CN113307380B - 一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法及可渗透反应墙 - Google Patents

一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法及可渗透反应墙 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地下水零价铁‑改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法及可渗透反应墙。本发明的脱氮方法包括：含NO3‑‑N地下水通过穿孔墙进入填埋有若干组装有零价铁‑改性生物炭的复合填料柱的反应区中，同时在复合填料柱中投加碳源，利用所投加的碳源和Fe0作为电子供体协同形成混养反硝化将地下水中大部分NO3‑‑N还原成N2；同时改性生物炭既可吸附捕集地下水中一部分NO3‑‑N，又可与铁刨花形成微电解体系促进零价铁腐蚀并促进反硝化过程中电子的介导，提高反硝化脱氮效率；最终处理后的地下水经穿孔墙排出。本发明可提高地下水脱氮效率，并降低可渗透反应墙投资。

Description

一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法及可渗透反应墙
技术领域
本发明涉及一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法及可渗透反应墙，属于地下水修复技术领域。
背景技术
由于工业及生活排污及农业生产中氮肥过量使用，使我国许多地区地下水呈现NO3 --N污染问题。地下水是饮水水源之一，饮用NO3 --N超标的地下水会引发高铁血红蛋白症等疾病，对人体健康构成较大威胁。
依靠有机碳源的异养反硝化是含NO3 --N地下水较为传统的脱氮方法。但地下水中有机物含量低导致反硝化碳源不足，全部依赖外加碳源的异养反硝化脱氮成本较高。以还原性无机物为电子供体完全或部分替代外加有机碳源的自养或混养反硝化脱氮，可解决外加碳源量较大的问题。零价铁作为自养反硝化电子供体，具有价格低廉、材料来源充足的优势。然而，以零价铁驱动的自养反硝化过程中铁型自养反硝化菌生长较慢、反应速率偏低，且零价铁易于出现钝化及板结现象。此外，传统可渗透反应墙(PRB)的构建需要大范围开挖反应池及填充功能填料，且填料失效后需进行大范围更换，运行管理难度大、费用较高。
为提升Fe0自养反硝化速率，可投加部分碳源形成自养与异养共存的混养反硝化。同时，辅以改性生物炭形成铁炭微电解体系，促进零价铁腐蚀以解决钝化及板结的问题，并可强化反硝化电子介导；改性生物炭改性后还可对NO3 --N发挥吸附去除作用。然而，传统可渗透反应墙(PRB)的构建需要大范围开挖反应池及填充功能填料，且填料失效后需进行大范围更换，运行管理难度大、费用较高。将零价铁-改性生物炭复合填料制备成柱状反应器，将多个柱状反应器植入地下水修复区，可克服传统PRB技术的不足，并实现较高的脱氮效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：以零价铁驱动的自养反硝化过程中铁型自养反硝化菌生长较慢、反应速率偏低且零价铁易于出现钝化及板结现象以及传统可渗透反应墙(PRB)的构建需要大范围开挖反应池及填充功能填料，且填料失效后需进行大范围更换，运行管理难度大、费用较高等问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法，包括以下步骤：
步骤1)：含NO3 --N地下水通过穿孔墙进入填埋有若干组装有零价铁-改性生物炭的复合填料柱的反应区中，同时在复合填料柱中投加碳源，异养反硝化菌利用所投加的碳源作为电子供体进行异养反硝化脱氮，自养反硝化菌利用Fe0作为电子供体进行自养反硝化脱氮，二者协同形成混养反硝化将地下水中大部分NO3 --N还原成N2；同时复合填料柱中的改性生物炭既可吸附捕集地下水中一部分NO3 --N，又可与铁刨花形成微电解体系促进零价铁腐蚀并促进反硝化过程中电子的介导，提高反硝化脱氮效率；
步骤2)：经过步骤1)处理后的地下水经穿孔墙排出。
优选地，所述步骤1)中的复合填料柱的材质为穿孔PVC管；所述复合填料柱中的填料装填密度为25～35Kg/m3；每组复合填料柱的直径为20～25cm，服务范围为4～9m2。
优选地，所述步骤1)的复合填料柱中零价铁与改性生物炭的质量比1：2；所述的碳源为乙酸钠，控制进水COD/TN在1.5～2；所述的含NO3 --N地下水在反应区的反应时间为20～24h。
优选地，所述步骤1)的复合填料柱中的零价铁为铁刨花。
优选地，所述步骤1)的复合填料柱中的改性生物炭的制备方法为：以稻草秸秆为原料，破碎机磨碎后放入管式炉中在N2氛围下煅烧，冷却至室温后研磨过筛，用盐酸溶液浸渍后洗至中性，后续加入氯化铁溶液振荡，抽滤、烘干后再次置于管式炉中煅烧，取出后的成品即为改性生物炭。
更优选地，所述的过筛为采用60目的过筛器过筛。
更优选地，所述第一次煅烧的温度为600℃，时间为3h；所述第二次煅烧的温度为300℃，时间为1h。
更优选地，所述盐酸溶液的浓度为1mol/L，浸渍时间为1h；所述氯化铁溶液的浓度为2mol/L，振荡时间为2h。
更优选地，所述烘干的温度为85℃，时间为2h。
本发明还提供了一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮可渗透反应墙，应用于上述的地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法中，其包括在地下水修复区域设置的进水穿孔墙(1)、填埋有若干组复合填料柱(2)的反应区和出水穿孔墙(5)，所述复合填料柱(2)中填充铁刨花-改性生物炭复合填料(3)，同时每组复合填料柱均设有碳源投加管(4)。
本发明的原理是：含NO3 --N地下水在设置零价铁-改性生物炭复合填料柱的可渗透反应墙区域，以Fe0及碳源作为电子供体，实现地下水的自养及异养共存的混养反硝化生物脱氮，将NO3 --N转化成N2，同时改性生物炭通过吸附捕集NO3 --N，以及与零价铁之间发生微电解作用强化反硝化电子介导作用，并减缓铁材料表面钝化及板结，进一步提高脱氮效率。
本发明的使用范围为NO3 --N污染地下水，通过本发明的一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮可渗透反应墙，NO3 --N可稳定达到《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)(Ⅱ类水)(NO3 --N≤5.0mg/L)。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明将零价铁-改性生物炭复合填料制备成填料柱，将多个填料柱植入地下水修复区，可克服传统可渗透反应墙(PRB)的构建需要大范围开挖反应池及填充功能填料，且填料失效后需进行大范围更换，运行管理难度大、费用较高等问题；此外，复合填料柱中零价铁-改性生物炭可形成铁炭微电解体系，促进零价铁腐蚀以解决钝化及板结的问题，并可强化反硝化电子介导，改性生物炭还可对NO3 --N发挥吸附去除作用；从而可实现大幅提高反硝化脱氮效率和降低成本；
2.经本发明的地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法及可渗透反应墙进行脱氮处理后的地下水，出水NO3 --N≤5.0mg/L，可稳定达到《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)(Ⅱ类水)。
附图说明
图1为本发明提供的一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮可渗透反应墙的示意图；
附图标记：1.进水穿孔墙；2.复合填料柱；3.铁刨花-改性生物炭复合填料；4.碳源投加管；5.出水穿孔墙。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
本实施例提供了一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法及可渗透反应墙。本实施例中的原水为含NO3 --N的地下水，NO3 --N浓度为25±5mg/L。经本发明提供的一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法处理，包括以下步骤：
步骤1)：含NO3 --N地下水通过穿孔墙进入填埋有若干组装有零价铁-改性生物炭的复合填料柱(零价铁与改性生物炭的质量比1：2)的反应区中，同时在复合填料柱中投加碳源，异养反硝化菌利用所投加的碳源作为电子供体进行异养反硝化脱氮，自养反硝化菌利用Fe0作为电子供体进行自养反硝化脱氮，二者协同形成混养反硝化将地下水中大部分NO3 --N还原成N2；同时复合填料柱中的改性生物炭既可吸附捕集地下水中一部分NO3 --N，又可与铁刨花形成微电解体系促进零价铁腐蚀并促进反硝化过程中电子的介导，提高反硝化脱氮效率；
步骤2)：经过步骤1)处理后的地下水经穿孔墙排出。
其中，步骤1)中的复合填料柱的材质为穿孔PVC管；复合填料柱中填料的装填密度为25～35Kg/m3，每组复合填料柱的直径为20～25cm，服务范围为4～9m2；零价铁-改性生物炭复合填料柱中零价铁与改性生物炭的质量比m(Fe 0)：m(改性生物炭)＝1：2；添加的碳源为乙酸钠，控制进水COD/TN为1.5～2；零价铁-改性生物炭复合填料柱中的零价铁为铁刨花；含NO3 --N地下水在反应区的反应时间为20～24h。
其中，零价铁-改性生物炭复合填料柱中的改性生物炭的制备方法为：以稻草秸秆为原料，破碎机磨碎后放入管式炉中在N2氛围内600℃下煅烧3h，冷却至室温后研磨、采用60目过筛器过筛，用1mol/L的盐酸溶液浸渍1h后洗至中性，后续加入2mol/L氯化铁溶液震荡2h，抽滤、85℃烘干处理2h，然后再次置于管式炉中300℃下煅烧1h。取出后的成品即为改性生物炭材料。
模拟地下水经上述脱氮方法处理后，出水中TN可稳定达到《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)(Ⅱ类水)(NO3 --N≤5.0mg/L)。
上述的脱氮方法采用如图1所示的一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮可渗透反应墙，其包括在地下水修复区域设置的进水穿孔墙1、填埋有若干组复合填料柱2的反应区和出水穿孔墙5，所述复合填料柱2中填充铁刨花-改性生物炭复合填料3，同时每组复合填料柱均设有碳源投加管4。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤 1）：含NO3 - -N 地下水通过穿孔墙进入填埋有若干组装有零价铁-改性生物炭的复合填料柱的反应区中，同时在复合填料柱中投加碳源，异养反硝化菌利用所投加的碳源作为电子供体进行异养反硝化脱氮，自养反硝化菌利用Fe0 作为电子供体进行自养反硝化脱氮，二者协同形成混养反硝化将地下水中大部分NO3 - -N 还原成 N2；同时复合填料柱中的改性生物炭既可吸附捕集地下水中一部分NO3 - -N，又可与铁刨花形成微电解体系促进零价铁腐蚀并促进反硝化过程中电子的介导，提高反硝化脱氮效率；
步骤 2）：经过步骤 1）处理后的地下水经穿孔墙排出；
所述步骤1）的复合填料柱中零价铁与改性生物炭的质量比1：2；所述的碳源为乙酸钠，控制进水 COD/TN 在 1.5~2；所述的含NO3 - -N 地下水在反应区的反应时间为20~24h；
所述步骤1）的复合填料柱中的零价铁为铁刨花；
所述步骤1）的复合填料柱中的改性生物炭的制备方法为：以稻草秸秆为原料，破碎机磨碎后放入管式炉中在 N2氛围下煅烧，冷却至室温后研磨过筛，用盐酸溶液浸渍后洗至中性，后续加入氯化铁溶液振荡，抽滤、烘干后再次置于管式炉中煅烧，取出后的成品即为改性生物炭；其中，第一次煅烧的温度为 600℃，时间为 3 h；第二次煅烧的温度为 300℃，时间为 1 h。
2.如权利要求1所述的地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法，其特征在于，所述步骤 1）中的复合填料柱的材质为穿孔 PVC 管；所述复合填料柱中的填料装填密度为 25~35Kg/m3；每组复合填料柱的直径为20~25cm，服务范围为 4~9 m2。
3.如权利要求1所述的地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法，其特征在于，所述的过筛为采用 60 目的过筛器过筛。
4.如权利要求1所述的地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法，其特征在于，所述盐酸溶液的浓度为 1 mol/L，浸渍时间为 1 h；所述氯化铁溶液的浓度为 2mol/L，振荡时间为 2 h。
5.如权利要求1所述的地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法，其特征在于，所述烘干的温度为 85 ℃，时间为 2 h。
6.一种地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮可渗透反应墙，其特征在于，应用于权利要求1~5中任意一项所述的地下水零价铁-改性生物炭复合填料柱混养反硝化脱氮方法中，其包括在地下水修复区域设置的进水穿孔墙（1）、填埋有若干组复合填料柱（2）的反应区和出水穿孔墙（5），所述复合填料柱（2）中填充铁刨花-改性生物炭复合填料（3），同时每组复合填料柱均设有碳源投加管（4）。
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