本發(fā)明涉及一種利用好氧和厭氧生物膜反應器去除地表水體（諸如湖泊，河流，水庫及池塘等）硝酸鹽的裝置和方法。該裝置和方法能夠有效去除水體中硝酸鹽，同時能夠促進上下水體混合。該裝置和方法還可以結(jié)合廢水生物處理氧化塘和人工濕地，以拓展處理效果。

背景技術：

現(xiàn)有的天然水體原位處理系統(tǒng)多數(shù)通過曝氣方式或結(jié)合生態(tài)浮床去除水體中氨氮或有機質(zhì)，但是在好氧的條件下氨氮會被硝化細菌氧化成硝酸鹽。而反硝化細菌為厭氧菌，因此該方法對于硝酸鹽的去除效果并不明顯。同時水體中大部分的有機質(zhì)是難以被生物體直接利用的，因此導致水體中反硝化活性較低，目前天然水體中硝酸鹽的去除方法需要外加有機碳源，如甲醇、乙酸、丙酸等，但卻增加了運行成本。

植物殘體在被水體中微生物降解過程中會釋放有機物碳，大分子有機碳經(jīng)過降解會轉(zhuǎn)化為小分子有機碳從而可以被微生物直接利用，反硝化細菌會利用產(chǎn)生的小分子有機碳將硝酸鹽還原為氮氣，從而實現(xiàn)硝酸鹽的去除。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能耗低、投資和運行費用少，應用前景廣闊的基于好氧和厭氧生物膜去除水體硝酸鹽的裝置和方法，實現(xiàn)地表水體中硝酸鹽的脫除，提高水質(zhì)，降低地表水體中藻類水華發(fā)生的幾率。

本發(fā)明通過結(jié)合水生植物殘體降解與好氧厭氧生物膜兩種工藝，達到降低進水中硝酸鹽的目標。具體技術方案如下：

一種基于生物膜反應器去除水體硝酸鹽的裝置，包括動力裝置和反應裝置；

所述動力裝置放置于水上浮臺上，包括氣泵、水泵和為氣泵、水泵提供能源的供能裝置；

所述反應裝置位于水平面下部，從上至下依次包括好氧生物膜反應器和厭氧生物膜反應器；所述厭氧生物膜反應器為升流式反應器，厭氧生物膜反應器頂部密封，上部的側(cè)壁設有開口，與所述好氧生物膜反應器連通，所述厭氧生物膜反應器底部設有反應器底托，將所述厭氧生物膜反應器底部封閉；

所述好氧生物膜反應器內(nèi)有曝氣頭和輕質(zhì)填料，所述曝氣頭連接氣泵，為好氧生物膜反應器供氧，好氧生物膜反應器未與厭氧生物膜反應器連接的一端采用網(wǎng)格封閉；

所述厭氧生物膜反應器內(nèi)部通過篩網(wǎng)分隔為兩層，上層為填料層，內(nèi)裝有輕質(zhì)填料，下層為植物殘體層，內(nèi)裝有植物殘體；植物殘體層處設有進水口，水泵通過伸入水中的進水管進水，再通過進水口將水泵入至植物殘體層進行反應。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述好氧生物膜反應器采用網(wǎng)格封閉的一端向上傾斜；好氧生物膜反應器的數(shù)目為至少兩個。好氧生物膜反應器和厭氧生物膜反應器傾斜連接，如果采用兩個或以上的好氧生物膜反應器能夠保證有機質(zhì)的去除效果。好氧生物膜反應器一般設置2~6個，數(shù)目過多會增加成本，可以根據(jù)水體硝酸鹽含量濃度的實際情況增減好氧生物膜反應器的數(shù)目。好氧生物膜反應器采用網(wǎng)格封閉的一端向上傾斜，可以引導填料堆積方向，并且有利于鼓入的空氣的流動，有利于好氧生物膜反應器內(nèi)反應的進行。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述厭氧生物膜反應器、好氧生物膜反應器為圓柱體結(jié)構(gòu)，材質(zhì)選用有機玻璃。所述厭氧生物膜反應器主體由上下兩段有機玻璃管組成，上段有機玻璃管作為填料層，內(nèi)裝有輕質(zhì)填料，下段有機玻璃管作為植物殘體層，內(nèi)裝有植物殘體；兩段有機玻璃管內(nèi)徑相同，管間通過篩網(wǎng)隔開；所述厭氧生物膜反應器外還設有不銹鋼卡套，所述不銹鋼卡套包括環(huán)形不銹鋼套及不銹鋼條，不銹鋼卡套下端的環(huán)形不銹鋼套卡在下段有機玻璃管上，環(huán)形不銹鋼套上的不銹鋼條延伸至上段有機玻璃管并卡在上段有機玻璃管頂端，將兩段有機玻璃管密封連接為一個整體。將厭氧生物膜反應器設置為兩段有機玻璃管拼接形成的結(jié)構(gòu)，并用不銹鋼卡套固定，便于植物殘體層內(nèi)植物殘體的更換，定期打開不銹鋼卡套，將下段裝植物殘體的玻璃管取出更換植物殘體。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述好氧生物膜反應器和厭氧生物膜反應器之間采用柔性連接。柔性連接穿過厭氧生物膜反應器上壁的開口連接好氧生物膜反應器，用于反應水體的流通。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述裝置采用太陽能供能，所述供能裝置包括太陽能板和蓄電池。以太陽能作為動力來源，無需能耗、無污染、無運行成本、通用性好，且環(huán)境相容性好，不破壞湖泊的景觀功能。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述厭氧生物膜反應器中，植物殘體層的植物殘體體積填充比例為85%~95%，輕質(zhì)填料層的體積填充比例為75%~85%。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述好氧生物膜反應器中，輕質(zhì)填料的填充比例為80%~90%。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述輕質(zhì)填料選用MBBR填料；所述植物殘體選用沉水植物殘體。

本發(fā)明的裝置中，所述輕質(zhì)填料可為塑料空心小球或者半軟性填料；氣泵與曝氣頭相連的軟管可以是硅膠管、橡膠管或者其他類似軟管；水泵進水管和連接至厭氧生物膜反應器的進水口均采用軟管，可為硅膠管、橡膠管或者其他類似軟管。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于生物膜反應器去除水體硝酸鹽的方法，包括如下步驟：

（1）反硝化反應去除硝酸鹽：水泵將含硝酸鹽水體通過進水口泵入升流式厭氧生物膜反應器底部，升流式厭氧生物膜反應器底部裝有植物殘體，上層裝有附著反硝化微生物的輕質(zhì)填料，輕質(zhì)填料和植物殘體間通過篩網(wǎng)分隔，含硝酸鹽水體經(jīng)篩網(wǎng)從升流式厭氧生物膜反應器底部經(jīng)篩網(wǎng)流入上層，水體中硝酸鹽經(jīng)反硝化反應還原為氮氣；

其中，反應所需的碳源由植物殘體提供，植物殘體在含硝酸鹽水體中微生物的作用下釋放出有機碳作為反硝化反應的碳源；

（2）去除水體有機質(zhì)：經(jīng)升流式厭氧生物膜反應器反硝化處理后的水體流入好氧生物膜反應器，好氧生物膜反應器內(nèi)通過曝氣供氧，內(nèi)裝有附著微生物的輕質(zhì)填料，水體在好氧生物膜反應器在微生物作用下進行有機物降解，去除水體中的有機物；處理后的水體進入天然水體中。

本發(fā)明采用好氧厭氧生物膜反應器處理含硝酸鹽的地表原水，在適當?shù)臏囟葪l件下，厭氧生物膜反應器經(jīng)過一周左右時間的自然培養(yǎng)馴化后，輕質(zhì)填料表面會附著生長一定量的活性微生物，并能夠通過反硝化作用降低進水中硝酸鹽含量，同時好氧生物膜反應器可以降解水體中有機物，從而降低進水天然水體的有機物含量。

本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)點：

1. 本發(fā)明以太陽能作為動力來源，無需能耗、無污染、無運行成本、通用性好，且環(huán)境相容性好，不破壞湖泊的景觀功能；

2. 以水生植物殘體降解-厭氧好氧生物膜結(jié)合的技術方式，實現(xiàn)地表水體中硝酸鹽的去除。此方法既能夠高效去除硝酸鹽，無需外加有機碳源，降低了運行成本，又能夠促進上層和下層水體的交換混合，促進物質(zhì)交換，加速了水中生物凈化的過程；

3. 本發(fā)明的裝置運行操作簡單，安裝簡便，更換填料方便，管理簡單，適用于天然和人工地表水體的污染控制和水質(zhì)改善，實用性強。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的裝置的縱剖面構(gòu)造圖；

其中，箭頭表示水流方向。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖說明和具體實施方式對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。

實施例1

本實施例說明本發(fā)明的裝置的具體實施方式。

如圖1所示的基于生物膜反應器去除水體硝酸鹽的裝置，包括動力裝置和反應裝置；

所述動力裝置位于水面以上，放置于水上浮臺5上，包括氣泵3、水泵4和為氣泵3、水泵4提供能源的供能裝置；本實施例中采用太陽能功能，供能裝置包括太陽能板1和蓄電池2。

所述反應裝置位于水面下部，從上至下依次包括好氧生物膜反應器6、厭氧生物膜反應器7、反應器底托8；厭氧生物膜反應器7和好氧生物膜反應器6為圓柱體結(jié)構(gòu)，材質(zhì)選用有機玻璃。厭氧生物膜反應器7為升流式反應器，所述反應器底托8位于所述厭氧生物膜反應器7底部，將厭氧生物膜反應器7底部封閉；

所述好氧生物膜反應器6內(nèi)有曝氣頭31和輕質(zhì)填料，所述曝氣頭31連接氣泵3，為好氧生物膜反應器6供氧，好氧生物膜反應器6未與厭氧生物膜反應器連接的一端采用網(wǎng)格61封閉，同時好氧生物膜反應器6采用網(wǎng)格61封閉的一端向上傾斜，考慮成本問題，好氧生物膜反應器6數(shù)目可選擇為2~6個。

所述厭氧生物膜反應器7內(nèi)部通過篩網(wǎng)70分隔為兩層，上層為填料層71，內(nèi)裝有輕質(zhì)填料，填料層71頂部密封，上部的側(cè)壁設有開口711，與好氧生物膜反應器6通過柔性連接712連通；下層為植物殘體層72，內(nèi)裝有植物殘體；植物殘體層72處設有進水口42，水泵4通過伸入水中的進水管41進水，再通過進水口42將水泵入至植物殘體層72進行反應。

實施例2

本實施例與實施例1的不同之處僅在于，所述厭氧生物膜反應器7主體由上下兩段有機玻璃管組成，上段有機玻璃管作為填料層71，內(nèi)裝有輕質(zhì)填料，下段有機玻璃管作為植物殘體層72，內(nèi)裝有植物殘體；兩段有機玻璃管內(nèi)徑相同，管間通過篩網(wǎng)70隔開；

為固定連接兩段有機玻璃管，所述厭氧生物膜反應器7外還設有不銹鋼卡套9，所述不銹鋼卡套9包括環(huán)形不銹鋼套91及不銹鋼條92，不銹鋼卡套9下端的環(huán)形不銹鋼套91卡在下段有機玻璃管上，環(huán)形不銹鋼套91上的不銹鋼條92延伸至上段有機玻璃管并卡在上段有機玻璃管頂端，將兩段有機玻璃管密封連接為一個整體。

實施例3

本實施例說明本發(fā)明方法的具體實施方式。

本發(fā)明的方法具體包括如下步驟：

（1）反硝化反應去除硝酸鹽：水泵將含硝酸鹽水體通過進水口泵入升流式厭氧生物膜反應器底部，升流式厭氧生物膜反應器底部裝有植物殘體，上層裝有附著反硝化微生物的輕質(zhì)填料，輕質(zhì)填料和植物殘體間通過篩網(wǎng)分隔，含硝酸鹽水體經(jīng)篩網(wǎng)從升流式厭氧生物膜反應器底部經(jīng)篩網(wǎng)流入上層，水體中硝酸鹽經(jīng)反硝化反應還原為氮氣；

其中，反應所需的碳源由植物殘體提供，植物殘體在含硝酸鹽水體中微生物的作用下釋放出有機碳作為反硝化反應的碳源；

（2）去除水體有機質(zhì)：經(jīng)升流式厭氧生物膜反應器反硝化處理后的水體流入好氧生物膜反應器，好氧生物膜反應器內(nèi)通過曝氣供氧，內(nèi)裝有附著微生物的輕質(zhì)填料，水體在好氧生物膜反應器在微生物作用下進行有機物降解，去除水體中的有機物；處理后的水體進入天然水體中。

實施例4

實施例4-實施例6用于說明本發(fā)明裝置的具體應用效果。本實施例中，對南京市玄武區(qū)某景觀水體開展硝酸鹽脫除工程。在湖水中構(gòu)建本發(fā)明實施例2所述的好氧厭氧生物膜反應器裝置。

本實施例中太陽能板1選擇1個12V100W的單晶太陽能板，蓄電池2選用1個12V60AH的鉛酸電池，氣泵3選用12V35W氣泵，水泵4選用12V60W水泵；

厭氧生物膜反應器7為直徑14cm，高度100cm的有機玻璃反應器，篩網(wǎng)70安裝在厭氧生物膜反應器7底部以上15cm處；在厭氧生物膜反應器7底部設置水生植物殘體層72，上部設置輕質(zhì)填料層71，沉水植物選擇待處理景觀水體內(nèi)的沉水植物金魚藻，植物殘體層體積裝填比例控制在85%；輕質(zhì)填料選擇直徑為φ10mm*8mm的MBBR填料，輕質(zhì)填料層的體積填充比例控制在80%；厭氧生物膜反應器中的水流采用上流形式，原水依次流經(jīng)水生植物殘體層72和輕質(zhì)填料層71完成反硝化過程后進入好氧生物膜反應器6；好氧生物膜反應器6為有機玻璃材質(zhì)，直徑30cm，長度100cm，輕質(zhì)填料選擇直徑為φ10mm*8mm的MBBR填料，輕質(zhì)填料的體積填充比例控制在85%；水流在好氧、厭氧生物膜反應器中的停留時間為2小時。

在系統(tǒng)試運行的35天期間，對處理景觀水體的好氧厭氧生物膜反應器進出水水質(zhì)進行了檢測分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對硝酸鹽的平均去除率分別為96%，達到了強化地表水硝酸鹽去除的效果。

實施例5

對南京市玄武區(qū)某景觀水體開展硝酸鹽脫除工程。在湖水中構(gòu)建本發(fā)明實施例2所述的好氧厭氧生物膜反應器裝置。

太陽能板1選擇1個12V100W的單晶太陽能板，蓄電池2選用1個12V60AH的鉛酸電池，氣泵3選用12V35W氣泵，水泵4選用12V40W水泵；

厭氧生物膜反應器7為直徑14cm，高度100cm的有機玻璃反應器，篩網(wǎng)70安裝在厭氧生物膜反應器7底部以上15cm處；在厭氧生物膜反應器7底部設置水生植物殘體層72，上部設置輕質(zhì)填料層71，沉水植物選擇待處理景觀水體內(nèi)的沉水植物金魚藻，植物殘體層體積裝填比例控制在90%；輕質(zhì)填料選擇直徑為φ10mm*8mm的MBBR填料，輕質(zhì)填料層的體積填充比例控制在75%；厭氧生物膜反應器中的水流采用上流形式，原水依次流經(jīng)水生植物殘體層72和輕質(zhì)填料層71完成反硝化過程后進入好氧生物膜反應器6；好氧生物膜反應器6為有機玻璃材質(zhì)，直徑30cm，長度100cm，輕質(zhì)填料選擇直徑為φ18mm*10mm的MBBR填料，輕質(zhì)填料的體積填充比例控制在90%；水流在好氧、厭氧生物膜反應器中的停留時間為2.5小時。

在系統(tǒng)試運行的40天期間，對處理景觀水體的好氧厭氧生物膜反應器進出水水質(zhì)進行了檢測分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對硝酸鹽的平均去除率為93%，達到了強化地表水硝酸鹽去除的效果。

實施例6

對南京市秦淮區(qū)某景觀水體開展硝酸鹽脫除工程。在湖水中構(gòu)建本發(fā)明所述的好氧厭氧生物膜反應器裝置。

太陽能板1選擇1個12V100W的單晶太陽能板，蓄電池2選用1個12V60AH的鉛酸電池，氣泵3選用12V35W氣泵，水泵4選用12V40W水泵；

厭氧生物膜反應器7為直徑14cm，高度100cm的有機玻璃反應器，篩網(wǎng)70安裝在厭氧生物膜反應器7底部以上15cm處；在厭氧生物膜反應器7底部設置水生植物殘體層72，上部設置輕質(zhì)填料層71，沉水植物選擇待處理景觀水體內(nèi)的沉水植物金魚藻，植物殘體層體積裝填比例控制在95%；輕質(zhì)填料選擇直徑為φ10mm*8mm的MBBR填料，輕質(zhì)填料層的體積填充比例控制在85%；厭氧生物膜反應器7中的水流采用上流形式，原水依次流經(jīng)水生植物殘體層72和輕質(zhì)填料層71完成反硝化過程后進入好氧生物膜反應器6；好氧生物膜反應器6為有機玻璃材質(zhì)，直徑30cm，長度100cm，輕質(zhì)填料選擇直徑為φ18mm*10mm的MBBR填料，輕質(zhì)填料的體積填充比例控制在80%；水流在好氧、厭氧生物膜反應器中的停留時間為3小時。

在系統(tǒng)試運行的50天期間，對處理景觀水體的好氧厭氧生物膜反應器進出水水質(zhì)進行了檢測分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)對硝酸鹽的平均去除率為93.7%，達到了強化地表水硝酸鹽去除的效果。