CN103382041B - 一种水中氨氮富集方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是涉及一种水中氨氮富集方法及装置，属于水处理技术领域。一种水中氨氮富集方法，其特征在于该方法包括如下步骤：原水引入；膜组件C连接、流量设定及搅拌；电源连接及电流设定；抽停时间比设定及膜组件C清洗；重新投入运行。为能完成上述的步骤，安排了专用的实施装置。该方法及装置能够在单一处理单元中对水中有机物和氨氮分别进行分离和富集，克服了现有处理废水的硝化/反硝化工艺及其变形工艺（如氧化沟、BAF等）反硝化碳源不足和现有NH4 +分离富集方法的缺陷；并且装置结构简单，便于实际操作运行。<!--1-->
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种对水中氨氮富集方法及装置。
背景技术
C/N是硝化反硝化过程的重要影响因素。理论上，反硝化过程中化学计量上所需的C/N为2.86（COD/NO3 --N），然而据报导硝化/反硝化系统中实际所需C/N远远大于2.86，常在7甚至11以上。在处理废水过程中，实际运行的硝化/反硝化工艺及其变型工艺（如氧化沟工艺、SBR工艺、BAF工艺等），常因碳源不足投加有机碳源（如甲醇、乙醇等）或开发新碳源，以提高C/N值达到反硝化效果，这无形中增加了运行成本。
本人进行生物脱氮研究时发现，如果将氨化阶段中的NH4 +和有机物分别进行富集和分离，然后NH4 +和有机物分别用于硝化和反硝化后续过程， 就可以有效利用碳源实现高效生物脱氮。
因此，分离有机物和富集氨氮，对于处理废水起到至关重要作用，它直接影响后续工艺脱氮效果。目前，NH4 +分离富集的主要方法有吸附与离子交换法、膜吸收法及电渗析等方法。吸附与离子交换法（如沸石，离子交换树脂），可以分离浓缩NH4 +，但存在吸附容量有限，再生频率高，化学再生易造成二次污染等问题，因此，目前沸石法脱氮的应用大多数针对微污染河道水、景观水、二沉池出水等含氮不高的水体。电渗析( ED) 法常被用于养猪废水的NH4 +富集，该方法具有低能耗， 高效率等优点，但无法实现有机物与NH4 +分离，无法满足后续硝化过程、反硝化过程对C/N值的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有处理废水的硝化/反硝化工艺及其变形工艺（如氧化沟、BAF等）反硝化碳源不足的问题，和现有NH4 +分离富集方法的不足和缺陷，提供一种水中氨氮富集方法及装置，该方法及装置能够在单一处理单元中对水中有机物和氨氮分别进行分离和富集，系统出水含有NH4 +浓度较高、有机物含量较低，进而实现了对氨氮富集和有机物分离，并且装置结构简单，便于实际操作运行。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种水中氨氮富集装置，其特征在于：该装置包括敞口的氨氮分离器，放置在氨氮分离器内的膜组件C、电极和搅拌器，出水蠕动泵，压力表，进水泵，进水管，出水管，出水口，电源，导线，时间继电器；膜组件C的出水口与出水管、压力表和出水蠕动泵依次相连，并受时间继电器的控制；搅拌器叶片位于膜组件C下部；电极的两极经导线分别和电源相连，两极放在膜组件C两侧；出水口位于氨氮分离器上部；进水泵接进水管，进水管末端位于氨氮分离器内，且靠近氨氮分离器底部；膜组件C由阳离子交换膜、超滤膜或者微滤膜和带有导流槽和孔洞的支撑板组成，阳离子交换膜、超滤膜或者微滤膜之一分别设置在支撑板两侧。
本发明中所述的电极采用板状或者圆柱状石墨电极。
本发明提供了一种利用上述装置的氨氮富集方法，其步骤包括：
(1) 原水引入：原水经进水泵增压后，以3-11 ml/min进入氨氮分离器中;
(2) 膜组件C连接、流量设定及搅拌：将膜组件C浸没于氨氮分离器中，其出水口与出水管、压力表和出水蠕动泵依次相连，并受时间继电器的控制，打开出水蠕动泵，调整流量为1.45-4.15ml/min，经出水管出水。同时，将搅拌器放入氨氮分离器中并运行，其搅拌叶片位于膜组件C下部;
(3) 电源连接及电流设定： 将电极的两极经导线分别与电源相连，并将阳极正对阳离子交换膜，阴极正对超滤膜，打开电源，调整到电流为0.05-0.3A，并保持不变;
(4) 抽停时间比设定及膜组件C清洗：出水蠕动泵，在时间继电器的控制下，出水为间歇性出水即出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:1-5分钟，当压力表指示数值超过15kpa时，需对膜组件C进行清洗或更换。
将膜组件C清洗后可重新投入运行。整个过程被富集的氨氮从出水管流出，被分离有机物从出水口流出，进而实现了氨氮富集。
本发明还提供了一种膜组件C，其特征在于：该膜组件C由阳离子交换膜、超滤膜或者微滤膜和带有导流槽和孔洞的支撑板组成；阳离子交换膜和超滤膜或者微滤膜分别固定在支撑板的两面。
本发明的一种水中氨氮富集方法及装置，其原理在于：
（1）有机物分离：膜组件C是由超滤膜和阳离子交换膜组成，由于这两种膜的孔径很小，污水中的有机物很容易截留在氨氮分离器中，并维持一个较高浓度，进而实现有机物分离。
（2）氨氮富集：
膜组件C由阳离子交换膜、超滤膜和带有导流槽和孔洞的支撑板组成，膜组件C中的超滤膜可以允许水分子透过进入到超滤膜和支撑板之间，透过的水分子通过支撑板的孔洞进入到支撑板和阳离子交换膜之间，使阳离子交换膜两侧均为水溶液，由于阳离子交换膜具有阳离子（如NH4 +）选择透过性，在不外加电流作用下，可以通过渗析原理，进入膜组件C内，在外加电流作用下，单位时间内NH4 +进入膜组件C的数量增加，进入膜组件C的离子，会迅速进入到从超滤膜透过的水中，形成高浓度的氨氮浓缩液，在蠕动泵的抽吸作用下，将氨氮浓缩液转移到后续处理工艺，从而实现氨氮富集。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：
（1）提出了NH4 +分离富集的概念
针对生活污水中C/N低、碳源不足的问题，提出了在有机物未被生物分解之前，将有机物与NH4 +分离并将NH4 +富集，为后续硝化过程消除异养微生物与自养硝化菌的竞争、为反硝化过程提供有效碳源。
（2）在单一的处理单元内分别实现了对水中有机物与氨氮的分离和富集，处理对象为低C/N比生活污水、养猪废水、垃圾渗沥液和给水处理的微污染原水等。由于采用膜组件C，污水中悬浮物质及大分子物质均被膜组件C高效截留，氨氮富集率为1.5-41%，COD的分离率为57-64%，进而通过膜组件C实现了对有机物和氨氮的分离、富集。
（3）浸没式膜组件C不仅可以使水透过，而且具有阳离子选择透过性，可富集NH4 +，克服了电渗析不能将有机物与离子分离的缺点，弥补了膜反应器不能分离富集离子的弱点，膜组件C的浸没性为未来实际工程应用提供了利便性。
（4）整个装置结构简单，便于实际操作运行。
附图说明
图1为本发明提供的一种水中氨氮富集装置示意图。
图2为本发明提供的一种水中氨氮富集方法运行示意图。
图3为本发明提供的一种膜组件C示意图。
图4为本发明提供的一种膜组件C的支撑板示意图。
图中：1-进水泵 2-进水管 3-氨氮分离器 4-电源 5-导线 6-电极 7-搅拌器 8-膜组件C 9-压力表 10-出水蠕动泵 11-时间继电器 12-出水管 13-出水口 14-支撑板 15-超滤膜或者微滤膜16-阳离子交换膜 17-膜组件C出水口 18-导流槽 19-孔洞
具体实施方式
下面结合附图1、2、3、4及实施例详细加以说明，以进一步理解本发明。
本发明的一种膜组件C 8（图3、图4），是由由阳离子交换膜16、超滤膜或者微滤膜15和带有导流槽18和孔洞19的支撑板14组成；阳离子交换膜16和超滤膜或者微滤膜15分别固定在支撑板14的两面。
为了使实验效果达到更好，本发明所采用的阳离子交换膜16为来自日本astom提供的型号为CMS的阳离子交换膜，超滤膜15为来自南京瑞洁特提供的孔径为0.1μm、膜通量为18.75-20.83 L/m2.h的超滤膜。
本发明所提供的一种水中氨氮富集装置（图1）包括敞口的氨氮分离器3，放置在氨氮分离器3内的膜组件C 8、搅拌器7和电极6，进水泵1，进水管2，电源4，导线5，压力表9，出水蠕动泵10，时间继电器11，出水管12，出水口13；膜组件C 8的出水口与出水管12、压力表9和出水蠕动泵10依次相连，并受时间继电器11的控制；搅拌器叶片位于膜组件C 8下部；电极6的两极经导线5分别和电源4相连，采用阳极正对阳离子交换膜16，阴极正对超滤膜15；出水口13位于氨氮分离器3上部；进水泵1接进水管2，进水管末端位于氨氮分离器3内，且靠近氨氮分离器3底部。
图2表示了水中氨氮富集装置运行状态，具体步骤为：
（1）原水引入：原水经进水泵1增压后，经过进水管2以流量为3-11ml/min进入氨氮分离器3中。
（2）膜组件C连接、流量设定及搅拌：将膜组件C 8浸没于氨氮分离器3中，其出水口17与出水管12、压力表9和出水蠕动泵10依次相连，并受时间继电器11的控制，打开出水蠕动泵10，调整出水流量为1.45-4.15ml/min并不断调整转速维持出水流量不变，经出水管12出水。同时，将搅拌器7放入氨氮分离器3中并运行，其搅拌叶片位于膜组件C8下部。由于搅拌器7的搅拌，氨氮在反应器中的浓度基本上是均匀的。
（3）电源连接及电流设定：将电极6的两极经导线5分别与电源4相连，并将阳极正对阳离子交换膜16，阴极正对超滤膜15，打开电源4，调整电流为0.05-0.3 A，并保持不变。膜组件C 8中的超滤膜15可以允许水分子透过进入到超滤膜15和支撑板14之间，透过的水分子通过支撑板14的孔洞19进入到支撑板14和阳离子交换膜16之间，使阳离子交换膜16两侧均为水溶液，由于阳离子交换膜16具有（如NH4 +）选择透过性，在外加电流作用下，单位时间内NH4 +进入膜组件C 8的数量增加，进入膜组件C 8的离子，会迅速进入到从超滤膜15透过的水中，形成高浓度的氨氮浓缩液，进而使氨氮得到富集；同时，由于两种膜孔径很小，有机物很难进入膜组件C 8中，进而实现了有机物分离。
（4）抽停时间比设定及膜组件C清洗：出水蠕动泵10，在时间继电器11的控制下，出水为间歇性型出水即出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:1-5分钟，当压力表9指示数值超过15kpa时，需对膜组件C 8进行清洗。
（5）重新投入运行：将膜组件C 8清洗后可重新投入运行。整个过程被富集的氨氮从出水管12流出，分离有机物从出水口13流出，进而实现了氨氮富集和有机物的分离。
结果：
例1当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD=450 mg/L,NH4 +-N=83.54 mg/L；操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:4分钟，进水流量为6 ml/min,膜组件C出水流量为4.15 ml/min ，电流为0.25A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：COD=180 mg/L，NH4 +-N=105.61 mg/L，氨氮富集率为26.41%，COD的分离率为60%。
例2当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD=323.5 mg/L,NH4 +-N=77.95 mg/L；操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:4分钟，进水流量为6 ml/min, 膜组件C出水流量为2.6 ml/min，电流为0.3A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：COD=115.8 mg/L，NH4 +-N=110.29 mg/L，氨氮富集率为41.49%，COD的分离率为64.2%。
例3当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD=325 mg/L,NH4 +-N=105.61mg/L；操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:4分钟，进水流量为6 ml/min, 膜组件C出水流量为3 ml/min ，电流为0.25A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：COD=130.9 mg/L，NH4 +-N=137.95 mg/L，氨氮富集率为30.62%，COD的分离率为59.72%。
例4当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD=468.9 mg/L,NH4 +-N=99.46 mg/L；操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:4分钟，进水流量为4.5 ml/min, 膜组件C出水流量为4 ml/min ，电流为0.25A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：COD=186.5 mg/L，NH4 +-N=127.67 mg/L，氨氮富集率为28.36%，COD的分离率为64.2%。
例5当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD=420 mg/L,NH4 +-N=82.64 mg/L；操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:1分钟，进水流量为6 ml/min, 膜组件C出水流量为4.15 ml/min，电流为0.25A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：COD=175.1 mg/L， NH4 +-N=92.16 mg/L，氨氮富集率为11.52%，COD的分离率为58.3%。
例6当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD=430.8 mg/L,NH4 +-N=84.00 mg/L；操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:5分钟，进水流量为6 ml/min, 膜组件C出水流量为4.15 ml/min ，电流为0.25A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：COD=165 mg/L，NH4 +-N=107.57mg/L，氨氮富集率为28.06%，COD的分离率为61.7%。
例7当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD=320.8mg/L,NH4 +-N=85.66 mg/L；操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:4分钟，进水流量为6 ml/min, 膜组件C出水流量为2.6 ml/min，电流为0.05A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：COD=120.9 mg/L，NH4 +-N=88.08 mg/L，氨氮富集率为2.83%，COD的分离率为62.3%。
例8当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD=334.8mg/L,NH4 +-N=108.78 mg/L；操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:4分钟，进水流量为3.1 ml/min, 膜组件C出水流量为3 ml/min，电流为0.25A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到： COD=136.3 mg/L，NH4 +-N=120.27 mg/L，氨氮富集率为10.56%，COD的分离率为59.3%。
例9当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD=328.4,NH4 +-N=98.96mg/L；操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:4分钟，进水流量为11 ml/min, 膜组件C出水流量为3 ml/min ，电流为0.25A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到： COD=138.6 mg/L，NH4 +-N=131.15 mg/L，氨氮富集率为32.53%，COD的分离率为57.8%。
例10当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD=425.6,NH4 +-N=85.96 mg/L；操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:4分钟，进水流量为3 ml/min, 膜组件C出水流量为1.45 ml/min ，电流为0.25A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到： COD=160.5 mg/L，NH4 +-N=87.62mg/L，氨氮富集率为1.93%，COD的分离率为62.3%。
Claims (1)
1.一种应用水中氨氮富集装置的方法，该装置包括敞口的氨氮分离器，放置在氨氮分离器内的膜组件C、电极和搅拌器，出水蠕动泵，压力表，进水泵，进水管，出水管，出水口，电源，导线，时间继电器；膜组件C的出水口与出水管、压力表和出水蠕动泵依次相连，并受时间继电器的控制；搅拌器叶片位于膜组件C下部；电极的两极经导线分别和电源相连，两极放在膜组件C两侧；出水口位于氨氮分离器上部；进水泵接进水管，进水管末端位于氨氮分离器内，且靠近氨氮分离器底部；
膜组件C由阳离子交换膜、超滤膜和带有导流槽和孔洞的支撑板组成，阳离子交换膜、超滤膜分别设置在支撑板两侧；
或者膜组件C由阳离子交换膜、微滤膜和带有导流槽和孔洞的支撑板组成，阳离子交换膜、微滤膜分别设置在支撑板两侧；
所述的电极采用板状或圆柱状石墨电极；孔洞设于导流槽中；
其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)原水引入：原水经进水泵增压后，以3-11mL/min进入氨氮分离器中；
(2)膜组件C连接、流量设定及搅拌：将膜组件C浸没于氨氮分离器中，其出水口与出水管、压力表和出水蠕动泵依次相连，并受时间继电器的控制，打开出水蠕动泵，调整流量为1.45-4.15mL/min，经出水管出水；同时，将搅拌器放入氨氮分离器中并运行，其搅拌叶片位于膜组件C下部；
(3)电源连接及电流设定：将电极的两极经导线分别与电源相连，并将阳极正对阳离子交换膜，阴极正对超滤膜，打开电源，调整到电流为0.05-0.3A，并保持不变；
(4)抽停时间比设定及膜组件C清洗：出水蠕动泵，在时间继电器的控制下，出水为间歇性出水即出水蠕动泵抽停时间比为5分钟:1-5分钟，当压力表指示数值超过15kPa时，需对膜组件C进行清洗或更换。
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