强化电荷再分布型潜流湿地污水反硝化脱氮装置及方法与流程

本发明属于环保污水处理技术领域，涉及一种潜流湿地污水反硝化脱氮装置及方法，尤其涉及一种强化电荷再分布型潜流湿地污水反硝化脱氮装置及方法。

背景技术：

潜流湿地污水处理技术因具有处理效果好、建设成本和运行成本低、易于管理、景观性能好的优势而成为污水处理技术的首选。

潜流湿地污水处理原理：利用湿地基质、微生物以及植物这个复合生态系统对污水进行物理、化学和生物三重作用，通过湿地基质过滤、吸附、湿地植物吸收分解以及湿地微生物降解来实现污水净化。植物根系菌群以及湿地基质中的微生物将水体中大颗粒、大分子的有机污染物分解成为小颗粒和离子态的小分子被植物同化吸收，成为植物生长的营养物质，促进植物生长的同时净化水质，实现生态净化水质。

但是目前公知的潜流湿地在硝酸盐浓度过高时，反硝化能力差。尤其当碳源不足或者溶解氧浓度过低时，都会导致反硝化不彻底，导致氧化亚氮过量积累（n2o），并释放进入环境造成巨大的温室效应，n2o的温室效应是等摩尔浓度co2的150倍。

技术实现要素：

针对公知的人工湿地反硝化脱硝酸盐氮的问题，本发明提供了一种强化电荷再分布型潜流湿地污水反硝化脱氮装置及方法。本发明在公知的人工湿地的底层和顶层分别布置电极材料，利用湿地的底部厌氧区和顶部兼氧区之间的电势差，通过电极和外电路将底部厌氧区收集到的电荷直接传递到顶部兼氧区，利用硝酸盐氮作为电子受体，在反硝化细菌的参与下，强化反硝化脱除硝酸盐氮，提高湿地的净化效能，同步实现水质净化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种强化电荷再分布型潜流湿地污水反硝化脱氮装置，包括湿地池体以及位于湿地池体内部的湿地布水系统、厌氧电荷收集区、兼氧电荷再分配反硝化区和湿地植物，其中：

所述湿地布水系统位于湿地池体的底部，由一根布水干管、和进水干管垂直相连接的多根平行等长的穿孔布水支管构成；

所述厌氧电荷收集区位于湿地池体的底部、湿地布水系统之上，由厌氧基质层和电荷收集电极组成，厌氧基质层内置电荷收集电极；

所述兼氧电荷再分配反硝化区位于湿地池体的顶部、厌氧电荷收集区之上，由兼氧基质层和电荷再分配电极组成，兼氧基质层内置电荷再分配电极，电荷再分配电极通过外电路与电荷收集电极相连接；

所述湿地植物的根系位于兼氧电荷再分配反硝化区。

一种利用上述强化电荷再分布型潜流湿地污水反硝化脱氮装置进行强化反硝化水质净化的方法，包括如下步骤：

一、污水经过湿地布水系统进入湿地池体的底部，并在底部形成均匀进水，升流进入厌氧电荷收集区；

二、在厌氧电荷收集区内污水进行厌氧反应，水解酸化，大分子的难溶的有机质变成小分子的溶解态的有机质，同时厌氧产电菌产生电荷被电荷收集电极收集传递到外电路，厌氧反应后的污水继续上升进入兼氧电荷再分配反硝化区；

三、在兼氧电荷再分配反硝化区内污水利用植物根系泌氧和大气复氧气，发生兼氧反应，进一步氧化有机质，反硝化细菌，利用硝酸盐氮作为电子受体，通过电荷再分配电极获得外电路传递过来的厌氧电荷收集区收集的电荷，发生反硝化，实现强化脱硝；同时，湿地植物根系和兼氧基质层构成微观生态系统，完成对污水的有机物、无机物的吸附、吸收、微生物同化异化分解净化，硝化、除磷，充分净化水质；

四、到达顶层的充分净化后的水经排水口达标排放，完成净化过程。

具体电极反应如下：

1、厌氧电荷收集区的主要电化学反应：

c6h12o6+6h2o–24e^-(微生物、产电细菌协同)→6co2+24h⁺

2、兼氧电荷再分配反硝化区的主要电化学反应：

o2+4e^-+4h⁺→2h2o(氧气来自于光合作用和大气复氧)

nh4⁺+2o2（硝化细菌）→no3^-+2h⁺+h2o

no3^-+5e^-+6h⁺→1/2n2+3h2o（反硝化细菌）

3、总反应：

c6h12o6+15/2o2+2nh3→6co2+9h2o+n2

本发明具有如下优点：

1、本发明具有从严格厌氧菌到湿地微生态系统多菌种分层组合，高效去污的同时，产生生物电荷，并通过合理设计的电荷收集与再分布电极，将底层的电荷传递到顶部的兼氧区，利用硝酸盐氮作为电子受体，参与反硝化，提高湿地的脱氮效能。

2、本发明的厌氧电荷收集区采用钛金属网复合活性碳毡电极材料，构成三维立体电荷收集体，该电极体有较高的比表面积，能有效吸附污水中的有机质，并为厌氧产电菌提供载体，提高电荷的收集效率。

3、本发明的兼氧电荷再分配反硝化区基质采用麦秆生物碳复合壤土，麦秆生物碳具有较高的比表面积，能有效吸附污水中的有机质，同时麦秆生物碳中k离子的含量更高，更有利于阳离子在基质中的有效传递到达兼氧区的还原电极，参与电极反应。

4、本发明不仅具有结构简单、生态治理污水高效反硝化、景观效果好等优点，而且具有公知传统湿地所不具有的强化脱氮技术优势，是一种创造性的湿地污水处理系统和方法。

附图说明

图1为湿地立面布置图；

图2为湿地的1-1剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1和2所示，本实施方式提供的强化电荷再分布型潜流湿地污水反硝化脱氮装置由湿地池体1、湿地布水系统2、厌氧电荷收集区3、兼氧电荷再分配反硝化区4和湿地植物5构成，其中：

所述湿地池体1为矩形池体，内部包含湿地布水系统2、厌氧电荷收集区3、兼氧电荷再分配反硝化区4和湿地植物5。

所述湿地布水系统2由与污水提升泵2-1相连的一根进水干管2-3以及和进水干管2-3垂直相连接的多根平行等长的穿孔布水支管2-2构成；该湿地布水系统2位于湿地池体1的底部，污水由湿地池体1底部的污水提升泵2-1提升，经由湿地布水系统2的布水干管2-3进入穿孔布水支管2-2，在湿地池体1的底部形成均匀布水，污水在湿地池体1的底部向上升流进入厌氧电荷收集区3。

所述厌氧电荷收集区3位于湿地池体1的底部，由厌氧基质层3-2和电荷收集电极3-1组成，厌氧基质层3-2内置电荷收集电极3-1，其中：厌氧基质层3-2为粒径为3~5mm的陶粒，电荷收集电极3-1为钛网复合活性炭毡；污水在该区域内发生厌氧生化反应，有机质被厌氧菌氧化并产生电荷，电荷被该区域内的电荷收集电极3-1收集，并传递到达外电路3-3，所述外电路3-3包含铜导线3-3-1和与之相连的负载-可变电阻3-3-2，可变电阻3-3-2可调整到达电荷再分配电极4-1的电荷密度值，配合水质的变化，电荷收集电极3-1经铜导线3-3-1与可变电阻3-3-2相连接，将收集到的电荷按不同密度送达电荷再分配电极；经过厌氧氧化后的污水继续上升进入兼氧电荷再分配反硝化区4。

所述兼氧电荷再分配反硝化区4位于湿地池体1的顶部、厌氧电荷收集区3之上，由兼氧基质层4-2和电荷再分配电极4-1组成，兼氧基质层4-2内置电荷再分配电极4-1，其中：兼氧基质层4-2为麦秸生物碳混合壤土，电荷再分配电极4-1为活性炭毡，通过外电路3-2与电荷收集电极3-1相连接；污水在兼氧电荷再分配反硝化区域4内发生兼氧氧化代谢反应，cod被充分降解，同时硝化细菌利用植物根系泌氧和大气复氧，实现硝化过程；反硝化细菌利用硝酸盐氮作为电子受体，通过电荷再分配电极4-1获得外电路传递过来的厌氧电荷收集区3产生的电荷，完成反硝化过程，实现强化反硝化，优化了传统的利用分解有机物产生的电子完成反硝化的过程，反硝化更为迅速有效。

所述湿地植物5的根系位于兼氧电荷再分配反硝化区，兼氧电荷再分配反硝化区域内具有丰富的植物根系，湿地植物根系和兼氧基质层构成微观生态系统，完成对污水的有机物、无机物的吸附、吸收、微生物同化异化分解净化，硝化、除磷；充分净化水质，净化后的水通过排水口2-4流出，完成净化过程。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种强化电荷再分布型潜流湿地净化污水反硝化脱氮方法，具体实施步骤如下：

一、污水由湿地池体1底部的污水提升泵2-1提升，经由湿地布水系统2的布水干管2-3进入穿孔布水支管2-2，在湿地池体1的底部形成均匀布水，污水在湿地池体1的底部向上升流进入厌氧电荷收集区3。

二、在厌氧电荷收集区3，厌氧电荷收集区的厌氧基质3-2为3~5mm的陶粒，为厌氧菌提供生长载体；污水在此进行厌氧反应，水解酸化，大分子的难溶的有机质变成小分子的溶解态的有机质，同时厌氧产电菌产生电荷被电荷收集电极3-1（钛网复合活性碳毡）收集，通过与之相连的铜导线3-3-1传递到外电路3-3，利用可变电阻3-3-2根据进水氨氮浓度的变化调整电流值，进而控制到达电荷再分配电极4-1的电荷密度，实现高效脱氮；厌氧反应后的污水继续上升进入兼氧电荷再分配反硝化区4。

三、兼氧电荷再分配反硝化区4为兼氧区，也为湿地植物的根系所在区，布置有电荷再分配电极4-1（活性炭毡）。在兼氧电荷再分配反硝化区4，污水利用植物根系泌氧和大气复氧气，发生兼氧反应，进一步氧化有机质，反硝化细菌，利用硝酸盐氮作为电子受体，利用厌氧电荷收集区3收集的电荷发生反硝化，实现强化脱硝。同时，湿地植物根系和湿地基质构成的微观生态系统完成对污水的有机物、无机物的吸附、吸收、微生物同化异化分解净化，硝化、除磷，深度净化，最后污水到达顶层的充分净化后的水经排水口2-4达标排放。