一种间歇性曝气式垃圾渗滤液氨氮、有机污染生物修复装置及方法与流程

1.本发明属于污水处理领域，更具体地涉及间歇性曝气式垃圾渗滤液氨氮、有机污染生物修复装置及方法。
技术背景
2.垃圾渗滤液是垃圾在收运、处理和处置过程中产生的一种成分复杂的高浓度有机废水，不但含有大量有机污染物，而且氨氮和盐类含量均较高，并含有十几种金属离子，生物营养比例失调，水量水质变化大，色度深且有恶臭，难以处理。垃圾渗滤液的主要来源及水质特点如下：1、污染物成份复杂、水质波动较大。2、有机物浓度高。3、氨氮浓度高。4、重金属离子浓度和盐份含量高。
3.近年来，厌氧微生物在垃圾渗滤液氨氮、有机污染物的修复过程扮演的重要角色，引起了研究人员的广泛关注。微生物能够在厌氧或缺氧条件下利用硝酸盐、硫酸盐、或fe(ⅲ)(mn)氧化物作为电子受体，以有机物为电子供体进行自身新陈代谢。fe(iii)还原菌对苯、及其它芳香族化合物的自然降解能力非常显著，地杆菌在这一过程扮演着非常重要的角色。厌氧铁氨氧化是指在厌氧条件下，氨氧化过程耦合fe(iii)生物还原过程，这一过程能够将氨氮转化为氮气、亚硝酸盐、或硝酸盐。厌氧铁氨氧化可在不同环境下发生，且不同条件下nh
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可以被厌氧氧化为no3‑
、no2‑
、n2等产物，产物的差异性可能与反应环境及控制条件有关。从反应动能来判断，厌氧铁氨氧化反应更容易生成n2，而非no2‑
和no3‑
。然而，由于一步脱氮对溶解氧等反应条件控制较为苛刻，如何调控反应条件，实现nh
4
直接被氧化为n2，是当前厌氧铁氨氧化修复氨氮有机污染的技术瓶颈之一。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种间歇性曝气式垃圾渗滤液氨氮、有机污染生物修复装置及方法，针对基于fe(iii)生物还原厌氧氧化氨氮、有机物的去除不彻底这一特点，通过间歇性曝气，调控溶解氧环境，可以实现彻底反硝化、以及有机物的全量氧化，促进fe(iii)与fe(ii)的循环转化，进而实现垃圾渗滤液中氨氮和有机物的协同高效去除。
5.一种间歇性曝气式垃圾渗滤液氨氮、有机污染生物修复装置，包括进水桶，出水桶，多通道蠕动泵，曝气泵，以及生物反应柱；所述多通道蠕动泵一端与进水桶通过水管相连，另一端与生物反应柱底部通过进水管相连，所述生物反应柱顶部通过出水管连接出水桶，在生物反应柱下侧设有一个曝气口，曝气口处连接曝气泵；所述生物反应柱内部装有填充介质。
6.进一步的，所述进水管上设有进水阀，出水管上设有出水阀。
7.进一步的，所述填充介质为赤铁矿，粒径为2～4mm。
8.进一步的，所述曝气泵包括地面式曝气风机、地埋式曝气风机。
9.进一步的，所述生物反应柱为一个或多个。
10.进一步的，所述生物反应柱为有机玻璃材质。
11.一种基于间歇性曝气式垃圾渗滤液氨氮、有机污染生物修复装置的修复方法，包括以下步骤：
12.(1)培养功能微生物；
13.将50ml去离子水置于100ml规格厌氧反应瓶中，称取3g新鲜稻田土，加入到50ml厌氧处理后的去离子水中，通入5min氮气，盖紧瓶塞，以120rpm的转速、25℃下恒温震荡2h；
14.取震荡后的上层菌液2ml，转移至50ml规格的厌氧反应瓶，瓶中装有20ml预处理后的培养液，以及10g清洗去除杂质后的fe(iii)铁氧化矿物颗粒；通入n2：co2体积比为4：1的气体5min，于室温25℃下避光培养1个月，得到培养基溶液；
15.以后每月更换1次培养基：取10％体积的培养基溶液，接种至预处理后的培养液中，共传代4次，最终得到功能微生物fe(iii)还原菌菌液；
16.(2)将功能微生物负载至赤铁矿表面；
17.将赤铁矿均匀装至生物反应柱中，进水桶中为步骤(1)所得功能微生物菌液，使用多通道蠕动泵将功能微生物菌液输入至生物反应柱内，并使溶液充满柱体，之后将生物反应柱的进水阀和出水阀关闭，进行微生物的静态挂膜，为时1周；
18.挂膜满1周后，打开生物反应柱的出水阀，排出生物反应柱内剩余菌液，之后使用蠕动泵将0.90％的氯化钠溶液循环注入生物反应柱内，冲洗培养基内干扰性富营养离子，从而使fe(iii)还原菌负载至赤铁矿固体表面。
19.(3)利用负载功能微生物的赤铁矿处理垃圾渗滤液；
20.在生物反应柱中加入步骤(2)所得负载功能微生物的赤铁矿作为填料，进水桶中为垃圾渗滤液，使用多通道蠕动泵为生物反应柱自下而上供水，达到控制流量的目的；设定进水恒定流量为0.25ml
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min
‑1，水力停留时间设定为4d；使用曝气泵以0.5h/d的曝气频率进行间歇性曝气；柱实验运行时出水管接入废水桶，取样时接入封口的干燥锥形瓶中。
21.进一步的，所述培养液的预处理步骤为通入5min氮气进行厌氧操作，再120℃高压蒸汽灭菌20min。
22.进一步的，所述培养液的配方为：微量元素混合溶液10ml/l，wolfes维生素混合溶液10ml/l，碳酸氢盐缓冲液30mmol/l。
23.基于上述技术方案可知，本发明具有如下优点和有益效果：
24.(1)该装置通过自动化控制，可变曝气频率与曝气流量，进而实现垃圾渗滤液中溶解氧环境的可变式调控。
25.(2)能够实现氨氮向氮气的完全氧化，解决厌氧铁氨氧化产生的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮去除不彻底等问题；
26.(3)能够实现有机物的进一步氧化，可实现大分子、中分子有机物向小分子有机物持续转变氧化的途径。
附图说明
27.图1为实验柱中试装置；
28.图2为氨氮浓度变化曲线；
29.图3为有机物浓度变化曲线；
30.图4为反应介质渗透性曲线；
31.图5为fe(iii)生物还原过程示意图。
具体实施方式
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体案例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
33.间歇性曝气式垃圾渗滤液氨氮、有机污染生物修复方法的原理在于：针对厌氧铁氨氧化产生的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮(非彻底脱氮)，通过间歇性曝气，构建厌氧好氧环境，首先通过曝气创造好氧条件，实现亚硝酸盐氮向硝酸盐氮的转变、fe
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向fe
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的循环转化；随后停止曝气回归厌氧条件，在反硝化菌和铁还原菌的作用下，一方面，能够强化有机物的氧化效能，促进了大分子有机物的逐步降解；另一方面，可以实现fe
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向fe
2
的转变，促使进一步还原；最后能够解决厌氧铁氨氧化产生的亚硝酸盐难题，完全彻底脱氮，进而实现垃圾渗滤液中氨氮和有机物的协同去除。
34.就具体应用实施案例而言：
35.选择典型fe(iii)铁氧化矿物，以天然赤铁矿(α
‑
fe2o3)为例，fe元素百分含量在55％～70％之间，半金属至金属光泽，摩斯硬度为5.5～6.5，比重为4.9～5.3，将颗粒状赤铁矿筛分为粒径2～4mm，实验前需使用清水冲洗2～3遍，以去除表面杂质。
36.如图1所示，实验柱为有机玻璃材质，圆柱形，柱高60cm，底部和顶部直径均为10cm。使用1台多通道蠕动泵(longerpump，bt100
‑
2j/yz1515x)为两组实验柱自下而上供水，设定进水恒定流量为0.25ml
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‑1，水力停留时间设定为4d。实验柱侧向留有曝气孔，使用曝气泵以0.5h/d的曝气频率进行间歇性曝气。柱实验运行时出水管接入废水桶，取样时接入封口的干燥锥形瓶中。为了评价填料的渗透性，通过监测水头管内水位高度，并根据达西定律(darcy's law)对反应介质的渗透性进行换算，计算公式如下：q＝k*a*(
△
h)/l，式中q为单位时间渗流量，k为反应介质的渗透系数，a为过水断面面积，l为渗流路径长度，
△
h为监测管水头差。
37.柱实验用水取自某非正规生活垃圾填埋场垃圾渗滤液，主要特征污染物为氨氮(重度污染)、有机物(轻度污染)，稀释后氨氮浓度范围为16～18mg n/l(本底值为0.5mg n/l)。cod浓度为100～120mg/l(本底值为50mg/l)，垃圾渗滤液碳氮比失调，属于典型的低碳高氮型污染。体系内硝酸盐氮浓度为1.50mg n/l、亚硝酸盐氮低于检出限。
38.通过富集培养淹水稻田土中土著微生物—异化fe(iii)还原菌作为功能微生物，并在实验室内进一步筛选以获得生长活性最优的混合菌株，开展后续试验。所选用淹水稻田土取自于江西省中部(n 28
°
10
′
～28
°
45
′
，e 116
°1′
～116
°
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)，所用培养基为改进的widdel培养基。
39.将功能微生物负载至赤铁矿的挂膜方法为：将填充介质均匀装至玻璃柱中，使用1台多通道蠕动泵，将功能微生物菌液输入至玻璃柱内，并使液面充满，之后将实验柱的进水口和出水口关闭，进行微生物的静态挂膜，为时1周。挂膜满1周后，打开玻璃柱出水口，排出玻璃柱内剩余培养液，之后使用蠕动泵将生理盐水(0.90％氯化钠溶液)循环注入玻璃柱内，冲洗培养基内干扰性富营养离子，从而使fe(iii)还原菌负载至赤铁矿固体表面。
40.试验设计为：构建2根反应柱，为生物反应柱1和生物反应柱2。使用相同水质的垃圾渗滤液进行供水。实验柱内里面装入的填料介质完全相同，区别在于生物反应柱1负载fe(iii)还原微生物，生物反应柱2未负载fe(iii)还原微生物。每天定时开启曝气泵，以0.5h/d的频率分别向两组实验柱进行供氧，调控溶解氧环境。
41.由图2可看出，反应前10d，未进行间歇性曝气。垃圾渗滤液氨氮进水浓度为16～18mg n/l时，反应至第10d，生物反应柱1出水氨氮浓度由18.50mg n/l降至5.85mg n/l，氨氮去除率为68.38％；与之相比，生物反应柱2出水氨氮浓度由16.05mg n/l降至13.60mg n/l，氨氮去除率仅为15.26％；这说明未负载功能性微生物条件下，赤铁矿作为填充介质，对氨氮的吸附截留去除效果一般。而负载微生物后，垃圾渗滤液流动状态下，氨氮的厌氧生物氧化效能仍旧较好(68.38％)。反应第10d之后，每天定时打开增氧泵，定时调节两组实验柱内的溶解氧条件(0.5h/d)。可以看出反应至第20d，两组实验柱出水氨氮浓度均呈现下降趋势，其中生物实验柱出水氨氮浓度下降至2mg n/l左右；生物反应柱2出水氨氮浓度下降至6mg n/l左右。之后通过调控反应体系内的碳源，可知反应55d后，生物反应柱1出水氨氮浓度为0.42mg n/l，生物反应柱2出水氨氮浓度为9.51mg n/l，这表明负载功能微生物的赤铁矿填料，垃圾渗滤液中氨氮能够被有效去除，生物去除率为93％。
42.由图3可看出，在未曝气的前10d，两组实验柱出水cod浓度整体均呈现先上升后下降的趋势，且两组差异性不大，反应至第10d，生物实验柱cod浓度下降至50mg/l，这表明在功能微生物新陈代谢活动下，垃圾渗滤液中有机质逐渐被消耗。反应第10d后，反应体系内开始进行间歇性曝气，反应至第20d，生物反应柱1出水cod浓度为20mg/l，生物反应柱2出水cod浓度为140mg/l，进一步表明生物反应体系内有机质被逐渐消耗殆尽。如前所述，反应20d后，两组实验柱的进水中均添加了葡萄糖，反应第20～38d，生物反应柱2出水cod出现了一定的上升，而生物反应实验柱出水cod仍维持在40～60mg/l，这表明外加葡萄糖作为碳源时，反应体系内微生物可以利用葡萄糖作为碳源，且并未出现有机碳积累现象，葡萄糖的外加很好地促进了反硝化过程的进行。反应第38至55d，两组实验柱内碳源均被替换为固相木屑，可看出，两根实验柱出水cod浓度均有所上升，且生物反应柱2出水cod浓度明显要高于生物反应柱1，随着反应的进行，固相碳源缓慢释放，反应体系内还原态有机质和氨氮逐步被氧化降解，出水cod浓度最终整体维持在60mg/l。。
43.由图4可看出，对赤铁矿反应介质的渗透系数进行了测定，即通过水头测定装置，根据达西公式计算渗透系数。两组柱实验整个运行周期内，赤铁矿填料的渗透系数k均比较稳定，k值范围在(0.11～2.85)
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103cm
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‑1范围内，这说明混合填料的渗透性较好。对比而言，两组实验柱内反应介质的渗透系数k值差异性不大，这说明负载微生物对赤铁矿填料的渗透系数影响并不大，垃圾渗滤液流动状态下并不会引起堵塞，具有较好的垃圾渗滤液修复应用前景。
44.以上所述的具体方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体方法流程和方法原理而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。