CN111943431A - 一种基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置和方法，属于给水处理技术领域。本发明中反硝化生物滤池1中的第一滤料层6上的反硝化细菌能够通过利用外加碳源将硝酸盐氮转化为N2，从而去除地下水中的硝酸盐；曝气生物滤池2上的微生物具有氧化降解能力，在曝气条件下能够对反硝化生物滤池1出水中的多余碳源进行快速净化去除；曝气生物滤池2出水自上而下流经砂滤池3，使第三滤料层17呈压实状态，第三滤料层17中的滤料粒径≤2mm，对生物膜以及其他悬浮物有截留与过滤作用，能够对反硝化生物滤池1和曝气生物滤池2可能泄露的微生物进行有效截留，最终使出水达到饮用水标准。

Description

一种基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置和方法
技术领域
本发明涉及给水处理技术领域，特别涉及一种基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置和方法。
背景技术
地下水是贮存于包气带以下地层空隙，包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水，是水资源的重要组成部分，是人类的重要饮用水源。
近几十年来，随着我国经济社会的快速发展，地下水资源开发利用量呈迅速增长态势，大量含氮废水随着工农业的发展而被排入自然水体并进入地下水中，造成了地下水的硝酸盐污染。尽管硝酸盐本身对人体没有危害，但在人体内有可能经硝酸盐还原菌作用变成亚硝酸盐，从而引起高铁血红蛋白症，或形成致癌物质亚硝基胺，对人体健康构成威胁。据我国最新生活饮用水卫生标准，饮用水中的硝酸盐不应超过10mg/L。
目前，硝酸盐去除技术大体分为物理化学法、化学法和生物技术法等。物理化学法主要有蒸馏、电渗析、反渗透和离子交换法，其存在处理费用比较高、前处理要求高、容易产生二次污染等问题，在应用上受到一定的限制；化学法是利用一定的还原剂还原水中的硝酸盐从而去除硝酸盐，目前研究较多的还原剂有金属FeO、Fe2+等，由于反应条件的控制比较严格、副产物是氨氮，易造成二次污染，使得化学法在应用中也受到一定的限制；生物技术法利用反硝化菌将硝酸盐降解为氮气，一般经历由NO3 --NO2 --NO-N2O-N2的过程，但生物法的应用范围有限、条件较难控制，一般只应用于污水处理领域，将生物法处理硝酸盐应用于饮用水处理的研究相对较少。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置和方法。本发明提供的装置和方法能够有效去除地下水中的硝酸盐并达到饮用水标准，且操作简单，成本低，不产生二次污染。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置，包括呈“递减阶梯状”排列的反硝化生物滤池1、曝气生物滤池2和砂滤池3；
所述反硝化生物滤池1自下而上依次设有第一进水区4、第一承托层5、第一滤料层6和第一存水区7；所述第一进水区4的入口与进水管8连通；所述第一承托层5贯穿有多个布水滤头；所述第一滤料层6中生长有反硝化细菌；所述第一存水区7侧壁设有第一溢流堰9；
所述曝气生物池设有“L”状的第二进水区10，所述第二进水区10的入口与第一溢流堰9连通，所述第二进水区10的底部设有曝气管11；在所述第二进水区10底部上方自下而上依次设有第二承托层12、第二滤料层13和第二存水区14；所述第二承托层12贯穿有多个布水滤头；所述第二滤料层13中生长有具有氧化降解能力的微生物；所述第二存水区14侧壁设有第二溢流堰15；
所述砂滤池3自上而下依次设有第三进水区16、第三滤料层17、第三承托层18和第三存水区19；所述第三进水区16与第二溢流堰15连通；所述第三滤料层17中滤料的粒径≤2mm；所述第三承托层18贯穿有多个布水滤头；所述第三存水区19的出口与出水管20连通。
优选的，所述第一滤料层6的滤料为生物陶粒、石英砂、无烟煤和活性炭中的一种或几种，所述滤料的粒径为5～8mm；所述第一滤料层6的高度为25～150cm；
所述第二滤料层13的滤料为生物陶粒，所述滤料的粒径为5～8mm；所述第二滤料层13的高度为25～150cm；所述具有氧化降解能力的微生物的种类优选包括好氧细菌、兼性厌氧细菌、真菌、原生动物和微型后生动物，所述好氧细菌的数量优选≥95％；
所述第三滤料层17的滤料为石英砂、无烟煤和活性炭的一种或几种；所述第三滤料层17的高度为25～150cm。
优选的，所述第一存水区7设有第一水质检测口21，所述第一滤料层6设有第一滤料观察口22；
所述第二存水区14设有第二水质检测口23，所述第二滤料层13设有第二滤料观察口24；
所述第三存水区19设有第三水质检测口25，所述第三滤料层17设有第三滤料观察口26。
优选的，所述第一进水区4设有第一反冲洗进水口27，第一存水区7设有第一反冲洗出水口28；
所述第二进水区10设有第二反冲洗进水口29，第二存水区14设有第二反冲洗出水口30；
所述第三存水区19设有第三反冲洗进水口31，第三进水区16设有第三反冲洗出水口32。
优选的，所述基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置还包括位于反硝化生物滤池1、曝气生物滤池2和砂滤池3整体外侧的箱体，所述箱体设有与进水管8连通的进水口，与出水管20连通的出水口。
本发明提供了基于上述装置去除地下水中硝酸盐的方法，包括以下步骤：
(1)将地下水与碳源混合，得到外加碳源地下水；
(2)所述外加碳源地下水通过进水管8自下而上经过反硝化生物滤池1的第一进水区4、第一承托层5和第一滤料层6，在第一滤料层6进行反硝化反应，在第一存水区7得到反硝化生物滤池1出水；
(3)所述反硝化生物滤池1出水进入曝气生物滤池2的第二进水区10，自下而上经过曝气生物滤池2的第二承托层11和第二滤料层13，在第二进水区10底部进行曝气，在第二滤料层13进行氧化降解反应，在第二存水区14得到曝气生物滤池2出水；
(4)所述曝气生物滤池2出水自上而下经过砂滤池3的第三进水区16、第三滤料层17和第三承托层18，在第三滤料层17进行过滤，在第三存水区19得到砂滤池3出水，所述砂滤池3出水从出水管20排出。
优选的，所述碳源为蔗糖、乙醇、乙酸钠和葡萄糖中的一种，所述外加碳源地下水中C/N质量比为3～6:1；
所述反硝化反应的温度为20～30℃，时间为60～150min。
优选的，所述曝气后反硝化生物滤池1出水中溶解氧浓度为8～10mg/L，所述氧化降解反应的温度为20～30℃，时间为60～150min；
所述曝气生物滤池2出水中COD的含量≤3mg/L。
优选的，还包括对反硝化生物滤池1出水、曝气生物滤池2出水和砂滤池3出水的水质进行检测；对第一滤料层6、第二滤料层13和第三滤料层17进行观察。
优选的，还包括对反硝化生物滤池1、曝气生物滤池2和砂滤池3进行反冲洗。
本发明提供了一种基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置，包括呈“递减阶梯状”排列的反硝化生物滤池1、曝气生物滤池2和砂滤池3。本发明中反硝化生物滤池1中的第一滤料层6中的反硝化细菌能够厌氧条件下进行反硝化反应，在外加碳源的作用下将硝酸盐与亚硝酸盐还原为氮气，从而去除地下水中的硝酸盐；曝气生物滤池2中的微生物具有氧化降解能力，在曝气条件下能够对反硝化生物滤池1出水中的多余碳源进行快速净化去除；曝气生物滤池2出水自上而下流经砂滤池3，使第三滤料层17呈压实状态，第三滤料层17中的滤料粒径≤2mm，对微生物以及地下水中悬浮物有过滤和截留作用作用，能够对反硝化生物滤池1和曝气生物滤池2可能泄露的微生物进行有效截留，最终使出水达到饮用水标准。
本发明提供了一种基于多级滤池去除地下水硝酸盐的方法，此法先将地下水与碳源混合，得到外加碳源地下水，外加碳源地下水依次经过反硝化生物滤池1去除硝酸盐与亚硝酸盐、经过曝气生物滤池2去除多余的碳源，经过砂滤池3截留反硝化生物滤池1和曝气生物滤池2可能泄露的微生物，最终使出水达到饮用水标准。本发明提供的方法操作简单，成本低，不产生二次污染。
附图说明
图1本发明基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置的结构示意图，其中1-基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置，2-曝气生物滤池，3-砂滤池，4-第一进水区，5-第一承托层，6-第一滤料层，7-第一存水区，8-进水管，9-第一溢流堰，10-第二进水区，11-曝气管，12-第二承托层，13-第二滤料层，14-第二存水区，15-第二溢流堰，16-第三进水区，17-第三滤料层，18-第三承托层，19-第三存水区，20-出水管，21-第一水质检测口，22-第一滤料观察口，23-第二水质检测口，24-第二滤料观察口，25-第三水质检测口，26-第三滤料观察口，27-第一反冲洗进水口，28-第一反冲洗出水口，29-第二存水区，30-第二反冲洗出水口，31-第三反冲洗进水口，32-第三反冲洗出水口；
图2为实施例1中基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置的尺寸示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置，包括呈“递减阶梯状”排列的基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置1、曝气生物滤池2和砂滤池3；
所述反硝化生物滤池1自下而上依次设有第一进水区4、第一承托层5、第一滤料层6和第一存水区7；所述第一进水区4的入口与进水管8连通；所述第一承托层5贯穿有多个布水滤头；所述第一滤料层6中生长有微生物；所述第一存水区7侧壁设有第一溢流堰9；
所述曝气生物池设有“L”状的第二进水区10，所述第二进水区10的入口与第一溢流堰9连通，所述第二进水区10的底部设有曝气管11；在所述第二进水区10底部上方自下而上依次设有第二承托层12、第二滤料层1312和第二存水区14；所述第二承托层12贯穿有多个布水滤头；所述第二滤料层1312中生长有微生物；所述第二存水区14侧壁设有第二溢流堰15；
所述砂滤池3自上而下依次设有第三进水区16、第三滤料层17、第三承托层18和第三存水区19；所述第三进水区16与第二溢流堰15连通；所述第三滤料层17中滤料的粒径≤2mm；所述第三承托层18贯穿有多个布水滤头；所述第三存水区19的出口与出水管20连通。
本发明所述基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置的结构示意图如图1所示。
本发明提供的基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置包括反硝化生物滤池1。本发明对所述反硝化生物滤池1的尺寸、容积没有特殊的要求，根据地下水处理量进行相应设计即可。作为本发明的一个具体实施例，所述反硝化生物滤池1的形状为立方体形，其高度为158cm，长和宽均为100cm。在本发明中，所述反硝化生物滤池1的外层材质优选为有机玻璃、玻璃钢或不锈钢。
在本发明中，所述反硝化生物滤池1自下而上依次设有第一进水区4、第一承托层5、第一滤料层6和第一存水区7。在本发明中，所述第一进水区4的入口与进水管8连通，本发明对所述进水管8的内径没有特殊的要求，根据地下水的处理量进行相应设计即可。本发明对所述第一进水区4的高度没有特殊的要求，根据地下水处理量进行相应设计即可；作为本发明的一个具体实施例，所述第一进水区4的高度为30cm。在本发明中，所述第一进水区4的作用是使地下水自下而上通过反硝化生物滤池1。
在本发明中，所述第一承托层5位于第一进水区4上方并将第一进水区4与第一滤料层6分隔。在本发明中，所述第一承托层5的材质优选为有机玻璃、玻璃钢或不锈钢，厚度优选为6～15mm，更优选为8mm。在本发明中，所述第一承托层5贯穿有多个布水滤头，所述布水滤头的个数优选为40～60个/m2承托层，更优选为50个/m2。本发明对所述布水滤头的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知种类的布水滤头即可，在本发明中，所述布水滤头的孔径优选为1～2mm。本发明通过所述布水滤头，能够使地下水均匀地通过第一承托层5和第一滤料层6。
在本发明中，所述第一滤料层6的滤料优选为生物陶粒、石英砂、无烟煤和活性炭中的一种或几种，所述滤料的粒径优选为5～8mm，更优选为6～7mm。在本发明中，所述第一滤料层6中的滤料中生长有反硝化细菌，所述反硝化细菌的种类优选为变形杆菌(Proteus)、微球菌(Micrococcus)和芽孢杆菌(Bacillus)中的一种或几种。在本发明中，所述反硝化细菌能够在厌氧条件下进行反硝化反应，将硝酸盐与亚硝酸盐还原为氮气，从而去除地下水中的硝酸盐。在本发明中，所述第一滤料层6的高度优选为25～150cm，更优选为30cm。
在本发明中，所述第一滤料层6的上方为第一存水区7，所述第一存水区7的侧壁设有第一溢流堰9。本发明对所述第一溢流堰9的设置高度没有特殊的要求，根据地下水处理量和反硝化生物滤池1容积进行相应设计即可；作为本发明的一个实施例，所述第一溢流堰9的高度距第一滤料层6表面30cm。在本发明中，所述第一溢流堰9的作用是使反硝化生物滤池1出水顺利进入曝气生物滤池2。
本发明提供的基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置包括曝气生物滤池2。本发明对所述曝气生物滤池2的尺寸、容积没有特殊的要求，根据地下水处理量进行相应设计即可。作为本发明的一个具体实施例，所述曝气生物滤池2的形状为立方体形，其高度为188cm，长度为100cm，宽度为105cm。在本发明中，所述曝气生物滤池2的顶部与反硝化生物滤池1的顶部处于同一水平位置，所述曝气生物滤池2的底部低于反硝化生物滤池1的底部。在本发明中，所述反硝化生物滤池1的外层材质优选为有机玻璃、玻璃钢或不锈钢。
在本发明中，所述曝气生物池设有“L”状的第二进水区10，所述第二进水区10的入口与第一溢流堰9连通，所述第二进水区10的底部设有曝气管11；在所述第二进水区10底部上方自下而上依次设有第二承托层12、第二滤料层13和第二存水区14。在本发明中，所述第二进水区10包括连通的侧部和底部，所述侧部的高度和长度与曝气生物滤池2的高度相同；所述第二进水区10的入口位于侧部侧壁。本发明对所述第二进水区10的尺寸、容积没有特殊的要求，根据地下水处理量进行相应设计即可。作为本发明的一个具体实施例，所述第二进水区10侧部的高度为188cm，长度为100cm，宽度为5cm，底部的高度为30cm，长度和宽度均为100cm。在本发明中，所述第二进水区10的作用是使反硝化生物滤池1出水自下而上通过曝气生物池。
在本发明中，所述第二进水区10的底部设有曝气管11。本发明对所述曝气管11的种类没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的曝气管11即可。
在本发明中，所述第二承托层12位于第二进水区10底部上方并将第二进水区10底部与第二滤料层13分隔。在本发明中，所述第二承托层12的材质、厚度以及第二承托层12中布水滤头的个数种类均与第一承托层5相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述第二滤料层13的滤料优选为生物陶粒，所述滤料的粒径优选为5～8mm，更优选为6～7mm。在本发明中，所述第二滤料层13中的滤料中生长有具有氧化降解能力的微生物，所述具有氧化降解能力的微生物的种类优选包括好氧细菌、兼性厌氧细菌、真菌、原生动物和微型后生动物，所述好氧细菌的数量优选≥95％。在本发明中，所述好氧细菌优选为硝化细菌、固氮菌、硫球菌和放线菌中的一种或几种；所述兼性厌氧细菌优选为大肠杆菌、链球菌和葡萄球菌中的一种；所述真菌包括酵母菌和/或霉菌；所述原生动物包括草履虫和/或豆型虫；所述微型后生动物包括轮虫和/或线虫。在本发明中，所述具有氧化降解能力的微生物在曝气条件下能够对地下水中的多余碳源进行快速净化去除。在本发明中，所述第二滤料层13的高度优选为30cm。
在本发明中，所述第二滤料层13的上方为第二存水区14，所述第二存水区14的侧壁设有第二溢流堰15。本发明对所述第二溢流堰15的设置高度没有特殊的要求，根据地下水处理量和曝气生物池容积进行相应设计即可；作为本发明的一个实施例，所述第二溢流堰15的高度距第二滤料层13表面30cm。在本发明中，所述第二溢流堰15的作用是使曝气生物池出水顺利进入砂滤池3。
本发明提供的基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置包括砂滤池3。本发明对所述砂滤池3的尺寸、容积没有特殊的要求，根据地下水处理量进行相应设计即可。作为本发明的一个具体实施例，所述砂滤池3的形状为立方体形，其高度为218cm，长度为100cm，宽度为60cm。在本发明中，所述砂滤池3的顶部与曝气生物滤池2的顶部处于同一水平位置，所述砂滤池3的底部低于曝气生物滤池2的底部。在本发明中，所述砂滤池3的外层材质优选为有机玻璃、玻璃钢或不锈钢。
在本发明中，所述砂滤池3自上而下依次设有第三进水区16、第三滤料层17、第三承托层18和第三存水区19。在本发明中，所述第三进水区16与第二溢流堰15连通，其作用是使曝气生物池出水自上而下通过砂滤池3。本发明对所述第三进水区16的高度没有特殊的要求，根据地下水处理量进行相应设计即可；作为本发明的一个具体实施例，所述第三进水区16的高度为140cm。
在本发明中，所述第三滤料层17的滤料优选为石英砂、无烟煤和活性炭的一种或几种，所述滤料的粒径≤2mm，优选为1～2mm。在本发明中，曝气生物滤池2出水自上而下流经砂滤池3，使第三滤料层17呈压实状态，第三滤料层17中的滤料粒径极小，对微生物以及地下水中的悬浮物有截留与过滤作用，能够对反硝化生物滤池1和曝气生物滤池2可能泄露的微生物进行有效截留，最终使出水达到饮用水标准。在本发明中，所述第三滤料层17的高度优选为25～150cm，更优选为30cm。
在本发明中，所述第三承托层18位于第三存水区19底部上方并将第三存水区19底部与第三滤料层17分隔。在本发明中，所述第三承托层18的材质、厚度以及第三承托层18中布水滤头的个数种类均与第一承托层5相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述第三存水区19的出口与出水管20连通。本发明对所述出水管20的内径没有特殊的要求，根据地下水处理量进行相应设计即可。本发明对所述第三存水区19的高度没有特殊的要求，根据地下水处理量进行相应设计即可；作为本发明的一个具体实施例，所述第三存水区19的高度为30cm。
在本发明中，所述第一存水区7优选设有第一水质检测口21，所述第一滤料层6优选设有第一滤料观察口22；所述第一水质检测口21设置于第一存水区7侧壁，所述第一滤料观察口22设置于第一滤料层6对应的反硝化生物滤池1侧壁上。本发明通过第一水质检测口21对反硝化生物滤池1出水进行水质检测；通过第一滤料观察口22观察滤料的情况。在本发明中，所述第一滤料观察口22可以打开并将滤料取出，从而检测滤料中反硝化细菌的种类和数量。
在本发明中，所述第二存水区14优选设有第二水质检测口23，所述第二滤料层13优选设有第二滤料观察口24；所述第二水质检测口23设置于第二存水区14侧壁，所述第二滤料观察口24设置于第二滤料层13对应的曝气生物滤池2侧壁上。本发明通过第二水质检测口23对曝气生物滤池2出水进行水质检测，通过第二滤料观察口24观察滤料的的情况。在本发明中，所述第二滤料观察口24可以打开并将滤料取出，从而检测滤料中具有氧化降解能力的微生物的种类和数量。
在本发明中，所述第三进水区16优选设有第三水质检测口25，所述第三滤料层17优选设有第三滤料观察口26；所述第三水质检测口25设置于第三存水区19侧壁，所述第三滤料观察口26设置于第三滤料层17对应的砂滤池3侧壁上。本发明通过第三水质检测口25对砂滤池3出水进行水质检测，通过第三滤料观察口26观察滤料的的情况。
在本发明中，所述第一进水区4优选设有第一反冲洗进水口27，第一存水区7优选设有第一反冲洗出水口28；所述第一反冲洗进水口27设置于第一进水区4的侧壁，所述第一反冲洗出水口28设置于第一存水区7的侧壁。本发明通过第一反冲洗进水口27和第一反冲洗出水口28实现对反硝化生物滤池1的反冲洗。
在本发明中，所述第二进水区10优选设有第二反冲洗进水口29，第二存水区14优选设有第二反冲洗出水口30；所述第二反冲洗进水口29设置于第二进水区10的侧壁，所述第二反冲洗出水口30设置于第二存水区14的侧壁。本发明通过第二反冲洗进水口29和第二反冲洗出水口30实现对曝气生物滤池2的反冲洗。
在本发明中，所述第三存水区19优选设有第三反冲洗进水口31，第三进水区16优选设有第三反冲洗出水口32；所述第三反冲洗进水口31设置于第三存水区19的侧壁，所述第三反冲洗出水口32设置于第三进水区16的侧壁。本发明通过第三反冲洗进水口31和第三反冲洗出水口32实现对砂滤池3的反冲洗。
本发明提供的基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置还优选包括位于反硝化生物滤池1、曝气生物滤池2和砂滤池3整体外侧的箱体。在本发明中，所述箱体的材质优选为有机玻璃、玻璃钢或不锈钢，厚度优选为1～5cm。在本发明中，所述箱体的形状优选为长方体形，其内部高度与砂滤池3的高度相同，内部长度与反硝化生物滤池1、曝气生物滤池2和砂滤池3的长度相同，内部宽度与反硝化生物滤池1、曝气生物滤池2和砂滤池3的宽度之和相同。在本发明中，所述反硝化生物滤池1、曝气生物滤池2与箱体底部间的剩余空间内优选为全空，以节省成本。本发明通过所述箱体，使基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置具有一体化箱式结构，便于运输与安装。
在本发明中，所述箱体设有与进水管8连通的进水口，与出水管20连通的出水口。在本发明中，所述进水口的位置与第一进水区4入口的位置对应，所述出水口的位置与第三存水区19出水口的位置相同。
在本发明中，当所述第一进水区4设有第一反冲洗进水口27、第一存水区7设有第一反冲洗出水口28、第二进水区10设有第二反冲洗进水口29、第二存水区14设有第二反冲洗出水口30、第三存水区19设有第三反冲洗进水口31、第三进水区16设有第三反冲洗出水口32时，所述箱体在其对应位置设有开口；当所述第一存水区7设有第一水质检测口21、第一滤料层6设有第一滤料观察口22、第二存水区14设有第二水质检测口23、第二滤料层13设有第二滤料观察口24、第三进水区16设有第三水质检测口25、第三滤料层17设有第三滤料观察口26时，所述箱体在其对应位置设有开口。
本发明提供了基于上述装置去除地下水中硝酸盐的方法，包括以下步骤：
(1)将地下水与碳源混合，得到外加碳源地下水；
(2)所述外加碳源地下水通过进水管8自下而上经过反硝化生物滤池1的第一进水区4、第一承托层5和第一滤料层6，在第一滤料层6进行反硝化反应，在第一存水区7得到反硝化生物滤池1出水；
(3)所述反硝化生物滤池1出水进入曝气生物滤池2的第二进水区10，自下而上经过曝气生物滤池2的第二承托层12和第二滤料层13，在第二进水区10底部进行曝气，在第二滤料层13进行氧化降解反应，在第二存水区14得到曝气生物滤池2出水；
(4)所述曝气生物滤池2出水自上而下经过砂滤池3的第三进水区16、第三滤料层17和第三承托层18，在第三滤料层17进行过滤，在第三存水区19得到砂滤池3出水，所述砂滤池3出水从出水管20排出。
本发明将地下水与碳源混合，得到外加碳源地下水。本发明对所述地下水的来源没有特殊的要求，任意来源的地下水均适用本发明的装置和方法除去硝酸盐。在本发明中，所述地下水中硝酸盐的含量优选为30～120mg/L，更优选为50～70mg/L。在本发明中，所述碳源优选为蔗糖、乙醇、乙酸钠和葡萄糖中的一种，所述外加碳源地下水中C/N质量比优选为3～6:1，更优选为4～5:1。本发明对所述混合的方式没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的混合方式即可，具体的如搅拌混合。在本发明中，所述混合在地下水进入本发明装置前进行。
得到外加碳源地下水后，所述外加碳源地下水通过进水管8自下而上经过反硝化生物滤池1的第一进水区4、第一承托层5和第一滤料层6，在第一滤料层6进行反硝化反应，在第一存水区7得到反硝化生物滤池1出水。本发明对所述外加碳源地下水经过反硝化生物滤池1的流速没有特殊的要求，根据反硝化生物滤池1的容积和反硝化反应的时间进行相应设计即可。作为本发明的一个具体实施例，所述外加碳源地下水经过反硝化生物滤池1的流速为1.5～3m/s。
在本发明中，所述反硝化反应的温度优选为20～30℃，优选为25℃；时间优选为60～150min，更优选为90～120min；在本发明中，所述反硝化反应的时间为外加碳源地下水在反硝化生物滤池1中的停留时间。在所述反硝化反应的过程中，第一滤料层6中的反硝化细菌能够在厌氧条件下进行反硝化反应，将硝酸盐与亚硝酸盐还原为氮气，从而去除地下水中的硝酸盐，外加碳源能够作为微生物生长繁殖代谢的营养物质，同时也是异养反硝化作用的的电子供体。
得到反硝化生物滤池1出水后，所述反硝化生物滤池1出水进入曝气生物滤池2的第二进水区10，自下而上经过曝气生物滤池2的第二承托层12和第二滤料层13，在第二进水区10底部进行曝气，在第二滤料层13进行氧化降解反应，在第二存水区14得到曝气生物滤池2出水。在本发明中，所述曝气后反硝化生物滤池1出水中溶解氧浓度优选为8～10mg/L，更优选为9mg/L；所述氧化降解反应的温度优选为20～30℃，更优选为25℃，时间为60～150min，更优选为90～120min；在本发明中，所述氧化降解反应的时间为反硝化生物滤池1出水在曝气生物滤池2中的停留时间。在本发明中，曝气生物滤池2中微生物具有氧化降解能力，在曝气条件下能够对反硝化生物滤池1出水中的多余碳源进行快速净化，所得曝气生物滤池2出水中COD的含量优选≤3mg/L，更优选为1～2mg/L。
得到曝气生物滤池2出水后，所述曝气生物滤池2出水自上而下经过砂滤池3的第三进水区16、第三滤料层17和第三承托层18，在第三滤料层17进行过滤，在第三存水区19得到砂滤池3出水，所述砂滤池3出水从出水管20排出。在本发明中，曝气生物滤池2出水自上而下流经砂滤池3，使第三滤料层17呈压实状态，第三滤料层17中的滤料粒径极小，对生物膜以及其他悬浮物有过滤与截留作用作用，能够对反硝化生物滤池1和曝气生物滤池2可能泄露的微生物进行有效截留，最终使出水达到饮用水标准。
在去除地下水中硝酸盐的过程中，本发明还优选包括对反硝化生物滤池1出水、曝气生物滤池2出水和砂滤池3出水进行水质检测；在本发明中，所述水质检测的对象为水中硝酸盐含量、碳源含量和微生物含量。本发明优选从第一水质检测口21、第二水质检测口23和第三水质检测口25采集需要检测的水样。
在去除地下水中硝酸盐的过程中，本发明还优选包括对第一滤料层6、第二滤料层13和第三滤料层17的滤料进行观察。本发明优选通过第一滤料观察口22、第二滤料观察口24和第三滤料观察口26进行观察。
本发明还优选包括对所述反硝化生物滤池1、曝气生物滤池2和砂滤池3进行反冲洗。本发明对反硝化生物滤池1进行反冲洗时，反冲洗水从第一反冲洗进水口27进入，从第一反冲洗出水口28流出；所述反冲洗水优选为自来水，所述反冲洗水的流速优选为4～6m/s，所述反冲洗的频率优选为3～5天一次。
本发明对曝气生物滤池2进行反冲洗时，反冲洗水从第二反冲洗进水口29进入，从第二反冲洗出水口30流出；所述反冲洗水优选为自来水，所述反冲洗水的流速优选为4～6m/s，所述反冲洗的频率优选为2～3天一次。
本发明对砂滤池3进行反冲洗时，反冲洗水从第三反冲洗进水口31进入，从第三反冲洗出水口32流出；所述反冲洗水优选为自来水，所述反冲洗水的流速优选为4～6m/s，所述反冲洗的频率优选为每天1～3次。
下面结合实施例对本发明提供的基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置和方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置结构和尺寸如图2所示，其中第一滤料层6的滤料为生物陶粒，滤料粒径为6mm，其负载的微生物为反硝化细菌；第二滤料层13的滤料为生物陶粒，滤料粒径为5mm，其负载的微生物为大量好氧细菌，少量兼性厌氧细菌，放线菌，酵母菌，霉菌，还有少量原生动物与微型后生动物；第三滤料层17的滤料为石英砂，粒径为2mm。
使用辽宁省某县农村地区地下水作为测试水源，使用此装置去除地下水中的硝酸盐，在处理前，地下水中硝酸盐的含量为60mg/L，亚硝酸盐浓度为0.2mg/L。去除硝酸盐的方法如下：
(1)将地下水与蔗糖混合，得到C/N质量比为3:1的外加碳源地下水；
(2)所述外加碳源地下水以2m/s流速通过进水管8自下而上经过反硝化生物滤池1的第一进水区4、第一承托层5和第一滤料层6，在第一滤料层6进行反硝化反应，反硝化反应的温度为25℃，时间为75min，在第一存水区7得到反硝化生物滤池1出水；
(3)所述反硝化生物滤池1出水进入曝气生物滤池2的第二进水区10，自下而上经过曝气生物滤池2的第二承托层12和第二滤料层13，在第二进水区10底部进行曝气，曝气后反硝化生物滤池1出水中溶解氧浓度为10mg/L；在第二滤料层13进行氧化降解反应，温度为25℃，时间为75min，在第二存水区14得到曝气生物滤池2出水；
(4)所述曝气生物滤池2出水自上而下经过砂滤池3的第三进水区16、第三滤料层17和第三承托层18，在第三滤料层17进行过滤，在第三存水区19得到砂滤池3出水，所述砂滤池3出水从出水管20排出。
其中，反硝化生物滤池1出水、曝气生物滤池2出水和砂滤池3出水水质如表1所示。
实施例2
使用辽宁省某县农村地区地下水作为测试水源，使用此装置去除地下水中的硝酸盐，在处理前，地下水中硝酸盐的含量为60mg/L，亚硝酸盐浓度为0.2mg/L。去除硝酸盐的方法如下：
(1)将地下水与蔗糖混合，得到C/N质量比为4:1的外加碳源地下水；
(2)所述外加碳源地下水以2m/s流速通过进水管8自下而上经过反硝化生物滤池1的第一进水区4、第一承托层5和第一滤料层6，在第一滤料层6进行反硝化反应，反硝化反应的温度为25℃，时间为90min，在第一存水区7得到反硝化生物滤池1出水；
(3)所述反硝化生物滤池1出水进入曝气生物滤池2的第二进水区10，自下而上经过曝气生物滤池2的第二承托层12和第二滤料层13，在第二进水区10底部进行曝气，曝气后反硝化生物滤池1出水中溶解氧浓度为10mg/L；在第二滤料层13进行氧化降解反应，温度为25℃，时间为90min，在第二存水区14得到曝气生物滤池2出水；
(4)所述曝气生物滤池2出水自上而下经过砂滤池3的第三进水区16、第三滤料层17和第三承托层18，在第三滤料层17进行过滤，在第三存水区19得到砂滤池3出水，所述砂滤池3出水从出水管20排出。
其中，反硝化生物滤池1出水、曝气生物滤池2出水和砂滤池3出水水质如表1所示。
实施例3
使用辽宁省某县农村地区地下水作为测试水源，使用此装置去除地下水中的硝酸盐，在处理前，地下水中硝酸盐的含量为60mg/L，亚硝酸盐浓度为0.2mg/L。去除硝酸盐的方法如下：
(1)将地下水与蔗糖混合，得到C/N质量比为6:1的外加碳源地下水；
(2)所述外加碳源地下水以2m/s流速通过进水管8自下而上经过反硝化生物滤池1的第一进水区4、第一承托层5和第一滤料层6，在第一滤料层6进行反硝化反应，反硝化反应的温度为30℃，时间为150min，在第一存水区7得到反硝化生物滤池1出水；
(3)所述反硝化生物滤池1出水进入曝气生物滤池2的第二进水区10，自下而上经过曝气生物滤池2的第二承托层12和第二滤料层13，在第二进水区10底部进行曝气，曝气后反硝化生物滤池1出水中溶解氧浓度为10mg/L；在第二滤料层13进行氧化降解反应，温度为30℃，时间为150min，在第二存水区14得到曝气生物滤池2出水；
(4)所述曝气生物滤池2出水自上而下经过砂滤池3的第三进水区16、第三滤料层17和第三承托层18，在第三滤料层17进行过滤，在第三存水区19得到砂滤池3出水，所述砂滤池3出水从出水管20排出。
其中，反硝化生物滤池1出水、曝气生物滤池2出水和砂滤池3出水水质如表1所示。
表1实施例1～3的水质检测结果
Figure BDA0002626852910000161
碳源浓度*为以CODMn计的碳源浓度。
由以上实施例可知，本发明提供的装置和方法能够有效去除地下水中的硝酸盐、亚硝酸盐并达到饮用水标准(饮用水标准为：硝酸盐浓度＜10mg/L，CODMn＜3mg/L，不得检出亚硝酸盐)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多级滤池去除地下水硝酸盐的装置，包括呈“递减阶梯状”排列的反硝化生物滤池(1)、曝气生物滤池(2)和砂滤池(3)；
所述反硝化生物滤池(1)自下而上依次设有第一进水区(4)、第一承托层(5)、第一滤料层(6)和第一存水区(7)；所述第一进水区(4)的入口与进水管(8)连通；所述第一承托层(5)贯穿有多个布水滤头；所述第一滤料层(6)中生长有反硝化细菌；所述第一存水区(7)侧壁设有第一溢流堰(9)；
所述曝气生物池设有“L”状的第二进水区(10)，所述第二进水区(10)的入口与第一溢流堰(9)连通，所述第二进水区(10)的底部设有曝气管(11)；在所述第二进水区(10)底部上方自下而上依次设有第二承托层(12)、第二滤料层(13)和第二存水区(14)；所述第二承托层(12)贯穿有多个布水滤头；所述第二滤料层(13)中生长有具有氧化降解能力的微生物；所述第二存水区(14)侧壁设有第二溢流堰(15)；
所述砂滤池(3)自上而下依次设有第三进水区(16)、第三滤料层(17)、第三承托层(18)和第三存水区(19)；所述第三进水区(16)与第二溢流堰(15)连通；所述第三滤料层(17)中滤料的粒径≤2mm；所述第三承托层(18)贯穿有多个布水滤头；所述第三存水区(19)的出口与出水管(20)连通。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一滤料层(6)的滤料为生物陶粒、石英砂、无烟煤和活性炭中的一种或几种，所述滤料的粒径为5～8mm；所述第一滤料层(6)的高度为25～150cm；
所述第二滤料层(13)的滤料为生物陶粒，所述滤料的粒径为5～8mm；所述第二滤料层(13)的高度为25～150cm；所述具有氧化降解能力的微生物的种类优选包括好氧细菌、兼性厌氧细菌、真菌、原生动物和微型后生动物，所述好氧细菌的数量优选≥95％；
所述第三滤料层(17)的滤料为石英砂、无烟煤和活性炭中的一种或几种；所述第三滤料层(17)的高度为25～150cm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一存水区(7)设有第一水质检测口(21)，所述第一滤料层(6)设有第一滤料观察口(22)；
所述第二存水区(14)设有第二水质检测口(23)，所述第二滤料层(13)设有第二滤料观察口(24)；
所述第三存水区(19)设有第三水质检测口(25)，所述第三滤料层(17)设有第三滤料观察口(26)。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一进水区(4)设有第一反冲洗进水口(27)，第一存水区(7)设有第一反冲洗出水口(28)；
所述第二进水区(10)设有第二反冲洗进水口(29)，第二存水区(14)设有第二反冲洗出水口(30)；
所述第三存水区(19)设有第三反冲洗进水口(31)，第三进水区(16)设有第三反冲洗出水口(32)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括位于反硝化生物滤池(1)、曝气生物滤池(2)和砂滤池(3)整体外侧的箱体，所述箱体设有与进水管(8)连通的进水口，与出水管(20)连通的出水口。
6.基于权利要求1～5任意一项所述装置去除地下水中硝酸盐的方法，包括以下步骤：
(1)将地下水与碳源混合，得到外加碳源地下水；
(2)所述外加碳源地下水通过进水管(8)自下而上经过反硝化生物滤池(1)的第一进水区(4)、第一承托层(5)和第一滤料层(6)，在第一滤料层(6)进行反硝化反应，在第一存水区(7)得到反硝化生物滤池(1)出水；
(3)所述反硝化生物滤池(1)出水进入曝气生物滤池(2)的第二进水区(10)，自下而上经过曝气生物滤池(2)的第二承托层(11)和第二滤料层(13)，在第二进水区(10)底部进行曝气，在第二滤料层(13)进行氧化降解反应，在第二存水区(14)得到曝气生物滤池(2)出水；
(4)所述曝气生物滤池(2)出水自上而下经过砂滤池(3)的第三进水区(16)、第三滤料层(17)和第三承托层(18)，在第三滤料层(17)进行过滤，在第三存水区(19)得到砂滤池(3)出水，所述砂滤池(3)出水从出水管(20)排出。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碳源为蔗糖、乙醇、乙酸钠和葡萄糖中的一种，所述外加碳源地下水中C/N质量比为3～6:1；
所述反硝化反应的温度为20～30℃，时间为60～150min。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述曝气后反硝化生物滤池(1)出水中溶解氧浓度为8～10mg/L，所述氧化降解反应的温度为20～30℃，时间为60～150min；
所述曝气生物滤池(2)出水中COD的含量≤3mg/L。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括对反硝化生物滤池(1)出水、曝气生物滤池(2)出水和砂滤池(3)出水的水质进行检测；对第一滤料层(6)、第二滤料层(13)和第三滤料层(17)进行观察。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，还包括对反硝化生物滤池(1)、曝气生物滤池(2)和砂滤池(3)进行反冲洗。
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