一种去除地下水中硝酸盐的方法及反应器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地下水处理技术领域，尤其涉及一种去除地下水中硝酸盐的方法及反应器。
【背景技术】
[0002]地下水一直以来都是一种重要的饮用水资源，在我国657个城市中，有400多个城市以地下水为饮用水源，全国近70%人口以地下水作为饮用水水源。然而近年来，由于氮肥的大量施用、生活污水和含氮废水的未达标排放以及固体废弃物的淋滤下渗等原因，导致地下水硝酸盐污染不断加剧。饮用硝酸盐污染的水会严重危害人体健康。硝酸盐在人体肠胃中会被微生物还原为有毒的亚硝酸盐，亚硝酸盐可将血红蛋白中的二价铁转化为三价铁，使血红蛋白不再具有携氧能力，导致人体出现窒息现象，并可能诱发癌症。婴儿胃内酸度低于成年人，更有利于硝酸盐还原菌的生长，使得婴儿易患高铁血红蛋白症，俗称“蓝婴病”。长期饮用高硝酸盐含量的水还会造成智力下降，听觉和视觉的条件反射迟钝等。世界卫生组织(WHO)发布的《饮用水水质准则》(第四版)对饮用水中硝酸盐浓度的指导性标准为50mg/L。美国环保署施行的饮用水标准规定硝酸盐氮浓度不得超过10mg/L，我国自2007年7月开始实行的《生活饮用水卫生标准》也规定饮用水中硝酸盐氮不得超过10mg/L。
[0003]目前对受硝酸盐污染地下水的净化技术主要包括物理处理法、化学处理法和生物处理法三大类。物理处理法如蒸馏法、反渗透法、吸附法，只实现了硝酸盐的分离和浓缩，同时还会产生浓度很高的再生废液，需要二次处理。化学处理法使用活泼金属、氢气或甲酸等还原剂脱除饮用水中的硝酸盐氮，由于会产生金属离子等反应产物或残留有毒有害物质从而导致二次污染，后续处理困难。
[0004]生物反硝化技术是常用的生物处理法，利用微生物的反硝化作用，将水中的硝酸盐最终转化为N。反硝化作用包括自养反硝化作用和异养反硝化作用。其中，异养反硝化对硝酸盐还原效率高，操作简单，应用最为广泛，但异养细菌的污泥生长快，会导致反应器堵塞，出水浊度较高，并且，有机碳的过量添加也可能导致二次污染。而自养反硝化可以减少反应器中生物量的积累，减少堵塞并避免污水中有机碳的残留。与硫自养反硝化相比，氢自养反硝化在反应器中不会残留或产生有毒有害物质，而且氢自养菌生长速率比硫细菌快24倍。因此，氢自养是一种更优越的自养反硝化方式。然而，氢气储存和运输的潜在危险，硝酸盐还原率低和无机碳的缺乏限制了自养反硝化的广泛应用。将自养和异养反硝化相结合，能够减少碳源的投加量，降低污泥产率，异养菌呼吸作用产生的CO2能够被自养菌作为无机碳源利用，并且还能保证较高的反硝化效率，二者相互之间可以进行有益的补充，是一种有前景的协同生物反硝化体系。
[0005]目前，在氢自养反硝化基础上发展起来的电极生物膜技术，能够通过电化学原位产氢，克服外部直接供氢造成的气体流失和安全隐患等问题，并且将氢自养菌固定在阴极周围能够提尚氣气的利用率，从而提尚反硝化效率。在基于氣自养反硝化的电极生物月旲技术中通过投加有机碳源引入异养反硝化，如此可以加快反硝化速率，同时异养菌呼吸作用产生大量的CO2，解决了自养反硝化无机碳源的供给问题。申请号为00129851.8的中国专利文献报道了一种去除饮用水中硝酸盐氮的方法和反应器，使用无烟煤作为生物载体，将固定床异养反硝化装置和电化学自养反硝化装置串联，去除饮用水中的硝酸盐氮，其中异养段和自养段是分离的，但异养段使用的碳氮比较高，达到2.7-2.9 ;申请号为201010194908.2的中国专利文献报道了一种去除水中硝酸盐的反应器和方法，利用软性生物载体使生物膜附着在阴极附近，通过添加外加碳源，构建了自养异养的协同反硝化体系，并将碳氮比降到了 0.5-3，且取得较好去除效果。
[0006]但以上专利中，电化学作用部分与微生物并未分开，过高的电流会影响微生物的活性，氢气的产量因而受限，自养反硝化在反应体系中的作用也随之受到限制，自养反硝化作用不充分，异养产生的0)2仍有浪费，水中硝酸盐的去除效率较低。此外，在以上专利中多使用石墨作为阳极材料，这样虽然能够在提供CO2的同时不产生氧气，但石墨电极极易消耗，需频繁更换维护，增加了运行难度，影响了自养异养协同反硝化体系进一步的发展应用。
【发明内容】
[0007]本发明目的是提供一种去除地下水中硝酸盐的方法及反应器，降低硝酸盐的处理成本，地下水中硝酸盐的去除效率较高。
[0008]本发明解决技术问题采用如下技术方案:一种去除地下水中硝酸盐的方法，将电化学作用与自养异养协同反硝化作用相结合，所述电化学作用产生的氢气为自养反硝化菌提供电子供体。
[0009]可选的，以可降解塑料、锯末、秸杆或纸肩作为异养反硝化的外加碳源。
[0010]可选的，以异养反硝化产生的0)2作为自养反硝化菌的主要无机碳源。
[0011]可选的，所述电化学作用采用不锈钢、铁、铝、铜或镍作为阴极材料。
[0012]可选的，所述电化学作用采用Ti/Ir02、Ti/Ru02STi/Pb0dt为阳极材料。
[0013]可选的，所述电化学作用的电极材料的形状为板状或网状。
[0014]相应的，本发明还提供一种去除地下水中硝酸盐的反应器，包括:
[0015]电化学装置；
[0016]与所述电化学装置上下串联的生物反硝化装置，所述生物反硝化装置在上部，所述电化学装置在下部。
[0017]可选的，所述电化学装置包括:垂直水流方向放置的阴极极板、垂直水流方向放置的阳极极板和电极固定位。
[0018]可选的，所述阳极极板由Ti/Ir02、Ti/Ru02STi/Pb02制备。
[0019]可选的，所述生物反硝化装置包括生物反硝化装置本体、筛板、导气管、固相载体和固相碳源，所述筛板位于所述生物反硝化装置本体的底部，所述导气管位于所述筛板上，所述固相载体和固相碳源填充于所述生物反硝化装置本体内。
[0020]本发明具有如下有益效果:本发明提供一种去除地下水中硝酸盐的方法，将电化学方法与生物反硝化方法相结合，构建了自养异养协同反硝化体系，并通过将电化学部分与生物反硝化部分分离，一方面消除了电化学作用对微生物的影响，另一方面，提高了自养微生物对电解产生氢气的利用率，增强了自养反硝化在协同反硝化中的作用，进一步完善了自养异养协同反硝化体系，降低硝酸盐的处理成本，提高了地下水中硝酸盐的去除效率。
[0021]本发明还提供一种去除地下水中硝酸盐的反应器，包括:电化学装置；与所述电化学装置上下串联的生物反硝化装置，所述生物反硝化装置在上部，所述电化学装置在下部。与现有技术相比，本发明将电化学部分与生物反硝化部分分离，消除了电化学作用对微生物的影响，增强了自养反硝化在协同反硝化中的作用，完善了自养异养协同反硝化体系。其次，本发明中进水首先经过电化学装置，电化学产生的热量对进水有预热作用，能够克服地下水温度低不利于生物反硝化的问题。此外，该反应器使用型稳阳极材料，避免了电极的频繁更换。该去除地下水中硝酸盐的反应器操作方便，自动化程度高，降低了硝酸盐的处理成本。
【附图说明】
[0022]图1为本发明实施例提供的去除地下水中硝酸盐的反应器结构示意图；
[0023]图中标记示意为:1-电化学装置，2-生物反硝化装置，3-阳极极板，4-阴极极板，5-电极固定位，6-稳流直流电源，7-筛板，8-导气管，9-固相载体和固相碳源，I O-石英砂层，11-待处理地下水，12-进水栗，13-进水口，14-出水口，15-排气口，16-反冲洗阀，17-生物反硝化装置本体。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。
[0025]如图1所示，本发明提供一种去除地下水中硝酸盐的反应器，优选为固定床反应器，包括:电化学装置I ;与电化学装置I上下串联的生物反硝化装置2，生物反硝化装置2在上部，电化学装置I在下部。电化学装置I与生物反硝化装置2的高度比优选为1: 4;水流采用上升流式。
[0026]作为优选方案，电化学装置I包括:垂直水流方向放置的阴极极板4、垂直水流方向放置的阳极极板3和电极固定位5。其中，阴极极板4优选由不锈钢、铁、铝、铜或镍制备。阴极极板4优选为网状或板状，其中，为使水流顺利通过，阴极极板4更优选使用网状电极。阳极极板3优选由Ti/Ir02、Ti/Ru02S Ti/PbO 2制备。为了保证阳极的稳定性和耐用性，阳极极板3优选使用网状型稳阳极材料。阴极极板4或阳极极板3优选设置一个或若干个。各电极采用并联式，垂直于水流方向平行布置，极板间距为15-75_，通过良好的绝缘措施保证不会发生短路、漏电现象。阳极和阴极通过导线连接在稳压恒流电源6的正负极。
[0027]作为优选方案，生物反硝化装置2包括生物反硝化装置本体17、筛板7、导气管8、固相载体和固相碳源9，筛板7位于生物反硝化装置本体17的底部，导气管8位于筛板7上，固相载体和固相碳源9填充于生物反硝化装置本体17内。其中，筛板7上筛孔直径优选为0.5mm，筛孔均匀分布在筛板上。导气管8优选均匀设置在筛板7上，直径为2.5mm，长50mm,优选为5个。导气管8使电解产生的气体能够顺利均匀地进入生物反硝化装置2。
[0028]作为优选方案，筛板7上优选铺设2?3cm厚粒径I?2mm的石英砂10，防止生物膜脱落入电化学装置I。固相载体优选使用粒径4.75?6.70mm生物附着性好的材料，例如沸石、玄武岩、活性炭、陶粒、多孔陶瓷、海绵、聚氨酯泡沫等；本发明优选在固相载体中掺填一定量的可降解塑料、锯末、秸杆或纸肩等固相碳源，作为异养反硝化作用的外加碳源。
[0029]硝酸盐污染的待处理地下水11通过进水栗12从进水口 13进入反应器，处理后的水由出水口 14排除，水力停留时间(HRT)为6-24小时。反应器反应过程中产