一种脱除地下水中氮素的装置和脱除地下水中氮素的方法
【专利摘要】一种脱除地下水中氮素的装置，主要由地下水提升系统和集中型硝化反硝化系统两部分组成。本发明还公开了利用上述装置脱除地下水中氮素的方法。本发明利用水气分离方法、植物、微生物、纳米曝气等方式构建的装置，集中分级进行氮素的硝化反硝化处理，对于地下水中硝态氮、亚硝态氮、氨氮、有机氮各种氮素有较快速脱除效果，及时避免由于氮素指标超标引发的地下水紧急污染状况。
【专利说明】一种脱除地下水中氮素的装置和脱除地下水中氮素的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种脱除地下水中氮素的装置。
[0002] 本发明还涉及利用上述装置脱除地下水中氮素的方法。
【背景技术】
[0003] 氨氮进入人体而合成亚硝基化合物，而硝态氮在人体内也可被微生物直接还原为 有毒的亚硝态氮，所以人体摄入过量硝态氮易使器官发生癌变。地下水硝态氮污染早已引 起联合国和发达国家的普遍重视，其中氨氮主要来源于蛋白质分解产生，而地下水中的硝 态氮主要来自农田施用化肥，污灌和土壤中氨氮的微生物硝化作用，硝态氮极易随土壤自 由水淋溶进入地下水，对人体有一定的危害。饮用水中硝态氮超过500mg/L时能引起胃肠 障碍，刺激膀胱的粘液层出现尿频和腹泻症状，因此国家饮用水标准对氨氮及硝态氮指数 做了严格规定。而地下水中氨氮、硝态氮含量超过饮用水标准的地区很多，地方性疾病也伴 随产生，为改善饮用水的质量，急需处理地下水中氨氮、硝态氮的有效技术。
[0004] 土壤生态系统中的生物对其硝酸盐氮的消长具有重要的作用，其中硝化和反硝化 细菌是影响地下水中硝酸盐浓度的重要生物因素之一。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种脱除地下水中氮素的装置。
[0006] 本发明的又一目的是提供一种利用上述装置脱除地下水中氮素的方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供的脱除地下水中氮素的装置，主要由地下水提升系 统和集中型硝化反硝化系统两部分组成；其中：
[0008] 地下水提升系统，是在一提升井的内壁设置有可旋转的过滤网，过滤网设置有针 式清扫器，针式清扫器探入过滤网孔的尖端有微小弯钩；提升水泵将地下水自提升井内过 滤并提升至集中型硝化反硝化系统的配水管；
[0009] 配水管为一个穿孔PVC管，管外包裹一层土工布防止堵塞，土工布外包裹一层铁 碳填料，具有微电解功能；
[0010] 集中型硝化反硝化系统四周注射土壤板结剂作为不透水层的隔断墙；集中型硝化 反硝化系统的内部自上而下分别为纳米曝气硝化层和集中型反硝化层，纳米曝气硝化层和 集中型反硝化层之间采用带有毛细孔的陶瓷板做隔离，陶瓷板上包裹有零价纳米铁；纳米 曝气硝化层底部设有一个以上的纳米曝气头；
[0011] 纳米曝气硝化层内的填充物为活性炭、掺杂纳米二氧化钛的赤泥分子筛的混合 物，混合物的底部为弗罗里硅藻土；
[0012] 集中型反硝化层内的填充物为活性炭与介孔分子筛的混合物；
[0013] 集中型反硝化层中设置有C0D压力在线自动控制装置、压力在线自动控制装置和 气水分离器；
[0014] 集中型硝化反硝化系统的表面栽种有植物。
[0015] 所述的装置，其中，纳米曝气硝化层内的纳米曝气头连接纳米曝气机。
[0016] 所述的装置，其中，纳米曝气硝化层中的活性炭、弗罗里硅藻土以及掺杂纳米二氧 化钛的赤泥分子筛的粒径为2mm-50mm。
[0017] 所述的装置，其中，集中型反硝化层中的活性炭和介孔分子筛的粒径为2_-5_。
[0018] 所述的装置，其中，植物选择千屈菜和再力花，栽种比例为1:2,以保证吸收效果的 同时具有景观效果。
[0019] 本发明提供的利用上述装置脱除地下水中氮素的方法：
[0020] 提升水泵将地下水自提升井内过滤并提升至集中型硝化反硝化系统的配水管进 入纳米曝气硝化层内，则活性炭吸附地下水中的有机氮以及氨氮，并在纳米曝气的作用下 将氧化为硝态氮，伴随此过程地下水中大分子有机物转化为小分子有机物，作为反硝化层 的碳源；底部的弗罗里硅藻土拦截大分子有机物，与纳米曝气机联合控制集中型反硝化层 中大分子有机物的量，保证集中型反硝化层碳源保持在一定的浓度范围内；
[0021] 经纳米曝气硝化层处理的地下水液体直接透过陶瓷板进入集中型反硝化层，气体 被隔离出来，防止氧气和气泡进入集中型反硝化层，保证系统内绝对厌氧环境，同时陶瓷板 上的零价纳米铁用于网捕重金属，防止重金属浓度过高产生生物毒性，抑制集中型反硝化 层中反硝化菌的生长；
[0022] 进入集中型反硝化层的地下水中硝态氮被吸附，随着反硝化反应的正向进行不断 缓释，防止由于流速过快硝氮直接进入地下水中；
[0023] 压力在线自动控制装置测量集中型反硝化层内部的压力，当反硝化过程产生氮气 量过高、压力过大时，由气水分离器抽出氮气，推动反应的正向进行；
[0024] C0D在线自动控制装置测量集中型反硝化层的内部C0D变化情况，通过C0D值自动 控制曝气机曝气时间。
[0025] 所述的方法，其中，C0D在线自动控制装置在C0D低于75mg/L时，调节纳米曝气机 曝气量在〇. 2-0. 5 ;C0D高于75mg/L时，调节纳米曝气机曝气量高于0. 5。
[0026] 所述的方法，其中，纳米曝气硝化层内的纳米曝气头进气为02。
[0027] 本发明利用水气分离方法、植物、微生物、纳米曝气等方式构建的装置，集中分级 进行氮素的硝化反硝化处理，对于地下水中硝态氮、亚硝态氮、氨氮、有机氮各种氮素有较 快速脱除效果，及时避免由于氮素指标超标引发的地下水紧急污染状况。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1是本发明的装置结构示意图。
[0029] 附图中主要组件符号说明：
[0030] 1-隔断墙；2-植物；3-碱性注射装置；4-提升水泵；5-提升井；6-配水管；7-陶 瓷板；8-过滤网；9-集中型反硝化层；10-抽出管；11-纳米曝气硝化层；12-纳米曝气头； 13-C0D在线自动控制装置；14-压力在线自动控制装置；15-气水分离器；
【具体实施方式】
[0031] 以下结合附图作详细说明。需要说明的是，在以下叙述中提到的左、右、上、下等均 是以附图所示的方向为准。
[0032] 请参阅图1，本发明提供的脱除地下水中氮素的装置，主要由地下水提升系统、集 中型硝化反硝化系统两部分组成。
[0033] 其中，地下水提升系统的主要结构为提升井5,提升井5内设置有可旋转的过滤网 8,在提升水泵4的抽吸作用下将地下水提升至原地水平线处，提升过程中地下水流经过滤 网8进行过滤以便于下一步处理；同时为防止过滤网8堵塞，特别设置针式清扫器，清扫器 探入过滤网孔的尖端有微小弯钩，用于清扫过滤网防止其堵塞。
[0034] 地下水提升系统的出水口连接至集中型硝化反硝化系统的配水管6,配水管6为 一个穿孔PVC管，管外包裹一层土工布防止堵塞，土工布外包裹一层铁碳填料，具有微电解 功能。
[0035] 集中型硝化反硝化系统的四周注射土壤板结剂作为不透水层的隔断墙1，集中型 硝化反硝化系统的内部自上而下分别为纳米曝气硝化层11和集中型反硝化层9。纳米曝气 硝化层厚0. 7m，由粒径2mm-50mm的活性炭、掺杂纳米二氧化钛的赤泥分子筛以及底部的弗 罗里硅藻土组成，纳米曝气硝化层底部布设有纳米曝气头12间歇曝气，纳米曝气头12发散 出的纳米气泡具有特殊性质，在物理作用下细密的散布在待处理的地下水中；活性炭用于 吸附地下水中有机氮以及氨氮，在纳米曝气的作用下产生羟自由基将其氧化为硝态氮，伴 随此过程地下水中大分子有机物转化为小分子有机物，可作为集中反硝化层9的碳源，底 部的弗罗里硅藻土的作用是拦截大分子有机物，与纳米曝气机联合控制集中型反硝化层中 大分子有机物的量，保证集中型反硝化层碳源保持在以一定浓度范围内；纳米二氧化钛提 供空穴或自由负离子，间或产生短暂的高级氧化协同微电解效应。纳米曝气硝化层11和集 中型反硝化层9之间以及集中型反硝化层底部使用毛细孔的陶瓷板7做隔离，此毛细陶瓷 板7具有恒定的较小化学活性和均匀密集的小孔分布，以及低吸附高氧化铝含量和适宜的 气泡压力（lbar到lOOkpa)的特性，液体可通过此陶瓷板7直接透过，而气体或气泡从液体 中被隔离出来。防止氧气和气泡进入集中型反硝化层9,保证系统内绝对厌氧环境，同时陶 瓷板7中包裹零价纳米铁，用于网捕重金属，防止重金属浓度过高产生生物毒性，抑制集中 型反硝化层中反硝化菌的生长。
[0036] 集中型反硝化层厚0. 8m，由粒径的活性炭与介孔分子筛混合组成，使得 进入集中型反硝化层的待处理地下水中硝态氮被瞬间吸附，随着反硝化反应的正向进行不 断缓释，防止由于流速过快硝氮直接进入地下水中；
[0037] 集中型反硝化层中设置有压力在线自动控制装置14以测量内部压力，当反硝化 过程产生氮气量过高、压力过大时，自动控制气水分离器15抽出氮气，推动反应的正向进 行。集中型反硝化层中设置的C0D在线自动控制装置13测量集中型反硝化层内部的C0D变 化情况，通过C0D值自动控制曝气机曝气时间，当集中型反硝化层中的C0D低于75mg/L时， 调节纳米曝气机曝气量在〇. 2-0. 5达成消解效应；当C0D高于75mg/L时，调节纳米曝气机 曝气量高于〇. 5达成氧化效应。
[0038] 根据本发明的一个实施例，通过本发明处理的污水中，亚硝态氮、硝态氮100%去 除，有机氮降低99 %，出水水质透明度高。
【权利要求】
1. 一种脱除地下水中氮素的装置，主要由地下水提升系统和集中型硝化反硝化系统两 部分组成；其中： 地下水提升系统，是在一提升井的内壁设置有可旋转的过滤网，过滤网设置有针式清 扫器，针式清扫器探入过滤网孔的尖端有微小弯钩；提升水泵将地下水自提升井内过滤并 提升至集中型硝化反硝化系统的配水管； 配水管为一个穿孔PVC管，管外包裹一层土工布防止堵塞，土工布外包裹一层铁碳填 料，具有微电解功能； 集中型硝化反硝化系统四周注射土壤板结剂作为不透水层的隔断墙；集中型硝化反硝 化系统的内部自上而下分别为纳米曝气硝化层和集中型反硝化层，纳米曝气硝化层和集中 型反硝化层之间采用带有毛细孔的陶瓷板做隔离，陶瓷板上包裹有零价纳米铁；纳米曝气 硝化层底部设有一个以上的纳米曝气头； 纳米曝气硝化层内的填充物为活性炭、掺杂纳米二氧化钛的赤泥分子筛的混合物，混 合物的底部为弗罗里硅藻土； 集中型反硝化层内的填充物为活性炭与介孔分子筛的混合物； 集中型反硝化层中设置有COD压力在线自动控制装置、压力在线自动控制装置和气水 分离器； 集中型硝化反硝化系统的表面栽种有植物。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中，纳米曝气硝化层内的纳米曝气头连接纳米曝气 机。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中，纳米曝气硝化层中的活性炭、弗罗里硅藻土以及 掺杂纳米二氧化钛的赤泥分子筛的粒径为2 mm- 5 0 mm。
4. 根据权利要求1所述的装置，其中，集中型反硝化层中的活性炭和介孔分子筛的粒 径为 2mm-5mm。
5. 根据权利要求1所述的装置，其中，植物选择千屈菜和再力花，栽种比例为1:2,以保 证吸收效果的同时具有景观效果。
6. 利用权利要求1所述装置脱除地下水中氮素的方法： 提升水泵将地下水自提升井内过滤并提升至集中型硝化反硝化系统的配水管进入纳 米曝气硝化层内，则活性炭吸附地下水中的有机氮以及氨氮，并在纳米曝气的作用下将氧 化为硝态氮，伴随此过程地下水中大分子有机物转化为小分子有机物，作为反硝化层的碳 源；底部的弗罗里硅藻土拦截大分子有机物，与纳米曝气机联合控制集中型反硝化层中大 分子有机物的量，保证集中型反硝化层碳源保持在一定的浓度范围内； 经纳米曝气硝化层处理的地下水液体直接透过陶瓷板进入集中型反硝化层，气体被隔 离出来，防止氧气和气泡进入集中型反硝化层，保证系统内绝对厌氧环境，同时陶瓷板上的 零价纳米铁用于网捕重金属，防止重金属浓度过高产生生物毒性，抑制集中型反硝化层中 反硝化菌的生长； 进入集中型反硝化层的地下水中硝态氮被吸附，随着反硝化反应的正向进行不断缓 释，防止由于流速过快硝氮直接进入地下水中； 压力在线自动控制装置测量集中型反硝化层内部的压力，当反硝化过程产生氮气量过 高、压力过大时，由气水分离器抽出氮气，推动反应的正向进行； COD在线自动控制装置测量集中型反硝化层的内部COD变化情况，通过COD值自动控制 曝气机曝气时间。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，COD在线自动控制装置在COD低于75mg/L时，调 节纳米曝气机曝气量在0. 2-0. 5 ;C0D高于75mg/L时，调节纳米曝气机曝气量高于0. 5。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中，纳米曝气硝化层内的纳米曝气头进气为02。
【文档编号】C02F101/16GK104193076SQ201410357485
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】王雷, 席北斗, 李英军, 张列宇, 苏靖, 何小松, 王丽君, 高如泰 申请人:中国环境科学研究院