申请日2021.07.26
公开（公告）日2021.10.19
IPC分类号C02F3/32; C02F3/28; C02F101/16
摘要
本发明涉及污水处理技术领域，提出了一种人工湿地反硝化系统，其由上至下依次设置土壤层、石灰石填料层、协同自养异养填料层、沸石填料层，各层之间发挥协同作用，显著提高人工湿地系统对污水的脱氮效果。其中，自养异养填料层通过米糠异养与菱铁矿自养效果，协同改善污染水脱氮效果，并且菱铁矿经过活化处理显著增加了对铁自养微生物的吸附能力，进而提高了系统中自养反硝化效率，显著提高人工湿地反硝化系统脱氮效果。
权利要求书
1.一种人工湿地反硝化系统，其特征在于，所述人工湿地系统由上至下依次设置土壤层、石灰石填料层、协同自养异养填料层、沸石填料层。
2.根据权利要求1所述的人工湿地反硝化系统，其特征在于，所述土壤层选自砖红壤、赤红壤、红壤、棕壤中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的人工湿地反硝化系统，其特征在于，所述石灰石填料层为石灰石与连二亚硫酸钠的混合物，质量比为5-8:1，石灰石粒径为8-15mm，填充厚度为20cm-25cm。
4.根据权利要求1所述的人工湿地反硝化系统，其特征在于，所述协同自养异养填料层由米糠和菱铁矿按照体积比为1：0.5-3进行填充，填充厚度为35-45cm。
5.根据权利要求4所述的人工湿地反硝化系统，其特征在于，所述米糠清洗、晾干、粉碎后填充。
6.根据权利要求4所述的人工湿地反硝化系统，其特征在于，所述菱铁矿粉碎后依次经氟硅酸钠、α-淀粉、羟肟酸和柠檬酸铵处理再与米糠混合填充。
7.根据权利要求6所述的人工湿地反硝化系统，其特征在于，所述菱铁矿粉碎为3.5-4mm粒径，加入水形成浓度为35-45％的菱铁矿浆液，然后依次加入1000-3000g/t氟硅酸钠、50-80mg/tα-淀粉，调节浆液pH为6.5-7.5，再加入100-800g/t苯甲羟肟酸和200-600g/t柠檬酸铵处理再与米糠混合填充。
8.根据权利要求1所述的人工湿地反硝化系统，其特征在于，所述沸石填料层中沸石粒径为5-10mm，依次用浓度为1-1.5mol/L的NaCl溶液和0.1-1.0mol/L的盐酸浸泡后，再用清水洗至冲洗液pH值为6.5-7.5，干燥后填充，填充厚度为8-10cm。
9.一种权利要求1-8任一项所述人工湿地反硝化系统的污水脱氮方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)启动挂膜阶段：将铁自养微生物培养液加入权利要求1-8任一项人工湿地系统中，每隔2-3天更换一次培养液，更换10-17次；
(2)稳定运行阶段：将污水加入步骤(1)中人工湿地系统，即可进行污水脱氮。
10.根据权利要求9所述的人工湿地反硝化系统的污水脱氮方法，其特征在于，所述铁自养微生物培养液的成分及含量为：6g/L FeSO4·7H2O、0.5g/L MgSO4·7H2O、2.0g/LNaHCO3、0.01g/L CaCl2、0.73g/L NaNO3、0.25g/L KNO3。
说明书
一种人工湿地反硝化系统及其污水脱氮方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体的，涉及一种人工湿地反硝化系统及其污水脱氮方法。
背景技术
随着我国人口数量的不断地增长，用水量的激增以及人们生活习惯的改变，造成低浓度生活污水的排放不断增加，使得我国城镇污水，特别是我国南方城镇的污水水质不断地朝低碳源化的趋势发展。因此，城镇污水水质低碳源化的趋势给实现常规C/N比污水同步脱氮除磷都有一定难度的现有脱氮工艺带来了更大的挑战。人工湿地技术在处理低有机碳污水时，通常会向系统中直接补充有机碳源，促进异养反硝化脱氮，但是该方法成本高，并且有机碳源的加入会产生副产物氨氮的生成，存在出水浑浊等问题。
自养反硝化无需额外有机碳源，自养反硝化主要是指依靠无机物(比如氢气、硫磺)作为电子供体，以无机碳化合物(比如CO2、HCO3-)作为微生物代谢的碳源来脱氮。目前发现一类铁自养反硝化细菌，其能在厌氧条件下以NO3-作为电子受体，单质铁及各种形式的Fe2+化合物作为电子供体，将NO3-还原为N2去除，从而实现污染水除氮的目的，但是其单独应用时脱氮效率较低。
为了提高污染水脱氮的效率，目前国内外很多研究者将异养反硝化与自养反硝化结合协同对污染水做脱氮处理，克服二者单独使用时固有的缺陷，提高脱氮效率。专利申请CN112694169A公开了一种自养-异养反硝化一体化脱氮装置及方法，该方法将自养反硝化菌和异养反硝化菌耦合在同一反应器的不同部位中，并通过循环促进自养反硝化反应区和异养反硝化反应区具有良好的传质效果，实现了自养-异养反硝化过程的协同稳定运行，能够连续高效地脱除含氮废水中的氮，但是该方法将自养与异养分开，并通过循环方式实现二者之间的传质，工序复杂，效果较差。
发明内容
本发明提出一种效果更好的反硝化系统，以米糠和菱铁矿混合后进行异养-自养反硝化污水脱氮处理，并对系统中组分进行相关处理，不仅实现废弃物的资源化利用，还解决了现有技术中的脱氮工序复杂、效果差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种人工湿地反硝化系统，由上至下依次设置土壤层、石灰石填料层、协同自养异养填料层、沸石填料层。
进一步地，所述土壤层选自砖红壤、赤红壤、红壤、棕壤中的一种或多种。
更进一步地，所述土壤层厚度为50-100cm。
进一步地，所述石灰石填料层为石灰石与连二亚硫酸钠的混合物，质量比为5-8:1，石灰石粒径为8-15mm，填充厚度为20cm-25cm。
进一步地，所述协同自养异养填料层由米糠和菱铁矿按照体积比为1：0.5-3进行填充，填充厚度为35-45cm。
进一步地，所述米糠清洗、晾干、粉碎后填充。
进一步地，所述菱铁矿粉碎后依次经氟硅酸钠、α-淀粉、羟肟酸和柠檬酸铵处理再与米糠混合填充。
更进一步地，所述羟肟酸为C5-9羟肟酸、苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸、苯甲羟肟酸中的一种或多种。
更进一步地，所述菱铁矿粉碎为3.5-4mm粒径，加入水形成浓度为35-45％的菱铁矿浆液，然后依次加入1000-3000g/t氟硅酸钠、50-80mg/tα-淀粉，调节浆液pH为6.5-7.5，再加入100-800g/t苯甲羟肟酸和200-600g/t柠檬酸铵处理再与米糠混合填充。
进一步地，所述米糠和菱铁矿采用纱布包裹后再进行填充。
更进一步地，所述纱布是用100mm×100mm的脱脂纱布。
进一步地，所述沸石填料层中沸石粒径为5-10mm，依次用浓度为1-1.5mol/L的NaCl溶液和0.1-1.0mol/L的盐酸浸泡后，再用清水洗至冲洗液pH值为6.5-7.5，干燥后填充，填充厚度为8-10cm。
本发明还提供一种上述人工湿地反硝化系统的污水脱氮方法，包括如下步骤：
(1)启动挂膜阶段：将铁自养微生物培养液加入上述人工湿地系统中，每隔2-3天更换一次培养液，更换10-17次；
(2)稳定运行阶段：将污水加入步骤(1)中人工湿地系统，即可进行污水脱氮。
进一步地，所述铁自养微生物培养液的成分及含量为：6g/L FeSO4·7H2O、0.5g/LMgSO4·7H2O、2.0g/L NaHCO3、0.01g/L CaCl2、0.73g/L NaNO3、0.25g/L KNO3。
进一步地，所述铁自养微生物培养液添加量以淹没土壤层为准。
本发明的工作原理及有益效果为：
1、本发明以土壤层、石灰石填料层、协同自养异养填料层、沸石填料层为完整的系统，其中土壤层中提供铁自养反硝化细菌；石灰石层通过石灰石与连二亚硫酸钠在水中反应能消耗水中溶解氧，为后面的协同自养异养填料层中铁自养微生物的生长提供缺氧环境，并通过严格控制石灰石与连二亚硫酸钠的质量比，避免反应放出过量的热而杀死铁自养微生物；自养异养填料层通过米糠异养与菱铁矿自养效果，协同改善污染水脱氮效果；沸石填料层可以进一步吸附污水中的氮、磷等物质，另外也能吸附Fe3+来净化污染水颜色。
2、本发明对自养异养填料层中的菱铁矿进行活化处理，通过氟硅酸钠、α-淀粉、苯甲羟肟酸和柠檬酸铵处理后的菱铁矿孔隙增加，提高了其对铁自养微生物的附着力，使铁自养微生物在有需要时能更好的利用菱铁矿中的铁电子供体，其除氮效率显著提高。在米糠释放的碳源的较少时，处理后菱铁矿可高效实现除氮效果，同时米糠中分解的营养物质还可以为铁自养微生物所利用，进一步提高微生物的繁殖及活性，铁自养微生物代谢产物促进米糠的分解，实现一种良性循环反硝化系统。
3、本发明还对沸石填料层中沸石进行活化处理，沸石经氯化钠和盐酸处理后，其内部形成一系列微孔，可以提高沸石对吸附自养异养填料层产生的Fe3+的能力，避免水中Fe3+的存在而显黄色，进一步实现对污水的净化处理。
4、本发明中采用的菱铁矿和米糠价廉易得，且两者都是废弃物，通过再利用可以实现废物资源化利用，且不产生副产物，避免环境二次污染。
（发明人：宋欣;董娴娴;权登晖;赵欣;李瑞月;李俊）
