CN111377535A - 一种耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器工艺 - Google Patents

一种耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器工艺，属于环境工程技术领域。利用氯化钠汲取液的高盐环境，将汲取液池用作电解池，电极氧化未被正渗透膜有效截留的氨氮，并转化为氮气，提高出水水质。氨氮去除效率比常规厌氧正渗透膜生物反应器工艺提高20％～25％。不锈钢网阴极紧贴正渗透膜，用作电极的同时可改善膜界面层传质效应，从而提高水通量。该装置采用分离式结构，分为厌氧污泥混合液腔室和氯化钠汲取液腔室，操作简单，维护方便。本发明具有广泛应用前景，可通过沿海城市选址建厂，利用易获取、可循环的海水作为汲取液，达到处理生活污水和能源回收目的。

Description

一种耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器工艺
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，涉及一种耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器工艺。
背景技术
废水含有丰富的有机物，如能回收其中的生物质能对于解决水体污染与能源危机问题具有重大意义。厌氧消化是利用兼性厌氧细菌及专性厌氧细菌降解其中的有机物产生富含甲烷的沼气。厌氧膜生物反应器能够有效截留微生物，从而提高出水水质并减少剩余污泥产量。然而厌氧膜生物反应器中膜污染严重，泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力，对于小分子量物质截留效果不佳等问题限制了其进一步应用。
正渗透是仅依靠渗透压驱动的膜分离过程，水分子自发地从水化学势高的原料液部分通过半透膜渗透到水化学势低的汲取液部分正渗透技术具有膜污染趋势低，能耗低，截留效果好等优点。因此，有的学者提出将正渗透膜作为渗透膜引入厌氧膜生物反应器形成厌氧正渗透膜生物反应器。即使正渗透膜具有优异的截留性能，仍在之前的研究中普遍观察到对氨氮的不良截留。例如Zhang等在乙酸镁溶液作为汲取液的厌氧正渗透膜生物反应器运行全周期测得氨氮去除率为56.0-66.6％。Chen等研究的浸没式厌氧正渗透膜生物反应器用于低强度废水研究中氨氮去除率为62.7％。
氨氮的电化学氧化就是通过电极的直接氧化和间接氧化作用将氨氮转化为氮气的过程，具有去除效率高、副产物少等优点，但是需要高氯离子浓度环境条件。因此，本研究提出耦合电化学氧化和厌氧正渗透膜生物反应器，利用氯化钠作为汲取液提供环境条件，通过电化学氧化去除氨氮，从而改善出水水质，并关注一体化反应器的运行状况。可通过沿海城市选址建厂，利用易获取、可循环的海水作为汲取液，达到处理生活污水和能源回收目的，具有广泛应用前景。
发明内容
本发明目的时提供一种提高厌氧正渗透膜生物反应器工艺中氨氮去除效率的方法。使用该方法设计构建分离式耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器装置，有效解决了厌氧正渗透膜生物反应器工艺出水中氨氮含量高的问题，并获得了水通量提高，同时辅助强化厌氧消化产甲烷过程。未来可通过易于获取的海水替代氯化钠汲取液进行循环，具有广泛应用前景。此发明有利于低成本地促进水污染控制技术的节能降耗，实现可持续发展。
本发明的技术方案：
一种耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器工艺，所述的耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器，利用汲取液池作为电解池，正渗透膜活性层朝向原料液，汲取液侧紧贴支撑层安置不锈钢网阴极11，不锈钢网阴极11通过引出的导线连接恒电流电源12负极，电源12正极连接嵌入滑动杆上卡槽的催化阳极14，卡槽上设有刻度便于调节两极板间距。
本发明的有益效果：
一、在耦合体系的汲取液部分，可通过催化阳极将汲取液中氨氮等氧化，所产生的电子传递至阳极表面，由外电路到达阴极，构成回路。进水方式为连续进水，保证厌氧消化产气过程持续进行。选择具有高催化活性的涂层钛阳极和耐腐蚀的不锈钢网阴极也是影响催化效率的因素，相比于贵金属阳极，可以较大程度保证经济成本和运行结果的高效性。反应器氨氮去除效率相比于常规厌氧正渗透膜生物反应器工艺提高20％～25％。
二、不锈钢网阴极紧贴正渗透膜，用作电极的同时可改善膜界面层传质效应，从而提高水通量。
三、反向渗透的氢气辅助强化厌氧消化产甲烷过程。该方法有利于促进含氮污水处理技术的节能降耗，实现可持续发展。
分离式耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器装置占地面积小、构造成本低、操作简单边界，适用于模块化和一体化反应器设计，在城市污水处理和中水回用中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器示意图。
图中：1进水口；2第一搅拌器；3取样口；4中控装置；5温控探头；6电导率/pH探头；7集气口；8第一窗口；9密封垫圈；10正渗透膜；11不锈钢网阴极；12直流电源；13第二窗口；14催化阳极；15第二搅拌器；16溢流出水口；17集气口；18反应器汲取液腔室；19反应器厌氧污泥混合液腔室。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器工艺，所述的耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器直接利用汲取液池作为电解池，主体为两部分，分别为外部缠绕加热带的密闭厌氧污泥混合液腔室19和汲取液腔室18；厌氧活性污泥装于密闭厌氧污泥混合液腔室19中，氯化钠溶液/海水装于汲取液腔室18；进水口1和取样口3分别位于反应器的侧面和顶部，进水通过蠕动泵泵入，保证其连续性；第一搅拌器2和第二搅拌器15分别位于密闭厌氧污泥混合液腔室19和汲取液腔室18内，实现污泥混合液和汲取液的均匀混合；中控装置4连接温控探头5控制加热带维持反应器恒温条件；pH及电导率监测探头6连接电脑实时记录数据；集气口7连接气袋收集厌氧消化过程产生的气体；通过底部排泥口定期排出剩余污泥实现污泥的更新；密闭厌氧污泥混合液腔室19设置带有凹槽的第一窗口8，汲取液腔室18设置带有凹槽的第二窗口13，均通过密封垫圈9实现密封，将裁剪后大小适合的正渗透膜10贴紧第一窗口8，另一侧紧贴不锈钢网阴极11，利用螺丝将厌氧污泥混合液腔室19和汲取液腔室18压紧贴实；不锈钢网阴极11通过引出的导线连接恒电流电源12负极，电源12正极连接嵌入滑动杆上卡槽的催化阳极14，卡槽上设有刻度便于调节两极板间距；汲取液腔室18产生的气体通过集气口17连接气袋收集；汲取液通过位于汲取液腔室18底部的进水口进水，溢流出水口16出水，实现汲取液循环更换；汲取液量筒置于台秤上记录实时数据，计算水通量。
通过在汲取液腔室的滑动杆实现催化阳极14的固定与更换，简单方便；更换正渗透膜10时，将第一窗口8和第二窗口13内部挡板下拉实现液体的分隔并避免渗漏，后进行拆卸更换。
运行过程中，控制体系温度为30～35℃，pH＝6.5-8，搅拌速度为60r/min，进水COD负荷为0.45～1.82kg/m3·d，进水COD：N：P比例为200：5：1；汲取液为0.5M NaCl溶液；催化阳极采用钛金属网涂覆钌铱锡活性层电极(Ti/RuO2-IrO2-SnO2)，阴极为SS316不锈钢网。
未被膜有效截留的氨氮进入汲取液后被电场产生的具有氧化性的次氯酸/次氯酸根间接氧化，生成氮气释放和氯胺，氮气等气体通过气袋收集，氯胺通过活性炭吸附，从而降低出水氨氮浓度，提高出水氨氮去除效率。此外，通过紧贴正渗透膜的不锈钢网状电极改善膜界面层传质效应，从而提高水通量。反应器采用连续运行模式，操作简捷，可控性较高。
催化阳极14以钛金属网为基底，采用热分解法负载钌铱锡催化剂，置于汲取液室18内滑杆卡槽上距第二窗口130.5厘米处，通过外电路连接直流恒电流电源12正极；电源12负极通过导线从两腔室夹层连接不锈钢网阴极11，从而构成回路。
实施例
一种耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器，厌氧活性污泥置于厌氧污泥混合液腔室19底部，以60r/min速度搅拌混合。两腔室以正渗透膜隔开。运行过程中，控制体系温度为30～35℃，pH＝6.5-8，进水COD负荷为0.45～1.82kg/m3·d，进水COD：N：P比例为200：5：1；汲取液为0.5M NaCl溶液；催化阳极采用钛金属网涂覆钌铱锡活性层电极(Ti/RuO2-IrO2-SnO2)，阴极为SS316不锈钢网。阴、阳极板平行放置，且横向间距为0.5cm。
主要基质浓度：进水中COD：N：P比例为200：5：1。
模拟废水由进水口1从底部进入反应器，通过匀第一速搅拌2实现均匀布水及混合，厌氧污泥混合液中具有活性的产甲烷菌生成甲烷等气体并被收集，厌氧污泥混合液中的水透过正渗透膜10渗透进入高渗透压的汲取液，实现净化。未被有效截留的氨氮透过正渗透膜10进入汲取液后，通过监测得到的浓度换算得到控制相同条件下电解时间。催化阳极14通过外电路连接恒电流电源12，电源12负极连接不锈钢网阴极11，从而构成回路产生电流。利用阳极还原的溶液中氯离子生成具有强氧化性的次氯酸/次氯酸根来氧化汲取液中剩余的氨氮，汲取液通过位于汲取液腔室18底部的进水口进水，溢流出水口16出水，实现汲取液循环。

Claims (3)

1.一种耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器工艺，其特征在于，所述的耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器，利用汲取液池作为电解池，正渗透膜活性层朝向原料液，汲取液侧紧贴支撑层安置不锈钢网阴极(11)，不锈钢网阴极(11)通过引出的导线连接恒电流电源(12)负极，电源(12)正极连接嵌入滑动杆上卡槽的催化阳极(14)，卡槽上设有刻度便于调节两极板间距。
2.根据权利要求1所述的耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器工艺，其特征在于，其中的催化阳极(14)采用钛金属网涂覆钌铱锡活性层电极Ti/RuO2-IrO2-SnO2，阴极(11)与催化阳极(14)间距为0.5cm；恒电流密度为4mA/cm2。
3.根据权利要求1或2所述的耦合电化学氧化氨氮的厌氧正渗透膜生物反应器工艺，其特征在于，所述的催化阳极(14)以钛金属网为基底，采用热分解法负载钌铱锡催化剂，置于汲取液室(18)内滑杆卡槽上距第二窗口(13)0.5厘米处，通过外电路连接直流恒电流电源(12)正极。
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