以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法

本发明属于城镇污水再生利用，具体涉及以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法。

背景技术：

1、再生水是经城镇污水处理厂深度处理后外排放的尾水资源，具有量大稳定等特点。再生水就近回补自然水体是城镇污水资源化利用的重要途径之一，也是缓解河流断流、生态退化等问题的有效方法。近些年，各省、市、地区污水处理厂在《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)一级a排放标准基础上，陆续推进执行更为严格的“准iv”类排放标准，即除总氮指标外，cod、氨氮和总磷等主要常规指标满足《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)中的ⅳ类标准。尽管“准iv”类标准不限制总氮指标，但硝酸盐氮浓度(约为10mg/l)与地表自然i-iv类水体浓度相差甚大，高负荷氮素输入使受纳水体面临富营养化风险。

2、人工湿地在污水深度处理、水体污染治理和水环境生态恢复等方面被广泛应用，它是通过工程手段强化自然净化功能的水质提升技术，由填料床-植物-微生物为主体而构建的生态系统。水生植物的功能是吸收水中的污染物质，微生物则通过代谢作用净化污染物。然而，由于再生水中cod浓度非常低，无法为微生物反硝化提供足够的电子，导致反硝化脱氮难以充分进行；其次，水生植物对硝酸盐氮的吸收效果不明显，特别是当秋冬季来临温度降低时，水生植物死亡，微生物活性降低，致使人工湿地对污染物的去除能力将受到显著抑制。填料床作为人工湿地的重要单元，不仅为水生植物提供附着空间，还是各类微生物的栖息场所。近十几年，研究者致力于寻求高效低耗的填料载体，利用其优异的理化特性，来进一步提高人工湿地系统对污染物(氨氮、磷、微有机物和重金属等)的削减和控制。这些填料多来自天然材料(高岭土、火山岩及沸石)、建筑废料(砖块和混凝土块)和工业副产物(煤渣和钢渣)等，具有廉价易得的特点。但是，这些填料本身不具备对硝酸盐氮的去除能力。

3、由于对于硝酸盐氮的深度去除，一般在净化单元中通过外投加有机碳源电子供体的方式进行深度反硝化脱氮。但是，这种操作方式使工艺操作复杂化、增加运行成本和产泥量，而且还存在cod二次污染等问题，增加了后续管理难度。因此，有研究者利用铁矿或锰矿等作为人工湿地填料床，利用铁或锰离子等可变价态金属离子的电子传递过程来强化硝酸盐氮的去除，但硝酸氮的去除效率的高低依然由cod碳源浓度的高低决定。再生水的碳氮比(c/n)低，并且残留的cod难以被微生物直接利用。因此，在无外加cod碳源的情况下反硝化过程难以充分进行，使得系统脱氮效率不够高效。

技术实现思路

1、针对现有技术的问题，本发明公开了以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法，目的是提供一种利用锰离子强化人工湿地填料床对再生水深度反硝化脱氮的运行方法，通过在再生水中投加锰离子，在填料床内富集锰氧化细菌，在该细菌的介导作用下，提高再生水的可生化性，强化脱氮效果。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法，所述的方法适用于cod浓度小于30mg/l，总氮浓度氮小于10mg/l，碳氮比(c/n)小于3的再生水进行深度反硝化脱氮，包括如下步骤：

4、(1)用竖向隔板将人工湿地填料床分隔为若干区域，水流从填料床底部进入第一个区域，并沿着隔板依次进入各个区域；

5、(2)人工湿地启动稳定后，在进水中加入氨氮调节进水总无机氮浓度，并在设定的总无机氮浓度下运行设定时间；

6、(3)进水中停止投加氨氮，开始在进水中投加锰离子，根据投加氨氮时的浓度梯度变化量调控锰离子浓度。

7、优选的，所述的步骤(1)中，用竖向隔板将人工湿地填料床分隔为至少3个区域，每个区域构成单独的反应器，所述的竖向隔板与填料床内壁之间构成“s”形水流通道，所述的“s”形水流通道将各个反应器串联，最后一个反应器的外侧端上部设有水流出口。

8、优选的，所述的步骤(1)中，人工湿地运行的水力停留时间为3天，表面水力负荷0.6-1.0m3/(m2*h)。

9、优选的，所述的步骤(2)包括：人工湿地启动稳定运行145天后，当总无机氮去除率维持在9％时，通过在进水中加入氨氮将进水总无机氮浓度分别调整为10mg/l，12mg/l和14mg/l三个浓度梯度，人工湿地在每个氨氮浓度梯度下运行9天。

10、优选的，所述的步骤(3)包括：人工湿地运行至182天时，进水中停止投加氨氮，开始在进水中投加锰离子，初始锰离子浓度为2mg/l。

11、优选的，所述的步骤(3)还包括：投加氨氮时的浓度梯度变化量为2mg/l，在出水锰离子浓度小于0.1mg/l的条件下，以初始锰离子浓度为2mg/l为起点，浓度梯度变化量为2mg/l为递增量，将锰离子浓度按该梯度调整为4mg/l、6mg/l和8mg/l共3个锰离子浓度梯度，人工湿地在每个锰离子浓度梯度下运行24天。

12、本发明以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法的有益效果：

13、1.锰离子与再生水中残留天然有机物螯合形成络合物，有效提高了再生水的可生化性，这个过程是通过控制反应速率来实现的。锰离子络合物增加了有机物向细菌表面迁移速率，从而延长有机物的分解作用时间。

14、2.实验证明进水投加mn2+浓度为8mg/l时，系统对总无机氮的去除率提高到40％-45％之间，且出水mn2+浓度＜0.1mg/l，本发明为填料床的污水处理提供了有效的数据范围。

15、3.投加锰离子强化了系统反硝化效能，弥补了再生水中残留有机物利用不充分的问题，总无机氮去除量可按照0.4倍的锰离子去除量进行估算，以减少对氮素指标的检测。

16、说明书附图

17、图1：再生水深度反硝化脱氮的人工湿地装置工作原理图。

18、图2：锰矿砂和石英砂复合填料床人工湿地对再生水深度反硝化脱氮的效果图。

19、图3：人工湿地中锰离子去除量与总无机氮去除量的线性关系图。

20、1、进水桶；2、蠕动泵；3、阀门；4、反应器；5、隔板；6、出水口；7、集水桶。

技术特征：

1.以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法，其特征为：所述的方法适用于cod浓度小于30mg/l，总氮浓度氮小于10mg/l，碳氮比(c/n)小于3的再生水进行深度反硝化脱氮，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法，其特征为：所述的步骤(1)中，用竖向隔板将人工湿地填料床分隔为至少3个区域，每个区域构成单独的反应器，所述的竖向隔板与填料床内壁之间构成“s”形水流通道，所述的“s”形水流通道将各个反应器串联，最后一个反应器的外侧端上部设有水流出口。

3.如权利要求2所述的以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法，其特征为：所述的步骤(1)中，人工湿地运行的水力停留时间为3天，表面水力负荷0.6-1.0m3/(m2*h)。

4.如权利要求3所述的以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法，其特征为：所述的步骤(2)包括：人工湿地启动稳定运行145天后，当总无机氮去除率维持在9％时，通过在进水中加入氨氮将进水总无机氮浓度分别调整为10mg/l，12mg/l和14mg/l三个浓度梯度，人工湿地在每个氨氮浓度梯度下运行9天。

5.如权利要求4所述的以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法，其特征为：所述的步骤(3)包括：人工湿地运行至182天时，进水中停止投加氨氮，开始在进水中投加锰离子，初始锰离子浓度为2mg/l。

6.如权利要求5所述的以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法，其特征为：所述的步骤(3)还包括：投加氨氮时的浓度梯度变化量为2mg/l，在出水锰离子浓度小于0.1mg/l的条件下，以初始锰离子浓度为2mg/l为起点，浓度梯度变化量为2mg/l为递增量，将锰离子浓度按该梯度调整为4mg/l、6mg/l和8mg/l共3个锰离子浓度梯度，人工湿地在每个锰离子浓度梯度下运行24天。

技术总结以锰离子强化人工湿地填料床对再生水中氮素去除的方法，属于城镇污水再生利用技术领域，包括如下步骤：(1)用竖向隔板将人工湿地填料床分隔为若干区域，水流从填料床底部进入第一个区域，并沿着隔板依次进入各个区域；(2)人工湿地启动稳定后，在进水中加入氨氮调节进水总无机氮浓度，并在设定的总无机氮浓度下运行设定时间；(3)进水中停止投加氨氮，开始在进水中投加锰离子，根据投加氨氮时的浓度梯度变化量调控锰离子浓度。本发明通过在再生水中投加锰离子，在填料床内富集锰氧化细菌，在该细菌的介导作用下，提高再生水的可生化性，强化脱氮效果。技术研发人员：蔡言安,田博文,毕昀泽,齐全勇,周姝慧受保护的技术使用者：青岛理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27