CN109179684B

CN109179684B - 利用微生物电解池辅助sani系统处理氨氮废水的方法与装置

Info

Publication number: CN109179684B
Application number: CN201811059860.7A
Authority: CN
Inventors: 李中坚; 武高明; 杨彬; 杨宇旋; 雷乐成
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2038-09-12
Also published as: CN109179684A; US11401185B2; WO2020051969A1; US20210206674A1

Abstract

本发明公开了一种利用微生物电解池(MEC)辅助SANI系统处理氨氮废水的方法与装置，包括SANI系统、MEC的阴极腔室、MEC的阳极腔室和电源，阴极腔室和阳极腔室之间通过膜隔开；MEC的阴极腔室和阳极腔室分别与电源的负极和正极相连，所述阴极腔室内的阴极电极上富集有氢自养型反硝化细菌。MEC阴极腔室的引入主要有两个作用,一方面利用附着在电极上的氢自养型反硝化细菌进行深度反硝化脱氮使得整体反硝化的效率更高；另一方面阴极产氢过程产生的碱度可以调节硝化腔室的pH。此外，MEC阴极腔室可以氧化出水中残余的负二价硫，使得出水达标排放。该体系既保留了SANI过程产污泥量少的优点，同时也能够应用于高浓度氨氮废水的处理。

Description

利用微生物电解池辅助SANI系统处理氨氮废水的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种利用微生物电解池辅助SANI系统处理氨氮废水的方法与装置，属于环境技术和水处理领域。

背景技术

现如今，含氮废水的大量排放会极大地影响生态系统的平衡，对于水系中的影响尤甚，具有代表性的例子就是水体富营养化导致的赤潮等现象。传统的生物硝化反硝化过程在含氨处理中有着广泛的应用。尽管一些新颖的技术不断出现，例如A/O技术，但由于其具有低能耗高效率的优点，一直被使用着。可是，传统的硝化反硝化技术需要额外的投加碱度和电子给体，这就加大了整体的成本消耗。并且，传统的硝化反硝化过程是由异养反硝化菌消耗有机物进行的，因此会产生大量的污泥。

针对这两点，SANI工艺成功地解决了上述的问题，SANI工艺就是将硫还原、自养反硝化、硝化相结合的工艺，SANI工艺已经能在香港成功地对市政废水进行处理。然而，对于一些工业废水，例如石油废水，冶金废水，食品工业废水，制药废水等废水，其中的N浓度(氨浓度和硝酸盐浓度)要远远高于市政废水，针对这些废水，如果单纯使用SANI工艺进行脱氮，一则高氨氮的氧化会导致硝化腔室pH过低从而影响整个体系的脱氮效率，二则由于SANI体系S/N的要求导致需要有极高的S浓度。而在SANI工艺中增加进水中的S浓度是有着以下3个缺点：第一，高浓度的硫化物对微生物有毒害作用。第二，更高的S浓度会导致在硫还原过程中会产生更多的H₂S气体，所以在整个过程中也就会有更多的H₂S气体逸出。第三，更高的S浓度则是需要更多的操作成本。所以，想要用现阶段的SANI工艺来处理高氨氮的工业废水则需要对其进行一定的改进。

作为一种新兴的技术，微生物电解池(MEC)在水处理领域的应用在过去的十年中受到了大家广泛的研究。氢自养型反硝化细菌能够在MEC的阴极表面利用阴极产生的氢气进行反硝化，故此MEC阴极腔室能够充当二级反硝化腔室，从而间接降低SANI工艺进水中的S浓度。此外，MEC阴极发生产氢反应同时会产生大量碱度，而硝化腔室发生的硝化反应过程产生大量的质子，条件合适，二者可以相互调节达到体系pH的长期稳定。因此，将MEC和SANI工艺相耦合的e-SANI工艺有望成为一项十分有前景的处理高氨氮废水的技术。

发明内容

本发明是将MEC和SANI工艺相耦合，强化SANI工艺使其能够适应对高氨氮含量的工艺废水的处理。利用MEC提供的额外电子和碱度，额外的进行反硝化过程同时调节硝化腔室的pH，达到了体系处理高氨氮废水的能力。

本发明的利用微生物电解池辅助SANI系统处理氨氮废水的装置包括SANI系统、4^#腔室、5^#腔室和电源，4^#腔室为MEC的阴极腔室，5^#腔室为MEC的阳极腔室，4^#腔室和5^#腔室之间通过膜隔开；MEC的阴极腔室和阳极腔室分别与电源的负极和正极相连，所述阴极腔室内的阴极电极上富集有氢自养型反硝化细菌；SANI系统的硫自养反硝化腔室的出口与MEC的阴极腔室的入口相连；MEC的阴极腔室的出口与SANI系统的硝化腔室的入口相连。

优选的，所述的SANI系统的硝化腔室的出口与MEC的阳极腔室相连。

优选的，所述的膜用于隔离阴阳极腔室，可以为质子交换膜，阳离子交换膜等。

进一步的，所述4^#腔室用石墨填料填充并用石墨棒引出连接电源，5^#腔室用DSA电极。

进一步的，所述的4^#腔室的条件是缺氧条件，溶解氧DO<0.5mg/L；5^#腔室为好氧条件，溶解氧DO>0.5mg/L；所述SANI系统、4^#腔室、5^#腔室都进行充分搅拌。

本发明还公开了一种所述装置的氨氮废水处理方法：废水经由SANI系统的硫酸盐还原腔室的底部进入，在完全混合的条件下，由硫酸盐还原菌将废水中的硫酸盐还原成负二价硫离子，此过程的电子来源为废水中的有机物；

硫酸盐还原腔室的出水到SANI系统的硫自养反硝化腔室之后，和从硝化腔室回流的废水在硫自养反硝化腔室底部进行充分混合；由于硝化腔室中的硝化细菌将废水中的NH₄ ⁺转化成NO₃ ^-，所以在硫自养反硝化腔室中会有大量的NO₃ ^-存在，在腔室中生长的硫自养反硝化微生物在厌氧的条件下会将NO₃ ^-转化为N₂，而此时的电子来源是硫酸盐还原腔室中过来的负二价硫离子；硫自养反硝化腔室的出水进入MEC的阴极腔室，为了避免阴极腔室和阳极腔室的离子迁移相互干扰故采用膜隔离阴阳极腔室；在阴极腔室中氢自养型反硝化菌进行深度反硝化进一步脱氮，然后，阴极腔室出水再经上部出口流至硝化腔室以将水中的NH₄ ⁺转化成NO₃ ^-；此外，在阴极腔室里伴随着产氢反应产生的大量的氢氧根能够有效中和硝化腔室里硝化过程上产生的大量质子；最后硝化腔室出水直接排放或者打入MEC的阳极腔室进行氧化处理掉水中的负二价硫后直接排放。

进一步的，所述的硝化腔室中排水量与回流到硫自养反硝化腔室的水量的流量比为1:0.5～1:5。

进一步的，所述的SANI系统、4^#腔室和5^#腔室的温度控制在25±5℃，每个腔室的水力停留时间为18～36h。

进一步的，所述的阴极电势范围为：-0.4V～-1.2V。

进一步的，所述的阳极电势为：0.5V～2.3V。

本发明与现有技术相比，所具有的有益效果是：

1)能够应用处理高氨氮(≥200mg NH₄ ⁺-N/L)废水；

2)能够达到自身酸碱度调节，无需额外投加碱度或酸度；

3)脱氮效率更高；

4)利用微生物电解池阳极腔室对出水中负二价硫进一步氧化脱除。

附图说明

图1为用e-SANI工艺处理高氨氮废水的装置示意图；

图2为用e-SANI工艺在-0.8V时处理高氨氮废水时pH变化图；

图3为用e-SANI工艺在-0.8V时处理高氨氮废水时NH4⁺-N变化图；

图4为用e-SANI工艺在-0.8V时处理高氨氮废水时NO3^--N变化图；

图5为用e-SANI工艺在-0.9V时处理高氨氮废水时pH变化图；

图6为用e-SANI工艺在-0.9V时处理高氨氮废水时NH4⁺-N变化图；

图7为用e-SANI工艺在-0.9V时处理高氨氮废水时NO3^--N变化图；

图8为用e-SANI工艺在-1.0V时处理高氨氮废水时pH变化图；

图9为用e-SANI工艺在-1.0V时处理高氨氮废水时NH4⁺-N变化图；

图10为用e-SANI工艺在-1.0V时处理高氨氮废水时NO3^--N变化图。

图11为实施例4的氧化处理后的硫化物浓度的变化图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面通过附图以及具体实施来做进一步说明。

参照图1，整个装置是连续流操作。本发明的利用微生物电解池辅助SANI系统处理氨氮废水的装置包括SANI系统、4^#腔室、5^#腔室和电源，4^#腔室为MEC的阴极腔室，5^#腔室为MEC的阳极腔室，4^#腔室和5^#腔室之间通过膜隔开；MEC的阴极腔室和阳极腔室分别与电源的负极和正极相连，所述阴极腔室内的阴极电极上富集有氢自养型反硝化细菌；SANI系统的硫自养反硝化腔室的出口与MEC的阴极腔室的入口相连；MEC的阴极腔室的出口与SANI系统的硝化腔室的入口相连。

本发明处理氨氮废水的流程如下：废水经由SANI系统的硫酸盐还原腔室的底部进入，在完全混合的条件下，由硫酸盐还原菌将废水中的硫酸盐还原成负二价硫离子，此过程的电子来源为废水中的有机物；

实施例1

废水处理对象为NH4⁺-N浓度为214.6mg/L，SO₄ ^2--S浓度为200mg/L的废水，TOC浓度为400mg/L。初始pH是～7.0。

回流比控制在回流/出水＝3:1，每个腔室水力停留时间控制在24h，系统运行温度控制在25±5℃，阴极电势分别控制在-0.8V.

结果如图2-4所示，在引入MEC之后，3#硝化腔室pH能稳定在6.2～6.3之间，氨氮几乎为0，这说明pH的改善极大地提高了硝化效率。但2#与4#的NO₃ ^--N几乎一致，这说明4#腔室的脱氮效果还不是很明显，有待继续优化。

实施例2

回流比控制在回流/出水＝3:1，每个腔室水力停留时间控制在24h，系统运行温度控制在25±5℃，阴极电势分别控制在-0.9V。

结果如图5-7所示，在阴极电势由-0.8V提高到-0.9V之后，2#，3#和4#腔室pH均稳定提升，以至出水pH能稳定在6.8～7.0之间，这与进水pH相差无几，这意味着在阴极电势为-0.9V条件下，能使整个体系自身现实酸碱度调节达到进出水pH一致。出水氨氮几乎为0，硝化效率稳定在99％左右。2#与4#的NO₃ ^—N差距开始体现，这说明4#腔室的脱氮效果开始体现，但仍有待继续优化的空间。

实施例3

回流比控制在回流/出水＝3:1，每个腔室水力停留时间控制在24h，系统运行温度控制在25±5℃，阴极电势分别控制在-1.0V

结果如图8-10所示，在阴极电势进一步由-0.9V提高到-1.0V之后，2#，3#和4#腔室pH进一步提升，以至出水pH能稳定在7.0～7.2之间，出水氨氮几乎为0，硝化效率稳定在99％左右。2#与4#的NO₃ ^--N差距较-0.9V条件下进一步加大，这说明4#腔室的脱氮效果随着阴极电势的提高而增强，但4#腔室pH已经接近8.0左右，因此阴极电势的进一步提升得考虑4#腔室pH的问题。

实施例4

回流比控制在回流/出水＝3:1，每个腔室水力停留时间控制在24h，系统运行温度控制在25±5℃，阴极电势分别控制在-0.9V，出水打入MEC阳极腔室(5#腔室)进行深度硫化物氧化脱除。

结果如图11所示，出水经5#腔室进一步氧化处理之后，硫化物能从30mg/L降到1～2mg/L,效果显著。

Claims

1.一种利用微生物电解池辅助SANI系统处理氨氮废水的装置，其特征在于：包括SANI系统、4^#腔室、5^#腔室和电源，4^#腔室为MEC的阴极腔室，5^#腔室为MEC的阳极腔室，4^#腔室和5^#腔室之间通过膜隔开；MEC的阴极腔室和阳极腔室分别与电源的负极和正极相连，所述阴极腔室内的阴极电极上富集有氢自养型反硝化细菌；

SANI系统的硫自养反硝化腔室的出口与MEC的阴极腔室的入口相连；MEC的阴极腔室的出口与SANI系统的硝化腔室的入口相连;

所述的4^#腔室的条件是缺氧条件，溶解氧DO< 0.5 mg/L； 5^#腔室为好氧条件，溶解氧DO> 0.5mg/L。

2.根据权利要求1所述的处理氨氮废水的装置，其特征在于所述的SANI系统的硝化腔室的出口与MEC的阳极腔室相连。

3.根据权利要求1所述的处理氨氮废水的装置，其特征在于所述4^#腔室用石墨填料填充并用石墨棒引出连接电源，5^#腔室用DSA电极。

4.根据权利要求1所述的处理氨氮废水的装置，其特征在于所述SANI系统、4^#腔室、5^#腔室都进行充分搅拌。

5.一种如权利要求1所述装置的氨氮废水处理方法，其特征在于：废水经由SANI系统的硫酸盐还原腔室的底部进入，在完全混合的条件下，由硫酸盐还原菌将废水中的硫酸盐还原成负二价硫离子，此过程的电子来源为废水中的有机物；

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的硝化腔室中排水量与回流到硫自养反硝化腔室的水量的流量比为1:0.5~1:5。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的SANI系统、4^#腔室和5^#腔室的温度控制在25 ± 5 °C，每个腔室的水力停留时间为18~36h。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的阴极电势范围为：-0.4 V~ -1.2 V。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述的阳极电势为：0.5 V~2.3 V。