專利名稱：一種利用有機廢水進行固氮的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于廢水回收利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用有機廢水進行固氮的方法。
背景技術(shù)：
氮是多數(shù)動植物及微生物生長不可或缺的基本元素，且多數(shù)情況下生物體更易于利用有機態(tài)氮作為自身新陳代謝的氮源形式。雖然空氣中約78%的成分為氮氣，除少數(shù)具有自身固氮作用的微生物和植物體外，多數(shù)生物體都無法直接利用氮氣。目前對空氣氮源的利用還主要以化學方法進行固定轉(zhuǎn)化(合成氨工藝)，將空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為氨的形式再進一步利用。光合細菌是一類具有特殊生長代謝體系的古細菌，其能在不同環(huán)境條件下進行生長代謝活動，其中在厭氧光照和營養(yǎng)條件缺氮下的情況其可將單質(zhì)氮轉(zhuǎn)化自身生長代謝所需氮源，這種代謝形式是地球大氣圈演變的重要組成部分。固氮作用是光合細菌固氮酶的一種自身代謝途徑，該固氮過程必須在光照條件下進行，由于光合細菌的固氮酶對氧敏感， 氧的存在將導致固氮酶的失活從而失去固氮活性，因此要想利用光合細菌對空氣中的氮進行固定轉(zhuǎn)化，必須消除空氣中氧的抑制作用。有機廢水中含有大量的富碳有機質(zhì)，其在代謝分解過程中將消耗大量的氧氣從而引起缺氧導致水中動物死亡，是水體污染的重要原因。有機廢水中含有的富碳物質(zhì)是一種很好的碳源物質(zhì)，可為多種微生物生長代謝提供能量來源。利用光合細菌的生長代謝特性在特定環(huán)境條件下以有機廢水為碳源將空氣中氮進行轉(zhuǎn)化固定不僅可以使有機廢水得到凈化處理，光合細菌轉(zhuǎn)化固定下來的氮源還是多種生物利用的氮源形式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用有機廢水進行固氮的方法，可以獲得有機氮產(chǎn)品。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種利用有機廢水進行固氮的方法，包括以下步驟
(1)有機廢水滅菌后加入反應(yīng)器中；(2)向反應(yīng)器中接入光合細菌，光合細菌接種量為有機廢水體積的5-10% ； (3)反應(yīng)器的下部通入氮氣使反應(yīng)器內(nèi)的氣壓達0. IMpa ； (4)對有機廢水進行光照培養(yǎng)不少于96h，控制光照度為2000-3000 Lx，培養(yǎng)溫度為25_30°C;(5)培養(yǎng)結(jié)束后反應(yīng)器內(nèi)的液體經(jīng)離心分離、脫水干燥得到固態(tài)有機氮產(chǎn)物。所述氮氣的制備步驟為將COD為4000-6000mg/L的有機廢水送入脫氧反應(yīng)器內(nèi)； 向脫氧反應(yīng)器內(nèi)加入有機廢水質(zhì)量1/15-1/20的好氧活性污泥；由脫氧反應(yīng)器底部通入空氣，空氣在脫氧反應(yīng)器內(nèi)自下至上流動過程中氧氣參與反應(yīng)被消耗，排出脫氧反應(yīng)器的氣體去除二氧化碳后得氮氣。所述脫氧反應(yīng)器包括殼體，殼體底部設(shè)有曝氣器，曝氣器的進口與空氣進氣管連接，曝氣器上方的殼體內(nèi)壁豎向間隔交錯設(shè)有向下傾斜和向上傾斜的折流板，折流板的遠端與相對殼體內(nèi)壁之間留有空隙；殼體頂部設(shè)有噴淋器，噴淋器的進口通過循環(huán)管與殼體底部連接，循環(huán)管的進口處設(shè)有循環(huán)泵，殼體頂部設(shè)有出氣管，殼體上部設(shè)有進水管，殼體底部為傾斜狀，殼體底面設(shè)有排污口 ；殼體上設(shè)有溢流管；進水管設(shè)于由上至下第二塊折流板與第三塊折流板之間。本發(fā)明利用光合細菌將有機廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)在厭氧光照條件下利用自身固氮酶的固氮作用將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為菌體蛋白和菌體色素，從而將空氣中的單質(zhì)氮以有機態(tài)形式轉(zhuǎn)化固定，提供合適氮源形式。本發(fā)明的過程中有機廢水進入反應(yīng)器之前要進行滅菌處理，防止雜菌污染，同時減少空氣氧對光合細菌的抑制作用。本發(fā)明不能直接利用空氣作為有機廢水代謝反應(yīng)的氮源，這是因為空氣中氧對固氮酶有抑制作用，因此所采用的氮氣必須是脫氧之后的空氣，如果當微量氧存在時應(yīng)增加培養(yǎng)時間，以便光合細菌首先進行好氧呼吸作用消耗存在的微量氧而后轉(zhuǎn)入固氮代謝。本發(fā)明的固氮工藝簡單，其主要成本在于光照培養(yǎng)的光照對電能消耗，如采用太陽光做自然光源，適當延長培養(yǎng)時間彌補太陽光周期性變化影響則可大大降低生產(chǎn)成本。 采用本發(fā)明的方法固氮后使得氮主要以菌體蛋白和光合色素形式存在培養(yǎng)液中，其離心分離后菌體蛋白和菌體色素可作為動物飼料蛋白、魚類飼料，也可滅活后作為生物發(fā)酵的補充氮源，如用作秸稈厭氧發(fā)酵的補充氮源。本發(fā)明利用有機廢水獲取氮氣，其原理是空氣作為有機廢水有機質(zhì)降解的氧源，有機質(zhì)降解代謝過程對氧進行消耗從而消除空氣中的氧氣，最后經(jīng)過脫除二氧化碳和水，從而獲得氮氣濃度為95%左右的氮氣產(chǎn)品。本發(fā)明中利用有機廢水獲得氮氣時，有機廢水COD需要進行控制，這是因為當有機廢水COD過低時則不能完全消除空氣中含有的氧氣，而當有機廢水COD過高時則有大量的C02、C0等新雜質(zhì)氣體生成，不僅增加吸收堿液的消耗量也影響獲得氮氣的純度。控制COD 使得有機廢水的降解代謝停留在好氧和微好氧層次，避免有機質(zhì)在厭氧狀態(tài)下更多雜氣的生成。利用有機廢水獲得氮氣的方法簡單、能耗低，在獲取氮氣的同時對有機廢水還有一定的凈化作用，利用本發(fā)明方法獲取的氣體中氮氣濃度(體積百分比)可達到95%左右，產(chǎn)氣中還含有少量濃度的氧氣和一氧化碳氣體，可作為獲取高純氮氣的前驅(qū)氣體。利用有機廢水獲得氮氣所用的脫氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，布局合理，設(shè)置折流板， 能夠使空氣在反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)充分自下至上的折流，保證空氣中的氧氣最大程度地被有機質(zhì)降解代謝消耗掉。


圖1為本發(fā)明中所用脫氧反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為脫氧反應(yīng)器使用時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式試驗采用飴糖廠生產(chǎn)廢水作樣品，一部分經(jīng)紫外滅菌后用作光合細菌營養(yǎng)底物， 一部分用于空氣脫氧介質(zhì)使用。脫氧反應(yīng)器，如圖1所示，包括殼體1，殼體1底部設(shè)有曝氣器2，曝氣器2的進口與空氣進氣管3連接，曝氣器2上方的殼體1內(nèi)壁豎向間隔交錯設(shè)有向下傾斜和向上傾斜的折流板4，折流板4的遠端與相對殼體1內(nèi)壁之間留有空隙；殼體1頂部設(shè)有噴淋器5，噴淋器5的進口通過循環(huán)管6與殼體1底部連接，循環(huán)管6的進口處設(shè)有循環(huán)泵7，運行過程中，循環(huán)泵7將底部的有機廢水循環(huán)至噴淋器5，使得殼體1內(nèi)的有機廢水不斷循環(huán)，多余的廢水通過溢流管11排出；殼體1頂部設(shè)有出氣管8，殼體1上部由上至下第二塊折流板4 與第三塊折流板4之間設(shè)有進水管9，經(jīng)進水管9不斷補充有機廢水，殼體1上設(shè)有溢流管 11，殼體1底部為傾斜狀，殼體1底面設(shè)有排污口 10。脫氧反應(yīng)器使用時，如圖2所示，脫氧反應(yīng)器的空氣進氣管3與儲氣罐20連接，儲氣罐20與空氣壓縮機23連接，脫氧反應(yīng)器的出氣管8與堿性吸收箱21連接，堿性吸收箱 21的氣體出口與脫水箱22連接。用于空氣脫氧介質(zhì)部分的有機廢水經(jīng)調(diào)整后(COD為5550mg/L)，經(jīng)進水管9進入脫氧反應(yīng)器的殼體1內(nèi)；使水位達到殼體1內(nèi)深度的2/3左右，向脫氧反應(yīng)器內(nèi)加入有機廢水質(zhì)量1/20的好氧活性污泥；利用空氣壓縮機23將空氣壓入儲氣罐20，空氣經(jīng)進氣管 3、曝氣器2分散于脫氧反應(yīng)器的底部，并在折流板4相對較高的一端匯集，隨著通氣量的增加，匯集的空氣向折流板4較低的一端擴散進而不斷向上擴散，空氣在折流板4的作用下逐級向脫氧反應(yīng)器的頂部運動，空氣在折流的過程中，所含的O2參與有機質(zhì)的降解反應(yīng)而達到消除的作用，最終氣體由殼體1頂部的出氣管8排出。出氣管8排出的空氣中大部分為氮氣，還含有空氣中本身含有的和有機質(zhì)降解產(chǎn)生的二氧化碳，繼續(xù)通入堿性吸收箱21被堿液吸收去除二氧化碳，最后經(jīng)脫水箱22脫水后得到氮氣。測得氮氣中的成分為A2: 97.2%、 O2: 0. 8%、CO2:0%, CO:0. 4%，測得溢流管11流出的有機廢水中的COD為4100mg/L。運行過程中，循環(huán)泵7將底部的有機廢水經(jīng)循環(huán)管6循環(huán)至噴淋器5，使得殼體1內(nèi)的有機廢水不斷循環(huán)，由進水管9不斷補充有機廢水，多余的廢水通過溢流管11排出；運行一段時間后， 關(guān)閉空氣、循環(huán)泵7，打開排污口 10進行排污，去除反應(yīng)器內(nèi)的污泥顆粒，清理后開始下一工序的運行。經(jīng)紫外滅菌后用作光合細菌營養(yǎng)底物的有機廢水加入固氮反應(yīng)器中；(2)向固氮反應(yīng)器中接入接種量為有機廢水體積5%的光合細菌，光合細菌是球形紅假單胞菌和深紅紅螺菌的混合菌；(3)反應(yīng)器的下部通入脫氧反應(yīng)器脫水箱22排出的氮氣使固氮反應(yīng)器內(nèi)的氣壓達0. IMpa ； (4)采用白熾燈對有機廢水進行光照培養(yǎng)不少于96h，調(diào)整白熾燈與反應(yīng)器距離控制光照度為2000 Lx，培養(yǎng)溫度為25°C; (5)培養(yǎng)結(jié)束后反應(yīng)器內(nèi)的液體經(jīng)離心分離、脫水干燥得到固態(tài)有機氮產(chǎn)物。試驗前測試光合細菌接種液中含氮量為325mg/L，廢水含氮量為97mg/L，連續(xù)培養(yǎng)4天后測定有機廢水中含氮量為780 mg/L，由此推算連續(xù)培養(yǎng)后光合細菌共計固定氮為 5. 851g，即單位有效容積定氮量680. 35 mg/L。
權(quán)利要求
1.一種利用有機廢水進行固氮的方法，包括以下步驟(1)有機廢水滅菌后加入反應(yīng)器中；(2)向反應(yīng)器中接入光合細菌，光合細菌接種量為有機廢水體積的5-10% ； (3)反應(yīng)器的下部通入氮氣使反應(yīng)器內(nèi)的氣壓達0. IMpa ； (4)對有機廢水進行光照培養(yǎng)不少于96h，控制光照度為2000-3000 Lx，培養(yǎng)溫度為25_30°C;(5)培養(yǎng)結(jié)束后反應(yīng)器內(nèi)的液體經(jīng)離心分離、脫水干燥得到固態(tài)有機氮產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的利用有機廢水進行固氮的方法，其特征在于，所述氮氣的制備步驟為將COD為4000-6000mg/L的有機廢水送入脫氧反應(yīng)器內(nèi)；向脫氧反應(yīng)器內(nèi)加入有機廢水質(zhì)量1/15-1/20的好氧活性污泥；由脫氧反應(yīng)器底部通入空氣，空氣在脫氧反應(yīng)器內(nèi)自下至上流動過程中氧氣參與反應(yīng)被消耗，排出脫氧反應(yīng)器的氣體去除二氧化碳后得氮氣。
3.如權(quán)利要求2所述的利用有機廢水進行固氮的方法，其特征在于，所述脫氧反應(yīng)器包括殼體，殼體底部設(shè)有曝氣器，曝氣器的進口與空氣進氣管連接，曝氣器上方的殼體內(nèi)壁豎向間隔交錯設(shè)有向下傾斜和向上傾斜的折流板，折流板的遠端與相對殼體內(nèi)壁之間留有空隙；殼體頂部設(shè)有噴淋器，噴淋器的進口通過循環(huán)管與殼體底部連接，循環(huán)管的進口處設(shè)有循環(huán)泵，殼體頂部設(shè)有出氣管，殼體上部設(shè)有進水管，殼體底部為傾斜狀，殼體底面設(shè)有排污口 ；殼體上設(shè)有溢流管；進水管設(shè)于由上至下第二塊折流板與第三塊折流板之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于廢水回收利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用有機廢水進行固氮的方法，該方法包括以下步驟(1)有機廢水滅菌后加入反應(yīng)器中；(2)向反應(yīng)器中接入光合細菌；(3)反應(yīng)器的下部通入氮氣使反應(yīng)器內(nèi)的氣壓達0.1MPa；(4)對有機廢水進行光照培養(yǎng)不少于96h；(5)培養(yǎng)結(jié)束后反應(yīng)器內(nèi)的液體經(jīng)離心分離、脫水干燥得到固態(tài)有機氮產(chǎn)物。本發(fā)明利用光合細菌將有機廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)在厭氧光照條件下利用自身固氮酶的固氮作用將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為菌體蛋白和菌體色素，從而將空氣中的單質(zhì)氮以有機態(tài)形式轉(zhuǎn)化固定，提供合適氮源形式。
文檔編號C02F3/28GK102351309SQ20111016393
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者姬少龍, 岳建芝, 李剛, 郭前輝 申請人:河南農(nóng)業(yè)大學