本實用新型屬于污水處理設備技術利于，具體涉及一種電極強化脫氮人工快滲裝置。

背景技術：

未經(jīng)有效處理的工業(yè)廢水、農業(yè)廢水及生活污水中可能含有大量的氮素污染物，若其任意排入緩流水體，將引起藻類及其他浮游生物過度繁殖，誘發(fā)水體富營養(yǎng)化，造成水環(huán)境大面積污染，對生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟和人體健康造成嚴重的威脅。隨著日益尖銳的水資源短缺以及水體富營養(yǎng)化問題，水污染的防治越來越受到重視，同時氮的排放標準也越來越嚴格，因而尋求經(jīng)濟、高效、環(huán)保的脫氮方法已經(jīng)成為近年來水處理領域研究的熱點。

人工快滲系統(tǒng)是在傳統(tǒng)快滲系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，集建設和運行成本低、運行穩(wěn)定、建設周期短、出水效果好等優(yōu)點為一體的新型污水處理技術。該系統(tǒng)在淹水期利用滲濾介質吸附、截留污染物質，在落干期通過介質上附著生長的微生物降解污染物質以達到凈化污水的效果。該技術對處理小城鎮(zhèn)生活污水、污水處理設施不完善的農村生活污水以及受污染地表水時的效果顯著，化學需氧量、氨氮、懸浮物等的去除率可達80％以上，但對總氮的去除效果卻很差，去除率僅有30％左右，難以達到排放標準。究其原因，這是因為人工快滲系統(tǒng)采用重力推流式進水，在硝化階段大部分氨氮通過硝化細菌的作用轉化成硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮，同時有機物在異養(yǎng)菌的作用下逐級降解，到達反硝化階段時，反硝化細菌得不到足夠的有機物質供給生長代謝，僅有少部分的硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮能成功轉化為氮氣逸出，大部分還是隨出水排出，導致其總氮去除率低，阻礙了該技術在污水脫氮領域的應用和發(fā)展。

因此，若能開發(fā)一種高效脫氮的人工快滲系統(tǒng)，用于受污染水體的凈化，對推廣人工快滲污水生態(tài)處理技術、預防水體富營養(yǎng)化以及實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用均具有重要的現(xiàn)實意義。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是解決上述問題，提供一種結構簡單、總氮去除效率高的電極強化脫氮的人工快滲裝置。

為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是：一種電極強化脫氮的人工快滲裝置，包括通過管道連接的進水箱、噴灑器，以及設置于噴灑器下方的反應池，所述反應池內由上往下依次設置有進水區(qū)、緩沖層、反應區(qū)一、分隔層、反應區(qū)二、承托層，反應池底部設有出水口，所述反應區(qū)一內的填料上附著有硝化細菌，反應區(qū)二的反應池內壁上設有高純鐵片，且在反應區(qū)二內附著有反硝化細菌的填料中還設有高純石墨碳棒，高純鐵片和高純石墨碳棒通過導線與電源相連接。

優(yōu)選地，所述進水箱和噴灑器之間還設有蠕動泵，進水箱、蠕動泵、噴灑器依次通過管道連接。

優(yōu)選地，所述進水箱和蠕動泵之間的管道上設有微電腦定時器，所述蠕動泵與噴灑器之間的管道上設有流量計。

優(yōu)選地，所述反應區(qū)一采用體積比為9：1的天然河砂、沸石砂均勻混合后作為填料，所述天然河砂由細砂和粗砂按照體積比4：1均勻混合而成，粒徑分別為0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒徑為2～3mm。

優(yōu)選地，所述反應區(qū)二采用體積比為8：1：1的天然河砂、沸石砂和羊糞生物炭均勻混合后作為填料，天然河砂由細砂和粗砂按照體積比4：1均勻混合而成，粒徑分別為0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒徑為2～3mm，羊糞生物炭的粒徑為0.05～0.15mm。

優(yōu)選地，所述緩沖層、分隔層和承托層均采用礫石作為填料，礫石粒徑為5～8mm。

優(yōu)選地，所述反應區(qū)一的高度為反應區(qū)二高度的1.6～2.5倍。

優(yōu)選地，所述進水區(qū)的高度為14～20cm，不填充任何填料。

優(yōu)選地，所述緩沖層、分隔層和承托層的高度均為2～5cm。

本實用新型的有益效果是：本實用新型提供的電極強化脫氮的人工快滲裝置，反應區(qū)一無需設置爆氣設備，通過自然復氧滿足硝化菌在硝化過程對氧氣的需求，節(jié)約了人工曝氣供氧所需的能耗，而反應區(qū)二采用高純鐵片和高純石墨碳棒在微電流下產H₂和CO₂，分別為自養(yǎng)反硝化階段提供了電子供體和無機碳源，同時保證了良好的缺/厭氧環(huán)境，從而能在無需外加碳源的前提下強化脫氮效果。總體而言，該人工快滲裝置具有結構簡單、操作方便、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，是一種高效、經(jīng)濟的污水處理系統(tǒng)，適于規(guī)?；a，在污水處理領域具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是本實用新型電極強化脫氮的人工快滲裝置結構示意圖。

附圖標記說明：1、進水箱；2、微電腦定時器；3、蠕動泵；4、流量計；5、噴灑器；6、進水區(qū)；7、緩沖層；8、反應區(qū)一；9、分隔層；10、反應區(qū)二；11、承托層；12、出水口；13、高純石墨碳棒；14、高純鐵片；15、電源。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步的說明：

如圖1所示，本實用新型的電機強化脫氮的人工快滲裝置，包括進水箱1、噴灑器5和反應池。進水箱1和噴灑器5通過管道連接，反應池設置于噴灑器5下方。噴灑器5用于均勻布水。反應池內由上往下依次設置有進水區(qū)6、緩沖層7、反應區(qū)一8、分隔層9、反應區(qū)二10、承托層11，反應池底部設有出水口12。反應區(qū)一8內的填料上附著有硝化細菌，反應區(qū)二10內的填料上附著有反硝化細菌。位于反應區(qū)二10處的反應池內壁上設有高純鐵片14，且反應區(qū)二10的填料之中還插設有高純石墨碳棒13，高純鐵片14和高純石墨碳棒13通過導線與電源15相連接。

在本實施例中，進水箱1和噴灑器5之間還設有蠕動泵3，蠕動泵3用于進水。進水箱1、蠕動泵3、噴灑器5依次通過管道連接。進水箱1和蠕動泵3之間的管道上設有微電腦定時器2，蠕動泵3與噴灑器5之間的管道上設有流量計4。微電腦定時器2用于控制進水時間，流量計4用于控制進水流量。需要說明的是，定時器2、蠕動泵3和流量計4只是本實施例中的優(yōu)選方式。本實用新型中也可以不設置蠕動泵3，直接利用重力作用使原水進入噴灑器5中。而定時器2和流量計4的目的是為了更好的控制原水處理量，從而進一步提高污水處理效果和效率。也可以采用其它方式對進水量進行控制。電源15采用可調直流供電電源。高純鐵片14和高純石墨碳棒13均可以通過市場購買獲得。

進一步的，在本實施例中，反應區(qū)一8的高度為反應區(qū)二10高度的1.6～2.5倍。進水區(qū)6的高度為14～20cm，不填充任何填料。反應區(qū)一8采用體積比為9：1的天然河砂、沸石砂混合均勻后作為填料，天然河砂由細砂和粗砂按照體積比4：1均勻混合而成，粒徑分別為0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒徑為2～3mm。反應區(qū)二10采用體積比為8：1：1的天然河砂、沸石砂和羊糞生物炭混合均勻后作為填料，天然河砂由細砂和粗砂按照體積比4：1均勻混合而成，粒徑分別為0.2～0.5mm、1～2mm，沸石砂粒徑為2～3mm，羊糞生物炭的粒徑為0.05～0.15mm。緩沖層7、分隔層9和承托層11的高度均為2～5cm，均采用礫石作為填料，礫石粒徑為5～8mm。

其中，羊糞生物炭的制備方法如下：晾干并挑出羊糞中的雜質，粉碎后烘干，過0.25mm篩，取適量于坩堝中，蓋好后放進馬弗爐中，加熱到650℃后恒溫3h。冷卻至室溫后以固液比(m：V)1：20的比例加入1.0mol/L的鹽酸溶液中，放入震蕩箱在室溫下震蕩2～3次，每次0.5～1.0h，震蕩頻率為150～300r/min。結束后用去離子水反復清洗至中性，烘干，過0.15mm篩，做好標記，儲存于干燥箱中備用。

顯然，羊糞生物炭的制備方法并不限于上述步驟及相應的參數(shù)，可以采用本領域中其它常規(guī)羊糞生物炭制備方法。進一步的，除采用羊糞生物炭，還可以采用其它動物糞制作生物碳來替換羊糞生物炭或組成混合物。羊糞生物炭作為一種優(yōu)質吸附劑，可有效吸附污水中的硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮等污染物，提高反應區(qū)二10的反硝化效率，同時為畜禽糞便的新型資源化利用提供了新途徑，有助于解決畜禽糞便過剩帶來的環(huán)境污染問題。不僅如此，羊糞生物炭在反應過程中羊糞還起著一定的導電功效，從而提高人工快滲系統(tǒng)脫氮的效率。

值得說明的是，反應池內各區(qū)段的具體高度和比例并沒有特殊限制，可以根據(jù)實際要求進行相應的設定。此外，各區(qū)段的填料設置，包括填料種類、組成、比例以及具體的尺寸等，也并不限于本實施例中所述，可采用本領域中其它常規(guī)的填料種類及相應的參數(shù)進行填裝。

本實用新型對氮的去除機理是：廢水中的含氮污染物質在反應區(qū)一8內被填料截留或吸附，在濕/干交替運行的有氧反應過程中，附著在填料上的硝化細菌利用廢水中的無機碳源將大部分氨氮轉化成硝酸鹽或亞硝酸鹽，進入反應區(qū)二10后，異養(yǎng)微生物利用剩余的有機碳源進行反硝化脫氮，同時浸沒在污水中的高純鐵片14在微電流作用下產生的H₂，能為反硝化過程中的氫自養(yǎng)反硝化菌提供電子供體，提高反硝化過程的效率。此外，體系中的高純石墨碳棒13在微電流作用下產生的CO₂，能為自養(yǎng)反硝化細菌提供無機碳源，并有利于營造缺/厭環(huán)境，從而進一步提高了該裝置對硝酸鹽或亞硝酸鹽的去除率。

氫自養(yǎng)反硝化階段的化學反應式如下：

陰極：

2H⁺+2e→H₂ (e⁰＝0.828V)

2H₂O+2e^-→H₂+2OH^- (e⁰＝0V)

陽極：

C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^- (e⁰＝0.207V)

2OH^-→0.5O₂+H₂O+2e (e⁰＝1.229V)

總反應：

2NO₃^-+5H₂+2H⁺→N₂+6H₂O

以下通過具體的實驗例對本實用新型做進一步的說明，以進一步展示本實用新型的優(yōu)點和原理：

實驗例

進水取自某學生公寓區(qū)的生活污水，通過自來水稀釋或投加C₆H₁₂O₆、NH₄Cl、NaHCO₃、HCl等，使其主要水質指標達到如表1所示的范圍。

表1：進水主要水質指標

運行方式如下：在室溫(25±2)℃條件下，污水通過蠕動泵3輸送至噴灑器5，從進水區(qū)6流入，經(jīng)過緩沖層7后滲入反應區(qū)一8的填料中，再經(jīng)過分隔層9后滲入反應區(qū)二10的填料中，最后經(jīng)過承托層11后從出水口12排出。運行過程中采用微電腦定時器2和流量計4來控制布水時間和流量，水力負荷為1.0m³/(m²·d)，水力負荷周期為6～8小時，濕干比為1：2～1：3，電流強度為4～10mA。連續(xù)運行2個月，每2d檢測一次出水水質。結果表明，出水COD、NH₃-N、TN的濃度分別為10.5～36.2mg/L、0.2～3.7mg/L、4.2～14.5mg/L，其中TN的去除率為64.3～87.3％，相比傳統(tǒng)人工快滲系統(tǒng)提高了30～50％。

本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本實用新型的原理，應被理解為本實用新型的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據(jù)本實用新型公開的這些技術啟示做出各種不脫離本實用新型實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實用新型的保護范圍內。