一种针对地表水或城市景观水的净化处理系统与工艺

1.本发明属于地表水净化处理技术领域，涉及自然河湖、城市人工水体的处理，在某些条件下也可用于小区或校园生活污水的深度脱氮除磷处理，为一种针对地表水或城市景观水的净化处理系统与工艺。


背景技术：

2.近年来，天然河湖以及城市内湖的水质变差和富营养化问题日趋严重。氮磷污染物都是加快水体富营养化趋势的关键因子。常规生物脱氮除磷工艺，在运用于天然河湖或城市水体的脱氮除磷处理时，会受到诸多限制。另外，小区或校园污水处理站的生物处理工艺，由于分散式生活污水的低碳比特点，常规生物法对水中硝态氮(硝酸盐)的去除效果难以满足达标排放的要求。零价铁(fe0)因其具有良好的还原性能和释放fe
2+
的特性，在污水脱氮除磷方面已有广泛应用。其中，fe0脱氮主要通过还原反应来完成，而fe0除磷则主要通过fe
3+
对磷酸根的共沉淀作用以及fe氢氧化物的吸附作用来完成。零价铝(al0)的氧化还原电位比fe0，理论上也可以有效还原水中的硝酸根。然而，由于fe0或al0表面容易生成fe氢氧化物或al氢氧化物薄膜(即“钝化”现象)，会阻止零价金属与硝酸根之间的反应进行。酸化处理可以溶解fe0或al0表面的钝化膜，但这会导致fe
3+
或al
3+
释放到水中，可能会产生金属离子超标的风险。而且，为了保障出水ph达标，后续还需投加碱液来中和溶液ph，增加了工艺操作的难度。因此，酸化零价铁或零价铝在脱氮除磷方面的应用还存在较多的限制。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种针对地表水或城市景观水的净化处理系统与工艺，考虑到al0的强还原性和al(oh)3为两性氢氧化物的特征，通过低维护调节溶液ph的方法来实现对al0及其产物形态功能的有效控制，从而在降低工艺维护难度的同时，提升al0在脱氮除磷方面的使用效能。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.一种针对地表水或城市景观水的净化处理系统，包括还原反应单元与吸附过滤单元；
6.所述还原反应单元包括ph调节区和还原反应区；所述ph调节区连接进水并调节进水的ph至碱性，所述还原反应区装填有零价铝金属填料或含零价铝的颗粒填料，使调节ph后的进水的硝酸根在所述还原反应区被还原为氨气及氮气；
7.所述吸附过滤单元包括麦饭石滤层吸附区和沸石滤层吸附区；出所述还原反应区的处理水自上向下依次进入所述麦饭石滤层吸附区和沸石滤层吸附区；所述麦饭石滤层吸附区装填有麦饭石滤料，所述沸石滤层吸附区装填有沸石滤料；所述处理水中的h2alo3–
与麦饭石表面释放的al
3+
发生反应生成氢氧化铝絮体，并中和处理水的ph，所述氢氧化铝絮体吸附处理水中的磷酸根并被截留在麦饭石滤层吸附区；所述沸石滤层吸附区通过离子交换作用去除水中残留的氨氮，且沸石表面释放的al
3+
与水中残留的h2alo3–
发生反应生成氢氧
化铝絮体，以进一步吸附处理水中的磷酸根。
8.优选地，所述ph调节区包括进水池和ph调节药剂装置，进水池顶部布置有格网，进水经格网过滤后进入进水池，进水池的出水口在底部侧面，通过竖向隔板进行s形的流动，从还原反应区的底部进入还原反应区。
9.优选地，所述还原反应区的出水接蓄水缓冲区，所述蓄水缓冲区顶部设置出水堰，所述蓄水缓冲区的出水经所述出水堰接布水器，所述布水器设置于所述麦饭石滤层吸附区的正上方。
10.优选地，所述沸石滤层吸附区下方设置砾石承托层，所述砾石承托层底部连接底部集水管和反冲洗系统，所述底部集水管用于将最终的处理水排出，所述反冲洗系统用于对吸附过滤单元的各层进行冲洗。
11.本发明还提供了一种针对地表水或城市景观水的净化处理工艺，包括如下步骤：
12.步骤1，调节进水的ph至碱性；
13.步骤2，将ph调节后的进水送入装填有零价铝金属填料或含零价铝的颗粒填料的还原反应区，水中的硝酸根被al0还原为氨气及氮气，其中氮气和一部分氨气释放到空中，另一部分氨气溶解并以氨氮的形式残留于水中；
14.步骤3，还原反应后的水自上而下流入麦饭石滤层吸附区和沸石滤层吸附区，水中的h2alo3–
与麦饭石表面释放的al
3+
发生反应生成氢氧化铝絮体，并中和处理水的ph，所述氢氧化铝絮体吸附处理水中的磷酸根并被截留在麦饭石滤层吸附区；所述沸石滤层吸附区通过离子交换作用去除水中残留的氨氮，且沸石表面释放的al
3+
与水中残留的h2alo3–
发生反应生成氢氧化铝絮体，以进一步吸附处理水中的磷酸根；
15.步骤4，将经过沸石滤层吸附区处理之后的水外排。
16.优选地，所述步骤1中，调节进水的ph至9～10，在不外加任何药剂调节ph的情况下，所述步骤2中，出还原反应区时ph为8.5～9，出沸石滤层吸附区时ph为6～8。
17.优选地，所述步骤3中，随工艺运行，麦饭石滤层吸附区的麦饭石滤料和沸石滤层吸附区的沸石滤料表面逐渐负载一层含铝氧化物或铝氢氧化物的活性滤膜，该活性滤膜通过表面络合作用吸附去除水中残留的磷酸根。
18.优选地，在工艺运行中，利用反冲洗系统对麦饭石滤层吸附区和沸石滤层吸附区进行反冲洗。
19.与现有技术相比，本发明在前端填装零价金属填料的还原反应区可以将水中硝态氮转化为氮气(逸出水面)和氨氮，然后在后端填装麦饭石和沸石的吸附过滤区通过吸附以及微絮凝
‑
过滤作用来去除水中的氨氮和磷酸根，以实现对水体的深度脱氮除磷处理。本发明基于al0和矿物复合填料的“还原
‑
吸附过滤”工艺，可以为水体中硝酸根和磷酸根的深度去除提供一种高效的新方法。在针对具体水体的处理中可以灵活配置，如可以在景观湖或河道边上以旁路循环的方式来实现对水体的原位处理。
附图说明
20.图1是本发明系统结构示意图(主视图)。
21.图2是本发明系统结构示意图(俯视图)。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
23.如图1和图2所示，本发明为一种针对地表水或城市景观水的净化处理系统，主要包括还原反应单元与吸附过滤单元。
24.其中，还原反应单元包括ph调节区7和还原反应区3。ph调节区7直接连接进水并调节进水的ph至碱性，还原反应区3装填有零价铝金属填料或含零价铝的颗粒填料，主要作用是使调节ph后的进水的硝酸根在还原反应区被还原为氨气及氮气。其填料的粒径及组合方式可以根据具体条件做多样的组合。当采用复合填料时，其填充可以采用组合方式，两种或几种填料的比例及其粒径选择根据具体情况可以灵活配置。还原反应区3可以通过合理控制酸碱度的方法来诱导零价铝金属失去电子，并有效抑制金属表面发生钝化，从而促进硝酸根还原反应的发生。示例地，在ph调节区7中，可调节进水的ph至9～10，而在不外加任何药剂调节ph的情况下，出还原反应区3时ph稳定在8.5～9。
25.吸附过滤单元包括麦饭石滤层吸附区4和沸石滤层吸附区5，麦饭石滤层吸附区4位于沸石滤层吸附区5的正上方，出还原反应区3的处理水自上向下依次进入麦饭石滤层吸附区4和沸石滤层吸附区5。麦饭石滤层吸附区4装填有麦饭石滤料，沸石滤层吸附区5装填有沸石滤料。滤料的各层级配高度及其粒径选择可根据实际条件进行灵活调整。优选地，在不外加任何药剂调节ph的情况下，经过麦饭石滤料和沸石滤料的ph中和作用后，出沸石滤层吸附区5时ph可调节至6～8。
26.在本发明的实施例中，ph调节区7包括进水池和ph调节药剂装置2，进水池顶部布置有格网1，进水经格网1过滤后进入进水池，格网1截留住水中尺寸较大的固体残渣或杂质。进水池的出水口在底部侧面，通过竖向隔板进行s形的流动，从还原反应区3的底部进入还原反应区3。ph调节药剂装置2中的碱性药液通过隔膜泵和药管加入到进水池的进水口处，利用跌水作用加强碱液与进水池中泵入进水的混合，而进水池中设立的竖向隔板形成的回廊结构可以进一步强化碱液投加后的混合搅拌效果。
27.示例地，ph调节药剂装置2中投加的药剂可以为naoh和na2co3混合溶液，naoh和na2co3混合溶液的浓度和物质比例根据具体需要确定。
28.在本发明的实施例中，还原反应区3后方可设置蓄水缓冲区，还原反应区3的出水接蓄水缓冲区，蓄水缓冲区顶部设置出水堰，蓄水缓冲区可内置提升泵。蓄水缓冲区的出水经出水堰接布水器8，布水器8设置于麦饭石滤层吸附区4的正上方，包括若干均匀布设的布水管，管下均匀开孔，向麦饭石滤层吸附区4送水。
29.在本发明的实施例中，沸石滤层吸附区5下方设置砾石承托层6，从下至上级配高度可以根据具体条件做灵活的调整。砾石承托层6底部连接底部集水管和反冲洗系统，底部集水管用于将最终的处理水排出，反冲洗系统(气、水或气水结合)则用于对吸附过滤单元的各层进行冲洗，反冲洗周期结合处理效果、水头损失等确定。
30.根据上述系统，本发明的工艺流程以及原理如下：
31.步骤1，调节进水的ph至碱性。可以利用加药泵和流量计加入naoh和na2co3混合溶液以调节进水ph值(可在池壁安装ph计)，从而保障后续处理的顺利进行。在此处可以取样检测水中的硝酸根、氨氮和磷酸根。
32.步骤2，将ph调节后的进水送入装填有零价铝金属填料或含零价铝的颗粒填料的
还原反应区3，水中的硝酸根被al0还原为氨气及氮气，具体地，水中的硝酸根从铝屑或含零价铝(al0)的填料表面获取金属单质释放的电子后被还原为氨气及少部分氮气。
33.具体地，由于溶液为碱性，填料表面的al0可与no3‑
反应生成氮气(n2)或氨气(nh3)释放到空气中，部分溶解的nh3以氨氮的形式残留在水中(反应1
‑
3)。同时，反应中释放出的al
3+
生成al(oh)3后又会与oh
‑
发生反应而溶解(生成偏铝酸根(alo2‑
))(反应4)。因此，只需将还原过程中的溶液ph控制在碱性范围，al0表面的钝化现象就可以被有效抑制，其还原硝酸根的反应可以顺利进行。
34.3no3‑
+2al+3h2o
→
3no2‑
+2al(oh)3(1)
35.no2‑
+2al+5h2o
→
nh3+2al(oh)3+oh
‑
(2)
36.2no2‑
+2al+4h2o
→
n2↑
+2al(oh)3+2oh
‑
(3)
37.al(oh)3+oh
‑
→
alo2‑
+2h2o(4)
38.在本步骤中，可以取样测定溶液的ph值、硝酸根、氨氮以及al离子浓度，并由此调整前端预处理的加碱量。
39.步骤3，还原反应后的水自上而下流入麦饭石滤层吸附区4和沸石滤层吸附区5。具体地，可利用前述的提升泵以及布水器8，使得水流从上至下均匀地流入到麦饭石滤料表面。从还原反应区3流出的溶液携带一定浓度的偏铝酸根(alo2‑
)，在不外加药剂调节溶液ph的条件下，依靠麦饭石和沸石释放的al
3+
与alo2‑
发生反应可以达到中和溶液ph的效果，且反应生成的al(oh)3絮体可通过微絮凝
‑
过滤作用去除水中的磷酸根。
40.具体地，水流在跌水作用下实现充氧曝气，部分溶于水中的氨气在充气作用下逸出水面。而在水流通过麦饭石滤料的过程中，水中的h2alo3–
与麦饭石表面释放的al
3+
发生反应生成氢氧化铝絮体(反应5)，并中和使得ph逐渐由9降至中性，氢氧化铝絮体可吸附磷酸根而后被截留在麦饭石滤层吸附区4，从而产生除磷效果，即利用微絮凝
‑
过滤作用去除。
41.al
3+
+3alo2‑
+6h2o
→
4al(oh)3(5)
42.此后，当水流通过沸石滤层吸附区5时，沸石滤料可通过离子交换作用去除水中残留的氨氮(nh
4+
)，且沸石表面释放的al
3+
可继续与水中残留的h2alo3‑
发生反应并生成氢氧化铝絮体，以进一步吸附处理水中的磷酸根。
43.当运行一段时间后，水中的交换态铝还会以水合铝离子或羟基水合铝离子形式依靠静电力的作用吸附于滤料表面。随着这部分被吸附的铝离子可与水中的oh
‑
反应生成铝(氢)氧化物，滤料表面会逐渐负载上一层含铝氧化物或铝氢氧化物(alo(oh))的活性滤膜，该活性滤膜通过表面络合作用吸附去除水中残留的磷酸根。
44.在本步骤中，可以取样检测水中的溶解氧(do)浓度和ph，并据此调整布水器8与液面之间的高度。并定期测定出水的氮、磷污染物指标以及ph(沿程选取测试取样点)、水头损失等。
45.步骤4，将经过沸石滤层吸附区5处理之后的水外排。
46.经过前述4个步骤，运行一段时间后，当水流通过“麦饭石
‑
沸石”滤层时，麦饭石滤料和沸石滤料表面形成的含al(氢)氧化物的滤膜可以吸附水中残留的磷酸根，之后水流留过下面的砾石承托层6并从底部集水管排出。
47.并且，当运行一段时间后，可开启反冲洗系统对滤层进行冲洗，将吸附过滤单元截留的絮体和颗粒物冲出。
48.以下是本发明的一个具体应用案例，其包括小试实验和中试实验两部分。
49.1.小试实验
50.西安市某河道的部分河段水质为劣v类水，总氮约为4mg/l，硝氮约为3.2mg/l，总磷约为2.6mg/l，取水以动态处理方式实现反应器连续进出水，进水流量1l3/h，总水力停留时间约为10h，进水ph通过加入naoh调至9.0左右，之后不再调节ph值，出水水质可达iv类水标准，总氮去除率约为60％，总磷去除率约为84％，残留的硝氮、氨氮和总磷分别约为0.88mg/l、0.66mg/l和0.42mg/l。从实验室小试实验结果可知在一体化还原
‑
吸附过滤反应器在处理地表水时，对水中残留的no
‑3‑
n、tn和tp的去除效果都较好，从而说明本发明具有中试放大的研究价值。
51.2.中试实验
52.江西省南昌市某小湖泊的水质为劣v类水，总氮约为3.3mg/l，硝氮约为2.9mg/l，总磷约为2.3mg/l，在湖泊旁安装设置一体化中试反应器，抽取湖水以动态处理方式实现反应器连续进出水，进水流量10m3/d，总水力停留时间约为12h，进水ph通过加naoh调至9.0左右，出水水质可达iv类水标准，总氮去除率约为61％，总磷去除率约为79％，残留的硝氮、氨氮和总磷分别约为0.77mg/l、0.52mg/l和0.48mg/l。从现场中试实验结果可知在一体化还原
‑
吸附过滤反应器在处理地表水时，对no
‑3‑
n、tn和tp的去除率均有较大提高，从而说明本发明具有较强的应用价值。