本實(shí)用新型屬于污水處理設(shè)備技術(shù)利于，具體涉及一種電極強(qiáng)化脫氮人工快滲裝置。

背景技術(shù)：

未經(jīng)有效處理的工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水及生活污水中可能含有大量的氮素污染物，若其任意排入緩流水體，將引起藻類及其他浮游生物過度繁殖，誘發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化，造成水環(huán)境大面積污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人體健康造成嚴(yán)重的威脅。隨著日益尖銳的水資源短缺以及水體富營(yíng)養(yǎng)化問題，水污染的防治越來越受到重視，同時(shí)氮的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格，因而尋求經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的脫氮方法已經(jīng)成為近年來水處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

人工快滲系統(tǒng)是在傳統(tǒng)快滲系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，集建設(shè)和運(yùn)行成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、建設(shè)周期短、出水效果好等優(yōu)點(diǎn)為一體的新型污水處理技術(shù)。該系統(tǒng)在淹水期利用滲濾介質(zhì)吸附、截留污染物質(zhì)，在落干期通過介質(zhì)上附著生長(zhǎng)的微生物降解污染物質(zhì)以達(dá)到凈化污水的效果。該技術(shù)對(duì)處理小城鎮(zhèn)生活污水、污水處理設(shè)施不完善的農(nóng)村生活污水以及受污染地表水時(shí)的效果顯著，化學(xué)需氧量、氨氮、懸浮物等的去除率可達(dá)80％以上，但對(duì)總氮的去除效果卻很差，去除率僅有30％左右，難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。究其原因，這是因?yàn)槿斯た鞚B系統(tǒng)采用重力推流式進(jìn)水，在硝化階段大部分氨氮通過硝化細(xì)菌的作用轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮，同時(shí)有機(jī)物在異養(yǎng)菌的作用下逐級(jí)降解，到達(dá)反硝化階段時(shí)，反硝化細(xì)菌得不到足夠的有機(jī)物質(zhì)供給生長(zhǎng)代謝，僅有少部分的硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮能成功轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖莩觯蟛糠诌€是隨出水排出，導(dǎo)致其總氮去除率低，阻礙了該技術(shù)在污水脫氮領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

因此，若能開發(fā)一種高效脫氮的人工快滲系統(tǒng)，用于受污染水體的凈化，對(duì)推廣人工快滲污水生態(tài)處理技術(shù)、預(yù)防水體富營(yíng)養(yǎng)化以及實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是解決上述問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、總氮去除效率高的電極強(qiáng)化脫氮的人工快滲裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種電極強(qiáng)化脫氮的人工快滲裝置，包括通過管道連接的進(jìn)水箱、噴灑器，以及設(shè)置于噴灑器下方的反應(yīng)池，所述反應(yīng)池內(nèi)由上往下依次設(shè)置有進(jìn)水區(qū)、緩沖層、反應(yīng)區(qū)一、分隔層、反應(yīng)區(qū)二、承托層，反應(yīng)池底部設(shè)有出水口，所述反應(yīng)區(qū)一內(nèi)的填料上附著有硝化細(xì)菌，反應(yīng)區(qū)二的反應(yīng)池內(nèi)壁上設(shè)有高純鐵片，且在反應(yīng)區(qū)二內(nèi)附著有反硝化細(xì)菌的填料中還設(shè)有高純石墨碳棒，高純鐵片和高純石墨碳棒通過導(dǎo)線與電源相連接。

優(yōu)選地，所述進(jìn)水箱和噴灑器之間還設(shè)有蠕動(dòng)泵，進(jìn)水箱、蠕動(dòng)泵、噴灑器依次通過管道連接。

優(yōu)選地，所述進(jìn)水箱和蠕動(dòng)泵之間的管道上設(shè)有微電腦定時(shí)器，所述蠕動(dòng)泵與噴灑器之間的管道上設(shè)有流量計(jì)。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)區(qū)一采用體積比為9：1的天然河砂、沸石砂均勻混合后作為填料，所述天然河砂由細(xì)砂和粗砂按照體積比4：1均勻混合而成，粒徑分別為0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒徑為2～3mm。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)區(qū)二采用體積比為8：1：1的天然河砂、沸石砂和羊糞生物炭均勻混合后作為填料，天然河砂由細(xì)砂和粗砂按照體積比4：1均勻混合而成，粒徑分別為0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒徑為2～3mm，羊糞生物炭的粒徑為0.05～0.15mm。

優(yōu)選地，所述緩沖層、分隔層和承托層均采用礫石作為填料，礫石粒徑為5～8mm。

優(yōu)選地，所述反應(yīng)區(qū)一的高度為反應(yīng)區(qū)二高度的1.6～2.5倍。

優(yōu)選地，所述進(jìn)水區(qū)的高度為14～20cm，不填充任何填料。

優(yōu)選地，所述緩沖層、分隔層和承托層的高度均為2～5cm。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型提供的電極強(qiáng)化脫氮的人工快滲裝置，反應(yīng)區(qū)一無需設(shè)置爆氣設(shè)備，通過自然復(fù)氧滿足硝化菌在硝化過程對(duì)氧氣的需求，節(jié)約了人工曝氣供氧所需的能耗，而反應(yīng)區(qū)二采用高純鐵片和高純石墨碳棒在微電流下產(chǎn)H₂和CO₂，分別為自養(yǎng)反硝化階段提供了電子供體和無機(jī)碳源，同時(shí)保證了良好的缺/厭氧環(huán)境，從而能在無需外加碳源的前提下強(qiáng)化脫氮效果?？傮w而言，該人工快滲裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，是一種高效、經(jīng)濟(jì)的污水處理系統(tǒng)，適于規(guī)模化生產(chǎn)，在污水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型電極強(qiáng)化脫氮的人工快滲裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明：1、進(jìn)水箱；2、微電腦定時(shí)器；3、蠕動(dòng)泵；4、流量計(jì)；5、噴灑器；6、進(jìn)水區(qū)；7、緩沖層；8、反應(yīng)區(qū)一；9、分隔層；10、反應(yīng)區(qū)二；11、承托層；12、出水口；13、高純石墨碳棒；14、高純鐵片；15、電源。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明：

如圖1所示，本實(shí)用新型的電機(jī)強(qiáng)化脫氮的人工快滲裝置，包括進(jìn)水箱1、噴灑器5和反應(yīng)池。進(jìn)水箱1和噴灑器5通過管道連接，反應(yīng)池設(shè)置于噴灑器5下方。噴灑器5用于均勻布水。反應(yīng)池內(nèi)由上往下依次設(shè)置有進(jìn)水區(qū)6、緩沖層7、反應(yīng)區(qū)一8、分隔層9、反應(yīng)區(qū)二10、承托層11，反應(yīng)池底部設(shè)有出水口12。反應(yīng)區(qū)一8內(nèi)的填料上附著有硝化細(xì)菌，反應(yīng)區(qū)二10內(nèi)的填料上附著有反硝化細(xì)菌。位于反應(yīng)區(qū)二10處的反應(yīng)池內(nèi)壁上設(shè)有高純鐵片14，且反應(yīng)區(qū)二10的填料之中還插設(shè)有高純石墨碳棒13，高純鐵片14和高純石墨碳棒13通過導(dǎo)線與電源15相連接。

在本實(shí)施例中，進(jìn)水箱1和噴灑器5之間還設(shè)有蠕動(dòng)泵3，蠕動(dòng)泵3用于進(jìn)水。進(jìn)水箱1、蠕動(dòng)泵3、噴灑器5依次通過管道連接。進(jìn)水箱1和蠕動(dòng)泵3之間的管道上設(shè)有微電腦定時(shí)器2，蠕動(dòng)泵3與噴灑器5之間的管道上設(shè)有流量計(jì)4。微電腦定時(shí)器2用于控制進(jìn)水時(shí)間，流量計(jì)4用于控制進(jìn)水流量。需要說明的是，定時(shí)器2、蠕動(dòng)泵3和流量計(jì)4只是本實(shí)施例中的優(yōu)選方式。本實(shí)用新型中也可以不設(shè)置蠕動(dòng)泵3，直接利用重力作用使原水進(jìn)入噴灑器5中。而定時(shí)器2和流量計(jì)4的目的是為了更好的控制原水處理量，從而進(jìn)一步提高污水處理效果和效率。也可以采用其它方式對(duì)進(jìn)水量進(jìn)行控制。電源15采用可調(diào)直流供電電源。高純鐵片14和高純石墨碳棒13均可以通過市場(chǎng)購(gòu)買獲得。

進(jìn)一步的，在本實(shí)施例中，反應(yīng)區(qū)一8的高度為反應(yīng)區(qū)二10高度的1.6～2.5倍。進(jìn)水區(qū)6的高度為14～20cm，不填充任何填料。反應(yīng)區(qū)一8采用體積比為9：1的天然河砂、沸石砂混合均勻后作為填料，天然河砂由細(xì)砂和粗砂按照體積比4：1均勻混合而成，粒徑分別為0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒徑為2～3mm。反應(yīng)區(qū)二10采用體積比為8：1：1的天然河砂、沸石砂和羊糞生物炭混合均勻后作為填料，天然河砂由細(xì)砂和粗砂按照體積比4：1均勻混合而成，粒徑分別為0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒徑為2～3mm，羊糞生物炭的粒徑為0.05～0.15mm。緩沖層7、分隔層9和承托層11的高度均為2～5cm，均采用礫石作為填料，礫石粒徑為5～8mm。

其中，羊糞生物炭的制備方法如下：晾干并挑出羊糞中的雜質(zhì)，粉碎后烘干，過0.25mm篩，取適量于坩堝中，蓋好后放進(jìn)馬弗爐中，加熱到650℃后恒溫3h。冷卻至室溫后以固液比(m：V)1：20的比例加入1.0mol/L的鹽酸溶液中，放入震蕩箱在室溫下震蕩2～3次，每次0.5～1.0h，震蕩頻率為150～300r/min。結(jié)束后用去離子水反復(fù)清洗至中性，烘干，過0.15mm篩，做好標(biāo)記，儲(chǔ)存于干燥箱中備用。

顯然，羊糞生物炭的制備方法并不限于上述步驟及相應(yīng)的參數(shù)，可以采用本領(lǐng)域中其它常規(guī)羊糞生物炭制備方法。進(jìn)一步的，除采用羊糞生物炭，還可以采用其它動(dòng)物糞制作生物碳來替換羊糞生物炭或組成混合物。羊糞生物炭作為一種優(yōu)質(zhì)吸附劑，可有效吸附污水中的硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮等污染物，提高反應(yīng)區(qū)二10的反硝化效率，同時(shí)為畜禽糞便的新型資源化利用提供了新途徑，有助于解決畜禽糞便過剩帶來的環(huán)境污染問題。不僅如此，羊糞生物炭在反應(yīng)過程中羊糞還起著一定的導(dǎo)電功效，從而提高人工快滲系統(tǒng)脫氮的效率。

值得說明的是，反應(yīng)池內(nèi)各區(qū)段的具體高度和比例并沒有特殊限制，可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定。此外，各區(qū)段的填料設(shè)置，包括填料種類、組成、比例以及具體的尺寸等，也并不限于本實(shí)施例中所述，可采用本領(lǐng)域中其它常規(guī)的填料種類及相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行填裝。

本實(shí)用新型對(duì)氮的去除機(jī)理是：廢水中的含氮污染物質(zhì)在反應(yīng)區(qū)一8內(nèi)被填料截留或吸附，在濕/干交替運(yùn)行的有氧反應(yīng)過程中，附著在填料上的硝化細(xì)菌利用廢水中的無機(jī)碳源將大部分氨氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽或亞硝酸鹽，進(jìn)入反應(yīng)區(qū)二10后，異養(yǎng)微生物利用剩余的有機(jī)碳源進(jìn)行反硝化脫氮，同時(shí)浸沒在污水中的高純鐵片14在微電流作用下產(chǎn)生的H₂，能為反硝化過程中的氫自養(yǎng)反硝化菌提供電子供體，提高反硝化過程的效率。此外，體系中的高純石墨碳棒13在微電流作用下產(chǎn)生的CO₂，能為自養(yǎng)反硝化細(xì)菌提供無機(jī)碳源，并有利于營(yíng)造缺/厭環(huán)境，從而進(jìn)一步提高了該裝置對(duì)硝酸鹽或亞硝酸鹽的去除率。

氫自養(yǎng)反硝化階段的化學(xué)反應(yīng)式如下：

陰極：

2H⁺+2e→H₂ (e⁰＝0.828V)

2H₂O+2e^-→H₂+2OH^- (e⁰＝0V)

陽極：

C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^- (e⁰＝0.207V)

2OH^-→0.5O₂+H₂O+2e (e⁰＝1.229V)

總反應(yīng)：

2NO₃^-+5H₂+2H⁺→N₂+6H₂O

以下通過具體的實(shí)驗(yàn)例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明，以進(jìn)一步展示本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和原理：

實(shí)驗(yàn)例

進(jìn)水取自某學(xué)生公寓區(qū)的生活污水，通過自來水稀釋或投加C₆H₁₂O₆、NH₄Cl、NaHCO₃、HCl等，使其主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到如表1所示的范圍。

表1：進(jìn)水主要水質(zhì)指標(biāo)

運(yùn)行方式如下：在室溫(25±2)℃條件下，污水通過蠕動(dòng)泵3輸送至噴灑器5，從進(jìn)水區(qū)6流入，經(jīng)過緩沖層7后滲入反應(yīng)區(qū)一8的填料中，再經(jīng)過分隔層9后滲入反應(yīng)區(qū)二10的填料中，最后經(jīng)過承托層11后從出水口12排出。運(yùn)行過程中采用微電腦定時(shí)器2和流量計(jì)4來控制布水時(shí)間和流量，水力負(fù)荷為1.0m³/(m²·d)，水力負(fù)荷周期為6～8小時(shí)，濕干比為1：2～1：3，電流強(qiáng)度為4～10mA。連續(xù)運(yùn)行2個(gè)月，每2d檢測(cè)一次出水水質(zhì)。結(jié)果表明，出水COD、NH₃-N、TN的濃度分別為10.5～36.2mg/L、0.2～3.7mg/L、4.2～14.5mg/L，其中TN的去除率為64.3～87.3％，相比傳統(tǒng)人工快滲系統(tǒng)提高了30～50％。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本實(shí)用新型的原理，應(yīng)被理解為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本實(shí)用新型公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本實(shí)用新型實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。