一种集氨化硝化反硝化脱氮于一体的人工湿地污水处理装置及其应用的制作方法

本发明属于水体处理技术领域。更具体地，涉及一种集氨化硝化反硝化脱氮于一体的人工湿地污水处理装置及其应用。

背景技术：

我国当前水环境污染总体趋势得到了有效遏制，但部分区域水体外源性营养盐特别是氮所引起的环境问题日趋严重。氮污染在地表水与地下水均有体现，包括：城市部分河涌氨氮、总氮浓度大幅高于地表水v类水质标准值，氨氮和总氮浓度分别高达40～55mgl^-1；氮肥施用、流失等污染因素导致了约57％的浅、中层地下水“三氮”含量超过20mgl^-1。水环境大范围氮污染不仅增加了“水华”和“赤潮”的发生频率，也对农业、渔业、林业和饮用水卫生安全构成了严重威胁。当前，农业生产和城镇污水作为氮营养盐的主要排放来源，经污水厂二级生化仍不能满足日趋严格的氮排放标，而且随着我国城镇化的快速发展，这种氮污染趋势可能会愈发严重。

传统生物脱氮技术在氮迁转、脱除方面存在瓶颈，尤其是对于农业面源污染所带来的氮超标问题，传统的生物脱氮技术也受制于成本约束难以有效推广；并且在处理低c/n比组成的城市污水时，反硝化所需碳源或\和电子供体也进一步限制了反硝化脱氮的高效进行。虽然近些年开发的新兴脱氮技术，例如厌氧氨氧化、短程硝化-反硝化等也具备了低功耗、效率高等方面的优点(cn201910368778.0、cn201810588932.0)；但是，其复杂的操作条件及工艺控制也决定了难以大规模应用到乡镇区域的氮污染治理中去。

因此，研发一种操作简便、效率高、同时具有快速氨化硝化反硝化脱氮作用的人工湿地污水处理方法，对于污染水体的修复具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有人工湿地污水处理方法的缺陷和不足，提供一种集氨化硝化反硝化脱氮于一体的人工湿地污水处理装置。本发明解决了目前高氨氮和高有机氮水体污染严重、且现有脱氮技术效率低、实施复杂的问题，提供了一种基于厌氧颗粒污泥-铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池、集氨化硝化反硝化脱氮于一体的人工湿地污水处理装置。

本发明的目的是提供一种集氨化硝化反硝化脱氮于一体的人工湿地污水处理装置。

本发明的另一目的是提供所述装置在污水处理中的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种集氨化硝化反硝化脱氮于一体的人工湿地污水处理装置，所述装置包括厌氧颗粒污泥区和铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区，所述厌氧颗粒污泥区的上部与铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的下部通过多孔隔板连通；

所述厌氧颗粒污泥区填充有厌氧颗粒污泥，所述厌氧颗粒污泥区的内部设有四通多孔管；

所述铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区由下至上依次填充有铁碳微电解填料、石英砂，所述石英砂的上面种植有湿地植物，所述铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的内部设有进水管、排水管、备用排水管、阴极和阳极；所述进水管的一端通过多孔隔板与设置于厌氧颗粒污泥区内部的四通多孔管连通，所述进水管的高度高于排水管和备用排水管的高度，所述排水管和备用排水管的高度相同，所述阴极与阳极用金属导线连接并串联电阻箱。

本发明中，所述多孔隔板作为厌氧颗粒污泥区与铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区进行液体交换的通道。污水由进水管自上而下持续升流式进入，污水先进入厌氧颗粒污泥区，之后随着水位上升，污水通过多孔隔板进入铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区，最后经排水管或备用排水管排出，进而按顺序逐步进行脱氮的氨化-硝化-反硝化反应。

优选地，所述进水管从所述多孔隔板的中心穿过。

优选地，所述进水管的顶部高出铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的顶部15～20cm。以便增加压强，防止水流回压逸出。

更优选地，所述进水管的顶部高出铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的顶部18cm。

优选地，所述四通多孔管的左右两侧斜向下均匀直径为3～5mm的小孔；所述四通多孔管的底部距厌氧颗粒污泥区的底部2～4cm。以达到从厌氧颗粒污泥区底部开始升流式进水，同时污水能到达厌氧颗粒污泥区的各个方位，使氨化反应更充分，水流上升更均匀。

更优选地，所述四通多孔管的左右两侧斜向下均匀设置直径为4mm的小孔；所述四通多孔管的底部距所述厌氧颗粒污泥区的底部3cm。

本发明中，所述四通多孔管上设置的小孔的数量可根据实际设计尺寸减小或增加。

优选地，所述多孔隔板的孔的直径小于所述铁碳微电解填料和所述石英砂的颗粒粒径。以防止铁碳微电解填料和石英砂进入厌氧颗粒污泥区。

本发明中，所述多孔隔板可根据实际设计尺寸加减孔的数量。

优选地，所述多孔隔板的孔的直径为4～8mm。

更优选地，所述多孔隔板的孔的直径为6mm。

优选地，所述铁碳微电解填料的颗粒粒径为9～11mm。

更优选地，所述铁碳微电解填料的颗粒粒径为10mm。

本发明中，所述铁碳微电解填料可用能够制造铁碳微电解环境的铁屑结合活性炭替代，也可用铁矿粉、铁屑等成本更低廉的富铁填料替代。

优选地，所述石英砂的粒径为9～12mm。在9～12mm的粒径范围内，所述石英砂的粒径越小，比表面积越大，越利于形成紧密丰富的生物膜，使滤床更有效完成氮悬浮物的过滤以及离子态氮的吸附。

更优选地，所述石英砂的粒径为10mm。

优选地，所述厌氧颗粒污泥为vss/tss＞65％的成熟期厌氧颗粒污泥。

优选地，所述厌氧颗粒污泥的直径为1～3mm。

更优选地，所述厌氧颗粒污泥的直径为2mm。

优选地，所述阳极设置于铁碳微电解填料与石英砂交界的水平面上。

优选地，所述石英砂的填充高度与排水管的高度相同，所述阴极设置于石英砂的顶部。

优选地，所述排水管和备用排水管上均设有阀门。

本发明中，可根据实际场地设计厌氧颗粒污泥区和铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的尺寸。

优选地，所述厌氧颗粒污泥区和所述铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的体积比为1:10～14。以保证厌氧颗粒污泥区和铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区水力停留时间分别为6h和24h；其中，厌氧颗粒污泥区在6h内可转化95％20mg/l有机氮为氨氮，且缩短水力停留时间利于厌氧颗粒污泥快速颗粒化，铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的24h的停留时间使硝化-反硝化更充分。

更优选地，所述厌氧颗粒污泥区和所述铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的体积比为1:12。

优选地，所述厌氧颗粒污泥的填充体积占所述厌氧颗粒污泥区总体积的2/5～4/5。

更优选地，所述厌氧颗粒污泥的填充体积占所述厌氧颗粒污泥区总体积的3/5。

优选地，所述铁碳微电解填料的填充体积占所述铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区总体积的1/6～1/4。

更优选地，所述铁碳微电解填料的填充体积占所述铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区总体积的5/24。

优选地，所述阴极的材质为碳纤维刷、碳布、石墨或碳毡。

优选地，所述阳极的材质为碳纤维刷、活性炭颗粒、碳棒、石墨或碳毡。

优选地，所述电阻箱的电阻为950～1050ω。

更优选地，所述电阻箱的电阻为1000ω。

优选地，所述金属导线为铜线或铂丝。

优选地，所述厌氧颗粒污泥区和铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的主体材质由有机玻璃、钢结构或混凝土制成。

优选地，所述厌氧颗粒污泥区和铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区均为上部开口的长方体或正方体。以利于维持装置的稳定性。

优选地，所述湿地植物的株高为20±2cm。

更优选地，所述湿地植物的株高为20cm。

优选地，所述湿地植物的种植密度为20～40株/m²。

更优选地，所述湿地植物的种植密度为30株/m²。

优选地，所述湿地植物为香蒲、美人蕉、水葱、灯心草或芦苇中的任意一种或几种。

另外，所述装置在污水处理中的应用，也应在本发明的保护范围之内。

优选地，所述污水为氨氮和/或有机氮含量高的污水。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种集氨化硝化反硝化脱氮于一体的人工湿地污水处理装置及其应用。本发明通过设置厌氧颗粒污泥区和铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区，其中，厌氧颗粒污泥区的厌氧颗粒污泥在5～6h内即可将95％左右的有机氮(约20mgl^-1)转化为氨氮，解决了传统人工湿地氮转化过程中有机氮转化成氨氮受限于湿地微生物群落氨化效率低、电子受体量不足，出水中有机氮浓度仍维持在较高水平的问题。

另外，铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区种植的湿地植物(8)能够直接吸收并挥发部分氮污染物，也能够通过其根系泌氧使得植物根区-近根区-远根区形成好氧-缺氧-厌氧环境，促进硝化与反硝化菌群的生长和繁殖；铁碳微电解填料能够促进产电微生物活性、电子转移效率，fe³⁺转为fe²⁺的进程中可将nh4⁺转化为no2^--n或n2完成氨的硝化或铁氨氧化，fe²⁺被氧化为fe³⁺的进程中释放的电子可以直接被硝态氮利用转为n2和n2o，同时fe³⁺也是常见的絮凝剂，能够吸附在细菌周围，参与电子转移替代菌毛电子传递作用强化硝化-反硝化效率，铁碳微电解填料(6)也能够输出电子，强化系统内no2-n、no3-n等电子受体高效化学反硝化脱氮，解决了传统人工湿地技术以o2作为主要电子供体，导致硝化-反硝化受抑制的问题。

本发明提供的装置能够同时实现氨化硝化反硝化脱氮作用，解决了传统人工湿地处理高有机氮污水氨化效率低的问题，以及传统脱氮装置无法全过程快速脱氮的问题，在处理污水中具有成本低、操作简便和效率高的优点。

附图说明

图1是本发明集氨化硝化反硝化脱氮于一体的人工湿地污水处理装置的示意图。

附图标记：1-进水管；2-排水管；3-备用排水管；4-厌氧颗粒污泥；5-多孔隔板；6-铁碳微电解填料；7-石英砂；8-湿地植物；9-阴极；10-阳极；11-电阻箱；12-金属导线；13-四通多孔管；14-阀门。

图2是四通多孔管的示意图。

图3是多孔隔板的示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种集氨化硝化反硝化脱氮于一体的人工湿地污水处理装置，包括厌氧颗粒污泥区和铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区，厌氧颗粒污泥区的上部与铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的下部通过多孔隔板5连通；厌氧颗粒污泥区填充有厌氧颗粒污泥4，厌氧颗粒污泥区的内部设有四通多孔管13；铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区由下至上依次填充有铁碳微电解填料6、石英砂7，石英砂7的上面种植有湿地植物8，铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的内部设有进水管1、排水管2、备用排水管3、阴极9和阳极10；进水管1的一端通过多孔隔板5与设置于厌氧颗粒污泥区内部的四通多孔管13连通，进水管1的高度高于排水管2和备用排水管3的高度，排水管2和备用排水管3的高度相同，阴极9与阳极10用金属导线12连接并串联电阻箱11。

本实施例中，进水管1从多孔隔板5的中心穿过。

本实施例中，进水管1的顶部高出铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的顶部18cm。以便增加压强，防止水流回压逸出。

本实施例中，所述四通多孔管13的左右两侧斜向下均匀设置直径为4mm的小孔；所述四通多孔管13的底部距厌氧颗粒污泥区的底部3cm。以达到从厌氧颗粒污泥区的底部开始升流式进水，同时污水能到达厌氧颗粒污泥区的各个方位，使氨化反应更充分，水流上升更均匀。

本实施例中，四通多孔管13上小孔的数量为16个。

本实施例中，多孔隔板5的孔的数量为25个。

本实施例中，多孔隔板5的孔的直径为6mm。

本实施例中，铁碳微电解填料6的颗粒粒径为10mm。铁碳微电解填料6用1％h2so4溶液浸泡10min，除去表面氧化物，清水冲洗至ph中性，备用。

本实施例中，石英砂7的粒径为10mm。石英砂7反复清洗直至水质澄清。

本实施例中，厌氧颗粒污泥4为vss/tss＝70％的成熟期厌氧颗粒污泥；厌氧颗粒污泥4的直径为2mm。

本实施例中，阳极10设置于铁碳微电解填料6与石英砂7交界的水平面上。

本实施例中，石英砂7的填充高度与排水管2的高度相同，阴极9设置于石英砂7的顶部。

本实施例中，排水管2和备用排水管3上均设有阀门14。

本实施例中，厌氧颗粒污泥区和铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的体积比为1:12。

本实施例中，厌氧颗粒污泥4的填充体积占厌氧颗粒污泥区总体积的3/5。

本实施例中，铁碳微电解填料6的填充体积占铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区总体积的1/5。

本实施例中，阴极9的材质为碳纤维刷；阳极10的材质为碳纤维刷。

本实施例中，电阻箱11的电阻为1000ω。

本实施例中，金属导线12为铜线。

本实施例中，厌氧颗粒污泥区和铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区的主体材质由有机玻璃、钢结构或混凝土制成。

本实施例中，厌氧颗粒污泥区和铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区均为上部开口的长方体或正方体，利于维持装置的稳定性。

本实施例中，湿地植物8为香蒲，株高为20cm，种植密度为30株/m²。

为了使新接种的厌氧颗粒污泥4和湿地植物8适应高氨氮或高有机氮含量的污水，本实施例中，装置充满污水静置30d后，再进入正式的污水处理阶段。

本实施例中，每日处理水量v＝v厌氧颗粒污泥区)+v(铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区)*0.3(填料孔隙度)，进水速度为v/24l/h。

本实施例装置的工作原理为：

高氨氮或高有机氮含量的待处理污水由进水管1自上而下持续升流式进入本发明装置中，污水先进入厌氧颗粒污泥区，之后随着水位上升，污水通过多孔隔板5进入铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区，最后经排水管2或备用排水管3排出排水管2和备用排水管3可依据实际情况交替使用，进而按顺序逐步进行脱氮的氨化-硝化-反硝化反应。

其中，厌氧颗粒污泥区填充的厌氧颗粒污泥4能够将95％左右的有机氮约20mgl^-1转化为氨氮；铁碳微电解-人工湿地微生物燃料电池区种植的湿地植物8能够直接吸收并挥发部分氮污染物，也能够通过其根系泌氧使得植物根区-近根区-远根区形成好氧-缺氧-厌氧环境，促进硝化与反硝化菌群的生长和繁殖；铁碳微电解填料6借助铁碳0.44v电势差，促进产电微生物活性、电子转移效率，fe³⁺转为fe²⁺的进程中可将nh4⁺转化为no2^--n或n2完成氨的硝化或铁氨氧化，fe²⁺被氧化为fe³⁺的进程中释放的电子可以直接被硝态氮利用转为n2和n2o，同时fe³⁺也是常见的絮凝剂，能够吸附在细菌周围，参与电子转移替代菌毛电子传递作用强化硝化-反硝化效率，微生物燃料电池输出电子，强化系统内no2-n、no3-n等电子受体高效化学反硝化脱氮。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。