[发明专利]以木屑为碳源固相异养与硫自养集成反硝化去除地下水中硝酸盐的方法

说明书

技术领域    

本发明涉及地下水处理技术领域，确切地说是一种以木屑为碳源固相异养与硫自养集成反硝化去除地下水中硝酸盐的方法。具体是应用复合式厌氧折流板反应器（HABR），选择木屑与硫磺作为HABR两级隔室中的反应底物及生物膜载体，利用HABR分格结构及推流流态实现固相异养反硝化与单质硫自养反硝化的集成。

背景技术    

由于化学肥料、污水下渗以及垃圾粪便的污染，硝酸盐氮已经成为地下水中的一种主要污染物。过量的硝酸盐容易使婴儿患上高铁血红蛋白症，同时硝酸盐、亚硝酸盐转化为亚硝胺会产生“三致”作用，对人体健康构成威胁。

生物反硝化法仍是最具竞争力的地下水硝酸盐脱氮方法。由于低碳高氮的水质特点，应用传统异养型生物反硝化去除硝酸盐时碳源严重不足，必须外加液相碳源，成本增加的同时极易造成二次污染，对系统的稳定运行和维护提出较高要求。

针对此问题，单质硫自养反硝化、利用天然木质纤维素类固态物质的固相异养反硝化受到了研究者越来越多的关注。

硫单质作为电子供体成本低、无毒、不溶于水并且常态下稳定，这些优点使它成为理想的地下水中硝酸盐反硝化电子供体。然而其反硝化过程效率较低，并产生SO₄^2-导致水中硫酸盐超标；同时会产生H+消耗碱度，通常需加石灰石（CaCO₃）调节pH，使出水硬度偏大。

利用低成本的天然木质纤维素物质作为碳源与生物膜载体的固相反硝化，其释碳规律一直是研究的焦点。天然木质纤维素类固体碳源中纤维素与半纤维素、木质素共存，木质素与半纤维素以价键结合形成一个十分致密的网络结构，将纤维素紧紧包裹，屏蔽了纤维素酶吸附纤维素分子。通常认为厌氧产甲烷条件下木质素很难降解，若选择棉花、麦秆、稻草等纤维素含量高的碳源，虽然反硝化菌可利用碳源多，但极易造成二次污染。高木质素含量的木屑由于碳释放量不足导致脱氮性能较差，但无二次污染的弊端，比较符合缓释碳源的定义。木屑作为碳源的固相反硝化作用若能集成其他自养反硝化过程大幅提高脱氮效果，其也是很好的碳源选择。

整体来看，相比液相碳源，单质硫自养反硝化与固相反硝化都存在着反硝化速率低、需要较长的水力停留时间等问题。

异养与硫自养集成反硝化大大缓解了硫自养反硝化本身存在的硫酸盐与碱度的问题，与单独异养反硝化比也降低了碳源需求量，但毕竟仍需外加液相碳源。固相异养与电化学产氢自养集成反硝化由于成本、管理维护问题限制了其在实际中的应用。

发明内容   

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出以木屑为碳源固相异养与硫自养集成反硝化去除地下水中硝酸盐的方法。

为达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：

采用复合式厌氧折流板反应器（HABR），选择木屑与硫磺颗粒作为反应底物及生物膜载体，分格填加在HABR两级隔室内，水沿导流板上下折流前进，依次通过两个隔室，地下水中硝酸盐通过各反应室并与其中的微生物充分接触而得到去除，设想利用HABR独特的分格式结构及推流式流态实现固相异养与单质硫自养反硝化的集成。在填充木屑的隔室内，木屑作为碳源与生物膜载体，在纤维素降解菌以及异养反硝化菌协同作用下实现固相反硝化作用，同时为后续硫自养反硝化提供碱度；在填充硫磺颗粒的隔室内，硫磺颗粒表面附着生物膜内的硫自养反硝化菌进一步加大硝酸盐去除负荷。

本发明具有如下优点：

   提出的固相异养与硫自养集成反硝化的设想，不但从根本上解决了传统异养—硫自养集成反硝化仍需外加液相碳源的问题、避免了固相异养与零价铁产氢自养反硝化集成、固相异养与电化学产氢自养反硝化集成各自存在的弊端，而且利用HABR独特的分格式结构及推流式流态优化不同菌群生长。    

具体实施方式

采用复合式厌氧折流板反应器HABR，选择木屑与硫磺颗粒作为反应底物及生物膜载体，分格填加在HABR两级隔室内，水沿导流板上下折流前进，依次通过两个隔室，地下水中硝酸盐通过各反应室并与其中的微生物充分接触而得到去除，利用HABR独特的分格式结构及推流式流态实现固相异养与单质硫自养反硝化的集成，在填充木屑的隔室内，木屑作为碳源与生物膜载体，在纤维素降解菌以及异养反硝化菌协同作用下实现固相反硝化作用，同时为后续硫自养反硝化提供碱度；在填充硫磺颗粒的隔室内，硫磺颗粒表面附着生物膜内的硫自养反硝化菌进一步加大硝酸盐去除负荷。

   反应中维持硫化物与硝酸盐氮之间的摩尔比为1～1.5之间，控制产物为硫单质与亚硝酸盐，以实现厌