去除飲用水中硝酸鹽氮的方法和反應器的製作方法

2023-05-21 11:54:36 1

專利名稱：去除飲用水中硝酸鹽氮的方法和反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種去除飲用水中硝酸鹽氮的方法和反應器，具體是一種將外加有機質提供營養源的生物固定床異養反硝化過程與電化學產氫的自養反硝化過程相結合去除飲用水中硝酸鹽氮的方法，並在同一反應器中實現兩種過程的優化和集成。
去除水中硝酸鹽氮主要有離子交換法、膜分離法、生物反硝化法等。生物反硝化法由於過程簡單、效率較高，被認為是最有前途的飲用水脫硝方法。由於飲用水缺乏營養源，在用反硝化法去除水中的硝酸鹽時，需要以某種方式加入足量的營養質。因此，生物反硝化又因所提供的營養物質的不同分為異養反硝化和自養反硝化。異養反硝化法是以某些有機質作為營養源，常用的有機物包括甲醇、乙醇和醋酸等。這種方法的優點是，選擇性地去除硝酸鹽，將其轉化為無害的氮氣，無廢液產生，處理費用低。缺點主要是當有機基質不足時，出水中存在亞硝酸鹽積累現象；而當有機基質過量時，反應後殘留的有機基質對出水有二次汙染，兩種情況都要求通過後續處理加以淨化。自養反硝化法主要是採用硫或氫作為電子供體。用硫作為自養源可選擇性去除硝酸鹽，而且成本較低，經濟方便。但這種方法的最大缺陷是硫被氧化成硫酸根，導致出水硫酸鹽含量增加，同時反硝化的效率較低。用氫作為還原劑進行自養反硝化在選擇性地去除水中硝酸鹽氮的同時，可保無任何二次汙染，處理後無需額外生物淨化。但由外源供氫易於爆炸，而且氫氣成本較高。採用電解方法產氫為自養反硝化過程提供營養源，是一種清潔和有效的方法。具體是以墮性電極為陽極，鐵或鋁等金屬為陰極製成一個兼氧性的電解反應器，在水通過反應器並通電以後，便為生物反硝化過程提供了氫。這種方法與異養反硝化法相比的主要缺點是反硝化速度較慢、單位體積反應器處理能力較小。
本發明的目的是克服現有方法的缺陷，綜合利用異養和電解產氫自養反硝化的優點，建立一種安全高效的飲用水脫硝新方法和集成反應器。
本發明的方法是將外加營養源的異養反硝化與電化學產氫自養反硝化兩種過程相結合，並使異養段和電化學自養段以串聯方式工作原水中加入不足量的甲醇、乙醇、甲酸、乙酸等有機質後，進行異養反硝化處理，去除絕大部分的硝酸鹽，然後進入通過電解產氫提供養源的電化學自養反硝化段，脫除殘留的硝酸鹽、亞硝酸鹽和有機基物。
本發明的反應器的基本構造如附圖
所示。反應器採取兩段上下串聯的方式，如果水流採用下降流式，則反應器的異養段在上、電化學段在下；如果水流採用上升流式，則異養段在下、電化學段在上。考慮到反應中有氣體(氮氣、二氧化碳、氫氣等)產生，為使氣體能順利排放，宜採用上升流式。
集成脫硝反應器1由電化學段自養生物反應器2和固定床段異養生物反應器3兩部分構成，反應器的電化學自養段所佔體積與異養段所佔體積比為1∶1-1∶5。電化學段1的陽極4可採用石墨板、碳纖維片、金屬鎳、金屬鈦、鈦-釕等，優選石墨板；陰極5可採用不鏽鋼板、鐵板、鋁板、石墨板、碳纖維片、金屬鎳、金屬鈦、鈦-釕等，優選不鏽鋼板。各電極採用並聯式平行布置，極板間距為0.5-5cm，通過在反應器內使電極固定的措施可保證不會發生短路現象。陽極和陰極通過導線6和7分別連接於矽整流電源8的正極和負極。反應器的異養段3相當一固定床生物膜反應器，以粒徑1.8～4.0mm的固體顆粒9作為填充介質，如無煙煤、活性碳、石英砂、沸石等，優選無煙煤和活性碳。含NO3-的待處理水10在加入甲醇11或乙醇、甲酸、乙酸等有機質後，通過輸送泵12和進水閥門13進入反應器。處理後的水由出水口15排出。在反硝化過程中產生的氮氣由排氣管16排出。需對固定床進行反衝洗時，通過反衝洗水閥門14提供所用水。
本發明的反應器系統操作過程如下首先進行接種、培養細菌，並使介質掛膜，在此階段，投加充足的甲醇、乙醇、甲酸、乙酸等有機質，介質掛膜的過程中溫度保持32℃，當以甲醇為基質，甲醇與硝酸鹽氮的比C∶N(mg/mg)＝3，以K2HPO3和KH2PO3為pH緩衝劑保證體系中的pH值維持在7左右，並適當補充微量元素。這一過程進行兩個星期後即可在反應器下部填料上及上部電極表面觀察到很明顯的掛膜現象。隨後按附圖所示的反應器方式進水首先打開進水閥門13，然後開啟輸水泵12，加入甲醇11，被處理水10通過填充無煙煤等顆粒材料的異養固定生物床反硝化段3向上進入電化學自養生物反硝化段2，水達到一定水位後，從出水口15排出，此時打開電源8，並調整電壓和電流，反應器進入系統運行，一個星期後反應器出水即取得良好和穩定的反硝化效果。當需對反應器的異養段固定床進行反衝洗時，停止有機質加入和輸水泵12運行，關閉進水閥門13，打開反衝洗水閥門14，調節反洗水流量，進行5-20min的清洗。反衝洗完成後，關閉閥門14，重新啟動系統。
本發明的特點是1.將異養反硝化和自養反硝化綜合運用，使兩種反硝化脫硝過程在一個反應器中集成；2.以異養反硝化為主，儘可能發揮異養反硝化速度快的優點，並可根據被處理水的情況調節有機基質的投加量；3.當進水硝酸鹽濃度出現波動使有機基質不足量時，利用反應器的電化學段所具有的反硝化能力對這部分不足進行彌補；4.當進水硝酸鹽濃度波動使有機基質過量時，利用電化學段陽極所具有的氧化能力對殘留的有機基質進行氧化去除；5.由於以異養反硝化過程為主，電耗大大降低；6.出水不殘存機汙染物和亞硝酸鹽，無二次汙染。
電極 陽極石墨板，60×350×180mm，22塊陰極不鏽鋼板，10×350×180mm，23塊電極間距0.5cm電流強度0.7mA電流密度0.03mA/cm2電壓1.8v電化學段的最大反硝化負荷0.0728g NO3--N/h。
進水溼度24℃進水溶解氧0.5mg/L流量17L/h電流效率115％異養段的C∶N(mg/mg)2.7處理後水質如表1所示。表1實施例1處理後的水質NO3--N NO2-NO3--N去除 電流效 甲醇(mg/L)(mg/L)率(％)率(％) (mg/L)處理前 40 0 292處理後 0.1＜0.01 99.8 110 0.93mg/L實例2在容積為28L的反應器箱體內加入粒度1.8～2.0mm的無煙煤為充填介質，介質充填體積為15L；上層為電化學段，體積為13L(含電極所佔面積)。被處理原水由硝酸鉀配製，水中硝酸鹽氮的濃度為40mg/l。在下述條件下進行脫硝處理電 極 陽極石墨板，60×350×180mm，22塊陰極不鏽鋼板，10×350×180mm，23塊電極間距0.5cm電流強度0.7mA電流密度0.03mA/cm2電壓1.8v電化學段的最大反硝化負荷0.0728g NO3--N/h。
進水溼度24℃進水溶解氧0.5mg/L流量17L/h電流效率115％異養段的C∶N(mg/mg)2.9處理後水質如表2所示。表2實施例1處理後的水質NO3--N NO2-NO3--N去除 電流效甲醇(mg/L) (mg/L) 率(％)率(％)(mg/L)處理前 40 0292處理後 0.04 ＜0.005 99.9 113 1.2權利要求
1.一種脫除飲用水中硝酸鹽氮的方法，其特徵在於，將外加營養源的異養生物反硝化與電化學自養反硝化兩種過程相結合。
2.按照權利要求1所述的方法，其中，異養生物反硝化是通過加入甲醇、乙醇、甲酸、和/或乙酸作為異養反硝化營養源來進行的。
3.按照權利要求1所述的方法，其中，電化學自養反硝化是通過電解產氫提供的營養源來進行的。
4.按照權利要求2所述的方法，其中，異養反硝化是採用無煙煤、活性碳、石英砂、和/或沸石為填料的固定床來進行的。
5.按照權利要求2所述的方法，其中，電化學自養反硝化是採用石墨板、碳纖維片、金屬鎳、金屬鈦、或鈦-釕作陽極，不鏽鋼板、鐵板、鋁板、石墨板、碳纖維片、金屬鎳、金屬鈦、或鈦-釕作陰極的電解裝置來進行的。
6.一種脫除水中硝酸鹽氮的反應器，其特徵在於，它包括固定床異養反硝化裝置和電化學自養反硝化裝置，二者串聯在一起。
7.按照權利要求6所述的反應器，其特徵在於，異養反硝化裝置在下、電化學反硝化裝置在上。
8.按照權利要求6所述的反應器，其特徵在於，異養反硝化的固定床的填料為無煙煤、活性碳、石英砂、和/或沸石。
9.按照權利要求6所述的反應器，其特徵在於，電化學自養反硝化裝置中的陽極是由石墨板、碳纖維片、金屬鎳、金屬鈦、或鈦-釕製作的，陰極是由不鏽鋼板、鐵板、鋁板、石墨板、碳纖維片、金屬鎳、金屬鈦、或鈦-釕製作的。
全文摘要
本發明提供了一種脫除飲用水中硝酸鹽氮的方法,將外加營養源的異養生物反硝化與電化學自養反硝化兩種過程相結合。本發明還提供了一種脫除水中硝酸鹽氮的反應器,它包括固定床異養反硝化裝置和電化學自養反硝化裝置,二者串聯在一起。用本發明的方法和反應器處理後的含硝酸鹽飲用水,其中的脫氮效率可達98%以上,處理後水中亞硝酸鹽氮含量低於0.01mg/l,無二次汙染。
文檔編號C02F3/00GK1349934SQ0012985
公開日2002年5月22日 申請日期2000年10月20日 優先權日2000年10月20日
發明者曲久輝, 劉鎖祥, 範彬, 雷鵬舉, 孟光輝, 劉會娟 申請人:中國科學院生態環境研究中心