一種復合垂直流人工濕地耦合微生物電解池強化脫氮的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于污水處理領域，具體涉及一種復合垂直流人工濕地耦合微生物電解池強化脫氮的裝置，尤其適用于受污染的地表水及污水廠二級出水等需深度處理的廢水。
【背景技術】
[0002]目前中國的水體污染中，氮已逐漸上升為主要污染物，大量的含氮污水，未經處理或處理不完全就排入水體，導致水體的富營養化。因此，氮的去除是當前污水處理領域中急需解決的難題之一，脫氮技術的研究和應用引起了人們的廣泛關注。實際污水生物脫氮過程中，只有當C/N比大于6時，才能滿足反硝化菌對碳源的需要，達到完全脫氮的目的(ChiuY.C.,and Chung M.S.determinat1n of optimal COD/nitrate rat1 for b1logicaldenitrificat1n，Internat1nal B1deter1rat1n &B1degradat1n，2003，pp.43-49.)。在實際工程中，低C/N比污水為了達到氮的高效去除，通常是投加甲醇或乙醇等有機物，這樣既消耗了有限的資源，又增加了運行維護費用。
[0003]人工濕地系統具有建造及運行費用低(僅為傳統二級污水處理廠的1/10-1/2)、維護簡單、處理效果好、適用面廣、對負荷變化的適應能力強等優點，因此被廣泛應用于各種污水的處理(吳振斌，復合垂直流人工濕地，科學出版社，北京，2008.)。人工濕地中氮的去除機理比較復雜，是濕地植物、基質和微生物通過物理、化學及生物的協同作用的結果，其中微生物的硝化和反硝化為最主要脫氮途徑，而充足的碳源是反硝化菌高效脫氮的關鍵。對于低碳高氮污水，污水本身所能提供的碳源不足以滿足反硝化的要求，因此人工濕地總氮去除率普遍不高(Jan Vymazal,Removal of nutrients in var1us types ofconstructed wetlands, Science of the Total Environment，2007，pp.48-65.)0
[0004]微生物電解池(Microbial Electrolysis Cell，MEC)是利用微生物作為反應主體，在陰、陽極間施加電勢產生氫氣的一種裝置(Liu H.,Grot S.，Logan B.E.，Electrochemically assisted microbial product1n of hydrogen from acetate,Environmental Science&Technology，2005，pp.4317-4320.)，是近年來國內外污水處理領域的研究熱點之一。由于MEC中陰極上產氫的氧化還原電位較陽極有機物氧化的反應低，因此電子不能自發流動。為了克服此能量壁壘，使產氫反應得以進行，需額外施加一個理論值為0.13-0.14V的電壓。在實際反應中，由于電勢損失，一般需外加一個0.2-0.9V的電壓，但仍小于電解水產氫過程中所需的電壓(1.8-2.0V)。也就是說，盡管微生物電解池需要外加電壓，但仍小于化學電解池所需的能耗。
[0005]研究顯示，低碳氮比下以氫氣為電子供體的生物電化學反硝化作用可以實現對污水中硝酸鹽氮的有效去除(Park J Y，Yoo Y J.B1logical nitrate removal inindustrial wastewater treatment:which electron donor we can choose，AppliedMicrob1logy and B1technology，2009，pp: 415-429.)。其原理是，MEC陰極表面的電化學活性菌(無需外源電子介體而具有胞外電子傳遞能力微生物的統稱)，接收來自直流電源提供的電子，在陰極與質子結合產生氫氣，氫氣作為N03—的電子供體，將N03—還原成N2 ο陽極有機物以醋酸根為例，具體反應方程式如(1) _(3)所示:
[0006]陽極反應:CH3C00—+2H20—2C02+7H++8e—(1)
[0007]陰極反應:2H++2e——H2(2)
[0008]2Ν03—+5Η2—Ν2+4Η20+20Η— (3)
[0009]然而，單獨的微生物電解池所需的構造成本大，運行成本很高，很難在中國大規模的推廣應用。
[0010]目前MEC應用于人工濕地脫氮的研究國內外尚無報道。
【發明內容】
[0011]本實用新型的目的是在于提供了一種復合垂直流人工濕地耦合微生物電解池強化脫氮的裝置，結構簡單，使用方便，可顯著提高碳源缺乏條件下復合垂直流人工濕地對低碳高氮污水的脫氮效果。
[0012]為了實現上述的目的，本實用新型采用以下技術措施:
[0013]針對上述問題，將微生物電解池(MEC)與復合垂直流人工濕地相結合處理低碳氮比污水，在污水脫氮過程中，除了濕地系統本身的反硝化過程外，還能實現電化學自養反硝化脫氮過程，提高了總氮去除效果，可以一定程度上解決人工濕地處理低碳氮比污水過程中出現的碳源不足導致總氮去除效果低的問題。同時，MEC直接與現有的復合垂直流人工濕地相結合，大大節約了MEC的構造及運行成本。
[0014]技術方案是:以復合垂直流人工濕地結構為基礎，通過在下行流池填埋陽極導電填料層、上行流池填埋陰極導電填料層，以及直流電源的引入，形成微生物電解池和人工濕地相耦合的結構方法，該方法通過直流電源人為地提供電子給陰極，使陰極區域發生產氫反應，生成的氫氣作為硝酸鹽氮的電子供體，增加了氫自養型反硝化脫氮過程，強化了碳源不足情況下的反硝化脫氮作用，從而提高了復合垂直流人工濕地對低碳高氮污水的去除。
[0015]—種復合垂直流人工濕地耦合微生物電解池強化脫氮的裝置，該裝置包括:沿水流方向依次鋪設有污水進水管、污水布配水管、上部非導電填料層A、陽極導電填料層、底部連通填料層、陰極導電填料層、上部非導電填料層B、出水集水管，其特征在于:下行流池內陽極導電填料層分別與底部連通填料層、上部非導電填料層A相連，上行流池內陰極導電填料層分別與底部連通填料層、上部非導電填料層B相連，上部非導電填料層A及上部導電填料層B中種植濕地植物，陽極集電極、陰極集電極通過導線分別與直流電源的正極、負極連接組成閉合回路，陽極集電極和陰極集電極分別放置在陽極導電填料層及陰極導電填料層內。
[0016]所述的底部連通填料層、上部非導電填料層A及上部非導電填料層B內填料為砂石、無煙煤、生物陶粒中的一種或一至三種;上部非導電填料層A及上部非導電填料層B內種植的植物為千屈菜、茭白、美人蕉、水甜茅、大米草、野古草、菖蒲、蘆葦、象草、花葉蘆荻、鳶尾中的一種或一至i 種中任意組合。
[0017]所述的陽極導電填料層和陰極導電填料層內填料為顆粒活性炭或石墨顆粒;顆粒活性炭粒徑為l-5mm，填充密度為0.45-0.55g/cm3 ；石墨顆粒粒徑為l_5mm，填充密度為1.8-2g/cm3ο
[0018]所述的陽極集電極和陰極集電極為石墨氈、石墨棒或不銹鋼材質。
[0019]所述的下行流池與上行流池的填料深度相差8-12cm;下行流池填料厚度范圍為53-82cm;上行流池填料厚度范圍為43-72cm。
[0020]所述的上部非導電填料層A厚度為10-35cm，上部非導電填料層B厚度為10-25cmo
[0021]所述的陽極導電填料層和陰極導電填料層厚度為5-25cm。
[0022]所述的底部連通填料層厚度為8_22cm。
[0023]所述的直流電源為維持電路中形成穩恒電流的裝置，可輸出電壓0-1.5V，輸出電流0_200mA。
[0024]所述的裝置進水為低碳氮比污水，包括低C/N比生活污水、受污染的地表和地下水、養殖污水、某些工業污水(如焦化污水、玻璃紙生產污水、化肥污水等)、污水廠二級出水、農業徑流、垃圾滲濾液。
[0025]本實用新型與現有的技術相比，具有以下的優點和效果:
[0026](1)本實用新型在不改變原有復合垂直流人工濕地構造的基礎上，通過簡單的電極填埋(鋪設陰極導電填料層和陽極導電填料層)和施加外電壓，使得硝酸鹽氮可以在低