基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统及其污水脱氮方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统及污水脱氮方法，该人工湿地系统的填料组成为：沿水流方向依次设置普通填料层、协同反硝化填料层、石灰石填料层及卵石填料层。本发明专利技术还公开了一种利用所述人工湿地系统进行污水脱氮的方法，污水流经协同反硝化填料层2时，自养反硝微生物以还原态Fe为电子供体，异养反硝化微生物以木屑分解的有机碳源为电子供体，将污水中的硝氮转化为气体去除，反应过程中的中间产物如亚硝氮、氨氮产生量低，系统对TN的去除率高。本发明专利技术的人工湿地系统构建简单、运行稳定、总氮去除率高、进水硝氮浓度达到20‑80mg/L，范围大，适用于低C/N污水脱氮处理的工程应用。

Artificial Wetland System Based on Reduced Fe Autotrophic/Sawdust Heterotrophic Synergistic Denitrification and Its Sewage Denitrification Method

The invention discloses an artificial wetland system based on reduced Fe autotrophic/sawdust heterotrophic synergistic denitrification and a wastewater denitrification method. The filler composition of the constructed wetland system is as follows: common filler layer, synergistic denitrification filler layer, limestone filler layer and pebble filler layer are arranged in turn along the direction of water flow. The invention also discloses a method for sewage denitrification by using the constructed wetland system. When sewage flows through the synergistic denitrification packing layer 2, autotrophic denitrifying microorganisms use reduced Fe as electronic donor, heterotrophic denitrifying microorganisms use organic carbon source decomposed by sawdust as electronic donor to convert nitrate and nitrogen in sewage into gas for removal. The production of intermediate products such as nitrous nitrogen and ammonia nitrogen in the reaction process is low, and the removal rate of TN in the system is high. The constructed wetland system of the invention has the advantages of simple construction, stable operation, high removal rate of total nitrogen, 20 to 80 mg/L influent nitrate concentration and wide range, and is suitable for engineering application of low C/N sewage denitrification treatment.

【技术实现步骤摘要】
基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统及其污水脱氮方法
本专利技术涉及污水处理
，具体是涉及处理低C/N污水的一种基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统及其污水脱氮方法。
技术介绍
为了控制我国日趋严重的水体富营养化问题，污水脱氮已经成为水处理领域的主要研究热点之一。人工湿地技术在污水脱氮除磷方面有独特的效能，且具有高效低耗、景观优美等优点，目前被广泛用于处理生活污水、工业废水和农业面源污水等各种污水。但是，人工湿地系统在处理低C/N污水时，会出现脱氮效率不佳的问题。为解决此问题，基于传统的异养反硝化生物脱氮原理，通常采用的技术是向人工湿地系统中直接补充有机碳源。传统液体有机碳源如甲醇、醋酸钠等具有反应速度快、高效的优点,但添加成本高；可生物降解多聚物有机碳源也存在投加成本高的问题；富含纤维素的植物碳源材料具有价廉易得，逐渐被用作强化脱氮的有机碳源应用于人工湿地系统中。但由于植物材料的分解受多种因素如植物体成分、气温等的影响，有机碳源的释放不易控制，会造成脱氮效果不稳定或出水水质二次污染的问题。自养反硝化因无需额外添加碳源而日益受到研究者的重视。氢自养反硝化由于氢气的储存和运输存在一定危险，且费用较高，影响了其在实际工程中的应用。硫自养反硝化由于硫磺原料价廉易得，具有一定的工程应用优势。早在二十多年前即有国外研究者以硫磺作填料用于地下水硝酸盐的反硝化脱氮处理，近年来也有将硫磺和石灰作为人工湿地填料进行硫自养反硝化脱氮，但硫自养反硝化产物导致出水硫酸盐含量偏高，且石灰石的使用会导致出水硬度大。近年来国内外研究者在地下水、沉积物等自然环境中发现一类铁自养反硝化细菌，其能在厌氧条件下以NO3-作为电子受体，单质铁（Fe0）及各种形式的Fe2+化合物作为电子供体，将NO3-还原为N2去除。中国专利技术专利CN201310139960.1公开了一株从自然环境中筛选出的铁基质自养反硝化微杆菌，并将其扩培后附着于海绵铁填料上，对较高浓度的硝氮（40mg/L）有较好的去除效果，且反应过程中亚硝氮的产生量很少、未检测出氨氮的生成，总氮的去除率高。该专利技术仅依靠铁自养反硝化微生物作用脱氮，系统启动慢且硝氮的去除速率低，影响实际工程应用。且单一的Fe自养反硝化会产生大量的碱度造成出水pH值升高。为克服单一的硫自养、植物材料碳源异养反硝化脱氮中存在的问题，中国专利技术专利CN201410553821.8公开了一种植物碳源异养-硫自养混养反硝化的人工湿地系统和处理方法，该专利技术将一定粒径的植物茎叶碎段、硫磺颗粒和碎石按一定比例混合作为人工湿地系统的反硝化填料层，通过异养反硝化与硫自养反硝化的耦合作用实现硝酸盐氮的有效去除。该专利技术中采用植物茎叶碎段作有机碳源，因植物茎叶的分解速度较快，作为有机碳源容易失效，且其分解会导致其在作为填料时容易导致填料层塌陷。综上，现有技术中，有关于单独采用植物碳源材料进行异养反硝化，Fe自养反硝化处理硝氮的报道，但是缺点在于单一的技术均存在各自的问题。目前，我国还未见采用基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化脱氮人工湿地系统及方法的专利。
技术实现思路
技术问题：针对人工湿地系统处理低C/N比污水时总氮去除率低下的问题，克服现有技术采用单独异养和单独自养反硝化脱氮的缺点，本专利技术提出一种基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化脱氮的人工湿地系统及污水脱氮方法。技术方案：为解决以上问题，本专利技术提出一种基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统，其特征在于：该人工湿地系统以下行垂直流人工湿地结构为基础，沿水流方向依次设置普通填料层、协同反硝化填料层、石灰石填料层及卵石填料层；所述的协同反硝化填料层由磁黄铁矿颗粒和木屑进行填充；所述的磁黄铁矿提供铁自养反硝化微生物所需的铁源，木屑提供异养反硝化微生物所需的有机碳源，两者发挥协同反硝化脱氮作用。所述的磁黄铁矿颗粒由磁黄铁矿制备成粒度在5-10mm之间颗粒材料，用稀盐酸浸泡30min，去除矿物表面的氧化物及其他污染物，然后再用清水冲洗至冲洗水pH为中性后得到；所述的木屑为松木片，先用10%NaOH溶液浸泡24小时，然后用清水冲洗至冲洗水pH为中性后得到。所述协同反硝化填料层由磁黄铁矿颗粒和木屑按体积比1:1进行混合填充或分层填充。所述的协同反硝化填料层的厚度为30~40cm。所述的普通填料层采用的材料为砾石和/或碎石，粒径为8~15mm，普通填料层厚度为20~40cm；普通填料层的功能通过进水中污染物的降解尽量多的消耗进水中的DO，为随后的协同反硝化填料层创造缺氧环境条件。所述的石灰石填料层采用由石灰石制备成粒径为5-10mm的颗粒材料，石灰石填料层厚度为5~10cm；石灰石填料层降低Fe自养反硝化过程中磁黄铁矿被氧化生成的三价铁离子的含量，从而降低出水色度。所述的卵石填料层采用粒径为10~20mm的鹅卵石，卵石填料层厚度为5cm，用于均匀收集装置的出水。。所述人工湿地系统上还种植有地方性常用的挺水植物，所述挺水植物为芦苇、香蒲、菖蒲、鸢尾中的一种或多种组合。一种基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化人工湿地系统的污水脱氮方法，包括如下步骤：（1）人工湿地系统的接种和启动阶段：将取自城市污水厂生化池厌氧段的厌氧污泥与Fe自养微生物培养液混合制成混合液，加入上述人工湿地系统中，混合液淹没最上层的普通填料层后静置，每隔2d排放一次，每次排放混合液的2/3，然后加入等量的Fe自养微生物培养液，测定每次排放的混合液中的硝氮、TN浓度，重复上述排放及测定的步骤；直至排放的混合液中硝氮和TN去除率保持稳定，完成启动。（2）系统装置的稳定运行阶段：将待处理的低C/N污水加入启动成功的人工湿地系统，调节水力停留时间在24-72h之间，完成硝氮和TN的高效去除。所述厌氧污泥经过预处理，具体预处理步骤如下：将厌氧污泥经过沉淀、弃去上清液、加入蒸馏水对污泥进行洗涤，然后重复上述步骤2~3次，得到洗涤后的厌氧污泥。所述Fe自养微生物培养液的成分及含量为：NaHCO3(2.5g/L)、MgSO4·7H2O(0.5g/L)、CaCl2·2H2O(0.01g/L)、(NH4)2SO4(0.28g/L)、KH2PO4(0.25g/L)、NaNO3(0.73g/L)、FeSO4·7H2O(6g/L)。所述的低C/N污水为低碳氮比的(C/N＜3)废水，包括受污染地表水及需深度处理的污水厂二级出水等。本专利技术的原理：采用基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统处理低C/N污水，可以发挥木屑异养反硝化和Fe自养反硝化的协同作用。针对植物碳源释放不易有效控制的问题，当植物碳源释放较多时，异养反硝化作用占比增多，Fe自养反硝化作用占比减少；当植物碳源释放较少时，异养反硝化作用占比减少，Fe自养反硝化作用占比增多，可以有效保障稳定的脱氮效果，实现低C/N污水的有效脱氮。针对单纯的Fe自养反硝化微生物增殖缓慢，脱氮速率较慢的问题，木屑分解释放的有机物除了提供硝氮自养反硝化所需的碳源之外，极少量残余的有机碳源还能促进Fe自养反硝化微生物的快速增殖和微生物活性，从而加快系统的启动和自养反硝化脱氮速率。另外，异养反硝化过程中产生的酸度和Fe自养反硝化中产生的碱度可以相互本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统，其特征在于：该人工湿地系统以下行垂直流人工湿地结构为基础，沿水流方向依次设置普通填料层、协同反硝化填料层、石灰石填料层及卵石填料层；所述的协同反硝化填料层由磁黄铁矿颗粒和木屑进行填充；所述的磁黄铁矿颗粒由磁黄铁矿制备成粒度在5‑10mm之间颗粒材料，用稀盐酸浸泡30min，去除矿物表面的氧化物及其他污染物，然后再用清水冲洗至冲洗水pH为中性后得到；所述的木屑为松木片，先用10%NaOH溶液浸泡24小时，然后用清水冲洗至冲洗水pH为中性后得到。

【技术特征摘要】
1.一种基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统，其特征在于：该人工湿地系统以下行垂直流人工湿地结构为基础，沿水流方向依次设置普通填料层、协同反硝化填料层、石灰石填料层及卵石填料层；所述的协同反硝化填料层由磁黄铁矿颗粒和木屑进行填充；所述的磁黄铁矿颗粒由磁黄铁矿制备成粒度在5-10mm之间颗粒材料，用稀盐酸浸泡30min，去除矿物表面的氧化物及其他污染物，然后再用清水冲洗至冲洗水pH为中性后得到；所述的木屑为松木片，先用10%NaOH溶液浸泡24小时，然后用清水冲洗至冲洗水pH为中性后得到。2.根据权利要求1所述的基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统，其特征在于：所述协同反硝化填料层由磁黄铁矿颗粒和木屑按体积比1:1进行混合填充或分层填充。3.根据权利要求1所述的基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统，其特征在于：所述的协同反硝化填料层的厚度为30~40cm。4.根据权利要求1所述的基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统，其特征在于：所述的普通填料层采用的材料为砾石和/或碎石，粒径为8~15mm，普通填料层厚度为20~40cm；所述的石灰石填料层采用由石灰石制备成粒径为5-10mm的颗粒材料，石灰石填料层厚度为5~10cm；所述的卵石填料层采用粒径为10~20mm的鹅卵石，卵石填料层厚度为5cm。5.根据权利要求1所述的基于还原态Fe自养/木屑异养协同反硝化的人工湿地系统，其特征在于：所述人工湿地系统上还种植有地方性常用的挺水植物，所述挺水植物为芦苇、香蒲、菖蒲、鸢尾中的一种或多种组合。6.权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵联芳，丁春运，包蕾，贺丽，朱梦晨，杨诗蕙，方艾伦，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32