專(zhuān)利名稱(chēng):利用微生物轉(zhuǎn)化法在氣態(tài)氫存在下除去硝酸鹽的方法
人們已經(jīng)知道利用在各種微生物反應(yīng)器中反硝化作用，除去水中的硝酸鹽的方法。例如，在含有顆粒狀生物反硝化劑的這種反應(yīng)器中，以上升液流的方式進(jìn)行的方法已由Lettirgd等人在《Biotechnol. Bioeng》第22卷(1980)第699-734頁(yè)和由Timmermans在Kath. Univ. Leuven 1983年的博士論文“水的生物學(xué)反硝化作用體系的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和動(dòng)力學(xué)”中描述過(guò)了。
尤其對(duì)于廢水，曾經(jīng)采用過(guò)諸如糖類(lèi)、可生物分解的有機(jī)物質(zhì)(較便宜者)、纖維素以及乙醇和甲醇等不同的還原劑。不過(guò)，對(duì)于飲用水只采用過(guò)后兩種。所有這些常用的還原劑都不具有既溶解于水，又不降低飲用水的質(zhì)量的性質(zhì)，因此，就必須在反硝化過(guò)程的終了借助一種成本較高的方法將其除去。
采用氫氣使飲用水反硝化的方法，為人所共知，Gros等人已在1982年6月SULEER的短篇報(bào)告集中以“飲用水的反硝化作用在Eollikofen的一個(gè)中間試驗(yàn)裝置中以三種方法研究”描述過(guò)。按照這一方法，氫氣被用作還原劑，從一反應(yīng)器的底部將其引入，并向上擴(kuò)散至反應(yīng)器內(nèi)。水以相同的方向運(yùn)動(dòng)。硝化過(guò)程必不可少的生物質(zhì)，是以片狀的混合物料的形式固定在反應(yīng)器中。這一方法盡管采用了氫氣作還原劑，但不能獲得高密度的微生物，并在飲用水中遺留下少量的亞硝酸鹽，這在飲用水中是不容許的。
本發(fā)明提供一種以不污染的氫為還原劑的反硝化方法，而且是以微生物的生長(zhǎng)、氫的消耗量最為經(jīng)濟(jì)、以及消除有害的含硝中間體等條件為目標(biāo)。
按照本發(fā)明，該方法是一種消除硝酸鹽的微生物法，在這一方法中，待反硝化的水流經(jīng)含有同氫氣有很大親和力的反硝化微生物的第一反應(yīng)器。在這第一個(gè)反應(yīng)器的底部有氫氣噴射出來(lái)，其特征是從這個(gè)反應(yīng)器流出的液體引到第二個(gè)含有某種微生物的反應(yīng)器中，把其中殘留的全部含氮化合物轉(zhuǎn)化成硝酸鹽類(lèi)。
本發(fā)明消除硝酸鹽的方法可應(yīng)用于處理各種低含量的稀水溶液，特別是有意要作為飲水的水。稀淡水溶液指其濃度為每升含10至1000毫克硝酸鹽形式的氮。最好是不含，或者只含很少量的懸浮固體顆粒。待反硝化的液體可含有溶解的無(wú)機(jī)鹽，但不應(yīng)含有溶解的可生物降解的有機(jī)物質(zhì)。
參照附圖，以下以實(shí)施例的方式說(shuō)明本發(fā)明。
利用化學(xué)或物理法產(chǎn)生的氫氣貯存在容器1，或者把利用生物發(fā)酵法產(chǎn)生的氫氣貯存在發(fā)酵罐2中，有時(shí)還要進(jìn)行提純。
待反硝化的水或稀水溶液通過(guò)導(dǎo)管3引到第一反應(yīng)器的上部槽4。水以0.1至30米/時(shí)的選擇流速流下反應(yīng)器。起反硝化作用的微生物載體5浸沒(méi)在槽4的液體中。這種載體最好是由交聯(lián)的聚氨酯制成。不過(guò)其它比表面和孔隙率很大者也可以使用。載體的表面積以平方米計(jì)，同時(shí)反應(yīng)器的單位體積立方米計(jì)，其比值最好應(yīng)選在1000以上，至少等于100。
來(lái)自貯槽1或發(fā)酵罐2的氫氣，通過(guò)導(dǎo)管6，或一多孔的鋼板或玻璃板，自第一反應(yīng)器槽4的底部噴出，與下降的待處理水成逆流上升。上升的氫氣與水逆流，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)微生物反應(yīng)所放出的氣體可立即將溶解的氧氣驅(qū)趕到新來(lái)到的水中，因此微生物自然得到氧料，即通過(guò)硝酸鹽的分解獲得必需的氧氣。
達(dá)到槽4底部已經(jīng)大部脫掉硝的水，先流經(jīng)區(qū)8，在某些特殊情況下這一步驟可以省略，然后送到第二個(gè)反應(yīng)器槽7中。然后水就達(dá)到稱(chēng)為第二反應(yīng)器的區(qū)10。這一區(qū)域是在槽7的上面，并且是在引入含氧氣的氣體，例如空氣的分配器9的上方。在區(qū)10中含有一種，例如由需氧的有機(jī)細(xì)菌和/或化學(xué)物質(zhì)間接營(yíng)養(yǎng)的細(xì)菌構(gòu)成的微生物反硝化劑。這區(qū)域10或第二個(gè)反應(yīng)器中，由分配器9引進(jìn)的空氣可使固定在載體5上的微生物反硝化劑得以生長(zhǎng)，這種載體5與在第一反應(yīng)器槽4中的生物反硝化劑的載體相同。在充氣區(qū)10中的微生物反硝化劑是保證用以消除有害的含硝中間體以及殘留的有機(jī)物質(zhì)的。通過(guò)分配器9進(jìn)入的空氣的通氣比率應(yīng)當(dāng)這樣選擇，使離開(kāi)10區(qū)的液體至少每升中應(yīng)含有4毫克的溶解氧氣。代替使用的氣體，也可使用含游離氧的流體，或者使用當(dāng)與從區(qū)10流出的液體相接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生初生態(tài)氧(臭氧，H2O2……等)的流體。
圖中所示的例子，槽7中的液體是向上流動(dòng)的，而在第二個(gè)反應(yīng)器或者區(qū)10中，氧氣或空氣是與液體以同方向流動(dòng)。
不過(guò)也可想像得到，在某些情況下，從第二反應(yīng)器的上部供入氧氣，以便氧氣同液體成逆流流動(dòng)會(huì)更為有利些。
按照?qǐng)D中所示的例子，從槽4下降的待反硝化的液體隨即送到槽7中的區(qū)8。這一區(qū)8可以認(rèn)為是在其中完全消耗掉殘留的氫氣的第三反應(yīng)器。區(qū)8中也含有像在第一反應(yīng)器槽4中固定在載體5上的生物反硝化劑，按照例中的情況，由于這一區(qū)域有一上升的液流通過(guò)，因此受此緩慢流動(dòng)的液流的影響它可成為一種浮游層(litdefoue)，用來(lái)避免產(chǎn)生湍流。在這種情況下就產(chǎn)生各種對(duì)微生物反硝化劑具有不同結(jié)構(gòu)和有利裝配的一些條件。
由槽7的區(qū)8所組成的第三反應(yīng)器也可與圖中所示者不同，而位于槽4的下部，在氫氣分配器6的下面，或者位于在圖中沒(méi)有示出的獨(dú)立的槽中。在這后一情況，使第一和第二反應(yīng)器處于壓力下操作，而使第三反應(yīng)器的操作壓力明顯地低于第一和第二反應(yīng)器的壓力可能會(huì)更有好處。
第一反應(yīng)器在槽4中可于5℃至40℃之間的溫度，PH值在5至10之間進(jìn)行操作。盡管待反硝化的液體可不含溶解的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，但加入無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，尤其是含磷的鹽類(lèi)，對(duì)于反應(yīng)器的預(yù)備操作階段是極為有利的。加入量必須足夠，以便產(chǎn)生足夠的微生物反硝化劑。同時(shí)，在這一預(yù)備階段，生物反硝化劑最好接種一種加在水中的富含養(yǎng)份的主要是產(chǎn)堿桿菌屬的培養(yǎng)物。
相反，在反硝化區(qū)10，也稱(chēng)為第二反應(yīng)器中要用一種例如取自土壤和地表水中富含營(yíng)養(yǎng)物的硝化細(xì)菌加以接種。
在正常的操作情況下，圖中所示的裝置，對(duì)于飲用水的反硝化作用，只要流經(jīng)各種不同的反應(yīng)器30至600分鐘以后一般就可充分地完成了。如果每天每立方米體積的第一反應(yīng)器進(jìn)入0.5公斤硝酸鹽形式的氮時(shí)，可以除去約90%硝酸鹽形式的氮。
分配器6的深度與槽4中的液體的液面相關(guān)，要按要求的氫氣效率來(lái)選擇。這一效率至少須高于50%。
所使用的氫氣可以來(lái)自一聯(lián)有減壓閥的氣瓶，壓力可調(diào)節(jié)到能使從兩米高的第一反應(yīng)器底部放出的氫氣有1.5大氣壓的壓力。根據(jù)一個(gè)特定的例子，反應(yīng)器操作的容積比是每天每立方米體積的第一反應(yīng)器使用10米3氫氣。每升含有50毫克硝酸鹽形式氮的15℃自來(lái)水可在第一反應(yīng)器(槽4)中，以每立方米容積的反應(yīng)器每天0.5公斤硝酸鹽形式的氮的容積比率加以處理。每升反應(yīng)器的容積應(yīng)有20克(乾物料)固定在聚氨酯載體上的生物反硝化劑，反硝化劑利用向上擴(kuò)散的氫氣可將90%的硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓适?7%。當(dāng)水進(jìn)入到含有相同微生物的區(qū)8時(shí)，每升水還含有5毫克硝酸鹽形式的氮，可利用溶解于水中的氫氣將這個(gè)值降低到每升含有1毫克硝酸鹽形式的氮。
利用分配器9的通氣作用，可使在10區(qū)內(nèi)的生物反硝化劑除去硝化的中間體，主要是亞硝酸鹽，有時(shí)還有氨化物。當(dāng)被處理水的總流通時(shí)間約為140分鐘時(shí)，則第一反應(yīng)器的每立方米容積去除硝酸鹽形式的氮的總量約為0.4公斤，或者為80%。
另外，也可使用自微生物發(fā)酵罐的氫氣，甚至由此發(fā)酵罐放出的不僅只含有氫氣氣體。這種情況是可能的，因?yàn)樵谠砩希瑥陌l(fā)酵罐放出的氣體不僅有氫氣，還有二氧化碳?xì)夂蜆O少量其它氣體。尤其是在將生物聚合物或糖類(lèi)分解為氫氣、CO2和有機(jī)酸類(lèi)，諸如乳酸，醋酸和丁酸的酪酸梭菌的發(fā)酵罐，生產(chǎn)出的氫氣可能達(dá)到每立方米發(fā)酵罐的容積有11米3氫氣的比率。當(dāng)來(lái)自梭狀芽胞桿菌發(fā)酵罐的含氫氣體用于在20℃下每升地表水中含有20毫克硝酸鹽形式的氮的反硝化過(guò)程，通過(guò)時(shí)間為50分鐘時(shí)，則從10區(qū)流出的液體每升中含有4毫克硝酸鹽形式的殘留氮的比率。依賴(lài)于乳酸鹽、醋酸鹽和丁酸鹽的改變，通過(guò)光細(xì)菌培養(yǎng)物轉(zhuǎn)化成的氫氣的比值可在每天每立方米發(fā)酵罐容積0.1至0.9米3之間改變，其效率在23至100%之間。
再有，根據(jù)另一種變化，采用有兩個(gè)發(fā)酵罐的體系使一種較無(wú)價(jià)值的碳水化合物如乳糖漿液，完全轉(zhuǎn)化為氫氣。在這一體系中，在第一個(gè)梭狀芽胞桿菌屬的發(fā)酵罐中[酪酸的futyricum巴斯德出芽菌的asteuianum butylicum乳酪酸的tyrofutyrium貝吉林斯基的beijerinckii雙酶的fijermentans ceaninm或oroticum等]在黑暗中操作，乳糖被轉(zhuǎn)化成氫氣、二氧化碳?xì)夂椭舅?，而在第二個(gè)發(fā)酵罐中，通過(guò)紅桿菌膠囊種(Rh odofacter capsulatus紅螺菌屬紅核種Rhodospirillum rulrum或紅微生菌屬標(biāo)準(zhǔn)種Rhodomicrobinm vanniclii)光的發(fā)酵作用，脂肪酸轉(zhuǎn)化成氫氣這兩個(gè)發(fā)酵罐的氣相都同時(shí)應(yīng)用于反硝化過(guò)程中。
在某些情況下，一股很強(qiáng)的氫氣流可能從管子6噴出并收集在槽器4的水平面以上。如此收集到的氫氣，可利用工業(yè)上的半滲透膜把不需要的氣體除去而加以提純，并重新由管子6噴出。
圖中所示的總體中也可增加配置一臺(tái)消毒設(shè)備(圖中未示出)，如臭氧的，氯氣的或紫外線的消毒設(shè)備。這一消毒設(shè)備系供從槽7流出的液體通過(guò)。
同時(shí)也有可能讓液體流從反應(yīng)器4的下部流進(jìn)，在這種情況下，本反應(yīng)器的生物反硝化劑例如可以利用上升的物料流和氫氣的作用，使之固定在形成流化床的顆粒上。在這最后的情況下，液體的流動(dòng)必須相對(duì)地較快。因此要使在這個(gè)區(qū)內(nèi)或反應(yīng)器4內(nèi)液體向進(jìn)料口處循環(huán)，以便使進(jìn)料能在這一區(qū)內(nèi)或反應(yīng)器4內(nèi)達(dá)到所要求的平均停留時(shí)間，是會(huì)有好處的。
在這種進(jìn)料向上流動(dòng)的情況下，那就特別有可能把各個(gè)不同的反應(yīng)區(qū)或者反應(yīng)器安排在同一個(gè)容器內(nèi);同樣，如果進(jìn)料在各反應(yīng)區(qū)或在各反應(yīng)器內(nèi)作向下流動(dòng)，則同上面已經(jīng)解釋的一樣，安排在同一容器內(nèi)的情況也是可能的。
本發(fā)明可容許獲得，完全不含氮有害物質(zhì)的飲用水，即使在水量很小的情況下也是如此。這一結(jié)果是借助于把所有這些含氮的化合物，即，預(yù)先硝化作用的副產(chǎn)品全部轉(zhuǎn)化成硝酸鹽而取得的。
權(quán)利要求
1.消除硝酸鹽的微生物方法，其中待反硝化的水溶液流經(jīng)一臺(tái)含有利用與氫氣有很大親和力的生物反硝化劑的第一反應(yīng)器(4)，在這個(gè)反應(yīng)器(4)的底部有氣相的氫氣噴出，其特征在于，第一反應(yīng)器流出的液體被引進(jìn)含有生物反硝化劑的第二反應(yīng)器(10)，把這一流出液體中所有殘留的含氮成分轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征在于在這第一反應(yīng)器(4)中，待反硝化的液體是緩慢地向下流動(dòng)，同氫氣成逆流流動(dòng)，而在第二反應(yīng)器(10)中，液體是緩慢地同一股含有氧氣或一些化合物的液體平行向上流動(dòng)，當(dāng)后者同第二反應(yīng)器的進(jìn)料相接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生初生態(tài)氧。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征在于，在第一反應(yīng)器(4)中，待反硝化的液體是緩慢地向下流動(dòng)，同氫氣成逆流流動(dòng)，而在第二反應(yīng)器(10)中，液體也是緩慢地向下流動(dòng)，與含氧氣的流體成逆流流動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征在于，在第一反應(yīng)器(4)中，待反硝化的液體是向上流動(dòng)，同氫氣的流動(dòng)相平行，而在第二反應(yīng)器(10)中，液體也作向上的流動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3或4的方法，其特征在于，以同一方向流動(dòng)所流經(jīng)的全部反應(yīng)區(qū)或反應(yīng)器(4，10)，是在同一槽內(nèi)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求
的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于待反硝化的液體在它流過(guò)第一反應(yīng)器(4)，進(jìn)入第二反應(yīng)器(10)之前，是流經(jīng)一個(gè)含有微生物反硝化劑的第三反應(yīng)器(8)，在此反應(yīng)器中，溶在液體中來(lái)自第一反應(yīng)器(4)的殘留氫氣完全被消耗掉了。
7.根據(jù)權(quán)利要求
4的方法，其特征在于在上述的第三反應(yīng)器(8)進(jìn)行的殘留氫氣的消耗作用，是在第一反應(yīng)器的槽(4)內(nèi)在噴射氫氣的裝置(6)的下面發(fā)生的。
8.根據(jù)權(quán)利要求
4的方法，其特征在于在上述的第三反應(yīng)器(8)進(jìn)行的殘留氫氣的消耗作用，是在第二反應(yīng)器(10)的槽(7)內(nèi)在噴射帶有氧氣流體的噴射裝置下面發(fā)生的。
9.根據(jù)權(quán)利要求
4的方法，其特征在于第一和第二反應(yīng)器(4和10)是保持有壓力的，而第三反應(yīng)器(8)保持的壓力則明顯地比第一和第二反應(yīng)器低。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求
的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于送往第一反應(yīng)器(4)的氫氣是大量的從第一反應(yīng)器出來(lái)的，多余的氫氣同其它的氣體相分離并且在循環(huán)。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求
的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在第一反應(yīng)器(4)中，待反硝化的液體穿過(guò)一種主要含有富養(yǎng)份的產(chǎn)堿桿菌菌種的生物，以及在第二反應(yīng)器(10)中，待反硝化的液體穿過(guò)一種含有機(jī)需氧的細(xì)菌和/或需氧的化學(xué)間接營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌的生物。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求
的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所使用的氫氣，是那些含至少下列的各種細(xì)菌種的一種的培養(yǎng)物放在至少一個(gè)發(fā)酵罐中所產(chǎn)生的紅桿菌膠囊種Rhodobacter capsulatus，紅螺菌屬紅核種Rhodospiriuum，rubrum，紅微生菌屬標(biāo)準(zhǔn)種Rhodomicrobium vannielli或梭狀芽胞桿菌屬。
專(zhuān)利摘要
在一種消除硝酸鹽類(lèi)的微生物法中，特反硝化的水溶液流經(jīng)一個(gè)含有同氫氣有很大親和力的微生物反硝化劑的第一反應(yīng)器(4)，在第一反應(yīng)器的底部，有氣態(tài)氫氣噴出(6)，從第一反應(yīng)器流出的液體被導(dǎo)入一個(gè)含有一種微生物反硝化劑的第二反應(yīng)器(10)中，在這第二反應(yīng)器的底部噴出一股含氧的氣體(9)。
文檔編號(hào)C02F3/34GK86101142SQ86101142
公開(kāi)日1986年9月24日 申請(qǐng)日期1986年2月25日
發(fā)明者維力·沃斯特拉特, 約塞夫·迪·利 申請(qǐng)人:夏勒魯瓦電氣制造場(chǎng)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan