本实用新型属于污水处理设备技术利于，具体涉及一种电极强化脱氮人工快渗装置。
背景技术：
未经有效处理的工业废水、农业废水及生活污水中可能含有大量的氮素污染物，若其任意排入缓流水体，将引起藻类及其他浮游生物过度繁殖，诱发水体富营养化，造成水环境大面积污染，对生态环境、社会经济和人体健康造成严重的威胁。随着日益尖锐的水资源短缺以及水体富营养化问题，水污染的防治越来越受到重视，同时氮的排放标准也越来越严格，因而寻求经济、高效、环保的脱氮方法已经成为近年来水处理领域研究的热点。
人工快渗系统是在传统快渗系统基础上发展起来的，集建设和运行成本低、运行稳定、建设周期短、出水效果好等优点为一体的新型污水处理技术。该系统在淹水期利用渗滤介质吸附、截留污染物质，在落干期通过介质上附着生长的微生物降解污染物质以达到净化污水的效果。该技术对处理小城镇生活污水、污水处理设施不完善的农村生活污水以及受污染地表水时的效果显著，化学需氧量、氨氮、悬浮物等的去除率可达80％以上，但对总氮的去除效果却很差，去除率仅有30％左右，难以达到排放标准。究其原因，这是因为人工快渗系统采用重力推流式进水，在硝化阶段大部分氨氮通过硝化细菌的作用转化成硝酸盐氮或亚硝酸盐氮，同时有机物在异养菌的作用下逐级降解，到达反硝化阶段时，反硝化细菌得不到足够的有机物质供给生长代谢，仅有少部分的硝酸盐氮或亚硝酸盐氮能成功转化为氮气逸出，大部分还是随出水排出，导致其总氮去除率低，阻碍了该技术在污水脱氮领域的应用和发展。
因此，若能开发一种高效脱氮的人工快渗系统，用于受污染水体的净化，对推广人工快渗污水生态处理技术、预防水体富营养化以及实现水资源的可持续利用均具有重要的现实意义。
技术实现要素：
本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种结构简单、总氮去除效率高的电极强化脱氮的人工快渗装置。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种电极强化脱氮的人工快渗装置，包括通过管道连接的进水箱、喷洒器，以及设置于喷洒器下方的反应池，所述反应池内由上往下依次设置有进水区、缓冲层、反应区一、分隔层、反应区二、承托层，反应池底部设有出水口，所述反应区一内的填料上附着有硝化细菌，反应区二的反应池内壁上设有高纯铁片，且在反应区二内附着有反硝化细菌的填料中还设有高纯石墨碳棒，高纯铁片和高纯石墨碳棒通过导线与电源相连接。
优选地，所述进水箱和喷洒器之间还设有蠕动泵，进水箱、蠕动泵、喷洒器依次通过管道连接。
优选地，所述进水箱和蠕动泵之间的管道上设有微电脑定时器，所述蠕动泵与喷洒器之间的管道上设有流量计。
优选地，所述反应区一采用体积比为9：1的天然河砂、沸石砂均匀混合后作为填料，所述天然河砂由细砂和粗砂按照体积比4：1均匀混合而成，粒径分别为0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒径为2～3mm。
优选地，所述反应区二采用体积比为8：1：1的天然河砂、沸石砂和羊粪生物炭均匀混合后作为填料，天然河砂由细砂和粗砂按照体积比4：1均匀混合而成，粒径分别为0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒径为2～3mm，羊粪生物炭的粒径为0.05～0.15mm。
优选地，所述缓冲层、分隔层和承托层均采用砾石作为填料，砾石粒径为5～8mm。
优选地，所述反应区一的高度为反应区二高度的1.6～2.5倍。
优选地，所述进水区的高度为14～20cm，不填充任何填料。
优选地，所述缓冲层、分隔层和承托层的高度均为2～5cm。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的电极强化脱氮的人工快渗装置，反应区一无需设置爆气设备，通过自然复氧满足硝化菌在硝化过程对氧气的需求，节约了人工曝气供氧所需的能耗，而反应区二采用高纯铁片和高纯石墨碳棒在微电流下产H2和CO2，分别为自养反硝化阶段提供了电子供体和无机碳源，同时保证了良好的缺/厌氧环境，从而能在无需外加碳源的前提下强化脱氮效果。总体而言，该人工快渗装置具有结构简单、操作方便、稳定性高的优点，是一种高效、经济的污水处理系统，适于规模化生产，在污水处理领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型电极强化脱氮的人工快渗装置结构示意图。
附图标记说明：1、进水箱；2、微电脑定时器；3、蠕动泵；4、流量计；5、喷洒器；6、进水区；7、缓冲层；8、反应区一；9、分隔层；10、反应区二；11、承托层；12、出水口；13、高纯石墨碳棒；14、高纯铁片；15、电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的说明：
如图1所示，本实用新型的电机强化脱氮的人工快渗装置，包括进水箱1、喷洒器5和反应池。进水箱1和喷洒器5通过管道连接，反应池设置于喷洒器5下方。喷洒器5用于均匀布水。反应池内由上往下依次设置有进水区6、缓冲层7、反应区一8、分隔层9、反应区二10、承托层11，反应池底部设有出水口12。反应区一8内的填料上附着有硝化细菌，反应区二10内的填料上附着有反硝化细菌。位于反应区二10处的反应池内壁上设有高纯铁片14，且反应区二10的填料之中还插设有高纯石墨碳棒13，高纯铁片14和高纯石墨碳棒13通过导线与电源15相连接。
在本实施例中，进水箱1和喷洒器5之间还设有蠕动泵3，蠕动泵3用于进水。进水箱1、蠕动泵3、喷洒器5依次通过管道连接。进水箱1和蠕动泵3之间的管道上设有微电脑定时器2，蠕动泵3与喷洒器5之间的管道上设有流量计4。微电脑定时器2用于控制进水时间，流量计4用于控制进水流量。需要说明的是，定时器2、蠕动泵3和流量计4只是本实施例中的优选方式。本实用新型中也可以不设置蠕动泵3，直接利用重力作用使原水进入喷洒器5中。而定时器2和流量计4的目的是为了更好的控制原水处理量，从而进一步提高污水处理效果和效率。也可以采用其它方式对进水量进行控制。电源15采用可调直流供电电源。高纯铁片14和高纯石墨碳棒13均可以通过市场购买获得。
进一步的，在本实施例中，反应区一8的高度为反应区二10高度的1.6～2.5倍。进水区6的高度为14～20cm，不填充任何填料。反应区一8采用体积比为9：1的天然河砂、沸石砂混合均匀后作为填料，天然河砂由细砂和粗砂按照体积比4：1均匀混合而成，粒径分别为0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒径为2～3mm。反应区二10采用体积比为8：1：1的天然河砂、沸石砂和羊粪生物炭混合均匀后作为填料，天然河砂由细砂和粗砂按照体积比4：1均匀混合而成，粒径分别为0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒径为2～3mm，羊粪生物炭的粒径为0.05～0.15mm。缓冲层7、分隔层9和承托层11的高度均为2～5cm，均采用砾石作为填料，砾石粒径为5～8mm。
其中，羊粪生物炭的制备方法如下：晾干并挑出羊粪中的杂质，粉碎后烘干，过0.25mm筛，取适量于坩埚中，盖好后放进马弗炉中，加热到650℃后恒温3h。冷却至室温后以固液比(m：V)1：20的比例加入1.0mol/L的盐酸溶液中，放入震荡箱在室温下震荡2～3次，每次0.5～1.0h，震荡频率为150～300r/min。结束后用去离子水反复清洗至中性，烘干，过0.15mm筛，做好标记，储存于干燥箱中备用。
显然，羊粪生物炭的制备方法并不限于上述步骤及相应的参数，可以采用本领域中其它常规羊粪生物炭制备方法。进一步的，除采用羊粪生物炭，还可以采用其它动物粪制作生物碳来替换羊粪生物炭或组成混合物。羊粪生物炭作为一种优质吸附剂，可有效吸附污水中的硝酸盐氮或亚硝酸盐氮等污染物，提高反应区二10的反硝化效率，同时为畜禽粪便的新型资源化利用提供了新途径，有助于解决畜禽粪便过剩带来的环境污染问题。不仅如此，羊粪生物炭在反应过程中羊粪还起着一定的导电功效，从而提高人工快渗系统脱氮的效率。
值得说明的是，反应池内各区段的具体高度和比例并没有特殊限制，可以根据实际要求进行相应的设定。此外，各区段的填料设置，包括填料种类、组成、比例以及具体的尺寸等，也并不限于本实施例中所述，可采用本领域中其它常规的填料种类及相应的参数进行填装。
本实用新型对氮的去除机理是：废水中的含氮污染物质在反应区一8内被填料截留或吸附，在湿/干交替运行的有氧反应过程中，附着在填料上的硝化细菌利用废水中的无机碳源将大部分氨氮转化成硝酸盐或亚硝酸盐，进入反应区二10后，异养微生物利用剩余的有机碳源进行反硝化脱氮，同时浸没在污水中的高纯铁片14在微电流作用下产生的H2，能为反硝化过程中的氢自养反硝化菌提供电子供体，提高反硝化过程的效率。此外，体系中的高纯石墨碳棒13在微电流作用下产生的CO2，能为自养反硝化细菌提供无机碳源，并有利于营造缺/厌环境，从而进一步提高了该装置对硝酸盐或亚硝酸盐的去除率。
氢自养反硝化阶段的化学反应式如下：
阴极：
2H++2e→H2 (e0＝0.828V)
2H2O+2e-→H2+2OH- (e0＝0V)
阳极：
C+2H2O→CO2+4H++4e- (e0＝0.207V)
2OH-→0.5O2+H2O+2e (e0＝1.229V)
总反应：
2NO3-+5H2+2H+→N2+6H2O
以下通过具体的实验例对本实用新型做进一步的说明，以进一步展示本实用新型的优点和原理：
实验例
进水取自某学生公寓区的生活污水，通过自来水稀释或投加C6H12O6、NH4Cl、NaHCO3、HCl等，使其主要水质指标达到如表1所示的范围。
表1：进水主要水质指标
运行方式如下：在室温(25±2)℃条件下，污水通过蠕动泵3输送至喷洒器5，从进水区6流入，经过缓冲层7后渗入反应区一8的填料中，再经过分隔层9后渗入反应区二10的填料中，最后经过承托层11后从出水口12排出。运行过程中采用微电脑定时器2和流量计4来控制布水时间和流量，水力负荷为1.0m3/(m2·d)，水力负荷周期为6～8小时，湿干比为1：2～1：3，电流强度为4～10mA。连续运行2个月，每2d检测一次出水水质。结果表明，出水COD、NH3-N、TN的浓度分别为10.5～36.2mg/L、0.2～3.7mg/L、4.2～14.5mg/L，其中TN的去除率为64.3～87.3％，相比传统人工快渗系统提高了30～50％。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。