專利名稱：一種微電場(chǎng)強(qiáng)化低碳脫氮新工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廢水處理工藝領(lǐng)域，尤其是涉及一種微電場(chǎng)強(qiáng)化低碳高效綠色脫氮新工藝，特別適用于高氨氮、高有機(jī)物含量廢水的處理。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的好氧_厭氧生物脫氮工藝把硝化和反硝化作為兩個(gè)獨(dú)立的階段分別安排在不同的反應(yīng)器中(空間上)或者利用間歇的好氧和厭氧條件(時(shí)間上)實(shí)現(xiàn)氮素的脫除，因此往往造成脫氮系統(tǒng)復(fù)雜，能耗較大，并且在脫氮的同時(shí)需要排放大量的co2。隨著低碳時(shí)代的到來，CO2已成為一種污染物，因此國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者都急需尋找一種低耗高效且 CO2排放量少的脫氮新工藝，用于解決水體富營(yíng)養(yǎng)化污染問題。
同步硝化反硝化(SND)工藝是指在空間上沒有明顯缺氧和好氧分區(qū)或者在時(shí)間上沒有缺氧/好氧交替的條件下，硝化和反硝化反應(yīng)在空間和時(shí)間上同步進(jìn)行的生物脫氮過程。與傳統(tǒng)的生物脫氮相比，SND具有能縮短脫氮?dú)v程，節(jié)省碳源，降低動(dòng)力消耗，提高處理能力，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作等優(yōu)點(diǎn)，因而目前已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。但是控制SND的關(guān)鍵因素為溶解氧(DO)、有機(jī)物含量以及生物膜傳質(zhì)特性，且這三個(gè)因素相互之間互有制約關(guān)系。在提高硝化、反硝化效率的同時(shí)還需要考慮兩過程的動(dòng)力學(xué)平衡，因此大大增加實(shí)際工程中對(duì)SND作用的調(diào)控難度，導(dǎo)致了在絕大多數(shù)的應(yīng)用過程中SND的脫氮效率不高，一般僅為10% 20%左右，這也是SND脫氮功能雖然具有優(yōu)越性能卻無法廣泛推廣應(yīng)用的主要原因。由此可見，要想提高SND效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控，就必須將這三個(gè)因素之間的制約關(guān)系簡(jiǎn)化，使調(diào)控具有可操作性。
電化學(xué)氫自養(yǎng)型反硝化工藝是一種近幾年來迅速發(fā)展起來的有廣闊應(yīng)用前景的新型水處理技術(shù)，其基本思想是將電化學(xué)法與生物膜法相結(jié)合，采用在物理電極上進(jìn)行微生物掛膜、微電流馴化等手段制得附有生物膜的電極，然后在電極間通以直流電進(jìn)行電解， 在電場(chǎng)作用下水合H+在陰極表面得到電子成為H原子，使得反硝化生物膜完成對(duì)硝酸鹽的徹底還原。自1992年，梅勒等人在《Nature》上首次報(bào)道利用電極-生物反應(yīng)器進(jìn)行反硝化的實(shí)驗(yàn)研究以來(《利用催化酶去除水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽》，1992，355 :717-719.)，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地下水、飲用水以及有機(jī)物濃度不高的廢水中NO3-的處理，取得了較好的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種反應(yīng)時(shí)間短、能耗低、低碳排放、處理效果好、能將氨態(tài)氮直接轉(zhuǎn)化成氮?dú)獾奈㈦妶?chǎng)強(qiáng)化低碳高效綠色脫氮新工藝。
一種微電場(chǎng)強(qiáng)化低碳脫氮新工藝，包括以下步驟 1.厭氧發(fā)酵反應(yīng)待處理廢水進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器中進(jìn)行厭氧發(fā)酵反應(yīng)處理，廢水中的大部分有機(jī)物通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為甲烷，大大降低了厭氧發(fā)酵單元出水的碳氮比， 減少了 CO2的排放；厭氧發(fā)酵反應(yīng)器出水C/N < 2. 0。
根據(jù)廢水中的有機(jī)物含量可選擇不同的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器類型當(dāng)廢水COD超過 1000mg/L時(shí)選用上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)，當(dāng)廢水COD低于1000mg/L時(shí)選用填料式厭氧折流板反應(yīng)器(CABR)。
2.自養(yǎng)型同步硝化反硝化脫氮反應(yīng)在處理來自厭氧發(fā)酵反應(yīng)的出水前，先對(duì)復(fù)三維電極_生物膜反應(yīng)器內(nèi)的碳自養(yǎng)型硝化菌和氫自養(yǎng)型反硝化菌進(jìn)行馴化，馴化過程為在溫度 25 30°C、pH = 7. 2 7. 8、DO = 1. 5 1. 0mg/L、電流=10 30mA 條件下， 根據(jù)脫氮速率20g N2/m3/h、逐步減少外源碳的投加量和提高電流強(qiáng)度，使C/N比從6逐漸下降到2，碳自養(yǎng)型硝化菌和氫自養(yǎng)型反硝化細(xì)菌在微電極表面的混合附著固定。
該馴化過程利用改性涂膜活性炭顆粒作為載體，比表面積大、性能好、掛膜速度快，通過調(diào)控電流手段加速碳自養(yǎng)型硝化菌和氫自養(yǎng)反硝化菌在微電極上混勻附著掛膜， 有利于實(shí)現(xiàn)硝化作用和反硝化作用在微電極上同步進(jìn)行，提高電流利用率，加強(qiáng)脫氮效率。
當(dāng)馴化階段的廢水C/N< 2以后，正式進(jìn)入運(yùn)行階段。如實(shí)際處理過程中廢水C/ N > 2，則應(yīng)先經(jīng)過厭氧池厭氧發(fā)酵至C/N < 2時(shí)，再進(jìn)入復(fù)三維電極-生物膜反應(yīng)器反應(yīng)處理。
馴化完成后，向復(fù)三維電極-生物膜反應(yīng)器內(nèi)通入來自厭氧發(fā)酵反應(yīng)的出水，進(jìn)行自養(yǎng)型同步硝化反硝化脫氮反應(yīng)。在復(fù)三維電極-生物膜反應(yīng)器中通過直流電源裝置對(duì)陰陽電極間通以直流電源，對(duì)厭氧發(fā)酵處理后的廢水進(jìn)行電解，反應(yīng)器內(nèi)填充有改性石墨顆粒微電極，在微電場(chǎng)作用下反應(yīng)器內(nèi)的微生物即固定碳自養(yǎng)型硝化菌和氫自養(yǎng)型反硝化菌定向移動(dòng)并附著在改性石墨顆粒微電極。同時(shí)反應(yīng)器池體內(nèi)的陽極微電解水產(chǎn)生的原子氧和陰極表面釋放出的原子氫為硝化菌、反硝化菌提供了充足的氧和電子供體，在底部用微孔曝氣器進(jìn)行曝氣，使系統(tǒng)內(nèi)形成限氧環(huán)境(-IOOmv < ORP < IOOmv)，實(shí)現(xiàn)廢水中氨態(tài)氮到硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，完成硝化過程；利用陰極表面產(chǎn)生的氫作為自養(yǎng)型反硝化作用的電子供體，即可完成反硝化過程，從而實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)型同步硝化反硝化脫氮過程。并可通過電流強(qiáng)度來調(diào)節(jié)原子氫的供應(yīng)速率，進(jìn)而調(diào)控自養(yǎng)型同步硝化反硝化過程的協(xié)同速率，即硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)速率相平衡時(shí)，整個(gè)反應(yīng)器脫氮效能達(dá)到最高。
當(dāng)經(jīng)過厭氧發(fā)酵反應(yīng)器處理后進(jìn)入復(fù)三維電極-生物膜反應(yīng)器的廢水水質(zhì)達(dá)到以下要求有機(jī)物濃度COD < 250mg/L, CF濃度< 10. 0mg/L, pH為6-8，C/N < 2，可直接進(jìn)入復(fù)三維電極-生物膜反應(yīng)器，而無需進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器預(yù)處理。
步驟1中厭氧發(fā)酵反應(yīng)器發(fā)揮的作用體現(xiàn)為(1)調(diào)節(jié)C/N比經(jīng)過厭氧發(fā)酵后， 大部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷，大大降低了厭氧發(fā)酵單元出水的C/N，有利于自養(yǎng)同步硝化反硝化的實(shí)現(xiàn)。(2)減少CO2的排放大部分有機(jī)物通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化成甲烷后進(jìn)行能源回收利用，避免轉(zhuǎn)化成CO2排放。
自養(yǎng)型同步硝化反硝化脫氮工藝(Autotrophic simultaneousnitrifieation and denitrifieation, ASND)是發(fā)明人首次提出的，該工藝在繼承同步硝化反硝化脫氮工藝(SND)能耗低、操作簡(jiǎn)單、堿度消耗少、基建費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用微電場(chǎng)產(chǎn)氫作為反硝化作用的電子供體以替代傳統(tǒng)SND脫氮工藝中的有機(jī)碳源電子供體，并采取合理的調(diào)控策略(電流和溶解氧)，使碳自養(yǎng)型硝化菌和氫自養(yǎng)反硝化菌在微電極上混勻附著固定，實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)型硝化作用和自養(yǎng)型反硝化作用在同一反應(yīng)器內(nèi)同步進(jìn)行，即實(shí)現(xiàn)氫自養(yǎng)型同步硝化反硝化作用，最終達(dá)到脫氮目的，解決了傳統(tǒng)SND中脫氮工藝效率不高的瓶頸作用，且同時(shí)減少了脫氮過程中的CO2排放，是一種低碳高效綠色脫氮新工藝。
本發(fā)明的有益效果將電化學(xué)法和生物膜法相結(jié)合，首次利用微電解產(chǎn)氫進(jìn)行自養(yǎng)型同步硝化反硝化的關(guān)鍵技術(shù)，有效地解決傳統(tǒng)SND中脫氮工藝效率不高的瓶頸作用， 且同時(shí)較少了脫氮過程中的CO2排放，實(shí)現(xiàn)了低碳高效綠色脫氮。其優(yōu)點(diǎn)(1)廢水首先進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵池進(jìn)行處理，處理后廢水中有機(jī)物含量減少60 70 %，且產(chǎn)生的氣體中約70% 為甲烷，可對(duì)其進(jìn)行回收利用，減少了 CO2的排放約60 70%;自養(yǎng)型反硝化工藝無需添加有機(jī)物，利用微電場(chǎng)產(chǎn)氫作為反硝化作用的電子供體，替代傳統(tǒng)脫氮工藝中的有機(jī)碳源作為電子供體，進(jìn)行自養(yǎng)型同步硝化反硝化作用，避免了相應(yīng)CO2的排放；相比于現(xiàn)有脫氮工藝，自養(yǎng)型反硝化脫除每g氮?dú)饪蓽p少排放6. SgCO2,整個(gè)脫氮過程CO2排放量更小，屬于一種“低碳”環(huán)保型的新工藝。(2)利用改性涂膜活性炭顆粒作為粒子電極，通過逐步減少碳源投加量和調(diào)控電流使碳自養(yǎng)型硝化菌和氫自養(yǎng)反硝化菌在微電極上混勻附著掛膜，比表面積大、性能好、掛膜速度快，且有利于硝化作用和反硝化作用在微電極上同步進(jìn)行，電流利用率高、脫氮效果好。(3)利用微電場(chǎng)產(chǎn)氫作為反硝化作用的電子供體，采取合理的調(diào)控策略，使自養(yǎng)型硝化作用和自養(yǎng)型反硝化作用在同一反應(yīng)器內(nèi)同步進(jìn)行，即實(shí)現(xiàn)氫自養(yǎng)型同步硝化反硝化，解決了傳統(tǒng)SND中脫氮工藝效率不高的瓶頸作用，明顯提高了脫氮效率， 降低了運(yùn)行費(fèi)用，減少了脫氮過程中的CO2排放。


圖1為本發(fā)明微電場(chǎng)強(qiáng)化低碳脫氮新工藝的流程圖。
圖2為本發(fā)明不同馴化方式下容積脫氮效率情況示意圖。
圖3為本發(fā)明工藝中電流強(qiáng)度對(duì)容積脫氮效率的影響示意圖。
圖4為本發(fā)明工藝中DO濃度對(duì)容積脫氮效率的影響示意圖。
圖5為本發(fā)明工藝中溫度對(duì)容積脫氮效率的影響示意圖。
具體實(shí)施例方式利用復(fù)三維電極一生物膜反應(yīng)器直接處理COD為45mg/L、氨氮為30mg/L的模擬廢水。在溫度25 30°C，pH為7.2 7.8的條件下，在六個(gè)反應(yīng)器(1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、 5號(hào)、6號(hào))中接種相同濃度的污泥。
然后，分別以表1所示的6種方式進(jìn)行馴化，馴化20天。馴化過程中每天更換2/3 培養(yǎng)液(以HRT = 8h計(jì)算)。圖2分別顯示了 20天后，6種馴化方式的容積脫氮效率情況。結(jié)果表明，隨著電流的增加，其脫氮效率也隨之提高；在馴化最終達(dá)到相同電流的條件下，通過逐步增加電流方式的容積脫氮效率均高于電流穩(wěn)定不變的馴化方式。
表1污泥馴化方式
運(yùn)行階段，在HRT為8h的條件下，比較了運(yùn)行時(shí)間為4h，20mA、25mA、30mA、40mA、 50mA電流強(qiáng)度下，該反應(yīng)器的容積脫氮效率。圖3分別顯示了不同電流強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的容積脫氮效率情況。結(jié)果表明，隨著電流強(qiáng)度的增加，容積脫氮效率先提高后降低。當(dāng)電流強(qiáng)度為25mA時(shí)，體系有最大容積脫氮效率。
在HRT為8h、電流為25mA的條件下，比較了運(yùn)行時(shí)間為4h，DO = 0. 5,0. 8、1. 0、 1. 2、1. 5、1. 8、2. 0條件下，該反應(yīng)器的容積脫氮效率。圖4分別顯示了不同DO濃度所對(duì)應(yīng)的容積脫氮效率情況。由圖4可知，容積脫氮效率隨著DO濃度的增加先提高后降低。在DO =1. 0 1. 5mg/L范圍內(nèi)，具有較好的容積脫氮效率，該系統(tǒng)最適溶解氧濃度為1. 2mg/L。
在HRT為8h、電流為25mA的條件下，比較了運(yùn)行時(shí)間為4h，溫度為5°C、10°C、 15°C、20°C、25°C、30°C、35°C下，該反應(yīng)器的容積脫氮效率。圖5分別顯示了不同溫度所對(duì)應(yīng)的容積脫氮效率情況。結(jié)果表明，在溫度15 35°C范圍內(nèi)，該體系具有較好的容積脫氮效率。當(dāng)溫度小于15°C和大與于35°C時(shí)，容積脫氮效率迅速下降。
權(quán)利要求
1.一種微電場(chǎng)強(qiáng)化低碳脫氮新工藝，其特征在于包括以下步驟1)厭氧發(fā)酵反應(yīng)待處理廢水進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器中進(jìn)行厭氧發(fā)酵反應(yīng)處理，使廢水 中的大部分有機(jī)物通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為甲烷，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器出水C/N <2.0；2)自養(yǎng)型同步硝化反硝化脫氮反應(yīng)在處理來自厭氧發(fā)酵反應(yīng)的出水前，先對(duì)復(fù)三維 電極_生物膜反應(yīng)器內(nèi)的碳自養(yǎng)型硝化菌和氫自養(yǎng)型反硝化菌進(jìn)行馴化；馴化完成后，向 復(fù)三維電極-生物膜反應(yīng)器內(nèi)通入來自厭氧發(fā)酵反應(yīng)的出水，通過直流電源裝置對(duì)復(fù)三維 電極-生物膜反應(yīng)器中的陰陽電極間通以直流電源，對(duì)厭氧發(fā)酵處理后的廢水進(jìn)行電解， 反應(yīng)器內(nèi)填充有改性石墨顆粒微電極，在微電場(chǎng)作用下，反應(yīng)器內(nèi)的碳自養(yǎng)型硝化菌和氫 自養(yǎng)型反硝化菌定向移動(dòng)并附著在改性石墨顆粒微電極表面；反應(yīng)器池體內(nèi)的陽極微電解 水產(chǎn)生的原子氧為硝化菌提供氧，反應(yīng)器底部用微孔曝氣器進(jìn)行曝氣，在系統(tǒng)內(nèi)形成限氧 環(huán)境，使廢水中的氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，完成硝化過程；陰極表面釋放出的原子氫為反硝化 菌提供電子供體，完成反硝化過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電場(chǎng)強(qiáng)化低碳脫氮新工藝，其特征在于所述的馴化過程 為在溫度 25 30°C、pH = 7. 2 7. 8、DO = 1. 5 1. Omg/L、電流=10 30mA 條件下， 通過在復(fù)三維電極_生物膜反應(yīng)器內(nèi)逐步減少外源碳的投加和提高電流強(qiáng)度，使C/N比逐 漸從6下降至2，碳自養(yǎng)型硝化菌和氫自養(yǎng)型反硝化細(xì)菌在微電極表面的混合附著固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電場(chǎng)強(qiáng)化低碳脫氮新工藝，其特征在于所述的硝化菌取 自城市污水處理廠或其他污水處理設(shè)施的曝氣池的活性污泥，氫自養(yǎng)型反硝化菌取自含有 硝酸鹽的河流、湖泊底泥或沉積物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電場(chǎng)強(qiáng)化低碳脫氮新工藝，其特征在于所述的厭氧發(fā)酵 反應(yīng)器類型為當(dāng)廢水COD超過1000mg/L時(shí)選用上流式厭氧污泥床反應(yīng)器，當(dāng)廢水COD低 于1000mg/L時(shí)選用填料式厭氧折流板反應(yīng)器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微電場(chǎng)強(qiáng)化低碳脫氮新工藝，特別適用于高氨氮高有機(jī)物含量廢水的處理。該工藝包括厭氧發(fā)酵反應(yīng)和自養(yǎng)型同步硝化反硝化反應(yīng)，待處理廢水進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵反應(yīng)器中經(jīng)過厭氧發(fā)酵反應(yīng)處理后，大部分有機(jī)物通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化成甲烷后可進(jìn)行能源回收利用，避免直接轉(zhuǎn)化成CO2排放。厭氧處理后的廢水有機(jī)物含量較少，繼而進(jìn)入復(fù)三維電極一生物膜反應(yīng)器，通過馴化附著在復(fù)三維電極一生物膜反應(yīng)器中微粒電極上的碳自養(yǎng)型硝化菌和氫自養(yǎng)型反硝化細(xì)菌的作用，實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)型同步硝化反硝化，最終達(dá)到將氨氮直接轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾拿摰康?，無需添加有機(jī)物，基本無CO2排放，是一種可控、高效、低耗、“低碳排”環(huán)保型綠色脫氮新工藝。
文檔編號(hào)C02F9/14GK101844857SQ20101020115
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者馮華軍, 馮小晏, 錢鈺潔, 鄧友華 申請(qǐng)人:浙江工商大學(xué)