專利名稱：一種潮汐流濕地耦合電化學(xué)強(qiáng)化脫氮除磷的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于污水處理領(lǐng)域，具體涉及一種潮汐流濕地耦合電化學(xué)強(qiáng)化脫氮除磷的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，污水排放量也不斷增加，使得我國水源污染、水體富營養(yǎng)化及環(huán)境水質(zhì)惡化等問題日趨嚴(yán)重。目前，我國的污水處理主要依賴于傳統(tǒng)的集中式活性污泥工藝，雖然技術(shù)和工藝已日漸成熟和完善，但卻面臨建設(shè)運(yùn)行成本費(fèi)用過高的問題，不少經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)根本建不起大型污水處理廠，而不少已建的污水處理廠卻因運(yùn)行資金短缺而閑置不用，使得我國僅有24%的工業(yè)廢水和4%的生活污水 經(jīng)過處理后排入水體。尤其對于我國經(jīng)濟(jì)落后的廣大農(nóng)村地區(qū)來講，其污水處理現(xiàn)狀更為嚴(yán)峻96%的村莊沒有污水處理系統(tǒng)，3. 2億多農(nóng)民不能飲用清潔水，只有約為1%的污水經(jīng)過處理后流入水體，該比例遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織報(bào)道的發(fā)展中國家平均農(nóng)村地區(qū)污水處理率18%。自“十五”期間，我國就將實(shí)現(xiàn)村容整潔和改善農(nóng)民的生存環(huán)境作為社會主義新農(nóng)村建設(shè)的重要目標(biāo)之一，然而多年過去，我國農(nóng)村地區(qū)的污水處理率仍然很低。這說明集中式的污水處理模式對于高人居密度的大中城市行之有效，但對于農(nóng)村地區(qū)來說，其高昂的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用使其難以推廣。因此，為進(jìn)一步推動我國社會主義新農(nóng)村的建設(shè)進(jìn)程、保障農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，根據(jù)農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)落后和污水源分散等特點(diǎn)，開發(fā)簡便易行、高效經(jīng)濟(jì)、美化環(huán)境、分散式就地處理的農(nóng)村污水凈化技術(shù)成為推動我國農(nóng)村建設(shè)和發(fā)展過程中所必須面對和迫切解決的重要課題。分散式污水處理技術(shù)由于其低廉的成本已成為現(xiàn)在農(nóng)村處理污水的關(guān)注點(diǎn)。傳統(tǒng)的分散式污水處理系統(tǒng)有氧化塘、化糞池和人工濕地系統(tǒng)等。氧化塘視覺美觀性較差，有機(jī)物的好氧分解和氮素的硝化去除不佳。化糞池多為污水處理系統(tǒng)的預(yù)處理，但出水仍具有較高濃度的懸浮物、生化需氧量(BOD)、氮(N)、磷(P)和細(xì)菌，不能直接排入水體。人工濕地污水處理是20世紀(jì)70年代以來發(fā)展起來的一種通過模擬自然濕地而人為設(shè)計(jì)和建造的具有可控性和工程化特點(diǎn)的生態(tài)污水凈化技術(shù)，以其投資少、建設(shè)運(yùn)營成本低、凈化效果好等特點(diǎn)近年來受到了廣泛關(guān)注。尤其是潮汐流人工濕地，其依靠運(yùn)行過程中床體飽和浸潤面周期性變化產(chǎn)生的基質(zhì)孔隙吸力將大氣氧強(qiáng)迫吸入床體，可以強(qiáng)化濕地床的氧傳輸量，顯著提高有機(jī)物好氧降解和氨氮的硝化去除率。雖然潮汐流人工濕地較好的復(fù)氧能力可以強(qiáng)化硝化過程的發(fā)生，使得氨氮最大程度地被氧化為硝態(tài)氮，然而這種好氧環(huán)境卻直接限制了反硝化過程的發(fā)生，使得濕地床系統(tǒng)出水中富集大量的硝態(tài)氮，直接限制了其對總氮的徹底脫除。含磷污水的過度排放是造成水體富營養(yǎng)化的重要因素之一，因此污水除磷一直是水處理領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。磷在人工濕地中的去除主要通過濕地植物吸收、濕地微生物的生物化學(xué)作用以及基質(zhì)的吸附、絡(luò)合和沉淀等過程。眾多研究證明，植物的吸收和微生物的活動對污水中磷的去除貢獻(xiàn)不大，基質(zhì)的吸附和沉淀占除磷總量的70% 80%。而人工濕地床的主體填料多采用建筑砂和礫石，其對可溶性磷酸鹽較低的吸附能力使得人工濕地對總磷的去除率很低。雖然近年來有多位學(xué)者分別篩選和研發(fā)了多種對可溶性磷酸鹽具有較高吸附能力的填料，如方解石和鋼渣等，但常因?yàn)檫@些填料難收集、價(jià)格高和壽命短等問題使得人工濕地污水處理過程中對磷酸鹽的去除仍受到限制。人工濕地對有機(jī)物和氮的去除主要依靠微生物作用，而微生物活性隨季節(jié)和溫度變化的差異較大，使得人工濕地污水處理過程中對有機(jī)物和氮素的去除受季節(jié)性變化影響較大。因此，開發(fā)能夠常年運(yùn)行并適應(yīng)于廣泛氣候尤其是我國北方地區(qū)的人工濕地污水處理系統(tǒng)逐漸成為現(xiàn)在學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供了一種潮汐流人工濕地耦合電化學(xué)協(xié)同強(qiáng)化脫氮除磷的方法及其系統(tǒng)，不僅可以強(qiáng)化潮汐流人工濕地床硝酸鹽和磷酸鹽的去除效果，還可以解決濕地污水處理的運(yùn)行受季節(jié)性變化影響較大等問題。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案一種潮汐流濕地耦合電化學(xué)強(qiáng)化脫氮除磷的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括潮汐流人工濕地好氧床I、位于潮汐流人工濕地好養(yǎng)床I下部的厭氧電解床2以及連接潮汐流人工濕地好養(yǎng)床I和厭氧電解床2的系統(tǒng)回流泵8，其中，潮汐流人工濕地好養(yǎng)床I與設(shè)有泵的進(jìn)水管5相連通、且其上種植有濕地植物9，厭氧電解床2內(nèi)部布置有分別與直流電源3的正負(fù)電極相連接的第一極板4和第二極板11，厭氧電解床2底部設(shè)有排水閥6，所述直流電源3的正負(fù)極可定時(shí)交換。所述潮汐流人工濕地好氧床I中設(shè)有與空氣相連通的復(fù)氧強(qiáng)化管10。所述厭氧電解床2中設(shè)有厭氧電解床回流泵7。所述第一極板4為石墨極板，所述第二極板11為金屬極板。所述潮汐流人工濕地好氧床I的基質(zhì)選自沸石、石英砂或粉煤灰。一種使用本發(fā)明的系統(tǒng)進(jìn)行潮汐流濕地耦合電化學(xué)強(qiáng)化脫氮除磷的方法，其特征在于該方法包括潮汐流氨氮氧化階段和電化學(xué)脫氮除磷階段，其中，潮汐流氨氮氧化階段利用潮汐運(yùn)行方式，每個(gè)運(yùn)行周期包括淹水反應(yīng)階段和排空復(fù)氧階段，其中淹水反應(yīng)階段打開設(shè)在進(jìn)水管5上的泵，污水通過進(jìn)水管5進(jìn)入潮汐流人工濕地好氧床1，在重力作用下自上而下非飽和滲流，潮汐流人工濕地好氧床I的浸潤面由底部不斷上升，此過程中，污水與基質(zhì)、基質(zhì)表面附著的微生物膜及濕地植物9的根系充分接觸，提高了潮汐流人工濕地好氧床I基質(zhì)的有效利用空間和對污水中氨氮的吸附能力；排空復(fù)氧階段當(dāng)淹水反應(yīng)階段結(jié)束時(shí)，打開排水閥6，厭氧電解床2中的水首先被排出，然后排水閥6關(guān)閉，此時(shí)厭氧電解床2處的負(fù)壓會使潮汐流人工濕地好氧床I產(chǎn)生潮汐作用，將潮汐流人工好氧床I中的水迅速吸入?yún)捬蹼娊獯?內(nèi)，同時(shí)大氣中的氧會通過潮汐流人工濕地表面和復(fù)氧強(qiáng)化管10進(jìn)入潮汐人工濕地好氧床1，從而強(qiáng)化復(fù)氧效果，提高有機(jī)物和氨氮氧化去除率；電化學(xué)脫氮除磷階段潮汐流人工濕地好氧床I的水進(jìn)入?yún)捬蹼娊獯?后，啟動直流電源3并且定時(shí)交換直流電源3的正負(fù)極，對水中的硝酸鹽進(jìn)行強(qiáng)化電解還原以及使磷酸鹽絮凝沉淀；同時(shí)，厭氧電解床2中的水通過厭氧電解床回流泵7可以在厭氧電解床2內(nèi)回流，以促進(jìn)傳質(zhì)過程；其中，厭氧電解床2中的水通過回流泵8向潮汐流人工濕地好氧床I回流，利用電解過程產(chǎn)生的熱量提供潮汐流人工濕地好氧床I中微生物的活性，解決冬季低溫運(yùn)行難問題。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于(I)潮汐流人工濕地耦合電化學(xué)協(xié)同強(qiáng)化脫氮除磷的方法耦合電化學(xué)協(xié)同脫氮除磷的優(yōu)勢，不僅可以達(dá)到廢水處理過程中強(qiáng)化脫氮除磷的目的，而且可以有效的避免常規(guī)碳源添加強(qiáng)化反硝化過程和藥物除磷方式下所伴隨的二次污染問題。(2)本發(fā)明系統(tǒng)中的人工濕地床采用潮汐運(yùn)行方式，可以加強(qiáng)濕地的復(fù)氧能力，進(jìn) 而大大提高人工濕地處理污染水體時(shí)對有機(jī)物和氨氮的氧化去除效率。(3)本發(fā)明系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了厭氧電解反應(yīng)區(qū)，可利用外接直流電源強(qiáng)化電解還原大量來自潮汐好氧區(qū)的硝酸鹽，實(shí)現(xiàn)廢水中總氮的徹底脫除，同時(shí)避免了常規(guī)碳源添加強(qiáng)化硝酸鹽去除方式下所伴隨的二次污染；同時(shí)，在外接直流電源電極定時(shí)調(diào)換的條件下，極板電解出的金屬離子可與磷酸根絮凝，提高系統(tǒng)除磷效率，并且有效避免藥物除磷方式下所伴隨的二次污染。(4)本發(fā)明系統(tǒng)采用潮汐流濕地區(qū)與電解區(qū)循環(huán)回流，可充分利用電解余熱為上層的濕地床加溫，提高濕地床體微生物活性，強(qiáng)化和維持潮汐流濕地床在寒冷地區(qū)或冬季低溫條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。


圖I為本發(fā)明的潮汐流濕地耦合電化學(xué)強(qiáng)化脫氮除磷系統(tǒng)的示意圖。附圖標(biāo)記I潮汐人工濕地好氧床2厭氧電解床3 直流電源4第一極板5 進(jìn)水管6排水閥7 厭氧電解床回流泵 8系統(tǒng)回流泵9 濕地植物10復(fù)氧強(qiáng)化管11 第二極板
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。如圖I所示，本發(fā)明的潮汐流濕地耦合電化學(xué)強(qiáng)化脫氮除磷的系統(tǒng)包括潮汐流人工濕地好氧床I、厭氧電解床2以及系統(tǒng)回流泵8。潮汐流人工濕地好養(yǎng)床I其上種植有濕地植物9，且與設(shè)有泵的進(jìn)水管5相連通，潮汐流人工濕地好氧床I的基質(zhì)采用沸石，其對廢水中氨氮具有較強(qiáng)的吸附性能，可在潮汐流濕地床淹水階段強(qiáng)化系統(tǒng)對氨氮的吸附能力。同時(shí)，在潮汐流濕地好氧床I中設(shè)有與空氣相連通的復(fù)氧強(qiáng)化管10，其在潮汐運(yùn)行方式下可加深復(fù)氧深度和增強(qiáng)復(fù)氧效果，提高系統(tǒng)的氨氮氧化去除效率。
厭氧電解床2位于潮汐流人工濕地好氧床I的下部，厭氧電解床2的內(nèi)部布置有分別與直流電源3的電極相連接的第一極板4和第二極板11，且厭氧電解床2的底部設(shè)有排水閥6。其中，第一極板4為石墨極板；第二極板11為金屬極板，如鐵電極、鋁電極等。并且，外接直流電源3的正負(fù)極可定時(shí)自動調(diào)換。厭氧電解床2中發(fā)生的反應(yīng)(第二極板11為鐵電極)如下(I)當(dāng)?shù)谝粯O板4連接直流電源3的負(fù)極，第二極板11連接直流電源3的正極時(shí)，第一極板4(陰極)2H++2e_=H2 丨-電解反應(yīng)2Ν03>5Η2=Ν2 +4Η20+20Γ-微生物作用第二極板11(陽極)Fe=Fe2++2e_-電解反應(yīng)Fe2+=Fe3++e_-氧化反應(yīng)
權(quán)利要求
1.一種潮汐流濕地耦合電化學(xué)強(qiáng)化脫氮除磷的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括潮汐流人工濕地好氧床(I )、位于潮汐流人工濕地好養(yǎng)床(I)下部的厭氧電解床(2)以及連接潮汐流人工濕地好養(yǎng)床(I)和厭氧電解床(2)的系統(tǒng)回流泵(8)，其中，潮汐流人工濕地好養(yǎng)床(I)與設(shè)有泵的進(jìn)水管(5 )相連通、且其上種植有濕地植物(9 )，厭氧電解床(2 )內(nèi)部布置有分別與直流電源(3)的正負(fù)電極相連接的第一極板(4)和第二極板(11)，厭氧電解床(2)底部設(shè)有排水閥(6)，所述直流電源(3)的正負(fù)極可定時(shí)交換。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于所述潮汐流人工濕地好氧床(I)中設(shè)有與空氣相連通的復(fù)氧強(qiáng)化管(10)。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于所述厭氧電解床(2)中設(shè)有厭氧電解床回流泵(7)。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于所述第一極板(4)為石墨極板，所述第二極板(11)為金屬極板。
5.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于所述潮汐流人工濕地好氧床(I)的基質(zhì)選自沸石、石英砂或粉煤灰。
6.一種使用權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)進(jìn)行潮汐流濕地耦合電化學(xué)強(qiáng)化脫氮除磷的方法，其特征在于該方法包括潮汐流氨氮氧化階段和電化學(xué)脫氮除磷階段，其中， 潮汐流氨氮氧化階段利用潮汐運(yùn)行方式，每個(gè)運(yùn)行周期包括淹水反應(yīng)階段和排空復(fù)氧階段，其中 淹水反應(yīng)階段打開設(shè)在進(jìn)水管(5)上的泵，污水通過進(jìn)水管(5)進(jìn)入潮汐流人工濕地好氧床(I )，在重力作用下自上而下非飽和滲流，潮汐流人工濕地好氧床(I)的浸潤面由底部不斷上升，此過程中，污水與基質(zhì)、基質(zhì)表面附著的微生物膜及濕地植物(9)的根系充分接觸，提高了潮汐流人工濕地好氧床(I)基質(zhì)的有效利用空間和對污水中氨氮的吸附能力； 排空復(fù)氧階段當(dāng)淹水反應(yīng)階段結(jié)束時(shí)，打開排水閥(6)，厭氧電解床(2)中的水首先被排出，然后排水閥(6)關(guān)閉，此時(shí)厭氧電解床(2)處的負(fù)壓會使潮汐流人工濕地好氧床(I)產(chǎn)生潮汐作用，將潮汐流人工好氧床(I)中的水迅速吸入?yún)捬蹼娊獯?2)內(nèi)，同時(shí)大氣中的氧會通過潮汐流人工濕地表面和復(fù)氧強(qiáng)化管(10)進(jìn)入潮汐人工濕地好氧床(I )，從而強(qiáng)化復(fù)氧效果，提高有機(jī)物和氨氮氧化去除率； 電化學(xué)脫氮除磷階段潮汐流人工濕地好氧床(I)的水進(jìn)入?yún)捬蹼娊獯?2)后，啟動直流電源(3)并且定時(shí)交換直流電源(3)的正負(fù)極，對水中的硝酸鹽進(jìn)行強(qiáng)化電解還原以及使磷酸鹽絮凝沉淀；同時(shí)，厭氧電解床(2 )中的水通過厭氧電解床回流泵(7 )可以在厭氧電解床(2)內(nèi)回流，以促進(jìn)傳質(zhì)過程； 其中，厭氧電解床(2)中的水通過回流泵(8)向潮汐流人工濕地好氧床(I)回流，利用電解過程產(chǎn)生的熱量提供潮汐流人工濕地好氧床(I)中微生物的活性，解決冬季低溫運(yùn)行難問題。
全文摘要
本發(fā)明屬于污水處理領(lǐng)域，涉及一種潮汐流濕地耦合電化學(xué)強(qiáng)化脫氮除磷的方法和系統(tǒng)。其中，該系統(tǒng)包括潮汐流人工濕地好氧床(1)、位于潮汐流人工濕地好養(yǎng)床(1)下部的厭氧電解床(2)以及連接潮汐流人工濕地好養(yǎng)床(1)和厭氧電解床(2)的系統(tǒng)回流泵(8)，其中，潮汐流人工濕地好養(yǎng)床(1)與設(shè)有泵的進(jìn)水管(5)相連通且其上種植有濕地植物(9)，厭氧電解床(2)內(nèi)部布置有分別與直流電源(3)的電極相連接的第一極板(4)和第二極板(11)且底部設(shè)有排水閥(6)，所述直流電源(3)的正負(fù)極可定時(shí)交換。本發(fā)明不僅可以強(qiáng)化潮汐流人工濕地床硝酸鹽和磷酸鹽的去除效果，還可以解決濕地污水處理的運(yùn)行受季節(jié)性變化影響較大等問題。
文檔編號C02F3/28GK102942293SQ201210519479
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者吳樹彪, 鞠鑫鑫, 董仁杰 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)