申请日2019.01.25
公开(公告)日2019.04.05
IPC分类号C02F3/34; C02F101/16; C02F103/06
摘要
一种去除低温地下水中高浓度硝酸盐的装置及地下水处理方法，涉及一种水处理领域，尤其涉及一种去除地下水中硝酸盐的装置及地下水处理方法。是要解决现有装置和方法对于低温地下水的硝酸盐去除效果差、运行成本高的问题。装置包括进水箱、微生物接种池、进水泵、主体反应器、空气泵、反冲洗装置、提升泵、蠕动泵、二沉池和出水箱。方法：一、复合菌剂通过微生物接种池进入主体反应器内，曝气;二、停止曝气，静止沉淀，之后经二沉池排出澄清水;三、重复步骤一至二，直至形成絮体，并在平板膜组件上形成生物膜;四、关闭接种池阀门，开启进水阀门和进水泵，地下水进入主体反应器，通过出水口进入二沉池，并排出至出水箱。本发明用于处理地下水。
权利要求书
1.一种去除低温地下水中高浓度硝酸盐的装置，其特征在于该装置包括进水箱(1)、微生物接种池(31)、进水泵(2)、主体反应器(7)、空气泵(5)、反冲洗装置(8)、提升泵(9)、蠕动泵(20)、二沉池(16)和出水箱(17)，
主体反应器(7)的一侧侧壁下部设有反应器进水口(3)，主体反应器(7)的另一侧侧壁下部设有反应器出水口(15)，主体反应器(7)内的底部设有曝气装置(14)，空气泵(5)通过管道穿过主体反应器(7)的底部与曝气装置(14)相连，空气泵(5)与主体反应器(7)的连接处密封;
主体反应器(7)内的中部设有光催化装置(6)，所述光催化装置(6)包括左支撑架(62)、右支撑架(63)、平板膜组件(61)、光催化剂涂层玻璃(10)和紫外灯管组(11)，在左支撑架(62)和右支撑架(63)之间竖直设置有平板膜组件(61)、光催化剂涂层玻璃(10)和紫外灯管组(11)，其中平板膜组件(61)与左支撑架(62)和右支撑架(63)垂直，两片光催化剂涂层玻璃(10)分别设置于平板膜组件(61)的两侧，且与平板膜组件(61)平行，两个紫外灯管组(11)分别设置于两片光催化剂涂层玻璃(10)的外侧，且与光催化剂涂层玻璃(10)平行;
所述光催化装置(6)中的平板膜组件(61)通过反冲洗管(12)与反冲洗装置(8)的出水口连接，反冲洗管(12)上设置有提升泵(9);
进水箱(1)通过进水泵(2)与主体反应器(7)的反应器进水口(3)连接，微生物接种池(31)与进水箱(1)和进水泵(2)之间的管道连接，主体反应器(7)的反应器出水口(15)通过蠕动泵(20)与二沉池(16)的进水口相连，二沉池(16)的出水口通过管道与出水箱(17)相连;
进水箱(1)的出口处设有进水阀门(4)，微生物接种池(31)的出口处设有接种池阀门(13)。
2.根据权利要求1所述的一种去除低温地下水中高浓度硝酸盐的装置，其特征在于所述曝气装置(14)为曝气管。
3.根据权利要求1所述的一种去除低温地下水中高浓度硝酸盐的装置，其特征在于所述光催化剂涂层玻璃(10)的涂层仅设置在靠近紫外灯管组(11)的一侧。
4.根据权利要求1所述的一种去除低温地下水中高浓度硝酸盐的装置，其特征在于空气泵(5)与曝气装置(14)之间的管道上设有阀门，反应器出水口(15)与蠕动泵(20)之间的管道上设有阀门，反冲洗装置(8)与提升泵(9)之间的管道上设有阀门，二沉池(16)与出水箱(17)之间的管道上设有阀门。
5.根据权利要求1所述的一种去除低温地下水中高浓度硝酸盐的装置，其特征在于所述反应器进水口(3)处设有第一流量计(30)，反冲洗管(12)上设有第二流量计(32)。
6.利用权利要求1所述的装置进行地下水处理的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
一、向微生物接种池(31)中放入复合菌剂，关闭进水阀门(4)，开启接种池阀门(13)和进水泵(2)，复合菌剂通过微生物接种池(31)进入主体反应器(7)内，开启空气泵(5)和曝气装置(14)，曝气12～24h，使水中溶解氧不低于2mg/L;
二、然后停止曝气，静止沉淀2～6h，之后经二沉池(16)排出澄清水;
三、重复步骤一至步骤二，直至形成絮体，并在平板膜组件(61)上形成生物膜，所述生物膜的厚度为0.1～0.2mm;
四、然后关闭接种池阀门(13)，开启进水阀门(4)和进水泵(2)，进水箱(1)中的地下水在进水泵(2)的提升作用下，通过反应器进水口(3)进入主体反应器(7)，开启空气泵(5)和曝气装置(14)，同时开启紫外灯，水力停留时间为2～6h，之后处理的地下水通过反应器出水口(15)进入二沉池(16)，并排出至出水箱(17)。
7.根据权利要求6所述的地下水处理的方法，其特征在于曝气装置(14)采用间歇曝气，水中溶解氧不低于2mg/L。
8.根据权利要求6所述的地下水处理的方法，其特征在于步骤一中所述复合菌剂的制备方法按照以下步骤进行：
一、分别将Pseudomonas extremaustralis Y39-6、Pseudomonas arsenicoxydansY24-2、Pseudomonas poae Y5-5、Pseudomonas koreensis Y5-11和Psychrobactercryohalolentis F5-6分别接种于固体培养基中，在8℃活化36h;
二、活化后的Pseudomonas extremaustralis Y39-6、Pseudomonas arsenicoxydansY24-2、Pseudomonas poae Y5-5、Pseudomonas koreensis Y5-11和Psychrobactercryohalolentis F5-6分别接种于液体培养基中进行发酵培养，温度为8℃，培养至每毫升发酵液中Pseudomonas extremaustralis Y39-6、Pseudomonas arsenicoxydans Y24-2、Pseudomonas poae Y5-5、Pseudomonas koreensis Y5-11和Psychrobactercryohalolentis F5-6的菌数均为1010个;
三、将Pseudomonas extremaustralis Y39-6发酵液、Pseudomonas arsenicoxydansY24-2发酵液、Pseudomonas poae Y5-5发酵液、Pseudomonas koreensis Y5-11发酵液和Psychrobacter cryohalolentis F5-6发酵液按照体积比为1：1：1：1：1混合均匀，即制成复合菌剂。
9.根据权利要求8所述的地下水处理的方法，其特征在于步骤一中用于培养Pseudomonas extremaustralis Y39-6和Pseudomonas koreensis Y5-11的固体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO4 0.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO4 0.7g/L，MgSO4·7H2O 0.04g/L，NaCl 0.4g/L，琼脂18g/L，pH值7.2;
步骤一中用于培养Pseudomonas arsenicoxydans Y24-2和Psychrobactercryohalolentis F5-6的固体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO4 0.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO4 0.7g/L，MgSO4·7H2O 0.04g/L，NaCl 0.4g/L，C2H5OH 0.1～2.0mL/L，琼脂18g/L，pH值7.2;
步骤一中用于培养Pseudomonas poae Y5-5的固体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO40.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO4 0.7g/L，MgSO4·7H2O0.04g/L，NaCl 0.4g/L，腐殖酸0.10～10.0mg/L，琼脂18g/L，pH值7.2。
10.根据权利要求8所述的地下水处理的方法，其特征在于步骤二中用于发酵Pseudomonas extremaustralis Y39-6和Pseudomonas koreensis Y5-11的液体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO4 0.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO4 0.7g/L，MgSO4·7H2O 0.04g/L，NaCl 0.4g/L，pH值7.2;
步骤二中用于发酵Pseudomonas arsenicoxydans Y24-2和Psychrobactercryohalolentis F5-6的液体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO4 0.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO4 0.7g/L，MgSO4·7H2O 0.04g/L，NaCl 0.4g/L，C2H5OH 0.1～2.0mL/L，pH值7.2;
步骤二中用于发酵Pseudomonas poae Y5-5的液体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO40.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO4 0.7g/L，MgSO4·7H2O0.04g/L，NaCl 0.4g/L，腐殖酸0.10～10.0mg/L，pH值7.2。
说明书
一种去除低温地下水中高浓度硝酸盐的装置及地下水处理方法
技术领域
本发明涉及一种水处理领域，尤其涉及一种去除地下水中硝酸盐的装置及地下水处理方法。
背景技术
近几十年来，随着我国经济社会的快速发展，地下水资源开发利用量呈迅速增长态势，但由于现代农业化进程加快及一些不合理的人为活动(如：农用化肥使用量增加)，使得地下水普遍受到农业氮的面源污染，地下水中硝酸盐污染日益严重。据我国生活饮用水卫生标准，饮用水中的硝酸盐不应超过10mg/L。饮用水中硝酸盐含量过高一方面容易导致高铁血红蛋白症，另一方面能在胃中形成亚硝胺和亚硝酰氨，具有高度致癌性，也可能造成畸胎和引发诱变，威胁人体健康。
传统的生物反硝化技术因其处理效果好、运行费用低、操作维护简便，而被普遍认为是去除饮用水中硝酸盐氮的首选方法之一。由于通常地下水的水温低(6～10℃)，且水中有机物通常以难生物降解的腐殖酸形式存在，因此应用传统生物反硝化技术处理地下水时，常遇到低温抑制反硝化细菌的生长和活性、以及可生物利用碳源不足的问题。为了解决可生物利用碳源不足的问题，需额外投加甲醇、乙醇或乙酸，因而增加了制水成本、并产生二次污染的风险。
利用自养生物反硝化也是去除地下水中的硝酸盐氮的方法之一。由于自养反硝化法无需投加有机碳源，故其在一定程度上克服了异养生物反硝化的诸多缺点。但是由于自养反硝化过程需要外加氢或铁，额外增加了制水成本;而且在工艺上这种自养型反硝化需要绝对厌氧环境，工艺条件要求苛刻且难以实现，因此限制了该工艺的应用。
发明内容
本发明是要解决现有装置和方法对于低温地下水的硝酸盐去除效果差、运行成本高的问题，提供一种去除低温地下水中高浓度硝酸盐的装置及地下水处理方法。
本发明去除低温地下水中高浓度硝酸盐的装置包括进水箱、微生物接种池、进水泵、主体反应器、空气泵、反冲洗装置、提升泵、蠕动泵、二沉池和出水箱，
主体反应器的一侧侧壁下部设有反应器进水口，主体反应器的另一侧侧壁下部设有反应器出水口，主体反应器内的底部设有曝气装置，空气泵通过管道穿过主体反应器的底部与曝气装置相连，空气泵与主体反应器的连接处密封;
主体反应器内的中部设有光催化装置，所述光催化装置包括左支撑架、右支撑架、平板膜组件、光催化剂涂层玻璃和紫外灯管组，在左支撑架和右支撑架之间竖直设置有平板膜组件、光催化剂涂层玻璃和紫外灯管组，其中平板膜组件与左支撑架和右支撑架垂直，两片光催化剂涂层玻璃分别设置于平板膜组件的两侧，且与平板膜组件平行，两个紫外灯管组分别设置于两片光催化剂涂层玻璃的外侧，且与光催化剂涂层玻璃平行;
所述光催化装置中的平板膜组件通过反冲洗管与反冲洗装置的出水口连接，反冲洗管上设置有提升泵;
进水箱通过进水泵与主体反应器的反应器进水口连接，微生物接种池与进水箱和进水泵之间的管道连接，主体反应器的反应器出水口通过蠕动泵与二沉池的进水口相连，二沉池的出水口通过管道与出水箱相连;
进水箱的出口处设有进水阀门，微生物接种池的出口处设有接种池阀门。
进一步的，所述曝气装置为曝气管。
进一步的，所述光催化剂涂层玻璃是采用镀膜方法，将光催化剂镀在玻璃表面，制备成光催化剂涂层玻璃。具体镀膜方法参见《玻璃基纳米复合TiO2光催化膜的制备与灭菌性能研究》(汪恂.武汉理工大学,2008.)。所述催化剂为TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2或BiVO4。
进一步的，光催化剂涂层玻璃的涂层仅设置在靠近紫外灯管组的一侧，目的是强化光催化反应效果;在光催化剂涂层玻璃上靠近平板膜组件一侧不设置光催化剂涂层，目的是防止光催化氧化对膜上微生物产生影响。
进一步的，空气泵与曝气装置之间的管道上设有阀门，反应器出水口与蠕动泵之间的管道上设有阀门，反冲洗装置与提升泵之间的管道上设有阀门，二沉池与出水箱之间的管道上设有阀门。
进一步的，反应器进水口处设有第一流量计，反冲洗管上设有第二流量计。
利用上述装置进行地下水处理的方法，包括以下步骤：
一、向微生物接种池中放入复合菌剂，关闭进水阀门，开启接种池阀门和进水泵，复合菌剂通过微生物接种池进入主体反应器内，开启空气泵和曝气装置，曝气12～24h，使水中溶解氧不低于2mg/L;
二、然后停止曝气，静止沉淀2～6h，之后经二沉池排出澄清水;
三、重复步骤一至步骤二，直至形成絮体，并在平板膜组件上形成生物膜，所述生物膜的厚度为0.1～0.2mm;
四、然后关闭接种池阀门，开启进水阀门和进水泵，进水箱中的地下水在进水泵的提升作用下，通过反应器进水口进入主体反应器，开启空气泵和曝气装置，同时开启紫外灯，水力停留时间为2～6h，之后处理的地下水通过反应器出水口进入二沉池，并排出至出水箱。
进一步的，主体反应器底部的曝气装置采用间歇曝气方法，水中溶解氧不低于2mg/L。
进一步的，步骤一中所述复合菌剂的制备方法按照以下步骤进行：
一、分别将Pseudomonas extremaustralis Y39-6、Pseudomonas arsenicoxydansY24-2、Pseudomonas poae Y5-5、Pseudomonas koreensis Y5-11和Psychrobactercryohalolentis F5-6分别接种于固体培养基中，在6～10℃活化24～72h;
二、活化后的Pseudomonas extremaustralis Y39-6、Pseudomonasarsenicoxydans Y24-2、Pseudomonas poae Y5-5、Pseudomonas koreensis Y5-11和Psychrobacter cryohalolentis F5-6分别接种于液体培养基中进行发酵培养，温度为8℃，培养至每毫升发酵液中Pseudomonas extremaustralis Y39-6、Pseudomonasarsenicoxydans Y24-2、Pseudomonas poae Y5-5、Pseudomonas koreensis Y5-11和Psychrobacter cryohalolentis F5-6的菌数均为1010个;
三、将Pseudomonas extremaustralis Y39-6发酵液、Pseudomonasarsenicoxydans Y24-2发酵液、Pseudomonas poae Y5-5发酵液、Pseudomonas koreensisY5-11发酵液和Psychrobacter cryohalolentis F5-6发酵液按照体积比为1：1：1：1：1混合均匀，即制成复合菌剂。
进一步的，步骤一中用于培养Pseudomonas extremaustralis Y39-6和Pseudomonas koreensis Y5-11的固体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO4 0.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO4 0.7g/L，MgSO4·7H2O 0.04g/L，NaCl 0.4g/L，琼脂18g/L，pH值7.2。
进一步的，步骤一中用于培养Pseudomonas arsenicoxydans Y24-2和Psychrobacter cryohalolentis F5-6的固体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO4 0.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO4 0.7g/L，MgSO4·7H2O 0.04g/L，NaCl 0.4g/L，C2H5OH 0.1～2.0mL/L，琼脂18g/L，pH值7.2。
进一步的，步骤一中用于培养Pseudomonas poae Y5-5的固体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO4 0.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO40.7g/L，MgSO4·7H2O 0.04g/L，NaCl 0.4g/L，腐殖酸0.10～10.0mg/L，琼脂18g/L，pH值7.2。
进一步的，步骤二中用于发酵Pseudomonas extremaustralis Y39-6和Pseudomonas koreensis Y5-11的液体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO4 0.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO4 0.7g/L，MgSO4·7H2O 0.04g/L，NaCl 0.4g/L，pH值7.2。
进一步的，步骤二中用于发酵Pseudomonas arsenicoxydans Y24-2和Psychrobacter cryohalolentis F5-6的液体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO4 0.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO4 0.7g/L，MgSO4·7H2O 0.04g/L，NaCl 0.4g/L，C2H5OH 0.1～2.0mL/L，pH值7.2。
进一步的，步骤二中用于发酵Pseudomonas poae Y5-5的液体培养基配方为：NaNO3 0.5g/L，MnSO4 0.05g/L，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.10g/L，CaCl2 0.05g/L，Na2HPO40.7g/L，MgSO4·7H2O 0.04g/L，NaCl 0.4g/L，腐殖酸0.10～10.0mg/L，pH值7.2。
其中所述Pseudomonas extremaustralis Y39-6保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址是北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期为2018年10月29日，保藏编号为CGMCC No.16652。Pseudomonas arsenicoxydans Y24-2保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址是北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏编号为CGMCC No.16655，保藏日期为2018年10月29日。Pseudomonas poae Y5-5保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC)，保藏地址是北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期为2018年10月29日，保藏编号为CGMCC No.16654。Pseudomonas koreensis Y5-11保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址是北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期为2018年10月29日，保藏编号为16651。Psychrobacter cryohalolentis F5-6保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏地址是北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏日期为2018年10月29日，保藏编号为CGMCC No.16653。
本发明装置的工作原理：
首先在主体反应器中通入复合菌剂，开启空气泵使曝气装置进行曝气，使平板膜组件上形成生物膜，然后进行地下水处理。地下水由进水箱进入主体反应器，开启紫外灯，紫外灯能促进光催化剂(光催化剂附着于光催化剂涂层玻璃上)发生高级氧化反应，产生O·、HO·等自由基，使地下水中难生物降解的腐殖酸类物质发生氧化形成小分子易生物降解有机物，提高了水中的C/N比;水中的NO3--N、有机C、铁离子和锰离子为平板膜组件上附着的微生物提供了营养物质，促进微生物进行生长和反硝化作用;高级氧化反应也进一步消除了处理过程中形成亚硝酸盐的风险，因此本发明方法可以同时去除水中的硝酸盐和腐殖酸，并且没有亚硝酸盐的积累。蠕动泵的作用是防止水中微生物浓度过高而堵塞管道，因此在出现管道堵塞的现象时需要开启蠕动泵。
经过主体反应器处理的地下水流入二沉池，进行泥水分离，之后水经二沉池的出水口进入出水箱。
在装置运行一段时间之后，需要对平板膜组件进行清洗，此时开启提升泵和反冲洗装置，对平板膜组件进行定期清洗。在清洗平板膜组件时，要将进水阀门关闭，停止装置的运行。
本发明装置通过进水泵抽吸实现进出水。
本发明在平板膜组件上固定了复合菌剂的生物膜，复合菌剂是由低温反硝化细菌和低温兼性自养反硝化细菌组成。低温反硝化细菌Pseudomonas arsenicoxydans Y24-2、Pseudomonas poae Y5-5和Psychrobacter cryohalolentis F5-6可以利用有机物进行反硝化去除硝酸盐(最佳C/N比为0.5)，Pseudomonas koreensis Y5-11和Pseudomonasextremaustralis Y39-6可以在无有机碳源的条件下进行反硝化去除硝酸盐。将上述菌株进行配比组合，有利于强化菌株对硝酸盐的去除效果和对环境的适应能力，当进水中有机物和硝酸盐浓度发生较大波动时，仍能保证良好的有机物和硝酸盐去除效果。
本发明的有益效果：
1、本装置的主体反应器中设置有光催化装置，其中的平板膜组件用于微生物的附着，其外侧设置光催化剂涂层玻璃和紫外灯管组，紫外灯能促进光催化剂涂层玻璃表面的光催化剂发生高级氧化反应，使地下水中难生物降解的腐殖酸类物质发生氧化形成小分子易生物降解有机物，为平板膜组件上附着的微生物(反硝化细菌)提供了营养物质，促进微生物进行生长和反硝化作用;
2、本发明通过光催化反应，使难生物降解腐殖酸分解成小分子可生物降解有机物，并利用微生物复合菌剂，将水中有机物和残余腐殖酸全部去除，提高反硝化效果;
本发明方法采用复合菌剂，有利于强化菌株对硝酸盐的去除效果和对环境的适应能力，在低于10℃的条件下，微生物活性高、稳定性强。复合菌剂经过生物增强过程附着在膜上。对水温低于10℃、硝酸盐浓度高于50mg/L的贫营养地下水中的硝酸盐有良好的去除效果，本发明受污染的低温贫营养地下水经处理后，水中的硝酸盐含量检测方法参照的是由中国环境科学出版社出版的《水和废水监测分析方法(第四版)》中的离子色谱法，本发明的方法在30d内对低温贫营养地下水中硝酸盐的去除率可达到80%以上，水处理效果好;
3、本发明可有效去除低温地下水中腐殖酸类物质，减少水处理工艺中氯消毒副产物的前驱物，应用于水处理工艺中，有更高的安全性;
4、本发明方法处理地下水的过程中，紫外光-催化剂产生的高级氧化反应消除了处理过程中形成亚硝酸盐的风险，因此本发明方法不存在亚硝酸盐积累的问题;
5、本发明的装置在好氧条件下运行，无需额外投加碳源，运行成本低、维护管理方便。
