CN102372398B - 一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺与装置。该装置主要包括生物电化学和膜蒸馏系统，其中生物电化学系统包括阳极室、阳膜、回收室、阴膜、阴极室和外电路等6部分；含氮污水进入阳极室，微生物厌氧分解污染物并将电子传递至阳极并进一步经外电路传递到阴极实现产电；含氮污水进入阴极室进行好氧处理，氨氮转化为硝态氮；阳极室中的铵根和阴极室中的硝酸根在电势差驱动下分别通过阳膜和阴膜进入回收室；回收室中的水以膜蒸馏系统处理，渗出液回流至回收室，浓缩液为含高浓度硝酸铵等的溶液，从而实现氮素的回收。本发明所述工艺简单、效率高、经济效益好；处理装置结构简单，便于实际应用。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺与装置。
背景技术
随着人口的增加、工业化和城市化程度的不断提高，大量氮元素进入水体, 使水体富营养化，导致生态环境恶化，为此，研究者们开发了众多生物、化学或物理的技术将污水中的铵态、硝态或有机态氮转化成氮气从而最终去除污水中的氮素。氮素是生物生长的必需元素，但多数生物只能吸收硝态或铵态氮，因此空气中大量存在的氮气需要在高温高压下人工合成为氨气并进一步转化才能制成氮肥或其他原料。常规脱氮技术虽然较为有效地缓解了目前水体氮素污染的问题，但也造成了大量氮肥资源的损失，如果能将污水中的氮素加以回收，将能节约大量的能源。
生物电化学系统是近年来发展迅速的一种污水处理新技术，通常由阳极室、分隔膜和阴极室组成，阴、阳极室内由于发生不同反应而形成电势差。不存在分隔膜时，在电势差的驱动下阳离子会从阳极室向阴极室迁移，而阴离子则会由阴极室向阳极室迁移；当分隔膜对阴、阳离子具有选择性时，只有阴（或阳）离子可以通过分隔膜在不同极室之间交换，因此，利用不同分隔膜的阴、阳离子选择性和微生物燃料电池在不同极室间形成的电势差，在阴、阳极室之间增加一个回收室并以阳、阴离子交换膜相隔开，可以驱动阳、阴离子分别从阳、阴极室进入回收室。如果污水中含有较高的氮素，由于阳极室为厌氧状态，氮素主要以铵根离子形式存在，阴极室为好氧状态，氮素主要被转化为硝酸根离子，因此，在离子选择膜的选择透过和电势差驱动下，硝酸根、铵根离子分别从阴、阳极室进入回收室，从而实现污水的脱氮和含氮离子的收集。由于污水中氮素含量相对较低，回收室中含氮离子的浓度并不太高，有必要进行进一步浓缩。
膜蒸馏，又称为低温膜蒸馏，是一种采用疏水性微孔膜，以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力的膜分离过程。水的饱和蒸汽压随温度升高以指数增加，将不同温度的水引入膜的两侧，由于膜的疏水性，两侧的溶液相均不能透过，但由于高温侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于低温侧，水蒸汽会从高温侧透过膜孔进入低温侧并冷凝成为渗出水，留在高温侧的溶液则得到浓缩，成为渗余液。因此，将回收的含氮水采用膜蒸馏系统进行浓缩，可以在高温侧获得液态氮肥，实现氮素的回收，低压侧产生的渗出水可以回用于回收室。
发明内容
本发明以生物电化学和膜蒸馏为基础，目的在于同时实现处理含氮污水、产电和回收氮素。本发明提供了一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺和装置，其特征在于，包括以下步骤：
（a）按照附图1安装设备；
（b）含氮污水由a进入阳极室I，阳极2上的产电微生物1在厌氧环境下将污水中的污染物氧化并将产生电子传递给阳极2，生物电化学系统外电路的电流方向为从阴极5流向阳极2，处理后的污水由b排出阳极室I；
（c）由于阳极室I为厌氧状态，含氮污水中的氮素以铵根离子为主要存在形式，生物电化学系统内电路的电流方向为从阳极2流向阴极6，铵根及其他阳离子在离子梯度及电势差驱动下透过阳离子交换膜3进入回收室II；
（d）含氮污水由h进入阴极室III，空气由曝气管道7进入阴极室III，阴极6上的好氧微生物5在好氧条件下将污水中的有机物氧化并将铵根离子转化为硝酸根离子，硝酸根离子及其他阴离子会在离子梯度及电势差驱动下穿过阴离子交换膜4进入回收室II，而电子经由导线和外电阻8传递至阴极6并进一步传递给好氧微生物5用于氧气等的还原，完成产电过程；
（e）回收室II中含铵根离子和硝酸根离子的溶液由d进入膜蒸馏系统IV，经过处理后的浓缩液经由e收集作为液态氮肥，低离子浓度的渗出液经由f回到回收室II，同时由c补充少量净水。
所述污水为可生化处理的含氮废水，总氮浓度大于20mg/L。
所述产电微生物为驯化的混合微生物菌群，其优化的产电条件为：温度25～40℃，pH值6.5～8.5，溶解氧浓度小于0.2mg/L。
所述的好氧微生物的优化生长条件为：温度25～40℃，pH值6.5～8.5，溶解氧浓度为1～3mg/L。
所述低温膜蒸馏系统的操作温度为40~50℃。
本发明还提供了一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理装置，其特征在于，阳离子交换膜3和阴离子交换膜4将处理装置分为阳极室I、回收室II和阴极室III；在阳极室I内放置阳极2，在阴极室III内放置阴极6，并在阳极2和阴极5上分别驯化、富集产电微生物1和好氧微生物5；阳极2和阴极6通过导线和外电阻8相连接；含氮污水分别由a和g进入阳极室I和阴极室III，处理完毕后由b和h分别排出；回收室II中收集了氮素的溶液由d进入膜蒸馏系统IV，浓缩后的含氮溶液由e收集，低离子浓度的渗出液由f回到回收室II，同时由c补充少量净水进入回收室II。
所述阳离子交换膜3和阴离子交换膜4为透过率≥90%的无毒离子交换膜，膜厚度0.2～0.5mm，爆破强度大于0.3MPa。
所述阳极2上的产电微生物1和阴极6上的好氧微生物5所形成的膜厚度为20～100μm。
所述阳极室I内阳极2和阴极室III内阳极6的材料包括：石墨粒，粒径1～5mm；或石墨毡，厚度5～10mm；或碳毡，厚度5～10mm；或碳布，厚度0.1～0.45mm。
本发明的有益效果为：利用生物电化学系统阴、阳极微生物在处理污水、产电的同时去除污水中的氮素并将其加以回收，尤其适合有机物浓度较低但总氮浓度较高废水的处理；本发明所述工艺简单、易操作、能耗低、效率高、运行费用低，实现了污水的资源化处理和有用物质的回收；所述处理装置结构简单，便于扩大化工业生产与使用。
附图说明
图1为本发明所述的同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺与装置示意图。
图中标示：
I—阳极室，II—回收室，III—阴极室，IV—膜蒸馏系统；1—产电微生物，2—阳极，3—阳离子交换膜，4—阴离子交换膜，5—好氧微生物，6—阴极， 7—曝气管道，8—导线和外电阻；a—阳极室进水口，b—阳极室出水口，c—回收室进水口（净水补充），d—回收室出水口及膜蒸馏系统进水口，e—膜蒸馏系统浓缩液出水口，f—膜蒸馏系统渗出液出水口及回收室进水口（回用水），g—阴极室进水口，h—阴极室出水口。
具体实施方式
本发明提供了一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺与装置，以下结合附图对具体实施方式进行说明。
实施方式1：装置安装
装置按照图1所示的原理图进行安装：阳离子交换膜3和阴离子交换膜4将装置分为阳极室I、回收室II和阴极室III，其中阳离子交换膜3和阴离子交换膜4采用透过率分别为96%和94%的无毒的离子交换膜，厚度均为0.3mm，爆破强度均≥0.5MPa；在阳极室I内放置厚度为0.2～0.3mm的碳布作为阳极2，在阴极室III内放置厚度为0.1～0.2mm的碳布作为阴极6，阳极2和阴极6分布富集厚度为40～60μm的产电微生物1和好氧微生物5，均从生活污水处理厂消化污泥驯化而来；以导线和100Ω的外电阻8连接阳极2和阴极6。所用膜蒸馏系统采用内压式聚偏氟乙烯中空纤维膜，孔径0.01~0.05μm。
实施方式2：装置运行
装置安装完成后，在生物电化学系统阳极室I中由进水口a加入可生化处理的含氮废水并使其处于溶解氧浓度低于0.2mg/L的厌氧状态，废水中的污染物在产电微生物1的作用下被分解，同时分解污染物释放出的电子被传递到阳极2，经处理后的污水由出水口b排出；阴极室III中由进水口g加入同样可生化处理的含氮废水，空气通过曝气管道7进入阴极室III，使其溶解氧浓度大于1.5mg/L，还原态的氮素从而被好氧微生物5氧化为硝酸根离子，经处理后的污水由出水口h排出。处于厌氧状态的阳极室I电位较低，而好氧状态的阴极室III的电位较高，在阳极室I和阴极室III之间形成电势差，产电微生物1释放的电子会经阳极2、导线和外电阻8流到阴极6，并被阴极上的好氧微生物5用于还原氧气完成产电过程。
在生物电化学系统的内电路中，由于阳极室I和阴极室III之间存在的电势差，阴离子（如硝酸根离子）会从阴极室III向阳极室I迁移，而阳离子（如铵根离子）会从阳极室I向阴极室III迁移，但是由于阳极室I和阴极室III之间增加了一个回收室II，且阳极室I和回收室II、阴极室III和回收室II之间分别以阳离子交换膜3和阴离子交换膜4隔开，因此，阳离子从阳极室I进入回收室II后不能再通过阴离子交换膜4进入阴极室III，同样，阴离子从阴极室III进入回收室II后不能再通过阳离子交换膜3进入阳极室II，从而在回收室II累积较高浓度的铵根离子和硝酸根离子，此外也含有其他阳离子（如钾离子和钠离子等）和其他阴离子（如碳酸根离子和磷酸根离子）。经一定时间后，回收室II中的水经出水口及管道d进入膜蒸馏系统IV，经低温膜蒸馏后液体浓缩至原体积的约10%，并经出水口e排出，约占原体积95%的净水则经f回到回收室II，同时由进水口c补充原体积5%的净水至回收室。
在实施过程中，阳极室I、回收室II和阴极室III的有效体积均为1L，所用的含氮废水均为总氮80mg/L、化学需氧量250mg/L，均采用间歇式进水和出水，外电阻8为500Ω；阳极室I中水力停留时间24h，COD去除率大于90%，总氮去除率大于75%，阴极室III水力停留时间为12h，COD去除率大于98%，总氮去除率大于75%，回收室II水力停留时间为48h，总氮浓度大于360mg/L，膜蒸馏系统温度控制在40～45℃，浓缩液总氮浓度大于7g/L；生物电化学系统输出功率大于10W/m3。
Claims (2)
1.一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理装置，其特征在于：
阳离子交换膜(3)和阴离子交换膜(4)将处理装置分为阳极室(I)、回收室(II)和阴极室(III)；在阳极室(I)内放置阳极(2)，在阴极室(III)内放置阴极(6)，并在阳极(2)和阴极(6)上分别驯化、富集产电微生物(1)和好氧微生物(5)；阳极(2)和阴极(6)通过导线和外电阻(8)相连接；含氮污水分别由阳极室进水口(a)和阴极室进水口(g)进入阳极室(I)和阴极室(III)，处理完毕由阳极室出水口(b)和阴极室出水口(h)分别排出；回收室(II)中收集了氮素的溶液由回收室出水口及膜蒸馏系统进水口(d)进入膜蒸馏系统(IV)，浓缩后的含氮溶液由膜蒸馏系统浓缩液出水口(e) 收集，低离子浓度的渗出液由膜蒸馏系统渗出液出水口及回收室进水口(f)回到回收室(II)，同时由回收室进水口(c)补充少量净水进入回收室(II)。
2.一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（i）安装如权利要求1所述的处理装置；
（ii）含氮污水由阳极室进水口(a)进入阳极室(I)，阳极(2)上的产电微生物(1)在厌氧环境下将污水中的污染物氧化并将产生电子传递给阳极(2)，处理装置的外电路电流方向为从阴极(6)流向阳极(2)，处理后的污水由阳极室出水口(b)排出阳极室(I)；
（iii）由于阳极室(I)为厌氧状态，含氮污水中的氮素以铵根离子为主要存在形式，处理装置内电路的电流方向为从阳极(2)流向阴极(6)，铵根及其他阳离子在离子梯度及电势差驱动下透过阳离子交换膜(3)进入回收室(II)；
（iv）含氮污水由阴极室进水口(g)进入阴极室(III)，空气由曝气管道(7)进入阴极室(III)，阴极(6)上的好氧微生物(5)在好氧条件下将污水中的有机物氧化并将铵根离子转化为硝酸根离子，硝酸根离子及其他阴离子会在离子梯度及电势差驱动下穿过阴离子交换膜(4)进入回收室(II)，而电子经由导线和外电阻(8)传递至阴极(6)并进一步传递给好氧微生物(5)用于氧气的还原，完成产电过程；
（v）回收室(II)中含铵根离子和硝酸根离子的溶液由回收室出水口及膜蒸馏系统进水口(d)进入膜蒸馏系统(IV)，经过处理后的浓缩液经由膜蒸馏系统浓缩液出水口(e)收集，低离子浓度的渗出液经由膜蒸馏系统渗出液出水口及回收室进水口(f)回到回收室(II)，同时由回收室进水口(c)补充少量净水。
3. 根据权利要求2 所述的一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺，其特征在于，所述污水为可生化处理的含氮污水，总氮浓度大于20mg/L。
4. 根据权利要求2 所述的一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺，其特征在于，所述膜蒸馏系统操作温度为40~50℃。
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