CN114804509B - 利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统及方法，系统包括修复井，在修复井内设置有阳极室和阴极，在阳极室内设置有阳极，在阳极的阳极材料表面富集有厌氧产电菌，在阴极的阴极材料上附着有硝酸盐还原菌，阳极和阴极之间通过导线连接外接负载形成生物燃料电池结构，阳极室上与阴极相对的一面为正渗透膜；阳极室通过进水管连通有二级出水储存池，阳极室通过出水管连通有浓缩液储存池。本发明在实现二级污水深度处理与资源化和高硝酸盐氮地下水原位修复的同时，能够对地下水进行回灌和补给，该系统操作简单，控制方便，能源利用率高，具有广阔的应用前景。

Description

利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种污水生物处理及资源回收技术，具体地说是一种利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统及方法。
背景技术
地下水是重要的饮用水资源，与人类生活和身体健康息息相关。目前，世界有三分之一的亚洲居民以地下水作为主要的饮用水源，我国有300多个城市开采地下水作为城市供水水源。
将城市污水厂二级出水经再生处理，回灌储存于地下含水层，能够有效解决地下水位下降的问题，同时也是污水资源化的有效途径。但二级出水中含有大量的溶解性有机物和无机盐成分，即使通过混凝、沉淀、过滤等手段进行深度处理，仍可能有大量的残留，成为影响回用水质安全的关键。
同时，硝酸盐含量较高是造成地下水污染的因素之一，需要一种经济高效的高硝态氮地下水修复技术来对地下水进行修复。
发明内容
本发明的目的就是提供一种利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统及方法，以解决现有地下水硝酸盐含量高以及地下水含量下降的问题。
本发明是这样实现的：一种利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统，包括修复井，所述修复井用于容纳待修复的高硝态氮地下水，在所述修复井内设置有阳极室和阴极，在所述阳极室内设置有阳极，在所述阳极的阳极材料表面富集有厌氧产电菌，在所述阴极的阴极材料上附着有硝酸盐还原菌，所述阳极和所述阴极之间通过导线连接外接负载形成生物燃料电池结构，所述阳极室上与所述阴极相对的一面为正渗透膜；所述阳极室通过进水管连通有二级出水储存池，所述二级出水储存池用于存储以及向阳极室供给污水厂的二级出水，所述阳极室通过出水管连通有浓缩液储存池，所述浓缩液储存池用于存储来自阳极室的经过处理后的二级出水。
进一步地，在所述进水管上设置有进水泵，在所述阳极室内设置有液位传感器，所述进水泵由所述液位传感器的信号控制。
进一步地，在所述出水管上设置有出水泵，在所述阳极室内和所述修复井内分别设置有电导率探头，两个电导率探头同时和电导率监测装置信号连接，所述出水泵由所述电导率监测装置控制。
进一步地，所述阳极材料为碳毡和碳刷。
进一步地，所述阴极材料为多孔碳棒，在所述多孔碳棒表面涂覆有Fe-N-C催化剂层。
进一步地，所述厌氧产电菌为地杆菌或希瓦氏菌。
进一步地，在所述阳极室的顶部设置有排气管。
本发明还公开了一种利用二级出水修复高硝态氮地下水的方法，包括以下步骤。
a.在需要进行地下水原位修复的区域设置利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统，所述利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统包括修复井，所述修复井用于容纳待修复的高硝态氮地下水，在所述修复井内设置有阳极室和阴极，在所述阳极室内设置有阳极，所述阳极和所述阴极之间通过导线连接外接负载形成生物燃料电池结构，所述阳极室上与所述阴极相对的一面为正渗透膜；所述阳极室通过进水管连通有二级出水储存池，所述二级出水储存池用于存储以及向阳极室供给污水厂的二级出水，所述阳极室通过出水管连通有浓缩液储存池，所述浓缩液储存池用于存储来自阳极室的浓缩液。
b.在阳极室的阳极材料上接种一定量经厌氧反应器驯化后性质稳定的厌氧污泥，以在阳极材料上富集厌氧产电菌，同时在阴极材料的表面接种高活性的硝酸盐还原菌，以在阴极材料上形成好氧生物膜。
c.由二级出水储存池向阳极室内注入一定量待处理的二级出水，并将阳极室作密封处理。
d.检测外接负载两端的电压，当电压低于100mV更换阳极室中的二级出水，直到电压输出稳定，表示生物膜驯化完成。
e.通过出水管排空阳极室中的二级出水后，利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统正式启动开始修复高硝态氮地下水。
f.二级出水储存池通过进水管向阳极室通入待处理的二级出水，阳极和阴极形成的生物燃料电池对二级出水中的有机物以及地下水中的硝态氮进行去除，同时二级出水中的水分子透过正渗透膜进入修复井对地下水进行补充。
g.在修复地下水过程中，通过二级出水储存池对阳极室中的二级出水进行补充，维持阳极室中二级出水的液面高度，通过浓缩液储存池抽取阳极室中经过处理后的二级出水，维持阳极室内二级出水电导率与修复井内地下水电导率差值的稳定。
进一步地，在所述进水管上设置有进水泵，在所述阳极室内设置有液位传感器，由所述液位传感器监测所述阳极室内二级出水的液面高度，当所述阳极室内液面高度低于设定值时，控制进水泵将所述二级出水储存池中的二级出水输送至所述阳极室内。
进一步地，在所述出水管上设置有出水泵，在所述阳极室内和所述修复井内分别设置有电导率探头，两个电导率探头同时和电导率监测装置信号连接，当所述修复井内地下水的电导率与阳极室内二级出水的电导率之差低于设定值时，电导率监测装置控制所述出水泵将所述阳极室内的经过处理的二级出水输送至所述浓缩液储存池内。
本发明利用污水厂的二级出水对高硝态氮地下水进行修复，在修复地下水的同时，有效去除污水厂二级出水中的有机物，从而便于对污水厂二级出水的进一步处理，在修复地下水时，不仅能够去除地下水的高硝态氮，同时对地下水进行补充，既解决了地下水的污染问题，也解决了地下水含量下降的问题。
本发明的阳极室、阴极分别起到降解有机物和去除硝态氮的作用，阳极室和阴极联合作用能够实现污水中有机物的高效去除和地下水硝态氮的去除。阳极室内的厌氧产电微生物能有效降解污水中的有机物并产生电能，正渗透膜的截留作用能实现系统高质出水，阳极材料和阴极材料之间产生的电场能够驱动高硝态氮水池中未被完全去除的NO3 -透过正渗透膜进入阳极室，使其得到进一步去除，此外阳极和阴极之间产生的电场还能驱动附着在正渗透膜表面的膜面污染物脱离膜表面，从而减缓膜污染的发生。
本发明操作简单，为地下水中高硝态氮污染物的高效去除提供了一个有效的途径。
附图说明
图1是本发明利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统的示意图。
图中：1、二级出水储存池；2、进水泵；3、进水管；4、阳极室；5、出水管；6、液位传感器；7、阳极；8、正渗透膜；9、排气管；10、阴极；11、导线；12、外接负载；13、第一电导率探头；14、第二电导率探头；15、电导率监测装置；16、出水泵；17、浓缩液储存池；18、修复井。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，在下述实施例中未详细描述的过程和方法是本领域公知的常规方法，实施例中所用原料或试剂除另有说明外均为市售品，可通过商业渠道购得。
如图1所示，本发明利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统，包括修复井18，修复井18用于容纳待修复的高硝态氮地下水，在修复井18内设置有阳极室4和阴极10，在阳极室4内设置有阳极7，在阳极7的阳极材料表面富集有厌氧产电菌，在阴极10的阴极材料上附着有硝酸盐还原菌，阳极7和阴极10之间通过导线11连接外接负载12形成生物燃料电池结构，阳极室4上与阴极10相对的一面为正渗透膜8；阳极室4通过进水管3连通有二级出水储存池1，二级出水储存池1用于存储以及向阳极室4供给污水厂的二级出水，阳极室4通过出水管5连通有浓缩液储存池17，浓缩液储存池17用于存储来自阳极室4的经过处理后的二级出水。
出水管5和进水管3分别和阳极室4的底部连通。在进水管3上设置有进水泵2，在阳极室4内设置有液位传感器6，进水泵2由液位传感器6的信号控制。由于阳极室4内二级出水会被消耗或被抽出至浓缩液储存池17，当液位传感器6检测到水位小于预设值时，控制进水泵2启动，从而实现阳极室4内二级出水的自动补充。
在出水管5上设置有出水泵16，在阳极室4内和修复井18内分别设置有第一电导率探头13和第二电导率探头14，第一电导率探头13和第二电导率探头14同时和电导率监测装置15信号连接，出水泵16由电导率监测装置15控制。在修复过程中，阳极室4内的水分子会通过正渗透膜8进入到修复井18内，导致阳极室4内二级出水浓度变高、电导率增加，从而使阳极室4内二级出水电导率和修复井18内地下水的电导率差值变小，当电导率差值小于预设值时，电导率监测装置15控制出水泵16启动，将阳极室4内的二级出水输送至浓缩液储存池17。
通过更换阳极室4内的二级出水，实现对地下水的高效修复。
其中，阳极材料可以采用多孔的碳毡和具有大比表面积的碳刷，能够更好地附着微生物。碳毡和碳刷经过酸处理、热处理后使用，能够增大输出功率。
阴极材料为多孔碳棒，在多孔碳棒表面涂覆有Fe-N-C催化剂层，Fe-N-C催化剂可市购或通过现有技术制备得到。
厌氧产电菌为地杆菌或希瓦氏菌等。
在阳极室4的顶部设置有排气管9，通过排气管9能使阳极室4的内部腔体与外接大气相连，阳极7厌氧消化过程产生的甲烷气体通过排气管9排出收集，排气管9上设置有开关阀门，能够控制排气管9的开闭。
阳极室4与阴极材料相对的一侧设有正渗透膜8，在电场力和渗透压差的双重驱动作用下，可使未处理的硝酸根离子穿过正渗透膜8进入阳极室4内同时水分子从阳极室4透过正渗透膜8进入地下水。
阳极7与阴极10之间由导线11连接有外接负载12，可以通过监测外接负载12两侧的电压来表征微生物燃料电池的运行状态是否稳定。
在实际应用时，可用将多个厌氧的阳极室4与阴极10并联，以适应不同的水质。根据实际运行时不同阳极室4内二级出水电导率的不同，对不同的阳极室4设置不同的水力停留时间，以驯化适应相应水质的厌氧生物膜，为了减小并联有多个阳极室4的阴极材料的工作负荷，可以根据实际运行工况改变阳极室4和阴极材料的大小和面积。
由于高硝态氮地下水电导率高于二级出水，因此阳极室4中的水分子可在渗透压作用下透过正渗透膜8出水，保证高质量的出水并回灌地下水。阳极材料上富集的厌氧菌以及产电菌具有氧化有机物的作用，有机物被微生物代谢氧化产生电子和质子，电子从阳极7通过导线11流回阴极10从而产生电流，质子通过正渗透膜8到达阴极10，在阴极材料上与电子结合生成水。同时，阴极材料上附着的硝酸盐还原菌可以还原高硝态氮地下水中的硝酸根离子。在该系统中阳极7和阴极10之间产生的电场作用下，阳极室4外未处理的硝酸根离子透过正渗透膜8进入阳极室4，阳极材料上附着的厌氧菌对硝酸根离子进一步处理。在内电场力的作用下，能够使带负电的关键膜污染物受到远离膜表面方向的电场力，起到抑制膜污染的作用。
本发明利用二级出水修复高硝态氮地下水的方法，包括以下步骤。
a.在需要进行地下水原位修复的区域设置利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统，利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统包括修复井18，修复井18用于容纳待修复的高硝态氮地下水，在修复井18内设置有阳极室4和阴极10，在阳极室4内设置有阳极7，阳极7和阴极10之间通过导线11连接外接负载12形成生物燃料电池结构，阳极室4上与阴极10相对的一面为正渗透膜8；阳极室4通过进水管3连通有二级出水储存池1，二级出水储存池1用于存储以及向阳极室4供给污水厂的二级出水，阳极室4通过出水管5连通有浓缩液储存池17，浓缩液储存池17用于存储来自阳极室4的浓缩液。
b.在阳极室4的阳极材料上接种一定量经厌氧反应器驯化后性质稳定的厌氧污泥，以在阳极材料上富集厌氧产电菌，同时在阴极材料的表面接种高活性的硝酸盐还原菌，以在阴极材料上形成好氧生物膜。
c.由二级出水储存池1向阳极室4内注入一定量待处理的二级出水，并将阳极室4作密封处理。
d.检测外接负载12两端的电压，当电压低于100mV时更换阳极室4中的二级出水，直到电压输出稳定，表示生物膜驯化完成。
e.通过出水管5排空阳极室4中的二级出水后，利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统正式启动开始修复高硝态氮地下水。
f.二级出水储存池1通过进水管3向阳极室4通入待处理的二级出水，阳极7和阴极10形成的生物燃料电池对二级出水中的有机物以及地下水中的硝态氮进行去除，同时二级出水中的水分子透过正渗透膜8进入修复井18对地下水进行补充。
g.在修复地下水过程中，通过二级出水储存池1对阳极室4中的二级出水进行补充，维持阳极室4中二级出水的液面高度，通过浓缩液储存池17抽取阳极室4中经过处理后的二级出水，维持阳极室4内二级出水电导率与修复井18内地下水电导率差值的稳定。
在进水管3上设置有进水泵2，在阳极室4内设置有液位传感器6，由液位传感器6监测阳极室4内二级出水的液面高度，当阳极室4内液面高度低于设定值时，控制进水泵2将二级出水储存池1中的二级出水输送至阳极室4内。
在出水管5上设置有出水泵16，在阳极室4内和修复井18内分别设置有第一电导率探头13和第二电导率探头14，第一电导率探头13和第二电导率探头14同时和电导率监测装置15信号连接，当修复井18内地下水的电导率与阳极室4内二级出水的电导率之差低于设定值时，电导率监测装置15控制出水泵16将阳极室4内的经过处理的二级出水输送至浓缩液储存池17内。
通过设定阳极室4内的液面高度以及第一电导率探头13和第二电导率探头14测得的电导率差值，来实现阳极室4内二级出水的自动补充以及阳极室4内处理后的二级出水的自动排出。
本发明利用污水厂的二级出水对高硝态氮地下水进行修复，在修复地下水的同时，能够有效去除污水厂二级出水中的有机物，从而便于对污水厂二级出水的进一步处理，在修复地下水时，不仅能够去除地下水的高硝态氮，同时对地下水进行补充，即解决了地下水的污染问题，也解决了地下水含量下降的问题。
本发明利用污水厂的二级出水进行高硝态氮地下水的原位修复，即解决了地下水的污染问题，补充了地下水的含量，也对二级出水进行了初步处理，去除了二级出水中的有机物，为二级出水的后续处理带来了便利。

Claims (8)

1.一种利用二级出水修复高硝态氮地下水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.在需要进行地下水原位修复的区域设置利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统，所述利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统包括修复井，所述修复井用于容纳待修复的高硝态氮地下水，在所述修复井内设置有阳极室和阴极，在所述阳极室内设置有阳极，所述阳极和所述阴极之间通过导线连接外接负载形成生物燃料电池结构，所述阳极室上与所述阴极相对的一面为正渗透膜；所述阳极室通过进水管连通有二级出水储存池，所述二级出水储存池用于存储以及向阳极室供给污水厂的二级出水，所述阳极室通过出水管连通有浓缩液储存池，所述浓缩液储存池用于存储来自阳极室的浓缩液；
b.在阳极室的阳极材料上接种一定量经厌氧反应器驯化后性质稳定的厌氧污泥，以在阳极材料上富集地杆菌或希瓦氏菌，同时在阴极材料的表面接种高活性的硝酸盐还原菌，以在阴极材料上形成好氧生物膜；
c.由二级出水储存池向阳极室内注入一定量待处理的二级出水，并将阳极室作密封处理；
d.检测外接负载两端的电压，当电压低于100mV时更换阳极室中的二级出水，直到电压输出稳定，表示生物膜驯化完成；
e.通过出水管排空阳极室中的二级出水后，利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统正式启动开始修复高硝态氮地下水；
f.二级出水储存池通过进水管向阳极室通入待处理的二级出水，阳极和阴极形成的微生物燃料电池对二级出水中的有机物以及地下水中的硝态氮进行去除，同时二级出水中的水分子透过正渗透膜进入修复井对地下水进行补充；
g.在修复地下水过程中，通过二级出水储存池对阳极室中的二级出水进行补充，维持阳极室中二级出水的液面高度，通过浓缩液储存池抽取阳极室中经过处理后的二级出水，维持阳极室内二级出水电导率与修复井内地下水电导率差值的稳定。
2.根据权利要求1所述的利用二级出水修复高硝态氮地下水的方法，其特征在于，在所述进水管上设置有进水泵，在所述阳极室内设置有液位传感器，由所述液位传感器监测所述阳极室内二级出水的液面高度，当所述阳极室内液面高度低于设定值时，控制进水泵将所述二级出水储存池中的二级出水输送至所述阳极室内。
3.根据权利要求1所述的利用二级出水修复高硝态氮地下水的方法，其特征在于，在所述出水管上设置有出水泵，在所述阳极室内和所述修复井内分别设置有电导率探头，两个电导率探头同时和电导率监测装置信号连接，当所述修复井内地下水的电导率与阳极室内二级出水的电导率之差低于设定值时，电导率监测装置控制所述出水泵将所述阳极室内的经过处理的二级出水输送至所述浓缩液储存池内。
4.一种用于实现权利要求1~3中任意一项所述方法的利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统，其特征在于，包括修复井，所述修复井用于容纳待修复的高硝态氮地下水，在所述修复井内设置有阳极室和阴极，在所述阳极室内设置有阳极，在所述阳极的阳极材料表面富集有厌氧产电菌，在所述阴极的阴极材料上附着有硝酸盐还原菌，所述阳极和所述阴极之间通过导线连接外接负载形成生物燃料电池结构，所述阳极室上与所述阴极相对的一面为正渗透膜；所述阳极室通过进水管连通有二级出水储存池，所述二级出水储存池用于存储以及向阳极室供给污水厂的二级出水，所述阳极室通过出水管连通有浓缩液储存池，所述浓缩液储存池用于存储来自阳极室的经过处理后的二级出水；在所述进水管上设置有进水泵，在所述阳极室内设置有液位传感器，所述进水泵由所述液位传感器的信号控制；在所述出水管上设置有出水泵，在所述阳极室内和所述修复井内分别设置有电导率探头，两个电导率探头同时和电导率监测装置连接，所述出水泵由所述电导率监测装置控制。
5.根据权利要求4所述的高硝态氮地下水原位修复系统，其特征在于，所述阳极材料为碳毡和碳刷。
6.根据权利要求4所述的利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统，其特征在于，所述阴极材料为多孔碳棒，在所述多孔碳棒表面涂覆有Fe-N-C催化剂层。
7.根据权利要求4所述的利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统，其特征在于，所述厌氧产电菌为地杆菌或希瓦氏菌。
8.根据权利要求4所述的利用二级出水修复高硝态氮地下水的系统，其特征在于，在所述阳极室的顶部设置有排气管。
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