[发明专利]多级升流式地表水体氮素和有机质同步去除的装置和方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。