本发明涉及一种利用多级升流式反应器实现水体（诸如湖泊，河流，水库、池塘等）氮素和有机质同步去除的装置和方法。该装置和方法能够有效实现水体中氮素及有机质的同步去除，减小地表水体黑臭和富营养化风险。
背景技术：
水体氮素包括无机氮和有机氮，无机氮主要为氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐。目前能够实现氨氮直接转化为氮气去除的过程为厌氧氨氧化，但是厌氧氨氧化需要亚硝酸盐作为氧化剂，亚硝酸盐易被氧化，天然水体亚硝酸盐含量较低，而且通过调控工艺运行参数控制氨氧化停留在产生亚硝酸盐的亚硝化阶段非常困难，因此通过厌氧氨氧化工艺实现天然水体氮素的去除难以实现。天然水体中无机氮通常以氨氮和硝酸盐形式存在，因此通过首先将氨氧化为硝酸盐，再经反硝化过程将硝酸盐还原为氮气实现氨氮和硝酸盐去除较厌氧氨氧化过程容易实现。
氨的生物氧化过程除了可以被好氧氨氧化菌氧化外，还可以被一些以金属氧化物为电子受体的微生物氧化，如铁氧化物和锰氧化物。铁氧化氨是近些年新发现的能够在厌氧条件下氧化氨的微生物过程，其氧化剂是三价铁，氨被氧化为硝酸盐，三价铁被还原为二价铁。因此可以将铁氧化氨过程与反硝化过程耦合，实现水体氨氮和硝酸盐去除。反硝化过程需要以有机质作为电子供体，而天然水体中有机质主要以难降解有机物形式存在，难以被反硝化微生物利用。
植物枯枝落叶作为城市一般固体废弃物，常见处置方式主要为填埋和焚烧，填埋会产生高有机浓度的渗滤液，焚烧会对大气环境产生影响。植物的枯枝落叶在分解过程中会产生有机质，产生的有机质可以为异养微生物生长提供碳源和能源，因此可以作为反硝化工艺的碳源。将市政园林产生的枯枝落叶用于反硝化工艺，既可以降低枯枝落叶的处理成本，也可以减少处理过程对环境的影响，从而实现固体废弃物的资源化利用。
现有的天然水体处理技术多数通过曝气方式或结合生态浮床、纳米材料、湿地实现水体氮素和有机质去除，曝气虽然能够将水体中的有机质氧化去除，但是却将氨氮氧化为硝酸盐，并未实现氨氮的去除；生态浮床虽然能够在美化景观的基础上实现氮素的去除，但是植物体脱落会导致水体有机质含量增高，而且氮素去除速率较低；新兴纳米材料技术（如纳米零价铁）虽然能够实现氮素和有机质的同步去除，但是纳米材料的生产成本较高；构建湿地生态系统虽然能够实现氮素和有机质的去除，但是湿地一般占地面积较大，占用土地资源。天然水体中有机质的去除主要通过曝气和载体吸附的方式，曝气是为好氧异养微生物提供氧气实现有机质的氧化，工艺耗能较高；载体吸附效果受载体的性能决定，而且吸附后有机质还需要进行深度处理。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能耗低、投资和运行费用少，应用前景广阔的基于铁氧化氨过程、植物枯枝落叶处理、反硝化生物膜和活性炭吸附实现水体氮素和有机质去除的装置和方法，提高地表水水质，降低地表水体中藻类水华和河道黑臭发生的几率。
本发明通过结合铁矿物除氧、铁氧化氨、植物枯枝落叶降解、反硝化生物膜和活性炭吸附四个过程，达到去除水体氮素和有机质去除的目标。具体技术方案如下：
一种多级升流式地表水体氮素和有机质同步去除的装置，包括多级反应装置、进样口和出水口，其特征在于：所述多级反应装置分为五段，从下至上依次为海绵铁段、能附着生物膜的轻质填料段、植物残体段、能附着生物膜的轻质挂膜材料段、活性炭段；所述海绵铁段设有进样口，所述活性炭段设有出水口；所述多级反应装置的顶端和底端密封，多级反应装置的各段接触面间密封连接。
作为本发明的进一步改进，所述出水口通过第一软管连接受纳水体；第一软管末端置于在受纳水体液面以下，隔绝空气；所述进样口呈漏斗型，设于海绵铁段底部，所述漏斗型进样口通过第二软管连接待处理水体；所述第二软管上设有水泵。进样口为漏斗状，利于水样均匀分布。
作为本发明的进一步改进，所述多级反应装置各段为内外径相同的有机玻璃空心圆管，各段间通过螺丝固定连接；多级反应装置各段连接处设置橡胶垫圈。多级反应装置各段间用螺丝固定连接确保牢固固定，同时设置橡胶垫圈进一步密封，例如可采用在相邻两端连接处外部附设内径与反应器外径相同的空心有机玻璃片，上下两片有机玻璃片在相同位置钻相同内径的圆孔，两片玻璃片放置相同大小的橡胶垫片，圆孔安装螺丝钉将上下两段反应器密封连接为一个整体。此外，各段间设置活动连接可便于拆卸，方便更换海绵铁、植物残体以及顶部活性炭。
进一步的，所述多级反应装置海绵铁段、轻质填料段、植物残体段和活性炭段下端设有格网，防止在更换海绵铁、植物残体和轻质填料脱落，同时用于分隔轻质填料、植物残体及活性炭。
进一步的，所述多级反应装置顶端采用可拆卸的顶部密封盖密封，方便更换活性炭及封闭反应器。
进一步的，所述多级反应装置底部设有底托。防止反应器倾斜。
进一步的，所述多级反应装置每段反应器的高度相同。
作为本发明的进一步改进，所述海绵铁段中海绵铁的体积填充比例为80%~90%，海绵铁的平均直径为3mm-10mm，海绵铁段下端设有格网，隔网孔径为1mm。
进一步的，所述轻质填料段中轻质填料的体积填充比例为70%~85%，轻质填料选用mbbr填料，填料直径为1~2.5cm，，轻质填料段下端设有隔网，隔网孔径为3mm。
进一步的，所述植物残体段中植物残体的体积填充比例为80%~90%，植物残体为城市园林绿化的枯枝落叶，枯枝落叶经风干粉碎后装入反应器内，植物残体段下端设有格网，隔网孔径为1mm。
进一步的，所述轻质挂膜材料段中轻质挂膜材料选择垂直悬挂的材料，垂直悬挂的体积悬挂比例为65%~80%，所述轻质挂膜材料段上端和下端设有带孔有机玻璃板，方便挂膜材料悬挂和水体上流，轻质挂膜材料悬挂在反应器内；带孔有机玻璃板上均匀分布圆孔，所述圆孔的孔径为3mm；优选的，所述轻质挂膜材料为拉丝pp材料。
进一步的，所述活性炭段中活性炭的体积填充比例为70%~80%，活性炭平均直径为2cm-5cm；活性炭段下端设有格网，隔网孔径为1cm。
本发明的装置中，所述轻质填料可为塑料空心小球或者半软性填料；第一软管和第二软管可以是硅胶管、橡胶管或者其他类似软管。
本发明的另一目的在于提供利用上述装置同步去除地表水氮素和有机质的方法，包括：
（1）氮素去除：动力装置水泵将含氮素和有机质的水体通过进水口泵入多级反应装置底部，多级反应装置海绵铁段中的海绵铁消耗水体中氧气使水体呈厌氧状态，并向水体释放三价铁；含有氮素、有机质及三价铁的水体从下至上依次经过多级反应装置各反应段，水体经轻质填料段，氨氮在三价铁及轻质填料表层附着微生物的作用下被氧化为硝酸盐；然后水体进入植物残体段，植物残体在植物残体表面附着的微生物及水体中微生物的作用下释放有机质，有机质在反硝化微生物的作用下将部分硝酸盐还原为氮气，自身被氧化去除，含剩余有机质和硝酸盐的水体进入轻质挂膜材料段，剩余硝酸盐和有机质在轻质挂膜材料表层附着的反硝化微生物的作用下被转化去除，同时部分有机质被轻质挂膜材料表层附着的异样铁还原微生物还原去除；最后水体进入活性炭段，水体中剩余有机质、氮素及铁被活性炭吸附去除；
（2）难降解有机物去除：含有难降解有机物的待处理水体进入多级反应装置，经多级反应装置的海绵铁段、植物残体段和活性炭段的吸附作用去除水体中的难降解有机物；轻质填料和轻质挂膜材料在驯化后会附着降解难降解有机物的微生物，水体中难降解有机物在微生物的作用下被降解去除。
本发明采用多级升流式反应器处理含氮素和有机质的地表水体（诸如湖泊，河流，水库、池塘等），在适当的温度条件下，升流式反应器经过一个月左右时间的自然培养驯化后，反应器中的轻质填料和轻质挂膜材料表面会附着生长一定量的活性微生物，并能够分别通过铁氧化氨作用和反硝化作用将待处理水体中的氨氮氧化、硝酸盐去除和有机质氧化去除，同时升流式反应器中的活性炭还可以吸附水体中的难降解有机物，实现水体中难降解有机物的去除。
本发明的方法具有如下优点：
1.本发明以海绵铁除氧、铁氧化氨、植物残体降解、反硝化过程以及活性炭吸附结合的技术方式，实现地表水体氮素和有机质的去除。此方法能够实现氮素和有机质的同步去除，功能丰富，无污染、通用性好，且环境相容性好；
2.本发明的多级升流式反应器除了能够实现氮素和有机的同步去除，还能够实现水体难降解有机物的去除，同时还可以处理城市市政园林产生的枯枝落叶固体废弃物，实现了废物的资源化利用；
3.本发明的装置运行操作简单，安装简便，更换填料方便，适用于天然水体的水质净化，实用性和连续性强。
附图说明
图1是本发明所述的装置的纵剖面构造图；
其中，箭头表示水流方向。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1
本实施例说明本发明的装置的具体实施方式。
如图1所示的多级升流式地表水体氮素和有机质同步去除的装置，包括多级反应装置、进样口111和出水口，所述多级反应装置分为五段，从下至上依次为海绵铁段1、能附着生物膜的轻质填料段2、植物残体段3、能附着生物膜的轻质挂膜材料段4、活性炭段5；所述海绵铁段1设有进样口111，所述活性炭段5设有出水口；所述多级反应装置的顶端和底端密封，多级反应装置的各段接触面间密封连接。
所述出水口通过第一软管51连接受纳水体52；第一软管末端置于受纳水体52液面以下，隔绝空气；所述进样口111呈漏斗型，设于海绵铁段1底部，所述漏斗型进样口111通过第二软管6连接待处理水体62；所述第二软管6上设有水泵61。
所述多级反应装置各段为内外径相同的有机玻璃空心圆管，各段间通过螺丝8固定连接；多级反应装置各段连接处设置橡胶垫圈。本实施例中，在相邻两端连接处外部附设内径与反应器外径相同的空心有机玻璃片，上下两片有机玻璃片在相同位置钻相同内径的圆孔，两片玻璃片放置相同大小的橡胶垫片，圆孔安装螺丝钉8将上下两段反应器密封连接为一个整体。
所述多级反应装置海绵铁段1、轻质填料段2、植物残体段3和活性炭段5下端设有格网112；防止反应器更换材料时轻质填料、植物残体及活性炭掉落。多级反应装置底部设有底托7。所述的轻质挂膜材料段4的上端和下端安设带孔有机玻璃板114，以便于轻质挂膜材料14垂直安装在轻质挂膜材料段4内，有机玻璃板114上均匀分布直径为3mm的圆孔，有利于挂膜材料14安装及水体向上流动。
待处理水体在水泵61的工作下经第二软管6进入漏斗型进样口111内，含氮素和有机质的天然水体经漏斗型进样口111均匀进入海绵铁段1内除去水体内氧气，漏斗型进样口111为有机玻璃材质，第二软管6为硅胶管、橡胶管或者其他类似软管。海绵铁11与水体中的氧气反应，生成三价铁，并消耗水体中的氧气，使水体由好氧变为厌氧。水体进入轻质填料段2，水体中氨氮在轻质填料12上附着的微生物的作用下被三价铁氧化。水体然后进入植物残体段3，植物残体13在其表面附着的微生物及水体中微生物的作用下释放有机质。含有有机质、氨氮氧化产物硝酸盐的水体向上流动进入轻质挂膜材料段4，轻质挂膜材料14上附着的微生物通过反硝化、异养铁还原等过程去除水体中硝酸盐和有机质。含有剩余氮素、有机质及铁的水体最后进入活性炭段5，活性炭15吸附剩余氮素、有机质及铁，处理后的水体通过溢流方式经第一软管51排入受纳水体52中。第一软管51的末端放置在受纳水体52的液面以下，与空气隔绝，防止空气中的氧气进入反应器内。
实施例2
本实施例说明基于实施例1所述装置实现地表水体氮素和有机质同步去除的方法的具体实施方式。
本发明的方法具体包括：
（1）氮素去除：动力装置水泵将含氮素的水体通过进水口泵入多级反应装置底部，多级反应装置海绵铁段中的海绵铁消耗水体中氧气使水体呈厌氧状态，并向水体释放三价铁；含有氮素、有机质及三价铁的水体从下至上依次经过多级反应装置各反应段，水体经轻质填料段，氨氮在三价铁及轻质填料表层附着微生物的作用下被氧化为硝酸盐；然后水体进入植物残体段，植物残体在植物残体表面附着的微生物及水体中微生物的作用下释放有机质，有机质在反硝化微生物的作用下将部分硝酸盐还原为氮气，自身被氧化去除，含剩余有机质和硝酸盐的水体进入轻质挂膜材料段，剩余硝酸盐和有机质在轻质挂膜材料表层附着的反硝化微生物的作用下被转化去除，同时部分有机质被轻质挂膜材料表层附着的异样铁还原微生物还原去除；最后水体进入活性炭段，水体中剩余有机质、氮素及铁被活性炭吸附去除；
（2）难降解有机物去除：含有难降解有机物的待处理水体进入多级反应装置，经多级反应装置的海绵铁段、植物残体段和活性炭段的吸附作用去除水体中的难降解有机物；轻质填料和轻质挂膜材料在驯化后会附着降解难降解有机物的微生物，水体中难降解有机物在微生物的作用下被降解去除。
实施例3
实施例3-实施例5用于说明本发明装置的具体应用效果。本实施例中，对南京市栖霞区某景观水体开展氮素和有机质同步去除。在景观湖泊岸边中构建本发明实施例1所述的多级升流式反应器装置。
本实施例中多级升流式反应器每段的直径均为10cm，每段高度30cm，海绵铁段1中海绵铁11的体积填充比例为80%，海绵铁的粒径为3mm-5mm，海绵铁段下部隔网孔径112为1mm。轻质填料12的体积填充比例为70%，轻质填料选用mbbr填料，填料直径为1cm，轻质填料段下部设置的隔网孔径为3mm。植物残体13的体积填充比例为80%，植物残体为城市园林绿化的落叶，落叶经风干粉碎后装入反应器内，植物残体段下端隔网孔径为1mm。轻质挂膜材料14选择垂直悬挂的材料，垂直悬挂的体积悬挂比例为65%，轻质挂膜材料上端和下端带孔有机玻璃板114上圆孔的孔径为3mm，圆孔均匀分布在有机玻璃板上。活性炭15的体积填充比例为70%，活性炭平均直径为2cm；活性炭段下端隔网孔径为1cm。多级反应装置最底端安设托底7，材质均为有机玻璃；反应器中的水流采用上流形式，原水首先流经反应器海绵铁段1完成水体中氧气消耗，同时向水体中释放三价铁；然后含氨、有机质和三价铁的水体进入轻质填料段2，水体中氨在微生物的作用下被三价铁氧化为硝酸盐，部分有机亦被三价铁氧化；水体再进入植物残体段3，植物残体13在微生物的作用下释放有机质进入水体；含有有机质和硝酸盐的水体进入轻质挂膜材料段4，硝酸盐在挂膜材料14上附着的反硝化微生物的作用下被还原为氮气，同时有机质被微生物降解去除；最后水体进入活性炭段5，水中残留的氮素、有机质和铁被活性炭15吸附，处理后的水经出水口排入受纳水体。水流在整个升流式反应器中的停留时间为6小时，水泵61选用220vbt100-2j恒流泵。
在系统试运行的100天期间，对处理景观水体的多级升流式反应器进出水水质进行了检测分析，发现系统氮素去除效率为94.6%，有机质去除效率为90.4%，实现了地表水体氮素和有机质的同步去除。
实施例4
本实施例中，对南京市玄武区某景观水体开展氮素和有机质同步去除。在景观湖泊岸边中构建本发明实施例1所述的多级升流式反应器装置。
本实施例中多级升流式反应器每段的直径均为15cm，每段高度40cm，海绵铁11的体积填充比例为85%，海绵铁的粒径为5mm-8mm，海绵铁段1下部隔网112孔径为1mm。轻质填料12的体积填充比例为80%，轻质填料选用mbbr填料，填料直径为2cm，轻质填料段下部设置的隔网孔径为3mm。植物残体13的体积填充比例为85%，植物残体13为城市园林绿化的落叶，落叶经风干粉碎后装入反应器内，植物残体段3下端隔网孔径为1mm。轻质挂膜材料14选择垂直悬挂的材料，垂直悬挂的体积悬挂比例为75%，轻质挂膜材料段4上端和下端带孔有机玻璃板114上圆孔的孔径为3mm，圆孔均匀分布在有机玻璃板114上。活性炭15的体积填充比例为75%，活性炭15平均直径为3cm；活性炭段5下端隔网孔径为1cm。多级反应装置最底端安设托底7，材质均为有机玻璃；反应器中的水流采用上流形式，原水首先流经反应器海绵铁段1完成水体中氧气消耗，同时向水体中释放三价铁；然后含氨、有机质和三价铁的水体进入轻质填料段2，水体中氨在微生物的作用下被三价铁氧化为硝酸盐，部分有机亦被三价铁氧化；水体再进入植物残体段3，植物残体13在微生物的作用下释放有机质进入水体；含有有机质和硝酸盐的水体进入轻质挂膜材料段4，硝酸盐在挂膜材料14上附着的反硝化微生物的作用下被还原为氮气，同时有机质被微生物降解去除；最后水体进入活性炭段5，水中残留的氮素、有机质和铁被活性炭15吸附，处理后的水经出水口排入受纳水体。水流在整个升流式反应器中的停留时间为6小时，水泵61选用220vbt100-2j恒流泵。
在系统试运行的130天期间，对处理景观水体的多级升流式反应器进出水水质进行了检测分析，发现系统氮素去除效率为92.6%，有机质去除效率为93.8%，实现了地表水体氮素和有机质的同步去除。
实施例5
本实施例中，对南京市玄武区某城市内河开展氮素和有机质同步去除。在城市内河岸边中构建本发明实施例1所述的多级升流式反应器装置。
本实施例中多级升流式反应器每段的直径均为30cm，每段高度40cm，海绵铁11的体积填充比例为90%，海绵铁的粒径为7mm-10mm，海绵铁段1下部隔网112孔径为1mm。轻质填料12的体积填充比例为85%，轻质填料12选用mbbr填料，填料直径为2.5cm，轻质填料段2下部设置的隔网孔径为3mm。植物残体13的体积填充比例为90%，植物残体13为城市园林绿化的落叶，落叶经风干粉碎后装入反应器内，植物残体段3下端隔网孔径为1mm。轻质挂膜材料14选择垂直悬挂的材料，垂直悬挂的体积悬挂比例为80%，轻质挂膜材料段4上端和下端带孔有机玻璃板114上圆孔的孔径为3mm，圆孔均匀分布在有机玻璃板114上。活性炭15的体积填充比例为80%，活性炭15平均直径为5cm；活性炭段下端隔网孔径为1cm。多级反应装置最底端安设托底7，材质均为有机玻璃；反应器中的水流采用上流形式，原水首先流经反应器海绵铁段1完成水体中氧气消耗，同时向水体中释放三价铁；然后含氨、有机质和三价铁的水体进入轻质填料段2，水体中氨在微生物的作用下被三价铁氧化为硝酸盐，部分有机亦被三价铁氧化；水体再进入植物残体段3，植物残体13在微生物的作用下释放有机质进入水体；含有有机质和硝酸盐的水体进入轻质挂膜材料段4，硝酸盐在挂膜材料14上附着的反硝化微生物的作用下被还原为氮气，同时有机质被微生物降解去除；最后水体进入活性炭段5，水中残留的氮素、有机质和铁被活性炭15吸附，处理后的水经出水口排入受纳水体。水流在整个升流式反应器中的停留时间为5小时，水泵选用220vbt100-2j恒流泵。
在系统试运行的160天期间，对处理城市内河的多级升流式反应器进出水水质进行了检测分析，发现系统氮素去除效率为91.7%，有机质去除效率为94.4%，实现了地表水体氮素和有机质的同步去除。