用必不可少的底物,在湿地处理低C/N污水时往往需要投加碳源,以提高湿地的脱氮效率,但这无疑会大大增加湿地的运行成本。因此如何在不外加碳源的情况下提高人工湿地处理低C/N养殖污水的脱氮效率是当前国内外研究的热点和难点问题。
基于此,本发明提供一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统的能够解决上述技术问题的方案,其详细内容将在后续实施例中得以阐述。需要说明的是图1中的灰色箭头表示水的流向。
请参阅图1,如图所示,本发明所提供的一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统,包括:硫自养反硝化湿地子系统A,所述硫自养反硝化湿地子系统A包括海沙4及红树林潮间带沉积物(未示出);设置在所述硫自养反硝化湿地子系统A底部的进水口3,与所述进水口3管道连接的进水泵2以及与所述进水泵2管道连接的储水器1,容易理解的,储水器1中的水为被污染的水,如海水养殖产生的污水,设置在所述硫自养反硝化湿地子系统A上部的出水口5以及种植的红树植物6;自养硝化湿地子系统B,所述自养硝化湿地子系统B包括:红树植物8、沸石9、陶粒10、火山岩11及红树林潮间带沉积物(未示出),设置在所述自养硝化湿地子系统B底部的曝气泵12,出水口13与所述出水口13管道连接的水泵14,与所述水泵14管道连接的设置在所述硫自养反硝化湿地子系统A底部的进水口15。在所述硫自养反硝化湿地子系统A与所述自养硝化湿地子系统B之间还设置有连通管7。通过水泵2将储水器1中的水泵入所述硫自养反硝化湿地子系统A,水流经过初级净化后经连通管7进入所述自养硝化湿地子系统B,经过再次净化处理,然后利用水泵14泵入所述硫自养反硝化湿地子系统A,即水在所述硫自养反硝化湿地子系统A与所述自养硝化湿地子系统B中进行循环,直到水质达到排放标准后从出水口5排出。
在本实施例中,所述红树林潮间带沉积物,包括多种细菌种类,其中就包括:硫自养反硝化细菌、硫还原细菌、硫氧化细菌、自养硝化细菌及异养微生物。在对所述硫自养反硝化湿地子系统A与所述自养硝化湿地子系统B进行装填前,将填料与红树林潮间带沉积物按照一定的混合比例进行混合,例如可以按照质量份数比3.3:1的比例进行(3.3份的填料:1份的红树林潮间带沉积物)。
基于硫酸盐还原的生物自养脱氮原理如图2所示,首先有机碳源在被异养微生物(Heterotrophic microorganism,HTM)氧化的同时为硫还原细菌(Sulfur reducingbacteria,SRB)还原硫酸盐(SO4 2-SS或S2 --S)提高电子供体,实现有机物的去除,而还原态硫化物或单质硫在为硫自养反硝化作用提供电子供体的同时自身被硫氧化细菌(Sulfuroxidizing bacteria,SOB)氧化为硫酸盐,开始新一轮的硫循环,从而为硫自养反硝化细菌(Sulfur autotrophic denitrifying bacteria,SADB)的自养反硝化作用提供源源不断的电子,实现硝态氮的去除。在厌氧环境中,硫酸盐的还原会导致pH的增加,因此还原产物硫化物倾向于在水中溶解,从而产生足够量的溶解硫化物,为硫自养反硝化作用(Sulfurautotrophic denitrifying,SAD)提供充足的电子供体。而铵态氮在自养硝化微生物AOA/AOB等作用下被氧化为硝态氮,进一步被SADB所还原,实现铵态氮的去除。因此,本原理基于硫酸盐的还原,实现了碳循环、氮循环及硫循环的耦合,并依靠自养功能微生物完成了氮的高效去除。
在本实施例的一种实施方式中,所述第一填料的粒径为0.5-1mm的海沙,选择该粒径的海沙,易于所述硫自养反硝化湿地子系统A内部形成厌氧或微氧环境,有利于硫自养反硝化作用的发生;其次,该粒径海沙丰富、易得,可节约湿地的建设成本,具有一定的经济性。
进一步,所述第一填料还可以使用硫铁矿或硫磺等填料,直接为硫的自养反硝化脱氮作用提供电子供体。
在本实施例的一种实施方式中,所述自养硝化湿地子系统B内部所用填料包括但不限于陶粒、沸石和火山岩,可以是三者中的组合,也可以是其中的任一种。自上而下按粒径从小到大进行排列,最小粒径不低于1.0cm。容易理解的当填料为不止一种时,进行分层排列,同种填料位于同一层。
在本实施例的一种实施方式中,所述硫自养反硝化湿地子系统A和所述自养硝化湿地子系统B种植有红树植物秋茄,容易理解的红树植物秋茄可以只种植在其中一个子系统内,也可以在两个子系统内均种植。为了获得更好的污水处理效果,在两个子系统内均种植。所述红树植物秋茄的种植密度为10-16株/m2,如14株/m2
在本实施例的一种实施方式中,所述自养硝化湿地子系统B通过自养硝化细菌(AOA/AOB)利用氧气将氨氮氧化为硝态氮,因此所述自养硝化湿地子系统B内部的溶解氧浓度要不低于2.0mg/L。
在本实施例的一种实施方式中,所述硫自养反硝化湿地子系统A内部的溶解氧要不高于0.5mg/L微厌氧环境,利于硫酸盐的还原和硫自养反硝化作用的发生,去除有机碳和硝态氮等。
在本实施例的一种实施方式中,所述硫自养反硝化湿地子系统A与所述自养硝化湿地子系统B串联使用,即将海水养殖污水从所述硫自养反硝化湿地子系统A的底部引入(上行流),以厌氧/微氧运行,以完成硫酸盐的氧化和还原过程,同时去除进水中的有机碳源和硝态氮(仍含有一定浓度铵态氮);将所述含有铵态氮浓度的废水下行流输送到所述自养硝化湿地子系统B,以好氧模式运行,以将铵态氮硝化为硝态氮,从而产生硝酸盐的废水;将上述含有硝酸盐的废水再循环进入所述硫自养反硝化湿地子系统A,与进水按一定比例混合,从所述硫自养反硝化湿地子系统A生成出水。其中,所述自养硝化湿地子系统B出水回流到所述硫自养反硝化湿地子系统A,回流比例为(2-4):1。容易理解的也可以是多个所述硫自养反硝化湿地子系统A与多个所述自养硝化湿地子系统B进行组合使用(串联、并联、串联并联)。
示例性技术,模拟南美白对虾养殖废水,人工配制污水成分如下:CODCr90mg/L、NH4 +-N 5mg/L、NO3 --N 10mg/L,利用人工海盐调整污水盐度达2%,其中SO4 2--S含量为120-150mg/L。
所述硫自养反硝化湿地子系统A出水结果如下:由于水流先经过所述硫自养反硝化湿地子系统A进行基于硫酸盐还原的硫自养反硝化作用(水力停留时间为12h),能有效去除CODCr和NO3 --N。经检测所述硫自养反硝化湿地子系统A出水中CODCr含量约为5mg/L,NO3 --N仅剩0.85mg/L左右,去除率高达91.5%,而NH4 +-N依然保持较高浓度(约4.2mg/L),并未有效去除。
所述自养硝化湿地子系统B出水结果如下:所述硫自养反硝化湿地子系统A出水紧接着进入所述自养硝化湿地子系统B进行好氧硝化处理(水力停留时间为12h),能有效去除水体中的NH4 +-N。经检测所述自养硝化湿地子系统B出水中NH4 +-N仅为0.24mg/L,去除率高达94.3%,且系统中无NO2 --N的积累。但由于硝化作用的有效进行,NH4 +-N转化为NO3 --N,导致所述自养硝化湿地子系统B出水中NO3 --N浓度有所增加(约3.91mg/L)。
最终出水结果如下:所述自养硝化湿地子系统B出水按一定内循环比回流到所述硫自养反硝化湿地子系统A,回流比为(2-4):1时都能有效的去除废水中NH4 +-N和NO3 --N,最终出水NH4 +-N浓度仅为0.5±0.15mg/L、NO3 --N浓度仅为0.24±0.12mg/L,实现了海水养殖废水的高效脱氮。
综上所述,本发明提供了一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统,包括:硫自养反硝化湿地子系统,包括第一填料及硫自养反硝化细菌;以及自养硝化湿地子系统,包括第二填料及耐盐的自养硝化细菌;所述硫自养反硝化湿地子系统与所述自养硝化湿地子系统相连通,污水从所述硫自养反硝化湿地子系统底部流入,在所述硫自养反硝化湿地子系统与所述自养硝化湿地子系统之间循环,直至所述污水的水质满足预设标准后排出。依靠的微生物都是红树林湿地系统中本身存在的耐盐(或嗜盐)微生物,运行调试后能有效去除海水养殖污水中的氮素污染物和机污染物,提高湿地的去污效率。首次在湿地系统中提出一种生物自养脱氮一体化工艺,是基于海水中丰富的硫酸盐的还原,以硫自养反硝化作用脱氮,能摆脱湿地在低碳氮比条件下脱氮效果差的致命性问题,在提高脱氮效率的同时还大幅节省运行成本;该湿地工艺的整个过程基本依靠自养微生物完成,能有效防止湿地堵塞问题,大幅提高系统使用寿命(提高70%左右);装填方便,成本低廉,适合于工程应用,适宜推广。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其特征在于,包括:
硫自养反硝化湿地子系统,用于对污水进行脱氮,包括:第一填料及硫自养反硝化细菌、硫还原细菌及硫氧化细菌;以及
自养硝化湿地子系统,用于对污水进行脱氨,包括:第二填料及自养硝化细菌;
所述硫自养反硝化湿地子系统与所述自养硝化湿地子系统相连通,污水从所述硫自养反硝化湿地子系统底部流入,在所述硫自养反硝化湿地子系统与所述自养硝化湿地子系统之间循环,直至所述污水的水质满足预设标准后排出。
2.如权利要求1所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其特征在于,所述第一填料为海沙、硫铁矿或硫磺。
3.如权利要求1所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其特征在于,所述第二填料为陶粒、沸石和火山岩中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其特征在于,还包括:种植在所述硫自养反硝化湿地子系统和/或自养硝化湿地子系统中的红树植物秋茄。
5.如权利要求1所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其特征在于,所述自养硝化湿地子系统还包括:用于为所述自养硝化湿地子系统内部供氧的曝气设备。
6.如权利要求1所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其特征在于,所述硫自养反硝化湿地子系统内部的溶解氧浓度不高于0.5mg/L。
7.如权利要求1所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其特征在于,所述自养硝化湿地子系统内部的溶解氧浓度不低于2.0mg/L。
8.如权利要求2所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其特征在于,所述海沙的粒径为0.1-0.5mm。
9.如权利要求1所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其特征在于,所述污水经自养硝化湿地子系统回流至所述硫自养反硝化湿地子系统,其中所述污水的回流比为(2-4):1。
10.如权利要求4所述的生物自养脱氮一体化人工湿地系统,其特征在于,所述红树植物秋茄的种植密度为10-16株/m2
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