一种适用于低温条件下污水氨氮处理的潜流人工湿地装置及水钠锰矿砂的制备方法

技术领域

本发明属于水污染控制与水处理技术领域，具体地说是一种适用于低温条件的、用于污水厂尾水处理的、强化去除氨氮的一种形成的锰氧化物小球作为填料的潜流人工湿地装置及水钠锰矿砂的制备方法。

背景技术

水体富营养化是目前对于水环境健康造成威胁的重要问题之一。而人工湿地作为一种由植物、基质、微生物等组成的复合生态污水净化系统，其对于污水的净化、水生态恢复等方面都有极其重要的作用。其中，潜流人工湿地还具有符合率高、占地面积小、应用广泛等特点。但潜流人工湿地中溶解氧(DO)的消耗限制了其对于氨氮的去除，潜流人工湿地基质表层约10cm处将消耗约50%的DO，从而破坏氨氮的完全氧化，限制氨氮的去除率(约为43%~76%)，且总氮去除效率不稳定等问题。因此，解决人工湿地中氨氮的去除效率低且不稳定等问题，是现在人工湿地领域中的热点问题。

而目前，国内外研究者也针对缺氧导致的电子受体缺失抑制潜流人工湿地中氨氮去除效率做出了探索与研究，例如进行曝气提高溶解氧，但该方法能耗较高，占地面积过大；利用铁氧化物作为微生物的替代电子受体，但是铁氧化物在接受电子以后容易出现沉积的现象，从而导致长期运行效果不佳。

发明内容

为了解决目前各种技术存在的问题，本发明提出了一种结构简单，运行费用低的使用表面附着有锰氧化物的石英砂作为主要基质的潜流人工湿地装置及水钠锰矿砂的制备方法。

本发明的技术方案为：

本发明实施例提供了一种适用于低温条件下污水氨氮处理的潜流人工湿地装置，包括：

人工湿地，在人工湿地的顶部设置的污水入水口和在人工湿地底部设置的出水口，在人工湿地内从上至下依次布置的第一砾石层、表面附着有锰氧化物的水钠锰矿砂层和第二砾石层，在所述第一砾石层上种植有植物；

污水通过所污水入水口进入人工湿地内，在依次流经所述第一砾石层、表面附着有锰氧化物的水钠锰矿砂层和第二砾石层后，再经过在人工湿地底部的出水口排出。

优选地，所述湿地植物为风车草和石菖蒲中的一种。

优选地，所述水钠锰矿砂层的厚度大于或等于所述第二砾石层的厚度。

优选地，污水通入所述人工湿地内后，所述水钠锰矿砂层表面富集有至少包含锰氧化菌的微生物小球。

本发明实施例还提供了一种适用于低温条件下污水氨氮处理的石英砂的制备方法，包括：

步骤S1，先将天然石英砂中加入浓盐酸中进行清洗；其中，天然石英砂需完全浸入至浓盐酸中；

步骤S2，再将清洗过的天然石英砂在0.4mol/L的高锰酸钾溶液中煮沸，并持续搅拌；其中，所加入的高锰酸钾溶液和天然石英砂的质量比为3:25；

步骤S3，随后向溶液中滴加浓盐酸，并继续煮沸10分钟；其中，每1L溶液中加入2.5mol的浓盐酸；

步骤S4，冷却后进行过滤，用纯水洗净后即得到附着有锰氧化物的石英砂。

本发明的有益效果为：

（1）、本发明易于操作，运行简便，针对于污水厂尾水有较好的处理效果，结构简单，成本较低，且不需要外加蠕动泵等装置，即不需要外部能源供应，更有利于环境保护。

（2）、该装置对于氨氮的去除效果好，特别是在低温条件下有较好的去除效果，同时能减少温室气体氧化亚氮的释放。

（3）、基质利用锰氧化物附着后，锰氧化物不易脱落，对于锰还原菌有着较好的富集效果，形成以锰离子为中心的氧化锰微生物小球，易于挂膜且不易脱落。

（4）、装置占地面积小，能够长期连续稳定运行，使用寿命长。

（5） 该装置不仅对水体中污染物有较好的去除效果，而且设计美观，具有一定的景观效益。

附图说明

图1为本发明实施例1中的潜流人工湿地装置的原理图；

图2为本发明实施例1及其对照组的装置的氨氮去除率对比图；

图3为本发明实施例1及其对照组的装置的氨氮去除率对比图；

图4为本发明实施例2中的潜流人工湿地装置的原理图；

图5为本发明实施例2及其对照组的装置的氨氮去除率对比图；

图6为本发明实施例2及其对照组的氧化亚氮释放通量对比图；

图7为实施例2中的水钠锰矿砂层的表面SEM图；

图8为本发明实施例3及其对照组的装置的氨氮去除率对比图；

图9为本发明实施例7及其对照组的氧化亚氮释放通量对比图；

附图标记说明：1-植物；2-第一砾石层；3-表面附着有锰氧化物的水钠锰矿砂层；4-第二砾石层；5-进水口；6-出水口。

具体实施方式

参照图1，本发明实施例1中的潜流人工湿地装置，在室内外均可搭建。装置的基质材料自上而下主要由三部分组成，具体包括：粒径2-3cm的第一砾石层2，其高度约为15 cm；粒径约为0.5cm的表面附着锰氧化物的水钠锰矿砂层3，其高度约为20 cm；粒径5-8cm的第二砾石层4，高度约为15 cm。

其中，本发明实施例中，水钠锰矿砂层中的水钠锰矿砂的制备方法包括：先将粒径约为0.5cm的天然石英砂使用浓盐酸进行清洗，要求浓盐酸能够将天然石英砂全部没过；再将清洗过的天然石英砂在0.4mol/L的高锰酸钾溶液中煮沸，并持续搅拌，其中，石英砂和高锰酸钾溶液的质量比为3:25；随后向溶液中滴加浓盐酸，并继续煮沸10分钟，所滴加浓盐酸的条件为每1.5L混合物中加入2.5mol浓盐酸；冷却后进行过滤，用纯水洗净后即得到附着有锰氧化物的石英砂。

经上述制成的水钠锰矿砂，其表面PH不是中性的，而是偏酸性，更有助于污水中的微生物的附着和生长。

本实施例1中的上述潜流人工湿地装置整体由亚克力材料构成，在其顶部有圆柱形开口，该圆柱形开口作为污水入水口5。污水进水由顶部开口加入，进水量淹没过最上层的第一砾石层2，污水在潜流人工湿地装置内停留一个水力周期。人工湿地装置的出水口6设计在该潜流人工湿地装置一侧，最低出水口距底面1厘米处。最上的第一砾石层3种植常见的植物1，如风车草。

本实施例1中，大部分主体基质选用上述附着有锰氧化物的水钠锰矿砂层3构建，并投加取污水处理厂沉淀池的污泥进行生物膜培养。经过人工湿地装置后的水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准。

为了验证本发明实施例1的污染物去除效果，设置一个对照例，对照例由上至下分别为：高度约为15cm的粒径2-3cm的第一砾石层2，高度约为20cm的未附着锰氧化物的水钠锰矿砂层3，高度约为15cm的粒径5-8cm的第二砾石层4。其他条件均相同。

所有装置进水统一按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准配置，采取水力停留时间为5天，并在10月至来年2月进行为期22个周期的实验，其氨氮去除率如图2所示。由图2的结果可以确定，实验例1的氨氮去除效果稳定在70%以上，其效果明显优于对照例。

此外，本实施例1中，通过对其一个典型周期进行分析，可以得出，氨氮的去除效果亦与可滤态二价锰离子浓度相关，具体见下图3。由图3的内容可以确认，锰离子浓度的增加对于氨氮的去除有促进效果。验证锰氧化物在本发明实施例中的基质中产生了相关反应并成为微生物电子受体，同时自身被还原。

本发明实施例2中，相对于实施例1改变了基质中锰氧化物的占比。如图4所示，实施例2中的基质材料自上而下主要由三部分组成，具体包括：粒径2-3cm的第一砾石层2，其高度约为25cm；粒径约为0.5cm的附着锰氧化物的水钠锰矿砂层3，其高度约为10cm；粒径5-8cm的第二砾石层4，高度约为15cm。其他条件同实施例1。

同样的，为了验证实施例2的效果，设置与实施例1同样的对照例，按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准配置，采取水力停留时间为5天，并在10月至来年2月进行为期22个周期的实验，其氨氮去除率如下图5所示。由图5可知，实施例2对于氨氮的效率也能稳定在70%左右，但是相比较于实施例1，其稳定周期较长，且氨氮去除率低于实施例1，但稳定后也优于对照例。

此外，实施例2也能有效的减少温室气体氧化亚氮的释放，对于实施例2与对照例的氧化亚氮释放通量进行两个周期的对比发现，进水4天后，实施例2的氧化亚氮释放通量仅为对照例的1/ 50左右，具体结果见下图6所示。

在实施例2中，使用德国ZEISS Gemini 300扫描电子显微镜对实施例2中的石英砂表面进行扫描，发现其形成如图7所示的微生物小球，其中，图7中A为实施例2的石英砂表面，B为原始石英砂表面，利用英国OXFORD Xplore能谱仪进行测试，发现微生物小球的元素含量与表面的元素含量差异较大，尤其是锰元素的含量，是表面的37倍以上，具体见表1所示。由此，推测图7中微生物小球是由锰氧化物为中心形成而形成的。

本发明实施例3的潜流人工湿地装置的设置同实施例1，相对于实施例1来说，本发明实施例3中改变了污水的进水浓度，其中，通入人工湿地内的污水的氨氮采用30mg/L作为进水浓度，其他条件同实施例1，同样采用与实施例1相同的对照例。进行为期8个周期的实验，水力停留时间设置为5天，发现其氨氮去除效率下降，约为50%左右，但其对于磷酸盐有着较高的去除率，均能达到90%以上。其磷酸盐的长期去除效果如图8所示。

此外，我们发现，实施例3也能减少氧化亚氮的释放，对其两个周期的氧化亚氮释放通量进行分析，也能减少约50%的氧化亚氮释放，具体结果如图9。

本实施例中的上述装置，具有如下技术效果：

（1）、本发明易于操作，运行简便，针对于污水厂尾水有较好的处理效果，结构简单，成本较低，且不需要外加蠕动泵等装置，即不需要外部能源供应，更有利于环境保护。

（2）、该装置对于氨氮的去除效果好，特别是在低温条件下有较好的去除效果，同时能减少温室气体氧化亚氮的释放。

（3）、基质利用锰氧化物附着后，锰氧化物不易脱落，对于锰还原菌有着较好的富集效果，形成以锰离子为中心的氧化锰微生物小球，易于挂膜且不易脱落。

（4）、装置占地面积小，能够长期连续稳定运行，使用寿命长。

（5） 该装置不仅对水体中污染物有较好的去除效果，而且设计美观，具有一定的景观效益。