一種光電人工濕地及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于污水處理領(lǐng)域，具體涉及一種光電人工濕地及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]低污染水是引發(fā)水體富營養(yǎng)化的污染源之一，其治理為我國湖泊環(huán)境保護(hù)的重要組成部分，低污染水主要包括污水處理廠尾水、污染較重的溝渠水、農(nóng)田灌溉退水等，由于其水質(zhì)指標(biāo)在污水處理廠排污標(biāo)準(zhǔn)與地表水V類標(biāo)準(zhǔn)之間，因此其未經(jīng)處理直接排放會大幅增加受納水體的氮磷等營養(yǎng)鹽負(fù)荷，從而引發(fā)水體的富營養(yǎng)化。
[0003]太湖周邊有近200座污水處理廠，其污水處理廠尾水作為低污染水之一，含有較高的硝態(tài)氮、總磷、氨氮等，屬于劣五類水，如果尾水未經(jīng)深度處理直接排入太湖，將會進(jìn)一步增加已經(jīng)處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的太湖水體中N、P等營養(yǎng)鹽含量，使太湖富營養(yǎng)化程度進(jìn)一步加劇。因此，為了有效削減排入太湖及周邊水體中氮磷負(fù)荷，對太湖周邊的污水處理廠尾水進(jìn)行深度脫氮除磷就顯得尤為重要。
[0004]目前針對尾水脫氮研究多采用超濾膜、反滲透膜分離或臭氧活性炭吸附等過濾處理，這些處理技術(shù)雖然效果較好，但對水處理量較大的污水處理廠來說很難得到廣泛應(yīng)用。磷的去除方法主要有生物法和化學(xué)沉淀法以及兩者之間的聯(lián)合工藝，生物法除磷效率不夠穩(wěn)定，無法滿足日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)?；瘜W(xué)沉淀法被廣泛應(yīng)用于各種污水處理工藝中，除磷效率相對較高，但是，該方法費(fèi)用較高并且會產(chǎn)生大量無用的化學(xué)污泥，因此是一種慎重選擇的處理技術(shù)。
[0005]作為典型的生態(tài)處理技術(shù)，人工濕地技術(shù)被廣泛應(yīng)用于污染水體的水質(zhì)凈化與恢復(fù)、面源污染控制、雨水處理與利用、污水處理等領(lǐng)域，具有投資及維護(hù)費(fèi)用低、出水水質(zhì)好、二次污染小等優(yōu)點(diǎn)，可大幅削減進(jìn)入受納水體的氮磷等污染物負(fù)荷，在一定程度上保障受納水體的水質(zhì)需求，具有良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
[0006]人工濕地技術(shù)雖然可以有效地去除污水中總氮、總磷、懸浮固體、生物需氧量、重金屬、病原微生物等，但是人工濕地脫氮除磷效果具有明顯的不穩(wěn)定性，究其原因主要有:
(I)人工濕地易受環(huán)境、特別是溫度的影響，其處理效果呈現(xiàn)明顯的季節(jié)波動性；(2)研究表明人工濕地對磷的去除作用主要是通過濕地基質(zhì)的吸附作用得以去除，但是當(dāng)基質(zhì)吸附作用達(dá)到飽和或是水體中磷濃度相對較低時，吸附的磷會二次釋放到水體中，從而導(dǎo)致人工濕地磷去除的不穩(wěn)定性；(3)當(dāng)污水中有機(jī)物含量較低時，當(dāng)B0D/TN低于4時，可應(yīng)用于反硝化微生物脫氮的有機(jī)碳源不足，會導(dǎo)致人工濕地對硝態(tài)氮去除能力的下降。
[0007]近年來，電化學(xué)作為污水處理的高級氧化技術(shù)，利用電子這一清潔的試劑實(shí)現(xiàn)污染物的去除，因其效率高且不受環(huán)境條件因子的限制，受到廣泛關(guān)注。電化學(xué)法主要有內(nèi)電解法與微電解法、電凝聚法、電氣浮法、電氧化法等。電化學(xué)方法可以對多種污染物進(jìn)行快速高效去除，在脫氮除磷方面也得到了廣泛的研究和應(yīng)用。
[0008]電化學(xué)方法的脫氮研究包括直接電解法、復(fù)三維電極生物膜法、電氧化法等，近年來許多研究學(xué)者對其進(jìn)行了廣泛的研究，李德生等利用催化電氧化技術(shù)對污水處理廠尾水進(jìn)行脫氮處理，將電氧化技術(shù)與催化活性填料進(jìn)行技術(shù)耦合，催化活性填料為活性炭和含有錳、鐵、銅、銀等金屬固體顆粒組成，研究結(jié)果表明，催化電氧化技術(shù)在電流密度為32.67mA/cm2、進(jìn)水 pH 值為 6.25 ?7.02、HRT 為 30min 時，總氮(TN)從 26.40mg/L 降至
11.9mg/L，NO3 -N 從 18.03mg/L 降至 4.90mg/L，去除率分別可達(dá)到 54.9%和 72.8% ；TN 脫除主要以硝氮(NO3-N)的去除為主。李素梅等利用復(fù)三維生物膜電極對去除城市污水處理廠二級出水中的硝態(tài)氮進(jìn)行研究，結(jié)果表明:反應(yīng)器中同時存在異養(yǎng)和自養(yǎng)兩種反硝化細(xì)菌，在C/N = 1.5,HRT = 1hU = 60mA的運(yùn)行條件下，硝態(tài)氮的去除率達(dá)85?90%，處理效果顯著優(yōu)于單純生物膜處理法。
[0009]電解法除磷主要是綜合了沉淀、絮凝和氣浮等多種過程，以鐵電極為例:在電解過程中，陽極釋放的Fe2+和溶液中的Fe 3+會與磷酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成難溶性鐵鹽。另外，部分Fe2+和Fe 3+在一定的pH范圍內(nèi)與溶液中的OH反應(yīng)生成難溶性的鐵的羥基化合物，這些含鐵的羥基絡(luò)合物能發(fā)生膠體絮凝，從而達(dá)到處理水質(zhì)的作用。早在20世紀(jì)70年代，歐美國家就開始將電解法除磷技術(shù)應(yīng)用于食品廢水、石化廢水，以及一些重金屬廢水的處理上。Bektas等研究了溶液初始含量、初始pH、電流密度、電解時間與除磷效率的關(guān)系。Irdemes等采用鐵電極系統(tǒng)，研究了溶液PH對電絮凝除磷過程的影響，結(jié)果表明整個系統(tǒng)的pH控制在6?7較好；高敏等研究了原水pH、電解電流、極板間距對污水除磷的影響規(guī)律，結(jié)果表明，電解電流增大，TP的去除效果提高，極板間距太小時，會產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象；極板間距過大時，相應(yīng)的能耗會增大。犧牲鐵陽極法可以快速高效去除磷酸鹽，但是由于在水體中仍然會有殘留的鐵離子，因此，如果可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鐵離子的有效去除，是電絮凝法除磷方法需要解決的一個問題。
[0010]生物質(zhì)炭作為一種新型環(huán)保的污水處理新材料，由于其具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積大，吸附性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于污水的處理研究中，生物質(zhì)炭不僅對水體富營養(yǎng)化中氮磷等營養(yǎng)鹽具有較高的吸附性，而且在生物地球化學(xué)循環(huán)、氣候變化以及在環(huán)境系統(tǒng)中均發(fā)揮重要作用。在農(nóng)田系統(tǒng)領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果表明生物質(zhì)炭具有降低溫室氣體排放、提高“農(nóng)業(yè)碳匯”、改善土壤性質(zhì)、增加農(nóng)田系統(tǒng)作物產(chǎn)量和控制污染等方面的作用，并且能改變土壤中微生物種群，改善植物的生長環(huán)境。生物質(zhì)炭作為人工濕地的功能填料填充于人工濕地中，一方面可以作為吸附氮磷的功能填料，另一方面由于其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的特點(diǎn)可作為生物膜的載體，因此，可以通過添加生物質(zhì)炭強(qiáng)化人工濕地的脫氮除磷能力。
[0011]近年來研究表明負(fù)載鐵改性后的生物質(zhì)炭的吸附能力會大大高于未改性的生物質(zhì)炭，李際會等利用FeCl3對生物質(zhì)炭進(jìn)行改性負(fù)載鐵處理，制備成高效吸附硝酸鹽和磷酸鹽的改性生物質(zhì)炭，結(jié)果表明在最優(yōu)的改性比例條件下，生物質(zhì)炭在硝態(tài)氮溶液中最適量為44g/L，去除率為75%;在磷溶液中的最適量為8g/L，去除率為99%。蔣旭濤通過對生物質(zhì)炭進(jìn)行負(fù)載鐵鹽改性，改性后的生物質(zhì)炭表面會負(fù)載鐵的氧化物和羥基氧化物，其對磷的結(jié)合能力很強(qiáng)，從而顯著提高生物質(zhì)炭對磷的吸附能力。但是以上的鐵負(fù)載改性方法主要是利用高濃度的化學(xué)試劑進(jìn)行改性，該過程中會產(chǎn)生大量的化學(xué)廢液，不利于大規(guī)模的應(yīng)用。
[0012]針對上述人工濕地脫氮除磷效果不穩(wěn)定的問題，為了充分發(fā)揮電解技術(shù)與生物質(zhì)炭技術(shù)的優(yōu)勢，本發(fā)明將將電解技術(shù)與活性填料生物質(zhì)炭技術(shù)耦合連用，構(gòu)建電解、改性和電-生物催化耦合反應(yīng)區(qū)，作為人工濕地強(qiáng)化脫氮除磷的核心處理單元；同時利用光伏供電系統(tǒng)作為電解反應(yīng)的能量來源，形成了以太陽能驅(qū)動的光一電一濕地三位一體的污水處理集成技術(shù)，這種新型的光電人工濕地強(qiáng)化脫氮除磷的方法，經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)了污水中氮磷等特征污染物的去除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種光電人工濕地，以解決現(xiàn)有人工濕地在對污水的脫氮除磷處理方面效果不佳的問題。
[0014]本發(fā)明還要解決的技術(shù)問題是提供上述光電人工濕地在在污水脫氮除磷方面的應(yīng)用。
[0015]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0016]—種光電人工濕地，它包括潛流式人工濕地和光伏供電系統(tǒng)；其中，潛流式人工濕地內(nèi)含填料，填料上方種植有濕地植物，內(nèi)部設(shè)有陰極板和陽極板，陰極板和陽極板間為電解、改性和電-生物催化耦合反應(yīng)區(qū)；其中，陰極板和陽極板與光伏供電系統(tǒng)相連；其中，潛流式人工濕地中的填料包括碎石和生物質(zhì)炭。
[0017]其中，所述的潛流式人工濕地的床體的長寬比為4?5:1 ;其中，所述的“長”為污水的流向。
[0018]其中，所述的濕地植物為耐寒的水生植物，優(yōu)選西伯利亞鳶尾和圓幣草；其中，濕地植物的種植密度為10?88株/m2。
[0019]其中，所述的陰極板和陽極板的材料為純鐵。
[0020]其中，陰極板和陽極板均垂直于濕地床體底面設(shè)置于潛流式人工濕地中，陰極板和陽極板之間的板間距為10?80cm，陰極板和陽極板在潛流式人工濕地床體中的有效高度為0.25?2.5mο
[0021]其中，陰極板和陽極板在潛流式人工濕地床體中的有效面積與處理濕地的面積為0.01 ?2:1。
[0022]其中，潛流式人工濕地(I)的填料中，所述的生物質(zhì)炭由水生植物在隔絕空氣條件下550?600°C加熱2h制備得到；其中所述的水生植物為蘆葦、菖蒲和西伯利亞鳶尾。
[0023]其中，潛流式人工濕地的填料中，生物質(zhì)炭的體積占填料總體積的10?65%。
[0024]上述光電人工濕地在污水的脫氮除磷方面的應(yīng)用也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0025]當(dāng)待處理污水流入光電人工濕地后，陰極板將對污水中的硝態(tài)氮進(jìn)行電解還原，同時電解出的氫氣可以供給自養(yǎng)反硝化脫氮微生物，而陽極板電解出的Fe3+離子將使磷酸鹽絮凝沉淀。并且在電解、改性和電-生物催化耦合反應(yīng)區(qū)中，填料中生物炭粒子將作為該電解系統(tǒng)的中的第三極而存在并與陰陽兩極協(xié)同作用。生物炭粒子可以吸附電解過程中產(chǎn)生的多余Fe3+離子并對自身進(jìn)行原位Fe 3+改性，在有效提高了自身吸附氮磷能力的同時，避免了電解過程中產(chǎn)生的過多Fe3+離子對水體的二次污染問題，有效保證了該方法的處理效果。與此同時，人工濕地中碎石填料、填料表面的生物膜和植物根系等因素，通過沉降、過濾、吸附、分解和微生物與植物的吸收代謝等方式與電解系統(tǒng)共同作用，強(qiáng)化了人工濕地的脫氮除磷能力。另外，本發(fā)明采用光伏供電系統(tǒng)直接將太陽的光能量轉(zhuǎn)化為電解反應(yīng)所需要的電能量，有效地解決了電解強(qiáng)化人工濕地運(yùn)行過程中的能耗問題。
[0026]有益效果:
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢:
[0028](I)通過構(gòu)建新型電解、改性和電-生物催化耦合反應(yīng)區(qū)為核心的強(qiáng)化人工濕地反應(yīng)體系實(shí)現(xiàn)了污水中高濃度NO3 -N/低濃度PO43 -P的同步高效去除，并將電化學(xué)技術(shù)與人工濕地技術(shù)耦合聯(lián)用，顯著地提高了人工濕地的脫氮除磷效果；
[0029](2)將電化學(xué)技術(shù)與改性生物