一種去除地下水中硝酸鹽的方法及反應器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及地下水處理技術領域，尤其涉及一種去除地下水中硝酸鹽的方法及反應器。
【背景技術】
[0002]地下水一直以來都是一種重要的飲用水資源，在我國657個城市中，有400多個城市以地下水為飲用水源，全國近70%人口以地下水作為飲用水水源。然而近年來，由于氮肥的大量施用、生活污水和含氮廢水的未達標排放以及固體廢棄物的淋濾下滲等原因，導致地下水硝酸鹽污染不斷加劇。飲用硝酸鹽污染的水會嚴重危害人體健康。硝酸鹽在人體腸胃中會被微生物還原為有毒的亞硝酸鹽，亞硝酸鹽可將血紅蛋白中的二價鐵轉(zhuǎn)化為三價鐵，使血紅蛋白不再具有攜氧能力，導致人體出現(xiàn)窒息現(xiàn)象，并可能誘發(fā)癌癥。嬰兒胃內(nèi)酸度低于成年人，更有利于硝酸鹽還原菌的生長，使得嬰兒易患高鐵血紅蛋白癥，俗稱“藍嬰病”。長期飲用高硝酸鹽含量的水還會造成智力下降，聽覺和視覺的條件反射遲鈍等。世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)布的《飲用水水質(zhì)準則》(第四版)對飲用水中硝酸鹽濃度的指導性標準為50mg/L。美國環(huán)保署施行的飲用水標準規(guī)定硝酸鹽氮濃度不得超過10mg/L，我國自2007年7月開始實行的《生活飲用水衛(wèi)生標準》也規(guī)定飲用水中硝酸鹽氮不得超過10mg/L。
[0003]目前對受硝酸鹽污染地下水的凈化技術主要包括物理處理法、化學處理法和生物處理法三大類。物理處理法如蒸餾法、反滲透法、吸附法，只實現(xiàn)了硝酸鹽的分離和濃縮，同時還會產(chǎn)生濃度很高的再生廢液，需要二次處理?；瘜W處理法使用活潑金屬、氫氣或甲酸等還原劑脫除飲用水中的硝酸鹽氮，由于會產(chǎn)生金屬離子等反應產(chǎn)物或殘留有毒有害物質(zhì)從而導致二次污染，后續(xù)處理困難。
[0004]生物反硝化技術是常用的生物處理法，利用微生物的反硝化作用，將水中的硝酸鹽最終轉(zhuǎn)化為N。反硝化作用包括自養(yǎng)反硝化作用和異養(yǎng)反硝化作用。其中，異養(yǎng)反硝化對硝酸鹽還原效率高，操作簡單，應用最為廣泛，但異養(yǎng)細菌的污泥生長快，會導致反應器堵塞，出水濁度較高，并且，有機碳的過量添加也可能導致二次污染。而自養(yǎng)反硝化可以減少反應器中生物量的積累，減少堵塞并避免污水中有機碳的殘留。與硫自養(yǎng)反硝化相比，氫自養(yǎng)反硝化在反應器中不會殘留或產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，而且氫自養(yǎng)菌生長速率比硫細菌快24倍。因此，氫自養(yǎng)是一種更優(yōu)越的自養(yǎng)反硝化方式。然而，氫氣儲存和運輸?shù)臐撛谖ｋU，硝酸鹽還原率低和無機碳的缺乏限制了自養(yǎng)反硝化的廣泛應用。將自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化相結(jié)合，能夠減少碳源的投加量，降低污泥產(chǎn)率，異養(yǎng)菌呼吸作用產(chǎn)生的CO2能夠被自養(yǎng)菌作為無機碳源利用，并且還能保證較高的反硝化效率，二者相互之間可以進行有益的補充，是一種有前景的協(xié)同生物反硝化體系。
[0005]目前，在氫自養(yǎng)反硝化基礎上發(fā)展起來的電極生物膜技術，能夠通過電化學原位產(chǎn)氫，克服外部直接供氫造成的氣體流失和安全隱患等問題，并且將氫自養(yǎng)菌固定在陰極周圍能夠提尚氣氣的利用率，從而提尚反硝化效率。在基于氣自養(yǎng)反硝化的電極生物月旲技術中通過投加有機碳源引入異養(yǎng)反硝化，如此可以加快反硝化速率，同時異養(yǎng)菌呼吸作用產(chǎn)生大量的CO2，解決了自養(yǎng)反硝化無機碳源的供給問題。申請?zhí)枮?0129851.8的中國專利文獻報道了一種去除飲用水中硝酸鹽氮的方法和反應器，使用無煙煤作為生物載體，將固定床異養(yǎng)反硝化裝置和電化學自養(yǎng)反硝化裝置串聯(lián)，去除飲用水中的硝酸鹽氮，其中異養(yǎng)段和自養(yǎng)段是分離的，但異養(yǎng)段使用的碳氮比較高，達到2.7-2.9 ;申請?zhí)枮?01010194908.2的中國專利文獻報道了一種去除水中硝酸鹽的反應器和方法，利用軟性生物載體使生物膜附著在陰極附近，通過添加外加碳源，構建了自養(yǎng)異養(yǎng)的協(xié)同反硝化體系，并將碳氮比降到了 0.5-3，且取得較好去除效果。
[0006]但以上專利中，電化學作用部分與微生物并未分開，過高的電流會影響微生物的活性，氫氣的產(chǎn)量因而受限，自養(yǎng)反硝化在反應體系中的作用也隨之受到限制，自養(yǎng)反硝化作用不充分，異養(yǎng)產(chǎn)生的0)2仍有浪費，水中硝酸鹽的去除效率較低。此外，在以上專利中多使用石墨作為陽極材料，這樣雖然能夠在提供CO2的同時不產(chǎn)生氧氣，但石墨電極極易消耗，需頻繁更換維護，增加了運行難度，影響了自養(yǎng)異養(yǎng)協(xié)同反硝化體系進一步的發(fā)展應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的是提供一種去除地下水中硝酸鹽的方法及反應器，降低硝酸鹽的處理成本，地下水中硝酸鹽的去除效率較高。
[0008]本發(fā)明解決技術問題采用如下技術方案:一種去除地下水中硝酸鹽的方法，將電化學作用與自養(yǎng)異養(yǎng)協(xié)同反硝化作用相結(jié)合，所述電化學作用產(chǎn)生的氫氣為自養(yǎng)反硝化菌提供電子供體。
[0009]可選的，以可降解塑料、鋸末、秸桿或紙肩作為異養(yǎng)反硝化的外加碳源。
[0010]可選的，以異養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的0)2作為自養(yǎng)反硝化菌的主要無機碳源。
[0011]可選的，所述電化學作用采用不銹鋼、鐵、鋁、銅或鎳作為陰極材料。
[0012]可選的，所述電化學作用采用Ti/Ir02、Ti/Ru02STi/Pb0dt為陽極材料。
[0013]可選的，所述電化學作用的電極材料的形狀為板狀或網(wǎng)狀。
[0014]相應的，本發(fā)明還提供一種去除地下水中硝酸鹽的反應器，包括:
[0015]電化學裝置；
[0016]與所述電化學裝置上下串聯(lián)的生物反硝化裝置，所述生物反硝化裝置在上部，所述電化學裝置在下部。
[0017]可選的，所述電化學裝置包括:垂直水流方向放置的陰極極板、垂直水流方向放置的陽極極板和電極固定位。
[0018]可選的，所述陽極極板由Ti/Ir02、Ti/Ru02STi/Pb02制備。
[0019]可選的，所述生物反硝化裝置包括生物反硝化裝置本體、篩板、導氣管、固相載體和固相碳源，所述篩板位于所述生物反硝化裝置本體的底部，所述導氣管位于所述篩板上，所述固相載體和固相碳源填充于所述生物反硝化裝置本體內(nèi)。
[0020]本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明提供一種去除地下水中硝酸鹽的方法，將電化學方法與生物反硝化方法相結(jié)合，構建了自養(yǎng)異養(yǎng)協(xié)同反硝化體系，并通過將電化學部分與生物反硝化部分分離，一方面消除了電化學作用對微生物的影響，另一方面，提高了自養(yǎng)微生物對電解產(chǎn)生氫氣的利用率，增強了自養(yǎng)反硝化在協(xié)同反硝化中的作用，進一步完善了自養(yǎng)異養(yǎng)協(xié)同反硝化體系，降低硝酸鹽的處理成本，提高了地下水中硝酸鹽的去除效率。
[0021]本發(fā)明還提供一種去除地下水中硝酸鹽的反應器，包括:電化學裝置；與所述電化學裝置上下串聯(lián)的生物反硝化裝置，所述生物反硝化裝置在上部，所述電化學裝置在下部。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明將電化學部分與生物反硝化部分分離，消除了電化學作用對微生物的影響，增強了自養(yǎng)反硝化在協(xié)同反硝化中的作用，完善了自養(yǎng)異養(yǎng)協(xié)同反硝化體系。其次，本發(fā)明中進水首先經(jīng)過電化學裝置，電化學產(chǎn)生的熱量對進水有預熱作用，能夠克服地下水溫度低不利于生物反硝化的問題。此外，該反應器使用型穩(wěn)陽極材料，避免了電極的頻繁更換。該去除地下水中硝酸鹽的反應器操作方便，自動化程度高，降低了硝酸鹽的處理成本。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例提供的去除地下水中硝酸鹽的反應器結(jié)構示意圖；
[0023]圖中標記示意為:1-電化學裝置，2-生物反硝化裝置，3-陽極極板，4-陰極極板，5-電極固定位，6-穩(wěn)流直流電源，7-篩板，8-導氣管，9-固相載體和固相碳源，I O-石英砂層，11-待處理地下水，12-進水栗，13-進水口，14-出水口，15-排氣口，16-反沖洗閥，17-生物反硝化裝置本體。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步闡述。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明提供一種去除地下水中硝酸鹽的反應器，優(yōu)選為固定床反應器，包括:電化學裝置I ;與電化學裝置I上下串聯(lián)的生物反硝化裝置2，生物反硝化裝置2在上部，電化學裝置I在下部。電化學裝置I與生物反硝化裝置2的高度比優(yōu)選為1: 4;水流采用上升流式。
[0026]作為優(yōu)選方案，電化學裝置I包括:垂直水流方向放置的陰極極板4、垂直水流方向放置的陽極極板3和電極固定位5。其中，陰極極板4優(yōu)選由不銹鋼、鐵、鋁、銅或鎳制備。陰極極板4優(yōu)選為網(wǎng)狀或板狀，其中，為使水流順利通過，陰極極板4更優(yōu)選使用網(wǎng)狀電極。陽極極板3優(yōu)選由Ti/Ir02、Ti/Ru02S Ti/PbO 2制備。為了保證陽極的穩(wěn)定性和耐用性，陽極極板3優(yōu)選使用網(wǎng)狀型穩(wěn)陽極材料。陰極極板4或陽極極板3優(yōu)選設置一個或若干個。各電極采用并聯(lián)式，垂直于水流方向平行布置，極板間距為15-75_，通過良好的絕緣措施保證不會發(fā)生短路、漏電現(xiàn)象。陽極和陰極通過導線連接在穩(wěn)壓恒流電源6的正負極。
[0027]作為優(yōu)選方案，生物反硝化裝置2包括生物反硝化裝置本體17、篩板7、導氣管8、固相載體和固相碳源9，篩板7位于生物反硝化裝置本體17的底部，導氣管8位于篩板7上，固相載體和固相碳源9填充于生物反硝化裝置本體17內(nèi)。其中，篩板7上篩孔直徑優(yōu)選為0.5mm，篩孔均勻分布在篩板上。導氣管8優(yōu)選均勻設置在篩板7上，直徑為2.5mm，長50mm,優(yōu)選為5個。導氣管8使電解產(chǎn)生的氣體能夠順利均勻地進入生物反硝化裝置2。
[0028]作為優(yōu)選方案，篩板7上優(yōu)選鋪設2?3cm厚粒徑I?2mm的石英砂10，防止生物膜脫落入電化學裝置I。固相載體優(yōu)選使用粒徑4.75?6.70mm生物附著性好的材料，例如沸石、玄武巖、活性炭、陶粒、多孔陶瓷、海綿、聚氨酯泡沫等；本發(fā)明優(yōu)選在固相載體中摻填一定量的可降解塑料、鋸末、秸桿或紙肩等固相碳源，作為異養(yǎng)反硝化作用的外加碳源。
[0029]硝酸鹽污染的待處理地下水11通過進水栗12從進水口 13進入反應器，處理后的水由出水口 14排除，水力停留時間(HRT)為6-24小時。反應器反應過程中產(chǎn)