一种在人工湿地实现短程硝化反硝化的方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境工程技术领域，尤其涉及一种在人工湿地实现短程硝化反硝化的 方法及其装置。
【背景技术】
[0002] 人工湿地作为一种低成本、运转维护方便的污水资源化生态工程技术，可以有效 地去除污染水体中的有机物、悬浮物和氮磷，已广泛应用于生活污水、工业废水、垃圾渗滤 液的治理以及受污染湖泊水体的修复。但在实际运行的相关报道中，许多人工湿地虽然对 总悬浮颗粒物、有机物的去除率较高，但对氮的去除率却较低。因此如何提高人工湿地脱氮 效率已成为当前国内外研究的热点和难点问题。
[0003] 人工湿地中氮的去除主要依赖微生物的生理生化反应，其中硝化反硝化被认为是 最主要的脱氮途径。现阶段为了提高人工湿地的脱氮效率，许多学者研究了通过曝气和增 加有机碳源等措施来加强人工湿地硝化与反硝化作用，虽然取得了一定的效果但是曝气和 添加有机碳源增加了人工湿地的运行成本，不利于人工湿地技术的发展。
[0004] 短程硝化反硝化作为新兴的生物脱氮技术，关键是利用需氧氨氧化菌(AOB)将氨 氮转化成亚硝态氮，抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的生长活性，阻碍NOB将亚硝态氮氧化为硝 态氮，在反硝化菌的作用下将亚硝态氮直接转化为氮气的反应。相比于以往的硝化反硝化 过程，短程硝化反硝化过程可节约25%的曝气量和40%的有机碳源，而且亚硝酸盐氮作为 反硝化底物的反应速率是硝酸盐氮为底物的1.5~2倍，从而实现经济高效的脱氮。
[0005] 然而短程硝化反硝化技术主要应用在污泥脱水上清液、垃圾渗滤液等含高浓度氨 氮废水处理的SBR工艺中，而在人工湿地中的应用报道较少。其原因是人工湿地作为一类依 靠自然生态系统净化污水的方法，其运行条件不易调控。从微生物的角度结合在其它污水 脱氮工艺对短程硝化反硝化的研究可以发现短程硝化反硝化实现的必然条件是抑制亚硝 酸盐氧化菌(NOB)的生长活性，促进亚硝酸盐氮积累，而亚硝酸盐积累受到系统温度、溶氧 (D0)、pH等参数的影响。若能优化人工湿地的运行条件、稳定的将硝化反应控制在生成亚硝 酸盐氮阶段，进一步再完成反硝化反应，则有望突破人工湿地实现短程硝化反硝化的瓶颈。
【发明内容】
[0006] 针对以上技术问题，本发明公开了一种在人工湿地实现短程硝化反硝化的方法及 其装置，基于AOB和NOB对环境因子的敏感程度不同，可以通过优化人工湿地系统运行条件， 使AOB在系统中占优势以及NOB在系统中被完全去除或受抑制而实现短程硝化的最佳条件， 获得稳定的亚硝酸盐积累，进一步完成反硝化反应，在人工湿地中实现了短程硝化反硝化 作用。
[0007] 对此，本发明采用的技术方案为：
[0008] -种在人工湿地实现短程硝化反硝化的方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤A:设置具有I池和II池的人工湿地系统，所述人工湿地系统还包括储水池和 曝气栗，所述I池的底部和II池的底部相连，所述II池的上部与储水池连接，所述储水池的 出水管经曝气栗与I池的上部连接；
[0010]步骤B:在所述I池的下层和上层分别填入I池体积10 %~15 %左右、粒径为1~ 20mm的石灰石;将活性污泥与小于10目的沙子按照25%~30%的质量比例混匀后，填充到I 池的中间层，填充体积为I池容积的70~80%，形成石灰石-沙子-石灰石级配方式的人工湿 地系统；II池内采用同样的方法进行填充;所述I池高于II池，水由I池的底部流向II池； [0011]在人工湿地系统的I池为进水从进水管自上而下流入底部，经连接管横向流入II 池，根据虹吸原理以从下往上的流态从II池底部流至上端，经出水口流出。通过不同流态控 制I池和II池的水流，从而实现有利于微生物脱氮的好氧与厌氧两种环境。
[0012] 步骤C:根据系统进水NH4+-N的浓度，通过添加碳源来调节有机碳(OC)浓度，以形成 C/N比在4:1~8:1之间的进水水质；
[0013] 步骤D:对储水池进行曝气，使其水体溶解氧浓度达到9mg/L，水力停留时间为2.5 天，运行15~30天，实现人工湿地系统内部氨氧化细菌和反硝化细菌数量增多，亚硝酸盐氧 化菌受到抑制而数量减少。优选的，采用曝气栗对储水池进行曝气处理。
[0014] 其中，石灰石的主要成分为碳酸钙，起到提供碱度的作用，可以调节系统的pH值。
[0015] 优选的，所述石灰石的粒径为l〇mm。
[0016] 采用此技术方案，利用I池和II池的水流方式在人工湿地中实现了氧气随水流方 向的梯度分布。通过在人工湿地上层和下层平铺石灰石为短程硝化提供了碱度，通过调节 碳氮比4:1~8:1增加了人工湿地反硝化碳源，提高了TN的去除效率，使其达到94%以上。
[0017] 而且，随着碳源的增加，造成碳源与氨氮在硝化阶段竞争消耗湿地内有限的溶解 氧，最终导致氨氮因缺乏足够的溶解氧而无法有效地去除和转化。因此，过高或过低的C/N 比都不利于人工湿地对污水的处理效率。
[0018] 作为本发明的进一步改进，在步骤C前，先将生活污水浇灌至人工湿地系统20~40 天，以实现基质对NH4+-N的饱和吸附。
[0019] 作为本发明的进一步改进，通过添加葡萄糖来调节有机碳的含量。采用此技术方 案，通过添加葡萄糖调节碳氮比4:1~8:1，增加了人工湿地反硝化碳源，方法简单，成本低。
[0020] 作为本发明的进一步改进，调节有机碳的含量，以形成C/N为6:1~8:1的进水水 质。采用此技术方案，有利于提高TN的去除效率，TN的去除效率达到94%以上。
[0021] 作为本发明的进一步改进，分别在距I池底部20~30cm处、距II池底部15~25cm处 分别设置基质采样口。
[0022] 作为本发明的进一步改进，所述基质采样口的孔径为10~20mm。
[0023]作为本发明的进一步改进，所述I池中的填充层高于II池的填充层至少10cm。
[0024]本发明还提供了一种采用如上所述的在人工湿地实现短程硝化反硝化的方法的 装置，即包括I池、II池、储水池和曝气栗，所述I池的底部和II池的底部相连，所述II池的上 部与储水池连接，所述储水池的出水管经曝气栗与I池的上部连接;在所述I池的下层和上 层设有I池体积10 %~15 %左右、粒径为1~20_的石灰石;I池的中间层填充有活性污泥与 小于10目的沙子按照25 %~30%的质量比例混匀后的混合物，填充体积为I池容积的70~ 80%，形成石灰石-沙子-石灰石级配方式的人工湿地系统；II池内采用同样的方法进行填 充;所述I池高于II池，水由I池的底部流向II池。
[0025] 采用此技术方案，可以更稳定地控制短程硝化反硝化反应。
[0026] 本发明的技术方案针对城市污水高氨氮、低碳氮比的特性，通过优化人工湿地溶 解氧和pH值的运行条件，使AOB在系统中占优势以及NOB在系统中被完全去除或受抑制而实 现短程硝化的最佳条件，获得稳定的亚硝酸盐积累。由于短程硝化反硝化没有亚硝酸盐氧 化的反应，曝气量少且节省能耗，并通过添加碳源提高了碳氮比从而促进了反硝化反应，故 人工湿地可以在处理污水过程中在实现短程硝化反硝化的同时提高了脱氮效率。
[0027] 本发明弥补了现有人工湿地技术在短程硝化反硝化脱氮研究的空白，提供了一种 简单的在人工湿地实现短程硝化反硝化的方法。利用I池和II池的水流方式在人工湿地中 实现了氧气随水流方向的梯度分布。通过在人工湿地上层和下层平铺石灰石为短程硝化提 供了碱度。通过葡萄糖等微生物可利用碳源调节碳氮比4:1~8:1增强了人工湿地反硝化脱 氮。
[0028] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0029] 第一，本发明利用的人工湿地系统及其I池和II池的水流方式能够简单长效地实 现好氧_厌氧-缺氧-厌氧-好氧的多层氧交替的功能层，满足需氧氨氧化细菌(AOB)和反硝 化细菌赖以生存的不同氧环境而实现两者的富集，抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的生长活性 从而使其数量减少。
[0030] 第二，本发明通过调节进水碳氮比4:1~8:1，有利于为反硝化提供适当的碳源，增 强反硝化细菌作用;方法操作简单，大幅度提高了人工湿地总氮的去除效率。
[0031] 第三，采用本发明的技术方案，可针对不同类型的污水，通过外加碳源调控污水碳 氮比，简单便捷地在人工湿地中实现了短程硝化反硝化作用，经济高效地提高了对污水的 净化效率，实现NH/-N的去除率达到90%~99.6%，TN的去除率达到94%以上，有机碳的去 除率达到96 %~99 %。
【附图说明】
[0032] 图1是本发明所采用的人工湿地及其石灰石-沙子-石灰石级配方式示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
[0034] 实施例1
[0035] 如图1所示，一种在人工湿地实现短程硝化反硝化方法的装置，包括人工湿地系统 I池1，II池2,所述人工湿地系统还包括储水池5和曝气栗6,所述I池1的底部和II池2的底部 相连，所述Π 池2的上部与储水池5连接，所述储水池5的出水管经曝气栗6与I池1的上部连 接;石灰石3和沙子4以石灰石-沙子-石灰石的级配方式填充系统，进水管7位于I池上方，出 水管8位于II池上方。在所述I池的下层和上层分别填入I池1体积10%、平均粒径为1mm的石 灰石3;将活性污泥与小于10目的沙子4按照25%~30%的质量比例混匀后，填充到I池1的 中间层，填充体积为I池1容积的70~80%，形成石灰石-沙子-石灰石级配方式的人工湿地 系统;II池2内采用同样的方法进行填充;所述I池1高于II池2，水由I池1的底部流向II池2; 具体为：