本发明专利技术公开了一种基于硫铁矿填料的弱电能介入人工湿地强化深度除磷脱氮的装置和方法。适度的直流电可强化人工湿地脱氮除磷效率，但容易在阴阳极区域导致局部过酸或过碱。本发明专利技术将直流电和硫铁矿分别布置在人工湿地因深度不同而自然形成的好氧区域和厌氧区域，通过硫铁矿发生的氧化过程强化了人工湿地的除磷效果，又由阳极和阴极影响的氧浓度及pH的改变强化了硫铁矿本身的氧化利用率，从而进一步增强了除磷效率。同时，硫铁矿又可适度维持阴阳极区域pH稳定，保证了微生物活性。本发明专利技术将硫铁矿适当的布置在弱电能介入人工湿地中，即能进一步提高除磷，并强化脱氮效果，又能一定程度消除直流电导致的局部酸碱化。定程度消除直流电导致的局部酸碱化。定程度消除直流电导致的局部酸碱化。
【技术实现步骤摘要】
一种基于硫铁矿填料的弱电能介入人工湿地强化深度除磷脱氮的装置和方法
[0001]本专利技术属于环境技术和水处理领域，具体涉及一种利用硫铁矿填料的稳定弱电能介入人工湿地内pH并强化深度除磷脱氮的装置和方法。
技术介绍
[0002]随着化工工业高速发展，我国可用水资源的污染越来越严重，过少的可利用水资源将极大地限制人类社会活动。而每年化工园区污水处理厂产生大量的尾水，这些尾水中含有机物、氮、磷等营养元素，直接排放到自然水体容易导致水体富营养化。对这类尾水进行深度处理，有望能够将其水质从一级A标准提高到地表
Ⅴ
类水标准以上，从而实现尾水的再利用，既避免了排放过多氮磷，又一定程度上缓解了水资源短缺。
[0003]人工湿地是一种通过基质、植物及微生物三者之间的协同作用达到净化污水目的的生态水处理技术，对化工园区污水处理厂尾水中的氮、磷能够有效去除。目前，我国人工湿地被广泛用于处理尾水的实验研究和工程案例中，然而其中仍然存在着一些困难亟待解决。尾水中的磷主要以无机磷形式存在，人工湿地除磷主要依靠基质的吸附与截留作用。因此，人们通常选用高吸附量、低成本的湿地基质。常见的人工湿地基质填料有砾石、石灰石、沸石、粗砂、火山岩、红壤等。这些填料对于磷的去除大多是通过物理吸附实现，受水质和温度影响较大，且除磷效率随着使用时间变长而逐渐变差。因此，需要开发一种更稳定、高效的除磷方式。
[0004]研究表明，弱电能介入的人工湿地能够强化其脱氮除磷效率。通过直流电的适当地布置，可利用其阳极产氧可提供给硝化过程，阴极产氢可提供给反硝化过程，而弱电场的存在亦能刺激微生物的生理活性。但直流电在人工湿地中，阴极和阳极区域附近会产生过多的H
+
和OH
‑
，从而升高或降低水环境的pH，抑制生物活性。而弱电能导致的局部酸化还会导致火山岩和沸石等填料对氮磷的吸附被削弱甚至发生脱附，其中磷的脱附现象极为明显。
[0005]人们通常用石灰石等填料来避免弱电能介入人工湿地导致的局部酸化，但这些填料对人工湿地除磷脱氮的提高上并没有太大帮助。而我们发现，硫铁矿因其自身天然附带的氧化层的存在，也可以在较酸环境中消耗过多的H+，从而维持弱酸性或者偏中性的水环境。同时，硫铁矿在废水处理中能够被氧化溶出铁离子进而与磷酸根形成沉淀从而具有极好的除磷效果，而硫铁矿在厌氧环境下，通过微生物驱动的厌氧反应能够还原NO3‑
成N2。
[0006]这里我们考虑通过直流电阳极产氧促进硫铁矿氧化利用程度，进而强化除磷效果，阴极产的氢同硫铁矿皆可为自养反硝化过程提供电子，从而强化脱氮效率。阳极区域附近产氧会酸化环境导致缺氧区火山岩、沸石会发生脱附，而硫铁矿的加入又一定程度地缓解了这种酸化影响。因此本专利技术通过在常规人工湿地结构上巧妙引入电化学耦合硫铁矿体系，既利用硫铁矿克服了直流电影响下产生的局部酸碱化问题，也利用阳极产氧促进硫铁矿的好氧氧化和硝化作用，还依靠阴极产氢与硫铁矿厌氧反硝化共同促进反硝化作用，形成这样一种电化学耦合硫铁矿强化人工湿地除磷脱氮体系，极大地提高了人工湿地深度除
磷脱氮性能。
技术实现思路
[0007]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供一种基于硫铁矿填料的弱电能介入人工湿地强化深度除磷脱氮的装置和方法，构建一种直流电耦合硫铁矿的体系应用于湿地水处理环境中。
[0008]本专利技术采用如下技术方案：
[0009]本专利技术首先提供了一种基于硫铁矿填料的弱电能介入人工湿地强化深度除磷脱氮的方法，其包括如下步骤：
[0010]1)将人工湿地整体在垂直方向分区为好氧区、缺氧区和厌氧区，其中好氧区位于缺氧区的上层，厌氧区位于缺氧区的下层；好氧区上设有布水层，厌氧区下设有疏水层，布水层和疏水层都装填砾石，在厌氧区中装填硫铁矿，在缺氧区中装填火山岩和沸石的混合物，在好氧区中装填硫铁矿和砾石的混合物，
[0011]2)在好氧区布设阳极，在厌氧区布设阴极，从上向下向人工湿地通水，保持水位刚在布水层以上，用待处理废水作为进水，向人工湿地中通入活性污泥，在阴阳极间施加电场进行深度除磷脱氮。
[0012]优选的，所述活性污泥可以是取自污水处理厂好氧池和厌氧池的混合沉淀污泥，两者比例可以根据需要进行调整，例如好氧池污泥和厌氧池污泥的质量比例可以为1:1.
[0013]优选的，本专利技术的待处理废水可以说一级A废水，可以实现除磷为主、脱氮为辅的废水净化效果。优选的，所述待处理废水为含有较低浓度氮磷的尾水，其中，氮浓度为15
‑
20mg/L，磷浓度为0.5
‑
1.0mg/L，氮主要存在形态包括NO3‑
、NO2‑
、NH
4+
；磷主要存在形态包括PO
43
‑
。
[0014]优选的，步骤2)中，待处理废水从人工湿地顶部进入好氧区，好氧区的阳极附近通过阳极产氧和自身所带的氧气供给硝化作用和硫铁矿好氧氧化，硝化作用将NH
4+
转化为NO3‑
，硫铁矿好氧氧化产生Fe
3+
，Fe
3+
与废水中的PO
43
‑
化学结合并沉降；此时阳极会产生过多H
+
，导致局部酸化，部分酸会和硫铁矿的氧化层反应从而产生更多的铁离子用于除磷；
[0015]在缺氧区，火山岩和沸石因自身的物理吸附和离子交换功能而具备着去除氮磷的能力，由于阳极附近向下流动过多的H
+
影响到火山岩和沸石对水中离子的物理吸附能力和离子交换能力，大多数时候缺氧区表现出磷的脱附，缺氧区酸化程随深度增加而逐渐降低；
[0016]在厌氧区，阴极电解水产生H2，H2、硫铁矿以及残余有机物可分别为氢自养反硝化、硫自养反硝化以及异养反硝化提供电子，从而还原NO3‑
成N2，硫铁矿在厌氧环境生物作用下被NO3‑
氧化即为硫铁矿的厌氧氧化，硫铁矿的厌氧氧化可产生少量酸用于中和阴极产生的碱度，同时释放的Fe
3+
可结合OH
‑
产生Fe(OH)3絮状沉淀，从而进一步吸附除磷。
[0017]优选的，所述的步骤2)中的阳极和阴极为碳纤维毡，阴极放置于厌氧区中，用钛丝引出，阳极放置于好氧区中，用碳纤维毡裁成的长条垂直引出水面。
[0018]优选的，阳极和阴极的碳纤维毡上均匀地打有孔，孔的总面积为碳纤维毡面积的1.5％
‑
2.5％，单个孔径为碳纤维毡边长或直径的5％
‑
10％。
[0019]优选的，所述的步骤2)中脱氮除磷过程施加低压直流电场，保持电压恒定，电压为5～10V，控制电流为10
‑
30mA，整体温度控制在23
±
3℃，水力停留时间为10～20h。
[0020]优选的，所述好氧区装填的硫铁矿和砾石的混合物中硫铁矿与砾石的体积比可为2:1
‑
3；缺氧区装本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于硫铁矿填料的弱电能介入人工湿地强化深度除磷脱氮的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将人工湿地整体在垂直方向分区为好氧区、缺氧区和厌氧区，其中好氧区位于缺氧区的上层，厌氧区位于缺氧区的下层；好氧区上设有布水层，厌氧区下设有疏水层，布水层和疏水层都装填砾石，在厌氧区中装填硫铁矿，在缺氧区中装填火山岩和沸石的混合物，在好氧区中装填硫铁矿和砾石的混合物，2)在好氧区布设阳极，在厌氧区布设阴极，从上向下向人工湿地通水，保持水位刚在布水层以上，用待处理废水作为进水，向人工湿地中通入活性污泥，在阴阳极间施加电场进行深度除磷脱氮。2.根据权利要求1所述基于硫铁矿填料的弱电能介入人工湿地强化深度除磷脱氮的方法，其特征在于：所述待处理废水为含有较低浓度氮磷的尾水，其中，氮浓度为15
‑
20mg/L，磷浓度为0.5
‑
1.0mg/L，氮主要存在形态包括NO3‑
、NO2‑
、NH
4+
；磷主要存在形态包括PO
43
‑
。3.根据权利要求1所述的基于硫铁矿填料的弱电能介入人工湿地强化深度除磷脱氮的方法，其特征在于：步骤2)中，待处理废水从人工湿地顶部进入好氧区，好氧区的阳极附近通过阳极产氧和自身所带的氧气供给硝化作用和硫铁矿好氧氧化，硝化作用将NH
4+
转化为NO3‑
，硫铁矿好氧氧化产生Fe
3+
，Fe
3+
与废水中的PO
43
‑
化学结合并沉降；此时阳极会产生过多H
+
，导致局部酸化，部分酸会和硫铁矿的氧化层反应从而产生更多的铁离子用于除磷；在缺氧区，火山岩和沸石因自身的物理吸附和离子交换功能而具备着去除氮磷的能力，由于阳极附近向下流动过多的H
+
影响到火山岩和沸石对水中离子的物理吸附能力和离子交换能力，大多数时候缺氧区表现出磷的脱附，缺氧区酸化程随深度增加而逐渐降低；在厌氧区，阴极电解水产生H2，H2、硫铁矿以及残余有机物可分别为氢自养反硝化、硫自养反硝化以及异养反硝化提供电子，从而还原NO3‑
成N2，硫铁矿在厌氧环境生物作用下被NO3‑
氧化即为硫铁矿的厌氧氧化，硫铁矿的厌氧氧化可产生少量酸用于中和阴极产生的碱度，同时释放的Fe
3+
可结合OH
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产生Fe(OH)3絮状沉淀，从而进一步吸附除磷。4.根据权利要求1所述的基于硫铁矿填料的弱电能介入人工湿地强化深度除磷脱氮的方法，其特征在于：所述的步骤2)中的阳极和阴极为碳...
【专利技术属性】
技术研发人员：李中坚，鲁靖，杨彬，武高明，雷乐成，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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