CN106587344A - 一种高效去除氨氮的厌氧内置生锈铁屑反应器及其处理氨氮废水的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效去除氨氮的厌氧内置生锈铁屑反应器及其处理氨氮废水的工艺。它特别适用于厌氧高浓度氨氮废水的处理。本发明包括以下步骤：采用经氨氮废水驯化的厌氧污泥，将其填充厌氧内置生锈铁屑反应器的污泥层。经预处理的生锈铁屑加入到厌氧内置生锈铁屑反应器中，与厌氧污泥充分混合。同时将一对电极阳极和电极阴极置于厌氧内置生锈铁屑反应器内。两个电极通过导线与电源的正负极相连。通过生锈铁屑强化厌氧反应器内污泥的异化铁作用及氨氮的阳极氧化并耦合阴极反硝化，实现厌氧强化高氨氮废水的处理。本发明克服了厌氧氨氮去除效率低，耗时较长的技术缺陷，是一种高效、廉价、低耗的厌氧氨氮废水处理的新工艺。

Description

一种高效去除氨氮的厌氧内置生锈铁屑反应器及其处理氨氮 废水的工艺

技术领域

本发明涉及环保领域的废水处理工艺。

背景技术

氨氮过度排放导致水体的富营养化现象日益严重，其氧化产物硝酸盐和亚硝酸盐会严重影响水生生物和人类的健康。因此，高效处理废水中的氨氮已经成为当今环境面临的重大课题。目前，氨氮去除的方法主要包括生物硝化-反硝化、折点加氯、气体吹脱和离子交换法等。传统的吹脱法虽然除氨效果稳定，操作简单，它的缺点是，受环境温度影响大，吹脱效率有限，运行成本高以及调整pH时药剂消耗量大，致使该技术主要应用于氨氮废水的预处理。生物脱氮虽然可以较彻底地去除氨氮，经济且无二次污染，但是需要增大供氧量，增加供氧动力费用；对于缓冲能力差的高氨氮废水，需维持反硝化所需的pH范围，一定程度上限制了微生物的活性。

厌氧工艺相对于好氧工艺而言无需曝气，因此耗能少、设备占地面积小、基建和运行成本较低，已被广泛用于高浓度有机废水的处理。然而氨氮的生物处理多采用好氧工艺，但仅限于低浓度氨氮废水。因此，迫切需求一种厌氧高效处理高浓度氨氮的工艺。

异化Fe(III)还原能够利用有机物或无机物作为电子供体，以Fe(III)作为电子受体，将难溶的Fe(III)还原成可溶性的Fe(II)，并且从中获取能量。铁还原微生物则是实现这一过程的主要微生物。随着对异化Fe(III)还原过程的不断深入研究，铁还原微生物的异化还原过程在环境污染治理与修复领域也得到越来越多的重视。迄今，已有大量关于利用Fe(III)异化还原氧化降解偶氮染料、降解土壤中的污染物以及地下水等的报道。随后在猪场废水、湿地土壤等厌氧环境中，也出现了关于铁氨氮氧化过程(Feammox)的报道。也就是在缺氧条件下，氨氮能够利用Fe(III)作为电子受体，将氨氮氧化。目前，国内外关于厌氧反应器内Fe(III)促进氨氮厌氧处理的报道较少。

发明内容

为克服现有技术中厌氧氨氮去除耗时长，去除效率低等缺陷，本发明提出以下技术方案：一种高效去除氨氮的厌氧内置生锈铁屑反应器，其特征在于：箱体与所述反应器内腔之间设有循环水腔，所述反应器内腔下方固定的电极阳极与电极阴极通过导线分别连接电源的正、负极。所述反应器内腔的上方设有挡板而上端固定有三相分离器，该三相分离器的上端连通出气管。所述反应器内腔自下而上分别设有下循环水口、上循环水口与出水口。下循环水口与上循环水口之间连接有循环水泵。所述反应器内腔下端设有进水泵。三相分离器的上端连通出气管之间串连气体流量计。箱体为有机玻璃材质的圆筒状结构，三相分离器设置于所述反应器内腔有效高度H的上部1/3区域。电极阳极采用碳刷，电极阴极采用碳棒，并安置在距所述反应器内腔底部2/3高度处，相互之间设有间距。

一种使用上述的反应器处理氨氮废水的工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1)、将采用20-30mg/L氨氮废水驯化2个月的厌氧污泥做为厌氧污泥层置于所述反应器内腔有效高度H的下部1/5区域。

2)、将被空气氧化成颜色为暗红色的螺旋状的生锈铁屑与所述厌氧污泥层充分混合。

3)、电源为恒流稳压直流电源，工作电压为0.2-0.8V，最优电压为0.5V。

4)、流经下循环水口与上循环水口之间循环水泵的循环水温度范围为35-38℃，最佳值为37℃。

5)、经进水泵打入浓度为100-500mg/L的氨氮废水，废水在所述反应器内腔内的停留时间控制在40-50小时，最佳停留时间为48小时。

本发明将厌氧工艺和异化铁还原相结合，首次利用厌氧反应器内三氧化二铁的异化Fe(III)还原作用氧化氨氮。同时利用三氧化二铁强化氨氮的阳极氧化，再利用阴极反硝化对氧化后的产物进行进一步降解。从而达到对氨氮废水在单一反应器内的有效处理，有效地解决了厌氧氨氮去除效率低等问题，实现厌氧高效脱氮。本发明可将反应器成比例扩大，应用于实际高浓度氨氮废水的处理，如厌氧消化液、垃圾渗滤液、养殖废水等。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明将生锈的铁屑投加到厌氧反应器中，厌氧氨氮处理能力以及稳定性都能得到明显强化：1)生锈铁屑的投加，能够促进氨氮的厌氧去除；2)溶出的二价铁量与厌氧反应器对氨氮的处理能力直接相关，且二价铁对厌氧反应器内微生物的生长起到积极的作用；3)生锈铁屑的投加，能够富集电活性微生物，有效强化氨氮的阳极氧化；4)反应器在单一反应器内通过阳极氧化耦合阴极还原，便可达到单一反应器内氨氮的厌氧去除，去除效果可达39％，明显降低工程实际应用的造价及费用。

2.在本发明中，氨氮废水经过异化Fe(III)还原作用和电极的作用，氧化产物硝酸盐或亚硝酸盐通过阴极还原直接被去除。传统氨氮的彻底去除需经过好氧硝化及厌氧反硝化的耦合，此工艺实现单一反应器内氨氮的彻底去除。其降低了运行成本，并实现氨氮的厌氧去除，有效提高了氨氮厌氧去除的效率。

3.本发明中生锈的铁屑来源广泛，价格低廉，投加方式简单，有利于实际应用。

4.本发明中反应器的规格可以成比例放大，用于实际工程。

附图说明

本发明共有附图2张，其中：

图1为本发明一种厌氧内置生锈铁屑反应器的结构与工作流程示意图。

图1中：1、箱体，2、厌氧污泥层，3、电极阳极(碳刷)，4、电极阴极(碳棒)，5、导线，6、反应器内腔，7、挡板，8、电源，9、气体流量计，10、上端连通出气管，11、出水口，12、三相分离器，13、上循环水口，14、生锈铁屑，15、循环水泵，16、循环水腔，17、下循环水口，18、进水泵。

图2是采用人工模拟氨氮废水为作为进水，参照反应器(不含生锈铁屑且不加电)出水氨氮的对比图和厌氧内置生锈铁屑反应器。

图2中：曲线Ⅰ为参照反应器出水氨氮的浓度趋势，曲线Ⅱ为厌氧内置生锈铁屑反应器出水氨氮的浓度趋势。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。附图1是本发明一种高效去除氨氮的厌氧内置生锈铁屑反应器的结构示意图。它包括箱体1，厌氧污泥层2、生锈铁屑14、反应器内腔6。箱体1与反应器内腔6之间设有循环水腔16。反应器内腔6下方固定的电极阳极3(碳刷)与电极阴极4(碳棒)通过导线5分别连接电源8的正、负极。反应器内腔6的上方设有挡板7而上端固定有三相分离器12，该三相分离器12的上端经气体流量计9连通出气管10。反应器内腔6自下而上分别设有下循环水口17、上循环水口13、与出水口11。下循环水口17与上循环水口13之间连接有循环水泵15。反应器内腔6下端设有进水泵18。

反应器污泥层2设置于反应器内腔6的底部，该污泥层2采用20-30mg/L氨氮废水驯化2个月的厌氧污泥。

反应器内腔6选用圆筒状有机玻璃材质。气体收集区的三相分离器12设置于所述反应器内腔6有效高度H的上部1/3区域。

生锈铁屑14选用车削加工的自然弯曲成螺旋状的铁屑，将其打碎并在空气中氧化，表面为暗红色。

电极阳极3采用碳刷，电极阴极4采用碳棒。电极阳极3(碳刷)与电极阴极4(碳棒)的表面均用稀盐酸和去离子水冲洗，并采用导线5安置在距所述反应器内腔6底部的2/3区域，相互之间设有间距。在本案例中，导线5采用钛丝。

反应器内腔6的工作容积、生锈铁屑14的长度与宽度、电极阳极3(碳刷)与电极阴极4(碳棒)的规格和尺寸以及相互间距、安装高度要根据生产规模来确定。

钛丝5分别与电极阳极3(碳刷)与电极阴极4(碳棒)连接，并贯穿于所述反应器内腔6。通过反应器箱体1顶部的小孔伸出，分别与电源8的正、负极相连接。

一种使用上述的反应器处理氨氮废水的工艺，其特征在于：

包括以下步骤：

1.采用氯化铵进水驯化的厌氧污泥层2，将其填充到所述反应器内腔6内作为厌氧污泥层2，厌氧污泥层2占据反应器内腔6有效高度H1/5的下部区域。

2.将经预处理的生锈铁屑14加入到所述反应器内腔6中，与厌氧污泥层2充分混合。

3.将电极阳极3(碳刷)与电极阴极4(碳棒)置于厌氧内置生锈铁屑反应器的内腔6。电极阳极3(碳刷)与电极阴极4(碳棒)两个电极分别通过钛丝5与电源8的正、负极相连。电压范围为0.2-0.8V，最优电压为0.5V。

4.采用进水泵18打入循环水，循环水腔16内下循环水口17与上循环水口13之间通过循环水泵15循环水的温度范围为35-38℃，最佳值为37℃。

5.打开进水泵18通过进水管将人工配置的100-500mg/L的氨氮废水通入本发明的厌氧内置生锈铁屑反应器。在厌氧内置生锈铁屑反应器中，废水相继经过厌氧污泥层2、生锈的铁屑14，随后分别与电极阳极3和电极阴极4接触反应后从出水口11流出。废水在所述反应器内腔6停留的时间控制在40-50小时，最佳停留时间为48小时。

由于从污水处理厂取回的厌氧污泥中含有一定含量的污染物，十分必要对这部分污泥进行“清洗”处理；另一方面由于这部分厌氧污泥中氨氮氧化微生物的丰度很低，因此为了实现厌氧去除氨氮，采用20-30mg/L的氯化铵进水对厌氧反应器内的污泥层2进行为期2个月的驯化。在驯化2个月后的厌氧反应器中投入生锈铁屑14、并插入电极阳极3(碳刷)与电极阴极4(碳棒)。

附图2中的曲线Ⅰ是作为本发明对比的厌氧参照反应器，即在驯化2个月后的厌氧反应器中不投入生锈铁屑也不外加电压，而是投入与生锈铁屑14相同尺寸的有机玻璃块和与电极阳极3及电极阴极4相同尺寸的有机玻璃板的条件下，厌氧参照反应器出水氨氮的浓度趋势。曲线Ⅱ为本发明厌氧内置生锈铁屑反应器出水氨氮的浓度趋势，即在驯化2个月后的厌氧反应器中投入生锈铁屑14、并插入电极阳极3(碳刷)与电极阴极4(碳棒)的情况下，厌氧内置生锈铁屑反应器出水氨氮浓度为45.6-92.3mg/L，平均浓度为56.7mg/L。而做为对比试验的厌氧参照反应器(不含生锈的铁屑和外加电压)氨氮出水为88.3-105mg/L，平均浓度为95.2mg/L。结论是厌氧内置生锈铁屑反应器的氨氮去除效果明显好于不含生锈的铁屑和外加电压的参照的厌氧反应器。

本发明的厌氧内置生锈铁屑反应器通过阳极氧化及生锈铁屑的异化铁还原作用氧化的氨氮，其产物硝酸盐或亚硝酸盐通过电极阴极4的阴极还原作用，被去除，从而达到单一反应器内对氨氮废水的有效处理。

Claims (5)

1.一种高效去除氨氮的厌氧内置生锈铁屑反应器，其特征在于：箱体(1)与内腔(6)之间设有循环水腔(16)，所述反应器内腔(6)下方固定的电极阳极(3)与电极阴极(4)通过导线(5)分别连接电源(8)的正、负极；所述反应器内腔(6)的上方设有挡板(7)而上端固定有三相分离器(12)，该三相分离器(12)的上端连通出气管(10)；所述反应器内腔(6)自下而上分别设有下循环水口(17)、上循环水口(13)与出水口(11)，所述下循环水口(17)与上循环水口(13)之间连接有循环水泵(15),所述反应器内腔(6)下端设有进水泵(18)。

2.根据权利要求1所述的高效去除氨氮的厌氧内置生锈铁屑反应器，其特征在于：所述的三相分离器(12)的上端连通出气管(10)之间串连气体流量计(9)。

3.根据权利要求1所述的高效去除氨氮的厌氧内置生锈铁屑反应器，其特征在于：所述箱体(1)为有机玻璃材质的圆筒状结构，所述三相分离器(12)设置于所述反应器内腔(6)有效高度H的上部1/3区域。

4.根据权利要求1所述的高效去除氨氮的厌氧内置生锈铁屑反应器，其特征在于：所述的电极阳极(3)采用碳刷，电极阴极(4)采用碳棒，并安置在距反应器内腔(6)底部2/3高度处，相互之间设有间距。

5.一种使用权利要求1所述的反应器处理氨氮废水的工艺，其特征在于：包括以下步骤：

1)、将采用20-30mg/L氨氮废水驯化2个月的厌氧污泥做为厌氧污泥层(2)置于所述反应器内腔(6)有效高度H的1/5的下部区域。

2)、将被空气氧化成颜色为暗红色的螺旋状的生锈铁屑(14)与所述厌氧污泥层(2)充分混合。

3)、所述电源(8)为恒流稳压直流电源，工作电压为0.2-0.8V，最优电压为0.5V。

4)、流经所述下循环水口(17)与上循环水口(13)之间循环水泵(15)的循环水温度范围为35-38℃，最佳值为37℃。

5)、经所述进水泵(18)打入浓度为100-500mg/L的氨氮废水，废水在所述反应器内腔(6)内的停留时间控制在40-50小时，最佳停留时间为48小时。