一种用于黑臭水体净化的湿地填料的制备方法及应用该填料的净水装置

技术领域

本发明涉及水污染控制技术领域，特别是涉及一种用于黑臭水体净化的湿地填料的制备方法及应用该填料的净水装置。

背景技术

湿地是水生态修复和水环境治理中使用最为普遍的技术之一，湿地填料作为微生物附着生长的主要场所，在水体的强化净化和生态修复中发挥着重要的作用。目前常用的湿地系统，多采用粗砂、砾石、沸石等材料作为填料，依靠填料表面较大的粗糙程度、丰富的孔隙、充足的比表面积，使得表面附着生长大量的生物膜，借助吸附和生物降解，实现对污染物的有效去除。

现有研究表明，这类常用的填料对悬浮物、COD等常规污染物有着较好的去除作用，但对于导致水体嗅味的硫醚、土臭素等特殊的微污染物，却存在去除作用不佳的问题。此外，面对地表污染水体中普遍存在的碳源不足、氮磷营养物偏高等问题，常规填料也难于保障氮磷的去除效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种用于黑臭水体净化的湿地填料的制备方法及应用该填料的净水装置。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：

一种用于黑臭水体净化的湿地填料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将磁黄铁矿粉、菱铁矿粉和膨润土按照质量比为5:3:2的比例进行配比，得到原料；

S2：将原料与适量蒸馏水混合造粒，然后置于无氧的管式炉中在900℃的温度下煅烧2h，得到成品。

本发明还提供了一种净水装置，包括厌氧区和好氧区，所述厌氧区与所述好氧区连通，所述厌氧区内填充有混合填料A，所述好氧区内填充有混合填料B，所述混合填料A包括由上述制备方法制得的湿地填料以及多孔陶粒，所述混合填料B包括塑料花球和铁碳颗粒。

作为本发明所述净水装置的一种优选方案，其中：所述混合填料A中湿地填料与多孔陶粒的体积比为1:5，所述混合填料B中塑料花球与铁碳颗粒的体积比为5:1。

作为本发明所述净水装置的一种优选方案，其中：所述厌氧区包括厌氧池，所述厌氧池中开设有进水口和出水口，所述厌氧池位于所述好氧区的上方，且所述出水口位于所述好氧区的正上方。

作为本发明所述净水装置的一种优选方案，其中：所述厌氧池内沿其长度方向等距设置有若干块导流板，若干块所述导流板依次交错设置在所述厌氧池的上端和下端，使所述厌氧池内形成蛇形通道。

作为本发明所述净水装置的一种优选方案，其中：所述好氧区包括至少两个好氧床，至少两个所述好氧床沿竖直方向依次排布，且任意相邻的两个所述好氧床之间均设置有虹吸管，所述虹吸管较高的一端伸至位于上方的所述好氧床内，所述虹吸管较低的一端伸至位于下方的所述好氧床内，位于最下方的所述好氧床中开设有出水口。

作为本发明所述净水装置的一种优选方案，其中：还包括输送水管，所述输送水管的一端伸至位于最下方的所述好氧床内，所述输送水管的另一端通过循环水泵伸至位于最上方的所述好氧床的上方。

本发明的有益效果是：

（1）本发明在填料的原料中加入磁黄铁矿粉，磁黄铁矿属于单硫化物，由Fe2+离子和S2-离子组成，晶形结构存在铁亏空，晶体对称性低，具有磁性，导电性高，氧化还原电位高，反应活性高。

（2）本发明中，在厌氧环境内，由于存在硫自养反硝化菌和异养反硝化菌，发生同步脱硫反硝化反应，硝酸盐氮反应变为氮气去除，消耗S2-、H+，并产生0价S。0价S参与硫自养反硝化反应，在消耗一定碳源的基础上将硝酸盐氮和氨氮转化为氮气去除，产生H+并为硫自养反硝化菌提供营养。磁性FeS会强化微生物的厌氧发酵，促进厌氧微生物分解难降解的有机物如嗅味物质，提高产氢产乙醇的效率。菱铁矿与H+发生反应，产生CO2和高活性Fe2+；在好氧环境内， FeS粉末、碎屑和少量溶解态FeS随水流带入，迅速被氧化，反应生成H+和Fe2+。氧化亚铁硫杆菌会在酸性环境内，利用菱铁矿和磁黄铁矿产生的Fe2+作为电子供体，将硝酸盐氮转化为氮气。Fe2+及其氧化产物Fe3+，起混凝作用，并会与水中磷酸根离子形成络合物，起到良好除磷效果。铁碳填料利用好氧环境下的铁碳微电解反应对水中污染物进行降解。

（3）本发明中硫自养反硝化和厌氧发酵产生的H+一方面供给同步脱硫反硝化反应，一方面与菱铁矿反应，一方面不断地酸洗填料表面，防止填料板结，使填料常用常新，降低维护成本。

（4）本发明中厌氧发酵将水中微生物无法直接利用的难降解有机物转化为乙醇，菱铁矿与H+反应生成CO2，均被用作微生物脱氮除磷反应的碳源。

（5）本发明中好氧区位于厌氧区的下方，厌氧池出水跌流进入好氧床，挟气富氧。好氧池内分有多层，由虹吸装置进行富氧，当每一层中的水达到设计深度，虹吸即自动启动，迅速抽空该层中的水。高速水流挟气富氧进入下层继续反应，原先一层填料上的生物膜暴露在空气中，进行氧转移，整个富氧过程无需外加能源。

（6）本发明中位于最下方的好氧床中的水可通过输送水管输送至位于最上方的好氧床的上方，经过一次跌水曝气后返回至最上方的好氧床中，实现富氧，同时，还可让水反应更充分，从而可根据最终出水的水质需求，调整好氧区的循环次数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的净水装置的结构示意图；

图2为对照组和试验组对水中土臭素的吸附处理情况示意图；

图3为对照组和试验组对水中二甲基异崁醇的吸附处理情况示意图；

图4为对照组和试验组对水中氨氮的吸附处理情况示意图；

图5为对照组和试验组对水中总磷的吸附处理情况示意图；

图6为对照组和试验组对水中土臭塑逐时吸附处理情况示意图；

其中：1、厌氧池；2、进水口；3、出水口；4、导流板；5、好氧床；6、虹吸管；7、输送水管；8、循环水泵。

具体实施方式

为使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施方式并结合附图，对本发明作出进一步详细的说明。

本实施例提供了一种用于黑臭水体净化的湿地填料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将磁黄铁矿粉、菱铁矿粉和膨润土按照质量比为5:3:2的比例进行配比，得到原料；

S2：将原料与适量蒸馏水混合造粒，然后置于无氧的管式炉中在900℃的温度下煅烧2h，得到成品。

本实施例还提供了一种净水装置，包括厌氧区和好氧区。其中，厌氧区包括呈长方体形状的厌氧池1，该厌氧池1的左侧开设有进水口2，右侧开设有出水口3。在厌氧池1内沿其长度方向依次等距设置有若干块导流板4，这些导流板4均位于竖直平面内，且依次交错设置在厌氧池1的上端和下端，使厌氧池1内形成蛇形的流动通道。在厌氧池1内填充有混合填料A，该混合填料A包括上述制备方法制得的湿地填料以及多孔陶粒，且湿地填料与多孔陶粒按照体积比为1:5。

好氧区包括三个好氧床5，三个好氧床5沿竖直方向依次排布，分别为顶层好氧床5、中间层好氧床5和底层好氧床5。在顶层好氧床5、中间层好氧床5和底层好氧床5内均填充有混合填料B，该混合填料B包括塑料花球和铁碳颗粒，且塑料花球与铁碳颗粒的体积比为5:1。厌氧池1位于顶层好氧床5的上方，厌氧池1、顶层好氧床5、中间层好氧床5和底层好氧床5依次由上向下呈阶梯状结构分布。需要说明的是，厌氧池1的出水口3位于顶层好氧床5的正上方，即由厌氧池1出水口3流出的水会自动流入顶层好氧床5内。

其中，在顶层好氧床5与中间层好氧床5以及中间层好氧床5与底层好氧床5之间均设置有虹吸装置，该虹吸装置包括虹吸管6。位于顶层好氧床5与中间层好氧床5之间的虹吸管6中较高的一端伸至顶层好氧床5内，较低的一端伸至中间层好氧床5内。位于中间层好氧床5与底层好氧床5之间的虹吸管6中较高的一端伸至中间层好氧床5内，较低的一端伸至底层好氧床5内。当顶层好氧床5中的水面上升至高于虹吸管6的上端时，该虹吸管6将顶层好氧床5中的水转移至中间层好氧床5；当中间层好氧床5中的水面上升至高于虹吸管6的上端时，该虹吸管6将中间层好氧床5中的水转移至底层好氧床5内。

另外，在底层好氧床5与顶层好氧床5之间还设置有输送水管7，该输送水管7的一端伸至底层好氧床5内，另一端通过循环水泵8伸至顶层好氧床5的上方。循环水泵8可通过输送水管7将底层好氧床5中的水输送回顶层好氧床5的上方，经过一次跌水曝气后返回顶层好氧床5内。待出水达标后，可停止循环水泵8，打开底层好氧床5的出水口3，使处理后的水由出水口3流出。

待处理的水样由厌氧池1的进水口2进入厌氧池1内，在厌氧环境内，由于存在硫自养反硝化菌和异养反硝化菌，发生同步脱硫反硝化反应，硝酸盐氮反应变为氮气去除，消耗S2-、H+，并产生0价S。0价S参与硫自养反硝化反应，在消耗一定碳源的基础上将硝酸盐氮和氨氮转化为氮气去除，产生H+并为硫自养反硝化菌提供营养。磁性FeS会强化微生物的厌氧发酵，促进厌氧微生物分解难降解的有机物如嗅味物质，提高产氢产乙醇的效率。菱铁矿与H+发生反应，产生CO2和高活性Fe2+。经过厌氧处理后的水样由厌氧池1的出水口3流出至顶层好氧床5内，在好氧环境内， FeS粉末、碎屑和少量溶解态FeS随水流带入，迅速被氧化，反应生成H+和Fe2+。氧化亚铁硫杆菌会在酸性环境内，利用菱铁矿和磁黄铁矿产生的Fe2+作为电子供体，将硝酸盐氮转化为氮气。Fe2+及其氧化产物Fe3+，起混凝作用，并会与水中磷酸根离子形成络合物，起到良好除磷效果。铁碳填料利用好氧环境下的铁碳微电解反应对水中污染物进行降解。

将填充有普通填料即纯塑料花球的净水装置作为对照组，将本实施例提供的净水装置作为试验组，考察对水中土臭素、二甲基异崁醇、氨氮和总磷的吸附降解效果。

取同一河流的水样，测定水样中的土臭素、二甲基异崁醇、氨氮和总磷含量。然后将水样分别通入填充了普通填料的净水装置和本实施例提供的净水装置，进行循环处理，对处理24h后的得到的出水进行测定，比较其土臭素、二甲基异崁醇、氨氮和总磷这四种污染物的含量变化。土臭素、二甲基异崁醇通过 GC-MS进行测定，氨氮通过纳氏试剂光度法进行测定，总磷通过钼酸铵分光光度法进行测定。

图2~5为本实施例中对照组和本发明所述多功能电化学耦合生态净水护岸进水和出水时四种污染物的含量图。由图可知，两组装置在起始时间水样的嗅味物质、氮磷浓度均相近，但在一个周期（24h）后，混合填料相比普通填料，对污染物的去除具有显著优势，其对土臭素的去除效率为25.54%，对二甲基异崁醇的去除效率为42.42%，对氨氮的去除效率为50.58%，对总磷的去除效率最高，为51.04%。

另外，将填充有普通填料即纯塑料花球的净水装置作为对照组，将本实施例提供的净水装置作为试验组，每3h测定一次水中土臭素的浓度，以测定本发明所述多功能填料及其应用方式对水中土臭素的处理效率。

图6为对照组和试验组在处理后水样中土臭素的含量图，从图中可以看出，起始时土臭素浓度相近，均高于其嗅阈值（6~42ng/L），能够明显闻到令人厌恶的土霉味。经过添加了混合填料的实验装置，耦合仿生增氧处理，12h后土臭素处理效率达到20.55%，24h后土臭素处理效率高达27.00%。而普通填料组合下，土臭素12h处理率仅为6.75%，甚至在周期末还出现了回升。通过实验结果可以看出，本发明所述多功能电化学耦合生态净水护岸对水体嗅味物质的去除净化效果显著，同时对常规污染物氮磷和浊度均有较强的去除能力。

因此，本发明针对引起水体黑臭的典型感官性状指标，利用磁黄铁矿、菱铁矿、膨润土为原料，将硫自养反硝化与厌氧、好氧系统有机耦合，达到消除黑臭水体中典型嗅味物质的目的，同时能够有效提高了对常规污染物的降解能力。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式；凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。