CN113072191B - 一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***及使用方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***及使用方法与应用，基质层包括零价铁和非生物导电材料。通过零价铁和磁铁矿的配合作用，通过水流引导提供良好的还原环境，能够实现对硫酸盐的高效去除。

Description

一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***及使用方法与应用

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***及使用方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

硫酸盐是水中常见的阴离子，在废水排放过程中，硫酸盐容易被还原成硫化物释放出的H2S气体造成水体黑臭。垃圾渗滤液、酸性矿山废水等工业污水中含有高浓度的硫酸盐，研究表明，通过物理吸附、共沉淀等方法可以将高浓度的硫酸盐降低的较低的浓度水平。地表水中的硫酸盐污染经常被人们忽视，一般情况下，饮用水中的硫酸盐浓度限于250mg/L，沿海废水中的硫酸盐浓度范围为30至300mg/L。硫酸盐浓度超过30mg/L会改变水的味道，超过250mg/L就会使人腹泻和脱水，因此，硫酸盐污染问题需要引起广泛关注。

人工湿地作为生态缓冲池被广泛用于处理各种废水，与其他处理技术相比，具有成本低、操作简单、环境效益高等优点。在人工湿地中，硫酸盐主要通过微生物的氧化还原去除，例如，专利CN110734145A公开了一种集矿山废水处理和植物处理为一体的生态湿地***及其使用方法，投加的发酵有机液作为电子受体，硫酸盐还原菌利用废水中的硫酸盐作为电子供体，将硫酸盐还原为硫化氢和硫离子，该技术虽然能够去除废水中的硫酸盐，但是，运行设备结构非常复杂，而且，需要补充发酵液，产生硫化氢，硫酸盐去除率较低仅仅为70％左右。现有技术对于污水中硫酸盐去除的研究较少，如何利用简单的方法强化去除污水中的硫酸盐成为亟待解决的问题。

然而，在厌氧还原环境中，硫酸盐和硝酸盐会竞争电子供体和碳源进行反硝化作用，因此，电子供体和碳源成为不可忽视的限制因素。在还原过程中，硝酸盐会优先利用电子供体进行反硝化，因此，在实际处理中存在的主要问题有：一是硫酸盐还原过程中没有充足的电子供体，得不到有效去除；二是硫酸盐还原产物的存在形态，防止产生硫化氢污染环境。

发明内容

为了解决上述问题，既能够为硫酸盐的还原过程提供充足的电子供体又能够避免硫化氢气体的产生，本公开提供了一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***及使用方法与应用，通过零价铁和磁铁矿的配合作用，通过水流引导提供良好的还原环境，能够实现对硫酸盐的高效去除。

具体地，本公开的技术方案如下所述：

在本公开的第一方面，一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***，基质层包括零价铁和非生物导电材料。

在本公开的第二方面，所述铁强化硫酸盐去除的人工湿地***的使用方法，包括污水由进水口进入***，自上而下经过基质部分，出水口不断有水流出。

在本公开的第三方面，所述的铁强化硫酸盐去除的人工湿地***和/或所述的使用方法在污水处理中的应用。

本公开中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：

(1)、通过添加零价铁为电子供体，在低氧化还原电位条件下，使得出水中的硫酸盐浓度进一步降低，硫酸盐的去除率进一步提高。

(2)、通过添加非生物导电材料，促进种间电子转移，提高了硫酸盐的去除效率。

(3)、选用植物菖蒲，除了去除污染物的同时，还可以有效净化环境，且具有较高的经济价值和观赏价值。

(4)、对黑臭水体的治理有较高的参考价值，具有合理的实际应用性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1：为实施例1所述的一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***的示意图；

图2:为实施例和对比实例的去除率数据。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本公开。应理解，这些实施例仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

目前，现有技术对于利用人工湿地去除污水中硫酸盐的研究较少，利用人工湿地去除硫酸盐不仅需要复杂的结构装置，而且，硫酸盐去除效率低，容易产生硫化氢等污染性物质，为了解决上述问题，本公开提供了一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***及使用方法与应用。

在本公开的一种实施方式中，一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***，基质层包括零价铁和非生物导电材料。人工湿地***中的微生物能借助外源的非生物导电材料实现直接种间电子转移，提高硫酸盐的还原效率；零价铁在人工湿地中创造良好的厌氧环境，同时，零价铁能够降低氧化还原电位，零价铁为电子供体，在低氧化还原电位条件下，使得出水中的硫酸盐浓度进一步降低，硫酸盐的去除率进一步提高。不仅如此，磁铁矿可以吸附硫酸盐还原产物，防止产生H₂S污染环境。

其中，所述非生物导电材料选自磁铁矿、活性炭或生物炭，优选的，为磁铁矿，磁铁矿充当电子导管的作用，促进微生物间的电子传递，提高硫酸盐的还原效率。

研究发现，人工湿地中不同物质的混合方式对于硫酸盐的去除效率具有一定的影响，当基质层由零价铁、非生物导电材料和石英砂混匀而成时，基质层位于砾石层的上方，零价铁、非生物导电材料与石英砂均匀混合，使得三者之间的接触面积最大，硫酸盐的去除效率最高。

进一步地，所述***为垂直流人工湿地***，***内部下而上依次为砾石层、基质层和湿地植物；进一步地，所述湿地植物为菖蒲，每个***种植3-4株植物，选择菖蒲作为湿地植物除了去除污染物的同时，还可以有效净化环境，且具有较高的经济价值和观赏价值。

其次，我们还发现当零价铁为球型，磁铁矿为碎屑时，可以增加接触面积，使零价铁和磁铁矿得到充分的利用，最大化还原硫酸盐。

在本公开的一种实施方式中，***中砾石粒径为5-8mm，石英砂粒径为2-3mm，零价铁粒径为0.2-0.3mm，磁铁矿粒径为0.2-0.3mm，零价铁和非生物导电材料混合后与石英砂按照质量比为1:9的比例添加。装置总高度为60厘米，宽度为20厘米，底部添加20厘米厚度的砾石，在20-55厘米处添加混匀的石英砂和零价铁/磁铁矿。通过调节粒径大小、添加比例和基质层的设置，能够为硫酸盐强化去除提供最佳环境，有助于提高硫酸盐的去除效率。

此外，还发现当仅仅设置一个或两个出水口时，无法为硫酸盐的去除提供良好的厌氧环境，导致硫酸盐的去除效率较低。通常情况下，仅仅认为出水口只是为了排水，而并没有研究出水口设置位置和数量对于强化去除硫酸盐的影响。然而，本公开发明人发现，出水口数量和位置的设置也很重要。为了提高硫酸盐的去除效率，提供更好的厌氧环境，充分发挥零价铁和非生物导电材料在提高硫酸盐去除率中的优势，所述人工湿地***的进出水***包括一个进水口和六个出水口，进水口和出水口分别位于装置的两侧，六个出水口之间等距离分布，两个出水口之间的间距没有特殊限定，依据基质层的高度进行设置即可。其中，砾石层设置有两个出水口，基质层设置有四个出水口。

非常有趣的是，当基质层的出水口数量过多或者过少时，硫酸盐的去除效率就会降低，这可能够是因为出水口的设置对于基质层中水流的状态具有一定的影响，同时，基质层中不同的水流状况也对于零价铁和非生物导电材料的活性具有重要的影响作用，导致出水口数量过多或过少将会降低硫酸盐的去除效率。更有意思的是，出水口数量的设置，还影响了人工湿地***的使用寿命，发明人发现，当出水口在同一侧等距离设置六个，基质层设置有四个出水口时，由于零价铁上吸附的硫酸盐还原产物能够被快速脱除，从***中流出，零价铁的活性得以长久保持，进而延长了人工湿地的使用寿命，该发现对于垂直流人工湿地使用寿命延长、降低成本具有重要意义。

为了防止出水时产生虹吸作用，营造连续流的进出水条件，出水管顶部设置有小管。六个出水口在装置内侧用纱网粘住，防止基质进入堵塞出水口。

在本公开的一种实施方式中，上述人工湿地***的使用方法包括：污水由进水口进入***，自上而下经过基质部分，出水口不断有水流出。在具体实施方式中，进水采用合成废水，SO₄ ^2-浓度为200mg/L，COD为100mg/L，水力停留时间为2d。

在本公开的一种实施方式中，所述的铁强化硫酸盐去除的人工湿地***和/或所述的使用方法在污水处理中的应用。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。

实施例1

如图1所示，一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***设计为潜流模式，采用聚乙烯材料制成，装置总高度为60厘米，宽度为20厘米。进水模式为连续流，水力停留时间为2d。底部出水口高5厘米，自下往上每个10厘米设置一个出水口，进水口在高度为58厘米处。基质设计为砾石粒径为5-7mm，石英砂粒径为2-3mm，零价铁粒径为0.2-0.3mm，磁铁矿粒径为0.2-0.3mm。底部添加20厘米厚度的砾石，在30厘米处添加混匀的石英砂和零价铁/磁铁矿。石英砂上方种植4株菖蒲，在去除污染物的同时，还具有一定的经济、欣赏价值。

污水从湿地上方进水口进入***，在***内部自上而下经过基质部分，出水口不断有水流出，保持潜流水位。***内部呈现出厌氧、缺氧环境。硫酸盐还原菌利用有机碳源、零价铁为电子供体，磁铁矿促进种间电子转移，完成反硫化作用，同时生成Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)，与硫酸盐还原产物结合生成铁硫化合物。湿地进水水质为SO₄ ^2-浓度为200mg/L，COD为100mg/L。

实施例2

一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***，采用聚乙烯材料制成，装置总高度为60厘米，宽度为20厘米。进水模式为连续流，水力停留时间为2d。底部出水口高5厘米，自下往上每个10厘米设置一个出水口，进水口在高度为58厘米处。基质设计为砾石粒径为5-7mm，石英砂粒径为2-3mm，零价铁粒径为0.2-0.3mm。底部添加20厘米厚度的砾石，在20厘米处添加混匀的石英砂和零价铁/活性炭，石英砂上方种植3株菖蒲。

污水从湿地上方进水口进入***，在***内部自上而下经过基质部分，出水口不断有水流出，保持潜流水位。***内部呈现出厌氧、缺氧环境。硫酸盐还原菌利用有机碳源、零价铁为电子供体，活性炭促进种间电子转移，完成反硫化作用，同时生成Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)，与硫酸盐还原产物结合生成铁硫化合物。湿地进水水质为SO₄ ^2-浓度为200mg/L，COD为100mg/L。

对比例1：

与实施例1相比，不同之处在于，该对比例1不添加零价铁和磁铁矿。

对比例2：

与实施例1相比，不同之处在于，该对比例1不添加零价铁。

对比例3：

与实施例1相比，不同之处在于，该对比例1不添加磁铁矿。

对比例4：

与实施例1相比，不同之处在于，该对比例1设置有3个出水口。

对比例5：

与实施例1相比，不同之处在于，该对比例1中零价铁、磁铁矿与石英砂、砾石混匀。

实验结果：

如图2结果显示，通过零价铁和非生物导电材料处于基质层中，与该***结构之间有效配合，能够高效去除硫酸盐，实施例1的***对于硫酸盐的去除效率高达90％以上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***，其特征是，所述人工湿地***为垂直流人工湿地***，***内部自下而上依次为砾石层、基质层和湿地植物；

所述人工湿地***的进出水***包括进水口和出水口，进水口和出水口分别位于***的两侧；

所述基质层由零价铁、非生物导电材料和石英砂混匀而成，其中，零价铁和非生物导电材料混合后与石英砂按照质量比为1:9的比例添加；

所述非生物导电材料为磁铁矿。

2.如权利要求1所述的一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***，其特征是，所述湿地植物为菖蒲。

3.如权利要求1所述的一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***，其特征是，所述零价铁为球型。

4.如权利要求1所述的一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***，其特征是，所述人工湿地***的进出水***包括一个进水口和六个出水口，进水口和出水口分别位于***的两侧。

5.如权利要求1所述的一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***，其特征是，出水管顶部设置有小管。

6.如权利要求1所述的一种铁强化硫酸盐去除的人工湿地***，其特征是，所述零价铁粒径为0.2-0.3mm，磁铁矿粒径为0.2-0.3mm。

7.权利要求1-6任一所述的铁强化硫酸盐去除的人工湿地***的使用方法，其特征是，包括：污水由进水口进入***，自上而下经过基质层，出水口不断有水流出。

8.权利要求1-6任一所述的铁强化硫酸盐去除的人工湿地***或权利要求7所述的使用方法在污水处理中的应用。

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