基于生物膜反应器去除水体硝酸盐的装置和方法与流程

本发明涉及一种利用好氧和厌氧生物膜反应器去除地表水体（诸如湖泊，河流，水库及池塘等）硝酸盐的装置和方法。该装置和方法能够有效去除水体中硝酸盐，同时能够促进上下水体混合。该装置和方法还可以结合废水生物处理氧化塘和人工湿地，以拓展处理效果。

背景技术：

现有的天然水体原位处理系统多数通过曝气方式或结合生态浮床去除水体中氨氮或有机质，但是在好氧的条件下氨氮会被硝化细菌氧化成硝酸盐。而反硝化细菌为厌氧菌，因此该方法对于硝酸盐的去除效果并不明显。同时水体中大部分的有机质是难以被生物体直接利用的，因此导致水体中反硝化活性较低，目前天然水体中硝酸盐的去除方法需要外加有机碳源，如甲醇、乙酸、丙酸等，但却增加了运行成本。

植物残体在被水体中微生物降解过程中会释放有机物碳，大分子有机碳经过降解会转化为小分子有机碳从而可以被微生物直接利用，反硝化细菌会利用产生的小分子有机碳将硝酸盐还原为氮气，从而实现硝酸盐的去除。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能耗低、投资和运行费用少，应用前景广阔的基于好氧和厌氧生物膜去除水体硝酸盐的装置和方法，实现地表水体中硝酸盐的脱除，提高水质，降低地表水体中藻类水华发生的几率。

本发明通过结合水生植物残体降解与好氧厌氧生物膜两种工艺，达到降低进水中硝酸盐的目标。具体技术方案如下：

一种基于生物膜反应器去除水体硝酸盐的装置，包括动力装置和反应装置；

所述动力装置放置于水上浮台上，包括气泵、水泵和为气泵、水泵提供能源的供能装置；

所述反应装置位于水平面下部，从上至下依次包括好氧生物膜反应器和厌氧生物膜反应器；所述厌氧生物膜反应器为升流式反应器，厌氧生物膜反应器顶部密封，上部的侧壁设有开口，与所述好氧生物膜反应器连通，所述厌氧生物膜反应器底部设有反应器底托，将所述厌氧生物膜反应器底部封闭；

所述好氧生物膜反应器内有曝气头和轻质填料，所述曝气头连接气泵，为好氧生物膜反应器供氧，好氧生物膜反应器未与厌氧生物膜反应器连接的一端采用网格封闭；

所述厌氧生物膜反应器内部通过筛网分隔为两层，上层为填料层，内装有轻质填料，下层为植物残体层，内装有植物残体；植物残体层处设有进水口，水泵通过伸入水中的进水管进水，再通过进水口将水泵入至植物残体层进行反应。

作为本发明的进一步优选，所述好氧生物膜反应器采用网格封闭的一端向上倾斜；好氧生物膜反应器的数目为至少两个。好氧生物膜反应器和厌氧生物膜反应器倾斜连接，如果采用两个或以上的好氧生物膜反应器能够保证有机质的去除效果。好氧生物膜反应器一般设置2~6个，数目过多会增加成本，可以根据水体硝酸盐含量浓度的实际情况增减好氧生物膜反应器的数目。好氧生物膜反应器采用网格封闭的一端向上倾斜，可以引导填料堆积方向，并且有利于鼓入的空气的流动，有利于好氧生物膜反应器内反应的进行。

作为本发明的进一步优选，所述厌氧生物膜反应器、好氧生物膜反应器为圆柱体结构，材质选用有机玻璃。所述厌氧生物膜反应器主体由上下两段有机玻璃管组成，上段有机玻璃管作为填料层，内装有轻质填料，下段有机玻璃管作为植物残体层，内装有植物残体；两段有机玻璃管内径相同，管间通过筛网隔开；所述厌氧生物膜反应器外还设有不锈钢卡套，所述不锈钢卡套包括环形不锈钢套及不锈钢条，不锈钢卡套下端的环形不锈钢套卡在下段有机玻璃管上，环形不锈钢套上的不锈钢条延伸至上段有机玻璃管并卡在上段有机玻璃管顶端，将两段有机玻璃管密封连接为一个整体。将厌氧生物膜反应器设置为两段有机玻璃管拼接形成的结构，并用不锈钢卡套固定，便于植物残体层内植物残体的更换，定期打开不锈钢卡套，将下段装植物残体的玻璃管取出更换植物残体。

作为本发明的进一步优选，所述好氧生物膜反应器和厌氧生物膜反应器之间采用柔性连接。柔性连接穿过厌氧生物膜反应器上壁的开口连接好氧生物膜反应器，用于反应水体的流通。

作为本发明的进一步优选，所述装置采用太阳能供能，所述供能装置包括太阳能板和蓄电池。以太阳能作为动力来源，无需能耗、无污染、无运行成本、通用性好，且环境相容性好，不破坏湖泊的景观功能。

作为本发明的进一步优选，所述厌氧生物膜反应器中，植物残体层的植物残体体积填充比例为85%~95%，轻质填料层的体积填充比例为75%~85%。

作为本发明的进一步优选，所述好氧生物膜反应器中，轻质填料的填充比例为80%~90%。

作为本发明的进一步优选，所述轻质填料选用MBBR填料；所述植物残体选用沉水植物残体。

本发明的装置中，所述轻质填料可为塑料空心小球或者半软性填料；气泵与曝气头相连的软管可以是硅胶管、橡胶管或者其他类似软管；水泵进水管和连接至厌氧生物膜反应器的进水口均采用软管，可为硅胶管、橡胶管或者其他类似软管。

作为本发明的进一步优选，

本发明的另一目的在于提供一种基于生物膜反应器去除水体硝酸盐的方法，包括如下步骤：

（1）反硝化反应去除硝酸盐：水泵将含硝酸盐水体通过进水口泵入升流式厌氧生物膜反应器底部，升流式厌氧生物膜反应器底部装有植物残体，上层装有附着反硝化微生物的轻质填料，轻质填料和植物残体间通过筛网分隔，含硝酸盐水体经筛网从升流式厌氧生物膜反应器底部经筛网流入上层，水体中硝酸盐经反硝化反应还原为氮气；

其中，反应所需的碳源由植物残体提供，植物残体在含硝酸盐水体中微生物的作用下释放出有机碳作为反硝化反应的碳源；

（2）去除水体有机质：经升流式厌氧生物膜反应器反硝化处理后的水体流入好氧生物膜反应器，好氧生物膜反应器内通过曝气供氧，内装有附着微生物的轻质填料，水体在好氧生物膜反应器在微生物作用下进行有机物降解，去除水体中的有机物；处理后的水体进入天然水体中。

本发明采用好氧厌氧生物膜反应器处理含硝酸盐的地表原水，在适当的温度条件下，厌氧生物膜反应器经过一周左右时间的自然培养驯化后，轻质填料表面会附着生长一定量的活性微生物，并能够通过反硝化作用降低进水中硝酸盐含量，同时好氧生物膜反应器可以降解水体中有机物，从而降低进水天然水体的有机物含量。

本发明的方法具有如下优点：

1. 本发明以太阳能作为动力来源，无需能耗、无污染、无运行成本、通用性好，且环境相容性好，不破坏湖泊的景观功能；

2. 以水生植物残体降解-厌氧好氧生物膜结合的技术方式，实现地表水体中硝酸盐的去除。此方法既能够高效去除硝酸盐，无需外加有机碳源，降低了运行成本，又能够促进上层和下层水体的交换混合，促进物质交换，加速了水中生物净化的过程；

3. 本发明的装置运行操作简单，安装简便，更换填料方便，管理简单，适用于天然和人工地表水体的污染控制和水质改善，实用性强。

附图说明

图1是本发明所述的装置的纵剖面构造图；

其中，箭头表示水流方向。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例1

本实施例说明本发明的装置的具体实施方式。

如图1所示的基于生物膜反应器去除水体硝酸盐的装置，包括动力装置和反应装置；

所述动力装置位于水面以上，放置于水上浮台5上，包括气泵3、水泵4和为气泵3、水泵4提供能源的供能装置；本实施例中采用太阳能功能，供能装置包括太阳能板1和蓄电池2。

所述反应装置位于水面下部，从上至下依次包括好氧生物膜反应器6、厌氧生物膜反应器7、反应器底托8；厌氧生物膜反应器7和好氧生物膜反应器6为圆柱体结构，材质选用有机玻璃。厌氧生物膜反应器7为升流式反应器，所述反应器底托8位于所述厌氧生物膜反应器7底部，将厌氧生物膜反应器7底部封闭；

所述好氧生物膜反应器6内有曝气头31和轻质填料，所述曝气头31连接气泵3，为好氧生物膜反应器6供氧，好氧生物膜反应器6未与厌氧生物膜反应器连接的一端采用网格61封闭，同时好氧生物膜反应器6采用网格61封闭的一端向上倾斜，考虑成本问题，好氧生物膜反应器6数目可选择为2~6个。

所述厌氧生物膜反应器7内部通过筛网70分隔为两层，上层为填料层71，内装有轻质填料，填料层71顶部密封，上部的侧壁设有开口711，与好氧生物膜反应器6通过柔性连接712连通；下层为植物残体层72，内装有植物残体；植物残体层72处设有进水口42，水泵4通过伸入水中的进水管41进水，再通过进水口42将水泵入至植物残体层72进行反应。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处仅在于，所述厌氧生物膜反应器7主体由上下两段有机玻璃管组成，上段有机玻璃管作为填料层71，内装有轻质填料，下段有机玻璃管作为植物残体层72，内装有植物残体；两段有机玻璃管内径相同，管间通过筛网70隔开；

为固定连接两段有机玻璃管，所述厌氧生物膜反应器7外还设有不锈钢卡套9，所述不锈钢卡套9包括环形不锈钢套91及不锈钢条92，不锈钢卡套9下端的环形不锈钢套91卡在下段有机玻璃管上，环形不锈钢套91上的不锈钢条92延伸至上段有机玻璃管并卡在上段有机玻璃管顶端，将两段有机玻璃管密封连接为一个整体。

实施例3

本实施例说明本发明方法的具体实施方式。

本发明的方法具体包括如下步骤：

（1）反硝化反应去除硝酸盐：水泵将含硝酸盐水体通过进水口泵入升流式厌氧生物膜反应器底部，升流式厌氧生物膜反应器底部装有植物残体，上层装有附着反硝化微生物的轻质填料，轻质填料和植物残体间通过筛网分隔，含硝酸盐水体经筛网从升流式厌氧生物膜反应器底部经筛网流入上层，水体中硝酸盐经反硝化反应还原为氮气；

其中，反应所需的碳源由植物残体提供，植物残体在含硝酸盐水体中微生物的作用下释放出有机碳作为反硝化反应的碳源；

（2）去除水体有机质：经升流式厌氧生物膜反应器反硝化处理后的水体流入好氧生物膜反应器，好氧生物膜反应器内通过曝气供氧，内装有附着微生物的轻质填料，水体在好氧生物膜反应器在微生物作用下进行有机物降解，去除水体中的有机物；处理后的水体进入天然水体中。

实施例4

实施例4-实施例6用于说明本发明装置的具体应用效果。本实施例中，对南京市玄武区某景观水体开展硝酸盐脱除工程。在湖水中构建本发明实施例2所述的好氧厌氧生物膜反应器装置。

本实施例中太阳能板1选择1个12V100W的单晶太阳能板，蓄电池2选用1个12V60AH的铅酸电池，气泵3选用12V35W气泵，水泵4选用12V60W水泵；

厌氧生物膜反应器7为直径14cm，高度100cm的有机玻璃反应器，筛网70安装在厌氧生物膜反应器7底部以上15cm处；在厌氧生物膜反应器7底部设置水生植物残体层72，上部设置轻质填料层71，沉水植物选择待处理景观水体内的沉水植物金鱼藻，植物残体层体积装填比例控制在85%；轻质填料选择直径为φ10mm*8mm的MBBR填料，轻质填料层的体积填充比例控制在80%；厌氧生物膜反应器中的水流采用上流形式，原水依次流经水生植物残体层72和轻质填料层71完成反硝化过程后进入好氧生物膜反应器6；好氧生物膜反应器6为有机玻璃材质，直径30cm，长度100cm，轻质填料选择直径为φ10mm*8mm的MBBR填料，轻质填料的体积填充比例控制在85%；水流在好氧、厌氧生物膜反应器中的停留时间为2小时。

在系统试运行的35天期间，对处理景观水体的好氧厌氧生物膜反应器进出水水质进行了检测分析，发现系统对硝酸盐的平均去除率分别为96%，达到了强化地表水硝酸盐去除的效果。

实施例5

对南京市玄武区某景观水体开展硝酸盐脱除工程。在湖水中构建本发明实施例2所述的好氧厌氧生物膜反应器装置。

太阳能板1选择1个12V100W的单晶太阳能板，蓄电池2选用1个12V60AH的铅酸电池，气泵3选用12V35W气泵，水泵4选用12V40W水泵；

厌氧生物膜反应器7为直径14cm，高度100cm的有机玻璃反应器，筛网70安装在厌氧生物膜反应器7底部以上15cm处；在厌氧生物膜反应器7底部设置水生植物残体层72，上部设置轻质填料层71，沉水植物选择待处理景观水体内的沉水植物金鱼藻，植物残体层体积装填比例控制在90%；轻质填料选择直径为φ10mm*8mm的MBBR填料，轻质填料层的体积填充比例控制在75%；厌氧生物膜反应器中的水流采用上流形式，原水依次流经水生植物残体层72和轻质填料层71完成反硝化过程后进入好氧生物膜反应器6；好氧生物膜反应器6为有机玻璃材质，直径30cm，长度100cm，轻质填料选择直径为φ18mm*10mm的MBBR填料，轻质填料的体积填充比例控制在90%；水流在好氧、厌氧生物膜反应器中的停留时间为2.5小时。

在系统试运行的40天期间，对处理景观水体的好氧厌氧生物膜反应器进出水水质进行了检测分析，发现系统对硝酸盐的平均去除率为93%，达到了强化地表水硝酸盐去除的效果。

实施例6

对南京市秦淮区某景观水体开展硝酸盐脱除工程。在湖水中构建本发明所述的好氧厌氧生物膜反应器装置。

太阳能板1选择1个12V100W的单晶太阳能板，蓄电池2选用1个12V60AH的铅酸电池，气泵3选用12V35W气泵，水泵4选用12V40W水泵；

厌氧生物膜反应器7为直径14cm，高度100cm的有机玻璃反应器，筛网70安装在厌氧生物膜反应器7底部以上15cm处；在厌氧生物膜反应器7底部设置水生植物残体层72，上部设置轻质填料层71，沉水植物选择待处理景观水体内的沉水植物金鱼藻，植物残体层体积装填比例控制在95%；轻质填料选择直径为φ10mm*8mm的MBBR填料，轻质填料层的体积填充比例控制在85%；厌氧生物膜反应器7中的水流采用上流形式，原水依次流经水生植物残体层72和轻质填料层71完成反硝化过程后进入好氧生物膜反应器6；好氧生物膜反应器6为有机玻璃材质，直径30cm，长度100cm，轻质填料选择直径为φ18mm*10mm的MBBR填料，轻质填料的体积填充比例控制在80%；水流在好氧、厌氧生物膜反应器中的停留时间为3小时。

在系统试运行的50天期间，对处理景观水体的好氧厌氧生物膜反应器进出水水质进行了检测分析，发现系统对硝酸盐的平均去除率为93.7%，达到了强化地表水硝酸盐去除的效果。