一种四氧化三铁复合填料强化人工湿地耦合厌氧反应器的无曝气深度脱氮方法与流程

本发明属于生活污水处理、厌氧生物处理及人工湿地深度脱氮，尤其涉及一种以前端厌氧反应器去除有机物，以后端四氧化三铁复合填料强化下行垂直流人工湿地在无机械曝气条件下去除氨氮和总氮的组合处理方法。

背景技术：

1、厌氧反应器如uasb、egsb、厌氧滤池、厌氧折流板反应器等用于生活污水处理时，具有能耗低、污泥产量低、无需鼓风曝气等优点，但其主要功能集中于有机物降解和水解酸化，对氮素尤其是氨氮的去除能力有限。以本实验生活污水为例，前端厌氧反应器进水cod约150-200mg/l、氨氮约40mg/l，经厌氧处理后cod可降至50-80mg/l，但出水仍以氨氮为主，氨氮通常维持在20-30mg/l或更高水平，难以单独满足生活污水排放对氨氮和总氮的控制要求。

2、常规人工湿地可作为低能耗深度处理单元，但当其处理厌氧反应器出水时，仍存在明显不足：一是前端厌氧处理已消耗相当部分可生物降解有机物，后端湿地反硝化过程容易受碳源限制；二是在无曝气条件下溶解氧供给不足，氨氮硝化易受限；三是在15-20摄氏度常温条件下，常规湿地氮转化速率进一步降低；四是若通过外加曝气、外加碳源或大量药剂实现脱氮，会增加能耗和运行费用，削弱厌氧-湿地组合工艺的低能耗优势。

3、因此，现有技术亟需一种适用于“低cod、高氨氮”厌氧出水的人工湿地强化方法，在不设置机械曝气系统的条件下，提高氨氮转化和总氮削减能力，使厌氧处理后的生活污水进一步达到深度脱氮和提标排放要求。

技术实现思路

1、本发明主要针对生活污水经厌氧反应器处理后cod已明显降低，而氨氮和总氮仍然偏高的问题，提供一种四氧化三铁复合填料强化下行垂直流人工湿地耦合厌氧反应器的无曝气深度脱氮方法。

2、本发明四氧化三铁复合填料强化人工湿地耦合厌氧反应器的无曝气深度脱氮方法按照以下步骤实现：

3、步骤一、生活污水预处理：

4、将生活污水通过格栅过滤后进行静沉处理，得到预处理生活污水；

5、步骤二、厌氧有机物去除：

6、将预处理生活污水流入厌氧反应器中进行厌氧处理，控制水力停留时间为8～12h，得到厌氧处理后的生活污水；

7、步骤三、四氧化三铁包埋型复合颗粒的制备：

8、a、将生物炭粉末和天然沸石粉末混合，经洗涤、干燥后得到复合多孔载体；

9、b、按照三价铁离子与二价铁离子的摩尔比为（1.5～2.5）∶1配置含有三价铁盐和二价铁盐的混合溶液，将复合多孔载体加入到含有三价铁盐和二价铁盐的混合溶液中，在60～85 ℃、惰性气体保护条件下搅拌，调节体系ph=9～11进行反应，经老化、洗涤后得到四氧化三铁原位负载型多孔复合材料；

10、c、将四氧化三铁原位负载型多孔复合材料加入到质量浓度为1.5%～3.5%的海藻酸盐溶液中，然后加入质量浓度为0.1%～0.8%的羧甲基纤维素，经超声分散和真空脱泡后得到内核浆料；

11、d、采用同轴滴制装置，以内核浆料作为内层液体，海藻酸盐溶液作为外层液体，同时滴入含有氯化钙和三价铁盐的复合交联液中，进行梯度离子交联成型，得到成型颗粒；

12、e、将成型颗粒转移至质量浓度为4~6g/l的壳聚糖溶液中浸渍处理，使壳聚糖与海藻酸盐表面形成聚电解质复合保护层，经洗涤、老化后得到四氧化三铁包埋型复合颗粒；

13、步骤四、将厌氧处理后的生活污水引入垂直流人工湿地中，水流从垂直流人工湿地的上部进入，布水后向下流经反应填料层，在无机械曝气条件下控制水力停留时间为16～72h，从垂直流人工湿地的底部排水，从而完成四氧化三铁复合填料强化人工湿地耦合厌氧反应器的无曝气深度脱氮方法；

14、其中步骤四中所述的垂直流人工湿地包括水湿植物和反应填料层，反应填料层中的填料沿高度方向分为上填料区和下填料区，上填料区和下填料区中的填料材质不同，水湿植物设置在水面上，在反应填料层上接种有厌氧污泥并经过驯化处理，下填料区装填填料和四氧化三铁包埋型复合颗粒的混合物。

15、本发明制备的四氧化三铁包埋型复合颗粒为具有分级孔结构的核壳型复合颗粒，包括磁性多孔内核和凝胶保护外壳；其中，所述磁性多孔内核包括原位锚定于生物炭和天然沸石复合载体表面及孔道内的四氧化三铁，所述凝胶保护外壳包括海藻酸钙交联网络和壳聚糖保护层。

16、本发明四氧化三铁强化人工湿地耦合厌氧反应器的无曝气深度脱氮方法是将前端厌氧反应器形成的低cod、高氨氮出水，与含四氧化三铁粉末、普通砾石/火山石级配填料、驯化污泥和湿地植物的下行垂直流人工湿地耦合，利用铁氧化物参与的电子传递、铁循环-氮循环耦合、填料生物膜附着和湿地空间氧化还原梯度，实现无机械曝气条件下的深度脱氮。该深度脱氮方法不是单纯的材料吸附，也不是普通湿地处理，而是厌氧前处理水质调控、磁性铁氧化物强化和湿地微生境构建的组合协同。

17、前端厌氧反应器优先去除生活污水中的有机物，使后端人工湿地进水表现为低cod、高氨氮特征；后端人工湿地通过下行垂直流方式形成沿水流方向递变的氧化还原微环境；表面大气复氧和湿地植物根系向局部区域释放少量氧，形成有利于氨氮初步转化的根际微氧区，表面水体溶解氧可达2~3mg/l；湿地深度在40cm时溶解氧降至0mg/l，与前端厌氧反应器形成aoa处理工艺；四氧化三铁不以游离粉体形式简单混入，而是通过共沉淀方式原位固定在生物炭—沸石孔道中，可减少团聚和流失，并形成“导电矿物—多孔碳骨架—离子交换矿物”协同内核；四氧化三铁复合功能反应层中的fe(ⅱ)/fe(ⅲ)可作为可循环电子传递介质，强化微生物胞外电子传递和铁氧化还原循环，促进反硝化、铁参与氨氧化、铁参与反硝化以及厌氧氨氧化等氮转化过程的空间耦合；生物炭粉或者活性炭提供较大的比表面积和孔隙结构，提供附着位点和局部缺氧微环境，有利于硝化菌、反硝化菌、铁还原菌、铁氧化菌及厌氧氨氧化相关微生物富集，从而在不设置机械曝气和不外加有机碳源的条件下，提高低碳氮比厌氧出水的氨氮去除和总氮削减能力；沸石有助于对nh4+-n进行暂存和缓释；相较于普通海藻酸钙凝胶球，核壳颗粒采用“同轴滴制＋ca2+/fe3+双离子交联＋壳聚糖表面复合层”，可同时提高颗粒耐冲刷性、孔隙连通性及fe3o4固定稳定性。

18、本发明四氧化三铁强化人工湿地耦合厌氧反应器的无曝气深度脱氮方法包括以下有益效果：

19、1.脱氮效果显著，单独厌氧反应器主要降低cod，对氨氮和总氮去除有限；四氧化三铁强化下行垂直流人工湿地能在无机械曝气条件下进一步去除氨氮和总氮，达到一级a排放标准。可使原污水氨氮从40mg/l降至5mg/l，总氮从45mg/l降至8mg/l以下。

20、2.对低碳氮比厌氧出水具有针对性。前端厌氧反应器将cod由150-200mg/l降至50-80mg/l后，后端碳氮比仅有1-2。本发明通过四氧化三铁、级配填料、驯化污泥和湿地植物协同构建反应界面，提高低碳氮比条件下氮素去除效率（实例一中未加，实例二复合材料中添加）。

21、3.运行能耗低。该方法不依赖机械曝气系统，可降低曝气能耗和运行维护复杂度，保持厌氧-人工湿地组合工艺低能耗、低污泥产量的优势。

22、4.温度适应性较好。在15-20℃室温条件下，强化湿地仍可获得较好的氨氮和总氮去除效果，适合常温生活污水深度处理。

23、5.材料和结构简单。四氧化三铁粉末、砾石、火山石、污泥和菖蒲等材料易获得，湿地结构简单，适用于分散式生活污水、小城镇污水、污水厂厌氧出水提标以及低能耗生态处理系统。