CN111115847B - 一种基于电化学硫酸盐循环的脱氮方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电化学硫酸盐循环的脱氮方法与装置，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电化学硫酸盐还原细菌。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电化学硫酸盐还原细菌进行硫酸盐还原；另一方面阴极产生的负二价硫进行深度脱氮。该体系既保留了SANI过程产污泥量少的优点，同时也能够应用于低碳低硫酸盐高浓度氨氮废水的处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电化学硫酸盐循环的脱氮工艺处理低碳低硫酸盐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。电化学硫酸盐还原细菌能够在MEC的阴极表面利用阴极产生的氢气或者电极电子进行硫酸盐还原，故此MEC阴极腔室能够充当硫酸盐还原腔室及时产生负二价硫，从而实现SANI工艺进水中的低S浓度。因此，将MEC和SANI工艺相耦合的强化硫循环工艺有望成为一项十分有前景的处理低硫酸盐高氨氮废水的技术。
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低硫酸盐高氨氮含量的工艺废水的处理。利用MEC及时还原硫酸盐，循环使用，达到了体系处理低硫酸盐高氨氮废水的能力。
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电化学硫酸盐还原细菌；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系统的硫自养反硝化腔室的入口相连。
本发明的电化学硫酸盐还原细菌即为自养型硫酸盐还原细菌，自养型硫酸盐还原细菌不用有机碳源。
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，所述所述4#腔室用碳刷电极，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低硫酸盐氨氮废水处理方法：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；在阴极腔室中电化学硫酸盐还原菌进行硫酸盐还原及时产生负二价硫。
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1.2:0.2～1:6。
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12～36h。
进一步的，所述的阴极电流范围为：-60mA～-10mA。
本发明与现有技术相比，所具有的有益效果是：
1)能够应用处理低硫酸盐高氨氮(≥200mg NH4 +-N/L)废水；
2)能够应用处理低有机碳高氨氮(≥200mg NH4 +-N/L)废水；
3)能够达到低硫酸盐循环利用，提高硫酸盐使用效率，解决了高硫酸盐带来的后续硫化物污染问题；
4)能够提高SANI体系的硫回收效率，降低体系的硫损耗；
5)脱氮效率更高。
附图说明
图1为基于电化学硫酸盐循环脱氮工艺处理高氨氮废水的装置示意图；
图2为基于电化学硫酸盐循环脱氮工艺在不同电流下各腔室NO3 -变化情况；
图3为基于电化学硫酸盐循环脱氮工艺在不同电流下体系硝化效率和脱氮效率变化情况；
图4为基于电化学硫酸盐循环脱氮工艺在不同电流下各腔室TS变化情况。
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电化学硫酸盐还原细菌；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系统的硫自养反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；
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 -，回流到硫自养反硝化腔室中，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；在阴极腔室中电化学硫酸盐还原菌进行硫酸盐还原产生负二价硫及时回流到SANI系统的硫自养反硝化腔室里进行硫自养反硝化。
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150mg/L的废水，TOC浓度为200mg/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18h，系统运行温度控制在25±5℃，阴极电流分别控制在-45mA，-40mA，-35mA.
结果如图2所示，在引入MEC之后，2#硫自养反硝化腔室NO3 --N显著下降，且电流值越高，NO3 --N值下降越明显，这说明脱氮效率得到了极大的效率。从图3-4也可以证实这一点，随着电流值的增加，硫酸盐还原效率显著提高，2#-4#的TS-S值明显提升，脱氮效率也显著增加，基本验证了我们的猜想，只是低电流条件下硫回收率还不够高，有待优化。
Claims (6)
1.一种基于电化学硫酸盐循环的脱氮装置的低硫酸盐氨氮废水处理方法，所述脱氮装置包括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电化学硫酸盐还原细菌；
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系统的硫自养反硝化腔室的入口相连，实现局部内循环；
所述氨氮废水处理方法，其特征在于包括如下步骤：
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；所述SANI系统、4#腔室、5#腔室都进行充分搅拌；
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SANI系统的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 -，回流到硫自养反硝化腔室中，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一部分进入MEC的阴极腔室，另一部分进入硝化腔室，在阴极腔室中在恒电流模式下，电化学硫酸盐还原菌利用电极电子或者氢气进行硫酸盐还原，然后，阴极腔室出水再经上部出口流回至SANI系统的硫自养反硝化腔室进行硫自养反硝化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述4#腔室用碳刷电极，5#腔室用DSA电极。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的膜为离子交换膜。
4.根据权利要求1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。
5.根据权利要求1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。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于阴极电流范围为：-60 mA~ -10 mA。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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