一种地下水中硝酸盐氮和氟离子处理系统和处理方法与流程

本发明属环境保护领域，涉及一种去除地下水中硝酸盐氮和氟离子的方法，具体是一种人工湿地—慢滤池—过滤柱联合净化地下水中硝酸盐氮和氟化物的方法。

背景技术：

我国主要的饮用水来源为地下水，其中有95%的农村饮用水来源于地下水。近些年，随着经济的快速发展，工农业排放的大量污染物导致地下水中硝酸盐氮和氟离子超标，从而影响人体健康。如人体摄入过多的硝酸盐后，硝酸盐在人体中容易被还原成亚硝酸盐，可使血液中的低铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，失去运输氧能力而引起组织缺氧性损害，另外亚硝酸盐还有致癌风险。为此，为降低硝酸盐的风险，许多国家和组织设定了饮用水中硝酸盐浓度的最高值，如欧盟和世界卫生组织(who)规定硝态氮的限值为11.3mg/l，美国环保署(epa)的限值为10mg/l，我国也设定了生活饮用水的最高限值为10mg/l。氟是人体必需的微量元素之一，然而当饮用水中浓度过高时，将影响人体健康。如长期饮用氟浓度高于1.0mg/l的水，则会引起氟斑牙病；当长期饮用氟浓度为3-6mg/l的水，则会引起氟骨病。此外，长期饮用高氟浓度的饮用水，还会抑制人的肾上腺、生殖腺、甲状腺和胰腺功能，并损害人的消化系统、心血管系统，严重的氟中毒还会导致高氟区居民丧失劳动力。为降低饮用水中氟离子对人体健康的影响，世界卫生组织(who)推荐的饮水含氟量上限为1.5mg/l，我国在gb5749-2006《生活引用水卫生标准》中规定，氟化物限值为1.0mg/l。

针对地下水中氟污染，开发了比较多且有效的净化技术，然而地下水呈复合污染趋势，有关同时去除地下水中硝酸盐氮和氟离子的技术鲜见报道，为此研发能有效去除水中硝酸盐和氟离子的技术具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够同时去除地下水中硝酸盐氮和氟离子的方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种地下水中硝酸盐氮和氟离子处理系统，包括人工湿地、慢滤池和过滤柱；所述人工湿地顶端设有进水口，另一端底部设有出水口与所述慢滤池一端底部相连通；所述慢滤池另一端上部设有出水口，与所述过滤柱上方相连通；所述过滤柱底部设有排液口，排液口处设有阀门；所述人工湿地底部设有曝气装置；所述人工湿地内从上至下分别设有细沙层、生物炭层和砾石层；所述慢滤池内从上至下分别设有粗砂层、生物炭层、砾石层；所述过滤柱内从上至下分别设有脱脂棉层、骨炭层和脱脂棉层。

进一步的，人工湿地内种植有沉水植物。

进一步的，人工湿地内细沙层、生物炭层和砾石层的厚度分别为20cm、30cm、10cm；所述慢滤池内粗砂层、生物炭层、砾石层的厚度分别为30cm、60cm、10cm；所述过滤柱内脱脂棉层、骨炭层和脱脂棉层的厚度分别为2.5cm、10cm、2.5cm。

进一步的，人工湿地内的细沙层采用细沙粒径小于2mm，生物炭层采用的生物炭粒径小于2mm，砾石层采用的砾石粒径为4-6cmm；所述慢滤池内的粗砂层采用的粗砂粒径为1-3cm，生物炭层采用的生物炭粒径小于2mm，砾石层采用的砾石粒径为4-6cmm；所述过滤柱内骨炭层采用的骨炭粒径小于2mm。

进一步的，人工湿地与慢滤池的连通处设有阀门。

本发明还提供了采用上述系统对地下水中硝酸盐氮和氟离子的处理方法，包括以下步骤：

（1）地下水从上部进入人工湿地中，底部曝气，经好氧微生物作用将地下水中的氨氮、亚硝态氮转化为硝态氮；

（2）经过人工湿地处理后的地下水由底部进入慢滤池，经厌氧微生物作用将硝态氮脱氮去除；

（3）经过慢滤池处理后的地下水由上方进入过滤柱内，经骨炭吸附作用去除氟离子。

其中，步骤（1）中的硝态氮中部分通过人工湿地中的沉水植物吸收去除。

步骤（3）中过滤柱中地下水的流速控制在300ml/min。

过滤柱中的骨炭通过以下方法制备：将牛骨洗净烘干，然后放在马弗炉中450℃下炭化2小时，所得骨炭磨碎，过2mm筛备用。

步骤（1）中地下水在人工湿地中处理时间为5天。

本发明相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明的采用人工湿地曝气，可促进人工湿地中的氨氮通过硝化过程转化为硝态氮，一部分硝态氮通过人工湿地中植物的吸收而去除，另一部分硝态氮进入慢滤池，然后经反硝化脱氮去除，从而使地下水硝酸根离子浓度<10mg/l。

（2）本发明中使用骨炭过滤柱，可有效降低地下水中的氟离子浓度，使氟离子浓度≤1mg/l。

附图说明

图1为本发明地下水中硝酸盐氮和氟离子处理系统的结构示意图；

图2为图1中人工湿地的结构示意图；

图3为图1中慢滤池的结构示意图；

图4为图1中过滤柱的结构示意图。

图中，1-人工湿地，11-细沙层，12-生物炭层，13-砾石层，14-沉水植物，15-曝气管，2-慢滤池，21-粗砂层，22-生物炭层，23-砾石层，3-过滤柱，31-脱脂棉层，32-骨炭层，33-脱脂棉层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明去除硝酸盐氮和氟离子的净化系统由曝气人工湿地1、慢滤池2和过滤柱3组成。具体实施过程如下：

步骤1、构建曝气人工湿地:构建人工湿地床1，由下往上铺上砾石层13，生物炭层12和细沙层11，如图2所示，具体构成如下：在人工湿地床底部铺设砾石，其粒径为4～6cm，高度为10cm，并在底部铺设曝气管15，且连接鼓风曝气器；在砾石层13上放置30cm高的生物炭（木炭）,粒径<2mm；在生物炭层12上铺设20cm高的细沙层11，细沙粒径<2mm。人工湿地床铺设床层完成后，在人工湿地中种植沉水植物14，如金鱼藻，黑藻和伊乐藻。地下水从人工湿地上部进入而从底部流出。

步骤2、构建慢滤池2，如图3所示。慢滤池底部铺设砾石层23（厚度10cm），粒径为为4～6cm；然后再砾石层上放置60cm高的生物炭（木炭）；最后在生物炭层22上放置30cm高的粗砂层21，粗砂粒径为1-3cm。经人工湿地处理后的地下水从慢滤池底部进水上部流出。

步骤3、骨炭制作。将牛骨洗净烘干，然后放在马弗炉中450℃下炭化2小时，所得骨炭磨碎，过2mm筛备用。

步骤4、组装过滤柱3，如图4所述。过滤柱高度为15cm，过滤柱下端放置脱脂棉（高度2.5cm），然后在脱脂棉层33上放骨炭，放置高度10cm，最后在骨炭层32上放置脱脂层31（高度2.5cm）。经过慢滤池净化后的地下水由过滤柱上部进入下部流出。

步骤5、系统运行。整个系统建成后，地下水通过泵进入曝气人工湿地1，在人工湿地1中停留5天，通过底部曝气，以保证好氧微生物所需的氧气量。依靠人工湿地中好氧微生物的作用，将地下水中的氨氮和亚硝态氮通过硝化作用转为为硝态氮，然后依靠沉水植物吸收作用去除一部分硝态氮。然后进入慢滤池2净化，依靠慢滤池中厌氧微生物的反硝化作用将地下水中的硝态氮通过反硝化脱氮去除，经慢滤池净化后的水再进入过滤柱3净化，通过过滤柱中骨炭的吸附作用将地下水中氟离子去除。在过滤柱3中控制流速在300ml/min，出水氟含量<1mg/l，硝态氮含量<10mg/l。