CN113307448B - 一种零价铁自养反硝化耦合生物炭prb地下水脱氮方法及反应器 - Google Patents

一种零价铁自养反硝化耦合生物炭prb地下水脱氮方法及反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮方法及反应器。本发明的脱氮方法包括：在一级PRB反应区设置抗腐蚀无纺布包裹的零价铁填料，以城市污水处理厂的二沉池污泥作为种泥，接种至一级PRB反应区中，间歇进水10‑15日，使包裹零价铁填料的无纺布表面附着铁自养反硝化菌的生物膜；含NO3‑‑N地下水进入一级PRB反应区进行自养反硝化，将地下水中NO3‑‑N还原为N2；出水再进入设有改性生物炭填料的二级PRB反应区，通过生物炭吸附进一步去除残留的NO3‑‑N。本发明能够实现地下水中NO3‑‑N的高效去除，且不存在投加碳源的二次污染风险。

Description

一种零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮方法及反 应器
技术领域
本发明涉及一种零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮方法及反应器，属于地下水修复技术领域。
背景技术
由于工农业生产排污等原因，使地下水受到一定程度的硝酸盐污染。当硝酸盐含量较高的地下水作为饮用水水源时，硝酸盐进入人体内会被还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐可氧化人体血红蛋白分子中的Fe2+，使血液失去携氧能力，对人体健康造成威胁。地下水中硝酸盐的去除，是饮用水安全保障的重要内容。
针对地下水中硝酸盐的去除问题，国内外已开展多种技术研究，例如：化学还原，光催化降解，离子交换，反渗透和电渗析等。但这些技术因其成本较高而在工程应用中受限。生物反硝化技术由于具有高效脱氮、成本较低等优点，成为硝酸盐去除的主流技术。根据生物反硝化过程中微生物利用电子供体的不同分为异养反硝化和自养反硝化两种类型。异养反硝化利用有机物如乙醇、乙酸盐和葡萄糖等作为电子供体，将NO3--N还原为N2。然而，由于地下水中有机物浓度较低，缺乏反硝化生物可利用有机碳源，采用异养反硝化需投加充足碳源，大幅度增加运行成本，同时碳源投加过量还会造成出水二次污染。针对异养反硝化存在的问题，近年来开展了以S0、S2-、S2O3 2-、H2和Fe0、Fe2+等无机物作为电子供体，将NO3 --N还原成N2的自养反硝化技术研究。低价态硫作为电子供体会导致出水中含有高浓度SO4 2-；因反应过程中产酸，需加碱调节pH确保出水中性；以H2为电子供体的自养反硝化，由于H2在使用过程中易引起爆炸，具有较大安全隐患，限制了其工程应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：传统的地下水脱氮处理中存在安全隐患、无法完全脱氮以及脱氮成本高等问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB(可渗透反应墙)地下水脱氮方法，包括以下步骤：
步骤1)：在一级PRB反应区设置抗腐蚀无纺布包裹的零价铁填料，以城市污水处理厂的二沉池污泥作为种泥，接种至一级PRB反应区中，间歇进含NO3 --N的地下水10-15日，使包裹零价铁填料的无纺布表面附着包含铁自养反硝化菌的生物膜；
步骤2)：含NO3 --N的地下水通过穿孔墙进入一级PRB反应区，无纺布上附着的铁自养反硝化菌利用零价铁粉腐蚀氧化后释放的电子进行自养反硝化，将地下水中NO3 --N还原为N2。
步骤3)：经过步骤2)处理的一级PRB反应区出水通过穿孔墙进入设有改性生物炭填料的二级PRB反应区，通过生物炭的吸附作用进一步去除地下水中残留的NO3 --N，最终处理后的地下水经穿孔墙排出。
优选地，所述步骤1)中的抗腐蚀无纺布包裹的零价铁填料为每包填料包裹3kg零价铁粉，零价铁填料的装填密度为20～30kg/m3。
优选地，所述步骤2)中地下水进入一级PRB反应区的反应时间为18～20h。
优选地，所述步骤3)中的改性生物炭填料由抗腐蚀无纺布包裹而成，每包填料包裹3～4kg改性生物炭，装填密度为10～20kg/m3，所述的经过步骤2)处理的一级PRB反应区出水进入二级PRB反应区的反应时间为20～24h。
优选地，所述步骤3)中改性生物炭填料的制备方法为：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材料，将其装至抗腐蚀无纺布袋中制成改性生物炭填料。
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零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮反应器，应用于上述的零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮方法中，包括：
设有零价铁填料(2)的一级PRB反应区(3)，所述的一级PRB反应区(3)内设有若干组不锈钢填料框架(4)，每组框架中吊挂零价铁填料(2)；
设有改性生物炭填料(6)的二级PRB反应区(7)，所述的二级PRB反应区(7)内设有若干组不锈钢填料框架(8)，每组框架中吊挂改性生物炭填料(6)；
所述的一级PRB反应区(3)的进水侧设有穿孔墙一(1)，所述的二级PRB反应区(7)的出水侧设有穿孔墙二(9)，所述的一级PRB反应区(3)与二级PRB反应区(7)之间设有穿孔墙(5)。
本发明的原理是：含NO3 --N地下水在装填零价铁填料的一级PRB反应区通过铁自养反硝化将大部分NO3 --N转化为N2，然后再通过装填改性生物炭的二级PRB反应器将地下水中剩余NO3 --N吸附去除。
本发明的使用范围为NO3 --N污染地下水，通过本发明提供的一种零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮方法及反应器，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.本发明的零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮方法及反应器采用来源充足的零价铁，脱氮反应过程中基本无副产物，并且铁作为一种重要的微量元素，在微生物代谢过程中有着不可或缺的作用；
2.本发明利用铁离子对生物炭进行改性后作为二级PRB反应器将地下水中剩余NO3 --N吸附去除，经铁离子改性的生物炭表面多孔且富含含氧官能团，对水中的NO3 -有良好的吸附效果，对于铁自养反硝化无法完全去除的NO3 --N进行吸附去除；
3.经本发明的零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮方法及反应器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)，本发明的脱氮方法及反应器能够有效降低脱氮成本并实现废弃物资源化，且运行成本较低、无水质二次污染风险。
附图说明
图1为本发明提供的一种零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮反应器示意图；
图2为脱氮反应器中单组不锈钢填料框架的示意图；
附图标记：1.穿孔墙一；2.零价铁填料；3.一级PRB反应区；4.不锈钢填料框架一；5.穿孔墙三；6.改性生物炭填料；7.二级PRB反应区；8.不锈钢填料框架二；9.穿孔墙二。
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零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮方法及反应器。本实施例中的原水为人工配置的含NO3 --N的模拟地下水，NO3 --N浓度为25±5mg/L。经本发明提供的一种零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮方法处理，包括以下步骤：
步骤1)：在一级PRB反应区设置抗腐蚀无纺布包裹的零价铁填料，以城市污水处理厂的二沉池污泥作为种泥，接种至一级PRB反应区中，间歇进含NO3 --N的地下水(每隔一日进水)10-15日，使包裹零价铁填料的无纺布表面附着包含铁自养反硝化菌的生物膜。
步骤2)：含NO3 --N的地下水通过穿孔墙进入一级PRB反应区，无纺布上附着的铁自养反硝化菌利用零价铁粉腐蚀氧化后释放的电子进行自养反硝化，将地下水中NO3 --N还原为N2。
步骤3)：经过步骤2)处理的一级PRB反应区出水通过穿孔墙进入设置改性生物炭填料的二级PRB反应区，通过生物炭的吸附作用进一步去除地下水中残留的NO3 --N。最终处理后的地下水经穿孔墙排出。
其中，步骤1)中一级PRB反应区中抗腐蚀无纺布包裹的零价铁填料，每包填料包裹3kg零价铁粉，零价铁填料的装填密度为20～30kg/m3，一级PRB反应区的反应时间为18～20h；步骤3)中二级PRB反应区中改性生物炭填料由抗腐蚀无纺布包裹改性生物炭填料制备而成，每包填料包裹3～4kg改性生物炭，装填密度为10～20kg/m3，二级PRB反应区反应时间为20～24h。
其中，步骤3)中改性生物炭填料的制备方法为：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，将其装至抗腐蚀无纺布袋中制成改性生物炭填料。
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、图2所示的零价铁自养反硝化耦合生物炭PRB地下水脱氮反应器，包括：
设有零价铁填料2的一级PRB反应区3，所述的一级PRB反应区3内设有若干组不锈钢填料框架一4，每组框架中吊挂零价铁填料2；
设有改性生物炭填料6的二级反应区7，所述的二级PRB反应区7内设有若干组不锈钢填料框架二8，每组框架中吊挂改性生物炭填料6。
所述的一级PRB反应区3的进水侧设有穿孔墙一1，二级PRB反应区7的出水侧设有穿孔墙二9，所述的一级PRB反应区3与二级PRB反应区7之间设有穿孔墙三5。
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 (8)

1.一种零价铁自养反硝化耦合生物炭 PRB 地下水脱氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤 1）：在一级 PRB 反应区设置抗腐蚀无纺布包裹的零价铁填料，以城市污水处理厂的二沉池污泥作为种泥，接种至一级 PRB 反应区中，间歇进含 NO3 - -N 的地下水 10-15日，使包裹零价铁填料的无纺布表面附着包含铁自养反硝化菌的生物膜；
步骤 2）：含 NO3 - -N 的地下水通过穿孔墙进入一级 PRB 反应区，无纺布上附着的铁自养反硝化菌利用零价铁粉腐蚀氧化后释放的电子进行自养反硝化，将地下水中 NO3 - -N还原为 N2；
步骤 3）：经过步骤 2）处理的一级 PRB 反应区出水通过穿孔墙进入设有
改性生物炭填料的二级 PRB 反应区，通过生物炭的吸附作用进一步去除地下水中残留的 NO3 - -N，最终处理后的地下水经穿孔墙排出；
所述步骤 3）中改性生物炭填料的制备方法为：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材料，将其装至抗腐蚀无纺布袋中制成改性生物炭填料；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 所述的零价铁自养反硝化耦合生物炭 PRB 地下水脱氮方法，其特征在于，所述步骤 1）中的抗腐蚀无纺布包裹的零价铁填料为每包填料包裹 3kg 零价铁粉，零价铁填料的装填密度为 20~30 kg/m3。
3.如权利要求 1 所述的零价铁自养反硝化耦合生物炭 PRB 地下水脱氮方法，其特征在于，所述步骤 2）中地下水进入一级 PRB 反应区的反应时间为 18~20 h。
4.如权利要求 1 所述的零价铁自养反硝化耦合生物炭 PRB 地下水脱氮方法，其特征在于，所述步骤 3）中的改性生物炭填料由抗腐蚀无纺布包裹而成，每包填料包裹 3~4 kg改性生物炭，装填密度为10~20 kg/m3，所述的经过步骤 2）处理的一级 PRB 反应区出水进入二级 PRB 反应区的反应时间为 20~24 h。
5.如权利要求1 所述的零价铁自养反硝化耦合生物炭 PRB 地下水脱氮方法，其特征在于，所述的过筛为采用 60 目的过筛器过筛。
6.如权利要求1 所述的零价铁自养反硝化耦合生物炭 PRB 地下水脱氮方法，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。
7.如权利要求1所述的零价铁自养反硝化耦合生物炭 PRB 地下水脱氮方法，其特征在于，所述烘干的温度为 85 ℃，时间为 2 h。
8.一种零价铁自养反硝化耦合生物炭 PRB 地下水脱氮反应器，其特征在于，应用于权利要求1~7中任意一项所述的零价铁自养反硝化耦合生物炭 PRB 地下水脱氮方法中，其包括：
设有零价铁填料（2）的一级 PRB 反应区（3），所述的一级 PRB 反应区（3）内设有若干组不锈钢填料框架（4），每组框架中吊挂零价铁填料（2）；
设有改性生物炭填料（6）的二级PRB反应区（7），所述的二级 PRB 反应区（7）内设有若干组不锈钢填料框架（8），每组框架中吊挂改性生物炭填料（6）；
所述的一级 PRB 反应区（3）的进水侧设有穿孔墙一（1），所述的二级 PRB 反应区（7）的出水侧设有穿孔墙二（9），所述的一级 PRB 反应区（3）与二级 PRB 反应区（7）之间设有穿孔墙（5）。
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