專利名稱：亞硝化電化學(xué)反亞硝化全自養(yǎng)脫氨氮的方法和反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種去除低碳氮比氨氮污水中氨氮的方法和反應(yīng)器，即亞硝化電化學(xué)反亞硝化全自養(yǎng)脫氨氮的方法和反應(yīng)器，具體是一種將生物亞硝化過(guò)程與電化學(xué)反亞硝化過(guò)程相結(jié)合去除低碳氮比氨氮污水中氨氮的方法，實(shí)現(xiàn)完全自養(yǎng)的脫氮過(guò)程。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的生物脫氮一般包括將氨氮氧化至NO3-的硝化和將NO3-還原至N2的反硝化二個(gè)階段；但硝化階段曝氣耗能高，并且消耗堿度；反硝化階段則需有機(jī)碳源；對(duì)焦化、石化、垃圾滲濾液、化肥等低碳氮比類廢水，則需添加甲醇等碳源。為解決添加碳源問題，開發(fā)出了亞硝酸型生物脫氮，即通過(guò)控制反應(yīng)運(yùn)行條件，將氨氮的氧化控制在亞硝酸階段，然后亞硝酸再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，即NH4+→NO2-→N2；亞硝酸型生物脫氮具有占地面積小、投資省、O2、動(dòng)力、碳源和堿量消耗少的優(yōu)點(diǎn)；但還需添加一定的有機(jī)碳源。深入研究表明，不需有機(jī)碳源，通過(guò)生物全自養(yǎng)也能實(shí)現(xiàn)亞硝酸途徑脫氮，即硝化段NH4+被部分氧化成NO2-，然后剩余的NH4+和生成的NO2-再以厭氧氨氧化的形式進(jìn)行脫氮，即，如常見的SHARON-ANAMMOX懸浮系統(tǒng)(Single reactor system for High rate Ammonia removalOver Nitrite-Anaerobic Ammonium Oxidation，簡(jiǎn)稱SHARON-ANAMMOX)等，但厭氧氨氧化條件要求苛刻、啟動(dòng)慢(＞2個(gè)月)。采用電解方法產(chǎn)氫和單質(zhì)硫?yàn)樽责B(yǎng)反亞硝化過(guò)程提供營(yíng)養(yǎng)源，是一種清潔和有效的方法。具體是以碳性電極為陽(yáng)極，鐵或鋁等金屬為陰極制成一個(gè)兼氧性的電解反應(yīng)器，在水通過(guò)反應(yīng)器并通電以后，便為生物反亞硝化過(guò)程提供了氫，并且采用在電極間添加導(dǎo)電(碳)和非導(dǎo)電填料(硫)的方式，有利pH調(diào)節(jié)，并能大大提高電流效率和反亞硝化能力，與厭氧氨氧化相比，條件易于控制，容易啟動(dòng)，出水水質(zhì)好，可以達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有生物全自養(yǎng)亞硝酸型脫氮的缺點(diǎn)，綜合利用生物亞硝化和電化學(xué)反亞硝化的優(yōu)點(diǎn)，建立一種高效可回用廢水的低碳氮比氨氮廢水處理新方法和反應(yīng)器。
本發(fā)明的方法是將生物亞硝化與電化學(xué)反亞硝化兩種過(guò)程結(jié)合，并使生物亞硝化段和電化學(xué)反亞硝化段以串聯(lián)方式工作原水中95％的NH4+-N在亞硝化段轉(zhuǎn)化為NO2--N后，進(jìn)入通過(guò)電解產(chǎn)氫和硫提供養(yǎng)源的電化學(xué)反亞硝化段，脫除產(chǎn)生的NO2--N和原水中少量有機(jī)物。


本發(fā)明反應(yīng)器的基本構(gòu)造如附圖所示。反應(yīng)器采取兩段左右(圖1)或上下(圖2)串聯(lián)的方式，采用上下串聯(lián)時(shí)，水流采用上升流式，則反應(yīng)器的亞硝化段在下、電化學(xué)反亞硝化段在上。
亞硝化/電化學(xué)反亞硝化反應(yīng)器1由生物亞硝化反應(yīng)器2和電化學(xué)反亞硝化反應(yīng)器3兩部分構(gòu)成，2與3部分的體積比為1∶1-1∶6。反應(yīng)器左右串聯(lián)時(shí)的生物亞硝化段2相當(dāng)于內(nèi)浸式膜生物反應(yīng)器，以聚偏氟乙烯、多聚醚砜等中空纖維膜5為膜組件，優(yōu)選聚偏氟乙烯膜組件，采用SBR或CSTR反應(yīng)器形式，以攪拌裝置4進(jìn)行攪拌。反應(yīng)器上下串聯(lián)時(shí)反應(yīng)器的亞硝化段2相當(dāng)一固定床生物膜反應(yīng)器，以粒徑1.0～5.0mm的固體顆粒21作為填充介質(zhì)，如無(wú)煙煤、活性碳、石英砂、沸石等，優(yōu)選石英砂和沸石。電化學(xué)反亞硝化段3的陽(yáng)極12可采用石墨、碳纖維、金屬鎳、鈦、鈦-釕等材料，優(yōu)選石墨；陰極13可采用不銹鋼、鐵、鋁、石墨、碳纖維、金屬鎳、鈦、鈦-釕等，優(yōu)選不銹鋼。陰陽(yáng)電極以平行或同心圓方式布置，電極間距為1.5-6cm，通過(guò)在反應(yīng)器內(nèi)使電極間絕緣的措施可保證不會(huì)發(fā)生短路。陽(yáng)極和陰極通過(guò)導(dǎo)線10和11分別連接于直流電源9的負(fù)極和正極。電極間可裝填粒徑為2.0～20.0mm的碳硫混合顆粒(體積比1∶1～5∶1)19做填充介質(zhì)。
含NH4+的待處理水8通過(guò)恒流泵7和進(jìn)水閥門16(或22)進(jìn)入反應(yīng)器2。反應(yīng)器2處理后的水由泵15排出通過(guò)閥門17進(jìn)入反應(yīng)器3(或由反應(yīng)器2上升進(jìn)入反應(yīng)器3)。同時(shí)在亞硝化段2底部布設(shè)曝氣裝置6用曝氣泵20進(jìn)行DO供應(yīng)。固定床進(jìn)行反沖洗時(shí)，通過(guò)反沖洗水閥門18(或23)提供所需水。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)操作過(guò)程如下首先進(jìn)行細(xì)菌的接種和培養(yǎng)，在此階段，亞硝化段用好氧污泥接種，電化學(xué)段用缺氧池污泥接種。左右串聯(lián)時(shí)兩段分別培養(yǎng)，亞硝化段維持較低的DO，并加適量的NaHCO3緩沖調(diào)節(jié)pH在7.5-8.3，并以NH4+和適量的磷作為進(jìn)水，逐漸增加進(jìn)水NH4+的濃度，約30天亞硝化率達(dá)到95％；電化學(xué)段以逐漸增加進(jìn)水NO2-和適量甲醇的方式培養(yǎng)，有機(jī)質(zhì)碳與亞硝酸鹽氮的比C∶N(mg/mg)＝3，以磷酸鹽緩沖維持體系pH在中性。約14天后可在反應(yīng)器填料及陰極表面觀察到層狀生物膜，打開電源9逐漸增加電壓(0.5-5V)和電流密度(0.001-0.09mA/cm2.陰極面積)，同時(shí)減少甲醇為0。約7天后將1和2串聯(lián)，隨后按附圖1所示的方式進(jìn)水首先打開進(jìn)水閥門16，然后開啟恒流泵7，被處理水24通過(guò)泵15和閥門17向上進(jìn)入反應(yīng)器2，最終從出水口14溢流排出。1和2上下串聯(lián)時(shí)，用好氧污泥和缺氧污泥混合接種，按附圖2方式進(jìn)水首先打開進(jìn)水閥門22，然后開啟恒流泵7，被處理水8依次進(jìn)入反應(yīng)器2和3，最終從出水口14溢流排出。以NH4+、NaHCO3和適量的磷作為進(jìn)水，調(diào)節(jié)進(jìn)水pH 7.8左右，同時(shí)打開電源9逐漸增加電壓(0.5-5V)和電流密度(0.001-0.09mA/cm2.陰極面積)，逐漸增加進(jìn)水NH4+的濃度，通過(guò)調(diào)節(jié)DO，約30天后填料明顯掛膜，出水NH4+去除95％以上，無(wú)NO2-明顯積累，表明馴化成功。培養(yǎng)和運(yùn)行過(guò)程在亞硝化段2底部布設(shè)曝氣裝置6用曝氣泵20進(jìn)行DO供應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)器需反沖洗時(shí)，停止運(yùn)行恒流泵7(或15)，關(guān)閉進(jìn)水閥16、17(或22)，打開反沖洗閥18(或23)，進(jìn)行1-5min的反沖洗。反沖洗完成后，關(guān)閉閥門18(或23)，重新啟動(dòng)系統(tǒng)。
本發(fā)明的特點(diǎn)是1.將生物亞硝化和電化學(xué)反亞硝化綜合運(yùn)用，完全實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)化；2.可根據(jù)被處理水的情況調(diào)節(jié)兩段的比例，滿足出水要求；3.整個(gè)反應(yīng)過(guò)程無(wú)需投加有機(jī)碳源；4.采用低DO方式，能耗小；5.電化學(xué)反亞硝化處理效率高，出水水質(zhì)好；6.出水可以達(dá)到生活雜用水回用標(biāo)準(zhǔn)。
實(shí)施例7.實(shí)例1亞硝化段采用長(zhǎng)方形有機(jī)玻璃柱作為反應(yīng)器(容積為80L)，采用簾式聚偏氟乙烯膜組件，膜面積1m2，膜最大通量10L/m2.h。電化學(xué)反亞硝化段陽(yáng)極采用石墨板(厚1cm)，電極高30cm，電極間距為2.5cm。陰極反應(yīng)器內(nèi)加入粒徑4～20mm的硫單質(zhì)及粒徑4mm無(wú)煙煤碳質(zhì)作為充填介質(zhì)(體積比1∶1)，二者混合均勻后填入，有效容積為40L。進(jìn)水由自來(lái)水配制，NH4+-N的濃度為30～200mg/L，并添加適量的磷源，用NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水pH。在下述條件下進(jìn)行脫硝處理亞硝化段DO0.5～1.0mg/LpH7.5～8.3MLSS1000～3000mg/L電化學(xué)反亞硝化段陽(yáng)極石墨板，長(zhǎng)400mm，高300mm，厚度10mm陰極不銹鋼板，長(zhǎng)400mm，高300mm，厚度1mm電極間距2.5cm電流密度0.0001-0.0018mA/cm2電壓＜5V電流效率160～200％總水力停留時(shí)間(HRT)24～48h最大NH4+-N負(fù)荷0.629kgNH4+-N/(m3·d)溫度30℃處理后水質(zhì)如表1所示。
表1 實(shí)施例1處理后的水質(zhì) 8、實(shí)例2亞硝化段采用有機(jī)玻璃圓柱作為反應(yīng)器(容積為5L)，采用固定床膜生物反應(yīng)器，以平均粒徑為5.0mm的石英砂作為填充介質(zhì)。電化學(xué)反亞硝化段陽(yáng)極采用石墨棒(直徑3.70cm)，電極高40cm，電極間距為5.0cm，反應(yīng)器內(nèi)加入粒徑4～5mm的硫單質(zhì)及粒徑4～5mm無(wú)煙煤碳質(zhì)作為充填介質(zhì)(體積比1∶1)，二者混合均勻后填入，有效容積為8L。進(jìn)水由自來(lái)水配制，NH4+-N的濃度為30～300mg/L，并添加適量的磷源。在下述條件下進(jìn)行脫硝處理亞硝化段DO0.5～1.0mg/LpH7.5～8.3生物量7.8～10.0mg-VSS/g.填料電化學(xué)反亞硝化段陽(yáng)極石墨棒，直徑3.70cm，電極高40cm
陰極不銹鋼筒，內(nèi)徑13.7cm，高40cm電極間距為5.0cm電流強(qiáng)度0.0001-0.0025mA/cm2電壓＜5V電流效率200～240％總水力停留時(shí)間(HRT)12～24h最大NH4+-N負(fù)荷0.668kgNH4+-N/(m3·d)溫度30℃處理后水質(zhì)如表2所示。
表2 實(shí)施例2處理后的水質(zhì)
權(quán)利要求
1.一種脫除低碳氮比氨氮類廢水中氨氮的方法，其特征在于將生物亞硝化與電化學(xué)反亞硝化結(jié)合。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，生物亞硝化是通過(guò)在較低的溶解氧(DO)濃度下保留氨氧化菌氧化氨氮進(jìn)行亞硝化的。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，電化學(xué)反亞硝化是通過(guò)硫碳混合復(fù)三維電極生物膜反亞硝化來(lái)進(jìn)行的。
4.按照權(quán)利要求2所述的方法，其中，生物亞硝化是在25～30℃、pH 7.5～8.3條件下進(jìn)行的。
5.按照權(quán)利要求3所述的方法，其中，電化學(xué)反亞硝化是在采用石墨、碳棒、碳纖維或可替代碳的金屬鎳、鈦、鈦-釕等作陽(yáng)極，不銹鋼、鐵、鋁、石墨、碳纖維、金屬鎳、鈦、鈦-釕等作陰極的硫碳混合復(fù)三維電極電解裝置中進(jìn)行的。并且在電極間填加碳、硫填料(體積比1∶1～5∶1)。
6.一種脫除低碳氮比氨氮類廢水中氨氮的反應(yīng)器，其特征在于，它包括亞硝化裝置和電化學(xué)反亞硝化裝置，二者串聯(lián)在一起。
7.按照權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于，生物亞硝化裝置在前(下)、電化學(xué)反亞硝化裝置在后(上)。
8.按照權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于，生物亞硝化裝置采用膜生物反應(yīng)器，膜材料為聚偏氟乙烯、多聚醚砜等中空纖維膜材料；或采用固定床生物膜反應(yīng)器，填料為無(wú)煙煤、活性碳、石英砂、沸石等，優(yōu)選石英砂和沸石等。
9.按照權(quán)利要求6所述的反應(yīng)器，其特征在于，電化學(xué)反亞硝化裝置陽(yáng)極是由石墨、碳棒、碳纖維或可替代碳的金屬鎳、鈦、鈦-釕等制作的，陰極是由不銹鋼、鐵、鋁、石墨、碳纖維、鎳、鈦、或鈦-釕制作的，電極間填加碳、硫混合填料(體積比1∶1～5∶1)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種處理低碳氮比氨氮類廢水的新方法，即亞硝化電化學(xué)反亞硝化全自養(yǎng)脫氨氮的新方法，將生物亞硝化和電化學(xué)反亞硝化兩種過(guò)程結(jié)合。本發(fā)明還提供了一種去除低碳氮比氨氮類廢水中氨氮的反應(yīng)器，即亞硝化電化學(xué)反亞硝化全自養(yǎng)脫氨氮的反應(yīng)器，它包括生物亞硝化裝置和電化學(xué)反亞硝化裝置，二者串聯(lián)在一起。用本發(fā)明的方法和反應(yīng)器處理低碳氮比氨氮類廢水，在完全自養(yǎng)的條件下，98％以上的氨氮轉(zhuǎn)化為無(wú)毒無(wú)害的氮?dú)?，出水水質(zhì)可以滿足回用水標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)C02F3/02GK1903752SQ20051008554
公開日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月28日
發(fā)明者王海燕, 周岳溪, 蔣進(jìn)元 申請(qǐng)人:中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院