一種上/下行垂直流人工濕地耦合mec強(qiáng)化脫氮的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于污水處理領(lǐng)域，具體涉及一種上/下行垂直流人工濕地耦合微生物電解池強(qiáng)化脫氮的裝置。尤其適用于受污染的地表水、地下水及污水廠二級(jí)出水等需深度處理的廢水。
【背景技術(shù)】
[0002]目前中國(guó)的水體污染中，氮已逐漸上升為主要污染物，大量的含氮污水，未經(jīng)處理或處理不完全就排入水體，導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化。因此，氮的去除是當(dāng)前污水處理領(lǐng)域中急需解決的難題之一，脫氮技術(shù)的研究和應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注。實(shí)際污水生物脫氮過(guò)程中，只有當(dāng)C/N比大于6時(shí)，才能滿足反硝化菌對(duì)碳源的需要，達(dá)到完全脫氮的目的(ChiuY.C.,and Chung M.S.determinat1n of optimal COD/nitrate rat1 for b1logicaldenitrificat1n，Internat1nal B1deter1rat1n&B1degradat1n，2003，pp.43-49.)。在實(shí)際工程中，低C/N比污水為了達(dá)到氮的高效去除，通常是投加甲醇或乙醇等有機(jī)物，這樣既消耗了有限的資源，又增加了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。
[0003]人工濕地系統(tǒng)具有建造及運(yùn)行費(fèi)用低(僅為傳統(tǒng)二級(jí)污水處理廠的1/10-1/2)、維護(hù)簡(jiǎn)單、處理效果好、適用面廣、對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種污水的處理(吳振斌，復(fù)合垂直流人工濕地，科學(xué)出版社，北京，2008.)。人工濕地中氮的去除機(jī)理比較復(fù)雜，是濕地植物、基質(zhì)和微生物通過(guò)物理、化學(xué)及生物的協(xié)同作用的結(jié)果，其中微生物的硝化和反硝化為最主要脫氮途徑，而充足的碳源是反硝化菌高效脫氮的關(guān)鍵。對(duì)于低碳高氮污水，污水本身所能提供的碳源不足以滿足反硝化的要求，因此人工濕地總氮去除率普遍不高(Jan Vymazal ,Removal of nutrients in var1us types ofconstructed wetlands, Science of the Total Environment，2007，pp.48-65.)。
[0004]微生物電解池(Microbial Electrolysis Cell，MEC)是利用微生物作為反應(yīng)主體，在陰、陽(yáng)極間施加電勢(shì)產(chǎn)生氫氣的一種裝置(Liu H.,Grot S.,Logan B.E.,Electrochemically assisted microbial product1n of hydrogen from acetate,Environmental Science&Technology,2005,pp.4317-4320.)，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。由于MEC中陰極上產(chǎn)氫的氧化還原電位較陽(yáng)極有機(jī)物氧化的反應(yīng)低，因此電子不能自發(fā)流動(dòng)。為了克服此能量壁皇，使產(chǎn)氫反應(yīng)得以進(jìn)行，需額外施加一個(gè)理論值為0.13-0.14V的電壓。在實(shí)際反應(yīng)中，由于電勢(shì)損失，一般需外加一個(gè)0.2-0.9V的電壓，但仍小于電解水產(chǎn)氫過(guò)程中所需的電壓(1.8-2.0V)。也就是說(shuō)，盡管微生物電解池需要外加電壓，但仍小于化學(xué)電解池所需的能耗。
[0005]研究顯示，低碳氮比下以氫氣為電子供體的生物電化學(xué)反硝化作用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中硝酸鹽氮的有效去除(Park J Υ,Υοο Y J.B1logical nitrate removal inindustrial wastewater treatment: which electron donor we can choose,AppliedMicrob1logy and B1technology, 2009 ,pp: 415-429.)。其原理是，MEC陰極表面的電化學(xué)活性菌(無(wú)需外源電子介體而具有胞外電子傳遞能力微生物的統(tǒng)稱)，接收來(lái)自直流電源提供的電子，在陰極與質(zhì)子結(jié)合產(chǎn)生氫氣，氫氣作為N03—的電子供體，將N03—還原成N2 ο陽(yáng)極有機(jī)物以醋酸根為例，具體反應(yīng)方程式如(1) _(3)所示:
[0006]陽(yáng)極反應(yīng):CH3C00—+2H20—2C02+7H++8e—(1)
[0007]陰極反應(yīng):2H++2e——H2(2)
[0008]2Ν03—+5Η2—Ν2+4Η20+20Η—(3)
[0009]然而，單獨(dú)的微生物電解池所需的構(gòu)造成本大，運(yùn)行成本很高，很難在中國(guó)大規(guī)模的推廣應(yīng)用。
[0010]目前MEC應(yīng)用于人工濕地脫氮的研究國(guó)內(nèi)外尚無(wú)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本實(shí)用新型的目的是在于提供了一種上/下行垂直流人工濕地耦合微生物電解池強(qiáng)化脫氮的裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，使用方便，可顯著提高碳源缺乏條件下上/下行垂直流人工濕地對(duì)低碳高氮廢水的脫氮效果。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)措施:
[0013]針對(duì)上述問(wèn)題，將微生物電解池(MEC)與上/下行垂直流人工濕地相結(jié)合處理低碳氮比污水，在污水脫氮過(guò)程中，除了濕地系統(tǒng)本身的反硝化過(guò)程外，還能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)自養(yǎng)反硝化脫氮過(guò)程，提高了總氮去除效果，可以一定程度上解決人工濕地處理低碳氮比污水過(guò)程中出現(xiàn)的碳源不足導(dǎo)致總氮去除效果低的問(wèn)題。同時(shí)，MEC直接與現(xiàn)有的上/下行垂直流人工濕地相結(jié)合，大大節(jié)約了 MEC的構(gòu)造及運(yùn)行成本。
[0014]技術(shù)方案是:以上/下行垂直流人工濕地結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)填埋導(dǎo)電填料層A、導(dǎo)電填料層B，以及直流電源的引入，形成微生物電解池和人工濕地相耦合的結(jié)構(gòu)方法，該方法通過(guò)直流電源人為地提供電子給陰極，使陰極區(qū)域發(fā)生產(chǎn)氫反應(yīng)，生成的氫氣作為硝酸鹽氮的電子供體，增加了氫自養(yǎng)型反硝化脫氮過(guò)程，強(qiáng)化了碳源不足情況下的反硝化脫氮作用，從而提高了上/下行垂直流人工濕地對(duì)低碳高氮廢水的去除。
[0015]—種上/下行垂直流人工濕地耦合微生物電解池強(qiáng)化脫氮的裝置，該裝置包括:自下至上鋪設(shè)有底部非導(dǎo)電填料層、導(dǎo)電填料層A、非導(dǎo)電填料隔離層、導(dǎo)電填料層B、上部非導(dǎo)電填料層，其特征在于:導(dǎo)電填料層A分別與底部非導(dǎo)電填料層、非導(dǎo)電填料隔離層相連，導(dǎo)電填料層B分別與非導(dǎo)電填料隔離層、上部非導(dǎo)電填料層相連，上部非導(dǎo)電填料層中種植濕地植物，集電極A、集電極B通過(guò)導(dǎo)線分別與直流電源的兩極連接組成閉合回路，集電極A和集電極B分別放置在導(dǎo)電填料層A及導(dǎo)電填料層B內(nèi)，有利于收集和傳輸電子，通過(guò)外電路的直流電源施加電壓，所述的導(dǎo)電填料層A或?qū)щ娞盍蠈覤接收直流電源負(fù)極提供的電子，并在電化學(xué)活性菌和氫自養(yǎng)型反硝化菌的共同作用下將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，?shí)現(xiàn)了碳源缺乏條件下硝酸鹽氮的高效反硝化。
[0016]所述的人工濕地耦合微生物電解池強(qiáng)化脫氮的裝置，其特征在于:所述的上/下行垂直流人工濕地耦合微生物電解池強(qiáng)化脫氮的裝置水流方向可根據(jù)進(jìn)水氮形態(tài)調(diào)整，當(dāng)進(jìn)水中氮形態(tài)主要為氨氮時(shí)，從裝置頂端布水，當(dāng)進(jìn)水中氮形態(tài)主要為硝酸鹽氮時(shí)，從裝置底部進(jìn)水。
[0017]所述的直流電源的兩極與導(dǎo)電填料層A和導(dǎo)電填料層B的連接可根據(jù)進(jìn)水氮形態(tài)調(diào)整，當(dāng)進(jìn)水中氮形態(tài)主要為氨氮時(shí)，直流電源的正、負(fù)極分別與導(dǎo)電填料層B和導(dǎo)電填料層A相連，當(dāng)進(jìn)水氮形態(tài)主要為硝酸鹽氮時(shí)，直流電源的正、負(fù)極分別與導(dǎo)電填料層A和導(dǎo)電填料層B相連。
[0018]所述的導(dǎo)電填料層A和導(dǎo)電填料層B內(nèi)填料為顆?；钚蕴炕蚴w粒;顆?；钚蕴苛綖? -5mm，填充密度為0.45-0.55g/cm3 ；石墨顆粒粒徑為l_5mm，填充密度為1.8_2g/cm3。
[0019]所述的集電極A和集電極B為石墨氈、石墨棒或不銹鋼材質(zhì)。
[0020]所述的上/下行垂直流人工濕地耦合微生物電解池強(qiáng)化脫氮的裝置填料厚度范圍為40-110cm。
[0021 ]所述的底部非導(dǎo)電填料隔離層厚度為3-20cm;導(dǎo)電填料層A厚度為5-25cm;非導(dǎo)電填料隔離層厚度為3-15cm;導(dǎo)電填料層B厚度為5-25cm;上部非導(dǎo)電填料層厚度為10-25cmo
[0022]所述的底部非導(dǎo)電填料層、非導(dǎo)電填料隔離層及上部非導(dǎo)電填料層內(nèi)填料為砂石、無(wú)煙煤、生物陶粒中的一種或一至三種;上部非導(dǎo)電填料層種植的植物為千屈菜、茭白、美人蕉、水甜茅、大米草、野古草、菖蒲、蘆葦、象草、花葉蘆荻、鳶尾中的一種或一至十一種中任意組合。
[0023]所述的直流電源為維持電路中形成穩(wěn)恒電流的裝置，可輸出電壓0-1.5V，輸出電流0_200mA。
[0024]本實(shí)用新型與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和效果:
[0025](1)本實(shí)用新型在不改變?cè)猩?下行垂直流人工濕地構(gòu)造的基礎(chǔ)上，通過(guò)簡(jiǎn)單的電極填埋(鋪設(shè)導(dǎo)電填料層A和導(dǎo)電填料層B)和施加外電壓，使得硝酸鹽氮可以在低碳甚至不含碳源的條件下，以作為陰極的導(dǎo)電填料層產(chǎn)生的氫氣作為電子供體發(fā)生氫自養(yǎng)反硝化脫氮過(guò)程，一定程度上強(qiáng)化了硝酸鹽氮的去除效率，從而提高了低碳氮比污水的總氮去除效果。
[0026](2)本實(shí)用新型中導(dǎo)電填料層A、導(dǎo)電填料層B與傳統(tǒng)的化學(xué)電解池相比，具體構(gòu)造成本低、能耗小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了化學(xué)電極需經(jīng)常更換的問(wèn)題。
[0027](3)本實(shí)用新型較常規(guī)上/下行垂直流人工濕地對(duì)低碳高氮廢水的總氮去除率可提高15%_35%，尤其適用于受污染的地表水、地下水及污水廠二級(jí)出水