CN105906029A - 电渗析离子交换膜生物反应器去除水中硝酸盐的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电渗析离子交换膜生物反应器去除水中硝酸盐的方法，属于水处理技术的应用领域。其技术原理是对直流电渗析槽进行重新构造，使得反应装置包括电极(阴极、阳极)、电渗析室、膜生物反应室等单元。受硝酸盐污染的原水首先进入阴极室，在电场的作用下，水中的硝酸根透过阴离子交换膜富集于膜生物反应室；在膜生物反应室施加硝酸盐还原菌液和电子供体物质，硝酸根在膜生物反应室内由微生物生化还原去除；而后，原水由阴极室进入阳极室，直至最终出水。本方法去除硝酸盐操作简单，占地面积小，处理效率高，原水与硝酸盐还原菌及电子供体始终不接触，避免了二次污染。

Description

电渗析离子交换膜生物反应器去除水中硝酸盐的方法
技术领域
本发明涉及一种电渗析离子交换膜生物反应器去除水中硝酸盐的方法，属于水处理技术的应用领域。本发明提出一种将电渗析与离子交换膜生物反应器协同作用去除水中硝酸盐的方法。具体是对直流电渗析槽进行重新构造，使得水中硝酸盐在电场作用下渗析富集至离子交换膜生物反应室，在反应室内添加菌体及电子供体，硝酸盐通过微生物还原反应得以转化，同时，基于膜生物反应器的优点，出水水质较高，无微生物残余。
技术背景
由于现代农业的发展，大量人工合成氮肥的广泛使用，硝酸盐成为最普遍存在的地下水污染物之一。我国是个农业大国，近年来，我国地下水中硝酸盐的污染问题日益突出，有些地区地下水中硝酸盐氮的含量已高达40mg/L(以氮计)。饮用水中硝酸盐的危害主要是诱发高铁血蛋白症，同时，硝酸盐和亚硝酸盐转化为亚硝胺，具有致癌的作用。我国的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定硝酸盐氮浓度仅为10mg/L。因此，对于很多以地下水为饮用水源的地区来说，水中硝酸盐的净化是一个亟待解决的问题。
目前，比较成熟的脱硝工艺可以分为物理法、生物法和化学还原法。物理法主要包括吸附法、离子交换法、膜分离法(如电渗析、反渗透等)。物理法只是发生了污染物的转移或浓缩，并没有对其进行彻底的转化。生物法可以彻底将硝酸盐转化成氮气，目前得到了广泛的应用，其原理是通过微生物的反硝化作用将硝酸盐氮还原为氮气，根据微生物所需碳源的不同包括异养反硝化和自养反硝化法。异养反硝化法反应速度快，反应时空效率高，但污泥增殖较为迅速，同时需要外加有机碳源，容易造成二次污染；自养反硝化利用硫磺或氢气等还原性物质为电子供体，在无机碳作为碳源的条件下将硝酸盐转化，细菌增殖较慢，反应产物较简单，易处理。化学还原法常反应速率快，但常存在着副产物过量产生等问题。
发明内容
本发明针对一般物理化学过程难以去除的硝酸盐，提出一种基于物化与生化过程协同去除硝酸盐的方法及其相关反应器。本发明充分克服了电渗析和离子交换膜生物反应器各自的缺陷，充分发挥二者之间的优势，通过电渗析与离子交换膜生物反应器还原去除硝酸盐过程相结合，形成一种无二次污染、操作简单、易于在工程中应用的去除水中硝酸盐的技术。
本发明的技术原理是：在电渗析的作用下，水中的硝酸根透过阴极室的阴离子交换膜进入并富集于膜生物反应室；在膜生物反应室施加硝酸盐还原菌液，并添加电子供体物质，硝酸根在膜生物反应室内由微生物生化还原去除；而后，原水由阴极室进入阳极室，直至最终出水。上述过程充分发挥了电化学与微生物的作用，有效提高了处理效率，并充分简化了生物处理单元。
为了实现上述目的，本发明采取如下方案：
对直流电渗析槽进行重新构造，在直流电解槽内分别采用阴、阳离子交换膜将阴、阳两极隔开，使得电解槽分为阴极室、离子交换膜生物反应器室(简称膜生物反应室)、阳极室三个区域；受硝酸盐污染的原水首先进入阴极室，在电场的作用下，水中的硝酸根透过阴极室的阴离子交换膜进入并富集于膜生物反应室；在膜生物反应室施加硝酸盐还原菌液，并添加电子供体物质，硝酸根在膜生物反应室内由微生物生化还原去除；原水由阴极室进入阳极室，直至最终出水。
本发明所述的反应器采用连续进出水模式，原水经由阴极室进入阳极室，直至最终出水，始终未与硝酸盐还原菌、电子供体物质相接触，生化反应被限定在膜生物反应室内进行，从而避免二次污染。
分割直流电解槽时，阴离子交换膜分割阴极室，阳离子交换膜分割阳极室，阴阳两极施加0～100V的电压。
所述的反应器电解槽阳极采用包括铂、钛、钌、钯、铱在内的任意一种或几种材料制成的极板；阴极采用包括不锈钢、铁、铝、铜、石墨、碳、镍、铂、钛、钌、钯、铱在内的任意一种或几种材料制成的极板。
膜生物反应器室施加的电子供体包括有机碳源或无机电子供体；有机碳源包括醇类、羧酸类、羧酸盐类在内的常见有机碳源；无机电子供体包括硫磺、二价硫离子、硫代硫酸盐在内的无机还原性物质。
膜生物反应室所施加的硝酸盐还原菌浓度范围为500mg/L-20 000mg/L；硝酸盐还原菌可由活性污泥接种，由电子供体逐步驯化培养。
反应器去除效果不理想时，需更换膜生物反应室溶液，需要保留菌体，加入电子供体物质用于新一轮的操作。
本发明所述的硝酸盐去除方法可以去除地下水、地表水和生活污水中的硝酸盐。
本发明突出的优点是：电渗析作用下，强化了硝酸盐在膜生物反应器内的富集；膜生物反应器内发生生化反应，加大膜两侧离子浓度差，对渗析有促进作用，从而节约电渗析能耗；原水进出反应装置过程始终不与硝酸盐还原菌及电子供体相接触，生物量不损失，同时避免了二次污染；生物处理单元简单，易于操作，占地面积小。此外，本发明反应器可以多组并联使用以扩大其处理能力。
附图说明：
图1本发明反应原理示意图
图2本发明反应器装置
附图标记：
1阳极室；2膜生物反应室；3阴极室；4阴极；5阳极；6阴离子交换膜；7阳离子交换膜；8直流电源；9硝酸盐还原菌；10搅拌；
具体实施方式
实施例1：反应器总有效体积1.5L，阴极室、阳极室及膜生物反应室有效体积均为500mL，且底部均采用搅拌方式使得溶液混合均匀。采用钛钌网板作为阳极，不锈钢板作阴极，施加电压10V，停留时间4h，膜生物反应室内异养反硝化污泥浓度700mg/L，电子供体无水乙醇300mg/L。当进水NO3 -初始浓度100mg/L，运行5h，反应器NO3 -去除率＞95％，出水pH呈中性。
实施例2：反应器同实施例1，保持施加电压15V，停留时间8h，膜生物反应室内反硝化污泥浓度2500mg/L，电子供体粉末硫磺为2g。当进水NO3 -初始浓度100mg/L，运行8h，反应器NO3 -去除率＞90％。
实施例3：反应器同实施例1，保持施加电压15V，停留时间6h，膜生物反应室内反硝化污泥浓度700mg/L，加入400mg/L乙酸，当进水NO3 -初始浓度100mg/L，运行8h，反应器NO3 -去除率＞95％。
实施例4：反应器同实施例1，保持施加电压20V，停留时间为3h，膜生物反应室内反硝化污泥浓度2000mg/L，加入300mg/L甲醇，当进水NO3 -初始浓度100mg/L，停留时间3h，运行8h，反应器NO3 -去除率＞95％。

Claims (7)

1.电渗析离子交换膜生物反应器去除水中硝酸盐的方法，其特征在于：在直流电解槽内分别采用阴阳离子交换膜将阴阳两极隔开，使得电解槽分为阴极室、离子交换膜生物反应室(简称膜生物反应室)和阳极室三个区域；受硝酸盐污染的原水首先进入阴极室，在电场的作用下，水中的硝酸根透过阴极室的阴离子交换膜进入并富集于膜生物反应室；在膜生物反应室施加硝酸盐还原菌液，并添加电子供体物质，硝酸根在膜生物反应室内由微生物生化还原去除；之后原水由阴离子交换室进入阳极室，直至最终出水。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：分割直流电解槽时，阴离子交换膜分割阴极室，阳离子交换膜分割阳极室，阴阳两极施加0～100V的电压。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：反应器采用连续进出水模式，原水经由阴极室进入阳极室，直至最终出水，始终未与硝酸盐还原菌、电子供体物质相接触，生化反应被限定在膜生物反应室内进行，从而避免二次污染。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：电解槽阳极采用包括铂、钛、钌、钯、铱在内的任意一种或几种材料制成的极板；阴极采用包括不锈钢、铁、铝、铜、石墨、碳、镍、铂、钛、钌、钯、铱在内的任意一种或几种材料制成的极板。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：膜生物反应器室施加的电子供体包括有机碳源或无机电子供体；有机碳源包括醇类、羧酸类、羧酸盐类在内的常见有机碳源；无机电子供体包括硫磺、二价硫离子、硫代硫酸盐在内的无机还原性物质。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：膜生物反应室所施加的硝酸盐还原菌浓度范围为500mg/L-20000mg/L；硝酸盐还原菌可由活性污泥接种，由电子供体逐步驯化培养。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：当反应器去除效果不理想时，可更换膜生物反应室溶液，保留菌体，加入电子供体物质用于新一轮的操作。
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