CN101381128A

CN101381128A - 脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器

Info

Publication number: CN101381128A
Application number: CNA2008101214892A
Authority: CN
Inventors: 李文红; 赵国智; 田光明; 周欲飞
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2009-03-11

Abstract

本发明公开了一种脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器。它包括筒式发泡镍阴极、石墨阳极、反应器器体、直流电源、出水口、取样口、多孔挡板、进水口；在反应器器体内设有筒式发泡镍阴极，筒式发泡镍阴极中心设有石墨阳极，筒式发泡镍阴极和石墨阳极通过多孔挡板固定在反应器器体上，直流电源与筒式发泡镍阴极和石墨阳极相连接，反应器器体底部设进水口，反应器器体顶部设有出水口，在反应器器体侧壁设多个取样口。本发明可有效地去除地下水或地表水中的硝酸盐污染物，其中硝酸盐的去除率可达70％以上，而亚硝酸盐的含量在0.01mg/l以下，达到饮用水水质标准。

Description

脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器

技术领域

本发明涉及环境保护领域中的地下水、地表水处理，尤其涉及一种脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器。

背景技术

地下水中硝酸盐的处理方法主要包括物化方法、生物反硝化和化学反硝化。

物化方法主要包括离子交换、反渗透和电渗析。

常规的离子交换工艺包括用氯离子型和重碳酸根离子型树脂进行阴离子交换等。但是离子交换法要耗用大量再生药剂，而排放时又会引起二次污染。

反渗透法不仅可以去除地下水中NO₃ ^--N，还可同时去除C1^-、SO₄ ^2-、Ca²⁺、Mg²⁺等，比其他方法更优越。但该法能耗高且产生的大量高盐水需要处置。

电渗析是一种较新的膜处理技术，原水通过交替排列的阴阳离子选择渗透性膜，在直流电场中，NO₃ ^--N通过膜与净水分离，进入高浓度盐水一侧，从而使NO₃ ^--N得以去除。但因此法操作较为复杂而应用范围不广。NitRem电渗装置可选择性地脱除NO₃ ^--N，无须任何化学药品，能将NO₃ ^--N从50mg/L降到25mg/L以下，但是设备昂贵。总之，物化方法存在处理费用过高、脱除选择性差不彻底、有二次污染等问题。

生物反硝化过程是包括异养反硝化和自养反硝化两类。异养反硝化需要有机碳(如甲醇)作为细菌的营养源及电子供体，异养反硝化的优点是反硝化速度快，单位体积反应器的处理量大，缺点是若投加的基质不足，则易导致出水中NO₃ ^--N的积累问题，若投加的基质过量，则残留的有机基质对被处理水有二次污染问题，自养反硝化主要利用地下水中的无机碳(如CO₂、HCO₃ ^-)或外加的硫或氢作为能源来进行脱氮，由于不需要外加有机物，此方法处理出水不会含有有机碳的污染，但其主要缺点是单位体积反应器的处理能力较小。

化学反硝化利用一定的还原剂还原地下水中的硝酸盐从而去除硝酸盐。目前对硝酸盐的还原反应历程缺乏一致的认识，与生物反硝化相比，化学反硝化法有两个潜在的突出优点，单位体积反应器的脱硝速度比生物反硝化法快得多；工艺简单，对运行管理的要求低。采用化学反硝化去除NO₃ ^--N的反应过程将产生反应副产物，反应条件难以控制，同时催化剂的回收和分离是个需要解决的问题。

从效率和成本两个方面来看，生物反硝化方法是目前已投入实用的最好的方法，但其仍存在一些缺点，如管理要求较高，不适合用于小型或分散给水处理，需要后续处理等。因而开发新型、高效的组合处理方法成为硝酸盐去除的研究热点，电化学-生物脱氮工艺在减少二次处理、自动控制方面都有优势。

发明内容

本发明是要克服上述现有技术中所存在的问题，提供一种脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器。

电化学自养反硝化一体式反应器包括筒式发泡镍阴极、石墨阳极、反应器器体、直流电源、出水口、取样口、多孔挡板、进水口；在反应器器体内设有筒式发泡镍阴极，筒式发泡镍阴极中心设有石墨阳极，筒式发泡镍阴极和石墨阳极通过多孔挡板固定在反应器器体上，直流电源与筒式发泡镍阴极和石墨阳极相连接，反应器器体底部设进水口，反应器器体顶部设有出水口，在反应器器体侧壁设多个取样口。

所述的筒式发泡镍阴极1的发泡镍板面密度为400～1000g/m²。

所述的多孔挡板的直径为15～20cm，多孔挡板7的中心设有石墨阳极固定凹槽，凹槽直径为8～12mm，多孔挡板上距离圆心6～8cm处设有筒式发泡镍阴极固定圆环形凸筋，在筒式发泡镍阴极固定圆环形凸筋两侧设有三圈圆孔。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)同单纯的生物膜法相比，电化学自养反硝化一体式反应器的优点主要体现在利用电极上，一是利用电极作为生物膜的载体，二是利用电场微电解水释放出的H⁺为自养反硝化菌提供电子受体，不产生任何影响水质安全的副产物。

2)由于H⁺是从生物膜外因电场吸引力作用穿透生物膜向内扩散的，所以生物膜中的微生物能高效利用H+进行反硝化作用。

3)阴极板上产生的氢气又通过生物膜溢出，在生物膜附近形成了缺氧环境，有利于反硝化菌的生长。

4)保持了异养生物反硝化速度快的优点，可保证出水中既没有亚硝酸盐氮积累问题又可同时去除有机质。

附图说明

图1是脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器结构示意图；

图2是本发明的多孔挡板结构示意图；

图中：筒式发泡镍阴极1、石墨阳极2、反应器器体3、直流电源4、出水口5、取样口6、多孔挡板7、进水口8、石墨阳极固定凹槽9、筒式发泡镍阴极固定圆环形凸筋10、圆孔11。

具体实施方式

如图1所述，电化学自养反硝化一体式反应器包括筒式发泡镍阴极1、石墨阳极2、反应器器体3、直流电源4、出水口5、取样口6、多孔挡板7、进水口8；在反应器器体3内设有筒式发泡镍阴极1，筒式发泡镍阴极1中心设有石墨阳极2，筒式发泡镍阴极1和石墨阳极2通过多孔挡板7固定在反应器器体3上，直流电源4与筒式发泡镍阴极1和石墨阳极2相连接，反应器器体3底部设进水口8，反应器器体3顶部设有出水口5，在反应器器体3侧壁设多个取样口6。

所述的筒式发泡镍阴极1的发泡镍板面密度为400～1000g/m²。

如图2所述，多孔挡板7的直径为15～20cm，多孔挡板7的中心设有石墨阳极固定凹槽9，凹槽直径为8～12mm，多孔挡板7上距离圆心6～8cm处设有筒式发泡镍阴极固定圆环形凸筋10，在筒式发泡镍阴极固定圆环形凸筋两侧设有三圈圆孔11。

本发明的操作过程如下：将1L的厌氧污泥接种于反应器中，在通电条件下经过一个月的挂膜驯化，在阴极形成生物膜。电化学生物膜反应器的配水池中的模拟水经蠕动泵进入器体3、通过多孔挡板7实现均匀配水后进入到由石墨阳极2和发泡镍阴极1形成的均匀电场区域。通过微电解水作用，阳极产生CO₂，阴极产生H₂，阳极产生的CO₂既能作为无机碳源为微生物利用又能够实现反应器的厌氧条件，阴极产生的氢气既可以作为微生物的能源又可在阴极附近实现厌氧条件。

实施实例1：在PH为8，温度为32℃，电流为15mA，ORP<0，HRT为10小时，进水NO₃ ^-离子浓度为30mg/L条件下，出水中的硝酸盐浓度为7.9mg/L，亚硝酸盐浓度为0.007mg/L，PH为8.1，总氮减少19mg/L，氨氮浓度无明显变化。去除效率在73％以上。处理后的模拟水通过出水口5进入贮水池。

实施实例2：在PH为8，温度为32℃，电流为15mA，ORP<0，HRT为10小时，进水NO₃ ^-离子浓度为50mg/L条件下，富集于发泡镍阴极的微生物可将NO₃ ^-迅速还原成N₂，实现NO₃ ^-离子的去除。去除效率在71％以上。处理后的模拟水通过出水口5进入贮水池。

Claims

1、一种脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器，其特征在于包括筒式发泡镍阴极(1)、石墨阳极(2)、反应器器体(3)、直流电源(4)、出水口(5)、取样口(6)、多孔挡板(7)、进水口(8)；在反应器器体(3)内设有筒式发泡镍阴极(1)，筒式发泡镍阴极(1)中心设有石墨阳极(2)，筒式发泡镍阴极(1)和石墨阳极(2)通过多孔挡板(7)固定在反应器器体(3)上，直流电源(4)与筒式发泡镍阴极(1)和石墨阳极(2)相连接，反应器器体(3)底部设进水口(8)，反应器器体(3)顶部设有出水口(5)，在反应器器体(3)侧壁设多个取样口(6)。

2、根据权利要求1所述的一种脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器，其特征在于所述的筒式发泡镍阴极1的发泡镍板面密度为400～1000g/m²，孔径为70～100微米。

3、根据权利要求1所述的一种脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器，其特征在于所述的多孔挡板(7)的直径为15～20cm，多孔挡板(7)的中心设有石墨阳极固定凹槽(9)，凹槽直径为8～12mm，多孔挡板7上距离圆心6～8cm处设有筒式发泡镍阴极固定圆环形凸筋(10)，在筒式发泡镍阴极固定圆环形凸筋两侧设有三圈圆孔(11)。