[发明专利]一种锰矿砂人工湿地脱氮除磷效果模型验证方法

说明书

本发明涉及一种锰矿砂人工湿地脱氮除磷效果模型验证方法，具体包括如下步骤：先获取三个人工湿地实验装置，将三个人工湿地实验装置的污水进水口与三个小蓄水桶一对一连接；将污水厂的细格栅过滤后排出的污水原水取样后收集至总蓄水桶，再由所述总蓄水桶将污水原水分别排至所述三个小蓄水桶，然后将小蓄水桶内的污水原水以一定流量排入对应的人工湿地实验装置；基于预设的装置运行工况对三个人工湿地实验装置进行持续监测并分析直至得到各人工湿地实验装置稳定的出水浓度指标；判断所述稳定的出水浓度指标是否达标。本发明为锰氧化物在人工湿地中催化氧化脱氮除磷的研究提供了理论支撑和技术支持。

技术领域

本发明属于水污染控制与水处理技术领域，具体涉及一种锰矿砂人工湿地脱氮除磷效果模型验证方法。

背景技术

潜流人工湿地因其具有高效的、低成本的使用价值，近期成为了各种污水处理的热门技术。潜流人工湿地可以利用湿地植物、基质及其相关微生物组合，利用其相互作用来达到净化污水的作用，在处理氨氮和磷上都有较好的去除率。常规微生物氮转化途径包括氨化、硝化、反硝化、异化硝酸盐还原为铵；还有非常规脱氮途径，如部分硝化反硝化、厌氧氨氧化、同时厌氧氨氧化-反硝化厌氧甲烷氧化-反硝化、部分反硝化-厌氧氨氮化等。硝化和反硝化是最常见的微生物脱氮过程，硝化作用和反硝化作用也是人工湿地中最主要的微生物脱氮机制。

湿地系统中脱氮途径主要是微生物硝化反硝化，硝化过程需要氧气，反硝化过程需要有机碳源（例如COD）。空气溶解和植物根系分泌氧是向人工湿地系统中传递氧气的两种传统方法。但是，研究表明潜流人工湿地中基质表层10 cm处消耗约50%的溶解氧(DO)，所以潜流湿地中的基质大部分是缺氧厌氧区域，很大程度上限制了氨氮的去除效率。

因此，提高溶解氧、提高硝化程度和增加有机碳进行硝态氮反硝化是人工湿地高效处理废水的基本策略。其中溶解氧也被认为是去除有机物和脱氮的最重要因素之一。人工曝气、跌水和潮汐作业是提高溶解氧三种主要方法，而这三种方法都不同程度的增加了人工湿地运行成本和工艺难度。

目前常见的人工湿地基质材料有砾石、石英砂、陶粒等，然而以上材料污染物去除能力有限，在达到吸附饱和后长期运行效果不稳定。锰作为变价元素，共有+2、+3、+4、+5、+6、+7 六种价态。而天然锰矿中的锰元素主要为 Mn(II)、Mn(IV)两种价态，且具有较强的氧化性，氧化还原价位分别为+1.5 eV 和+1.23 eV。锰氧化物是一种广泛存在的天然强氧化剂，可作为微生物代谢的潜在电子受体。锰氧化物的零电点低，且反应活性高，与铁氧化物性质相似，但微生物对其的利用效率是铁氧化物的5.6倍。锰氧化物具有吸附性和氧化性，可在微生物作用下实现 Mn(II)与 Mn(IV)的相互转化并与有机物和氮的去除耦合。由于价格低廉和易获得等优势，广泛应用在反应器、滤池和人工湿地中。在锰氧化物降解有机物的过程中，高价态的锰被还原生成溶解态的 Mn(II)。锰可以参与多种元素之间的价态转化，如氮、硫。在锰氧化物的催化氧化作用下降解污染物所消耗氧气更少。国内外已有利用锰矿物去除废水中的重金属、治理印染废水和处理有机污染物等方面的研究，而对利用锰氧化物在人工湿地中催化氧化脱氮的研究还较少。

在反硝化过程中，有机碳作为电子供体，硝态氮作为电子受体，在缺氧条件下经硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、一氧化氮还原酶和一氧化二氮还原酶协同作用产生为氮气，以此形式在人工湿地中实现氮的永久去除。但由于污水厂的提标改造，污水的COD去除导致碳氮比过低，限制了反硝化作用，不能为污水中的微生物提供足够的碳源，抑制了微生物的生长，降低了生物反硝化速率，从而进一步影响低污染水的脱氮效果。在早前的研究中，有污水厂通过投加甲醇来补充碳源促进反硝化作用。现象表明这是有用的，但是投加甲醇成本过高。固体碳源如生物炭是一种由生物植物高温下加热制备而成的，相较于液体碳源价格低廉，制作工艺简单。生物炭是一种富含碳的产品，由有限的氧气供应条件下的生物质热解而来，因其有利于减少温室气体、固碳和去除污染物而被广泛研究。