CN111943365A - 低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置及方法 - Google Patents

低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及环境工程水处理技术领域，具体涉及一种低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置及方法，采用升流式电极生物膜反应器，阳极为石墨棒，阴极为不锈钢网，填充颗粒电极为颗粒活性炭，基于升流式三维电极生物膜反应器，经微生物挂膜与驯化。本发明利用电化学催化还原和生物还原的协同作用处理污染水体，实现低有机碳水体中硝酸盐和硫酸盐的共去除同步去除低碳水体中的硝酸盐和硫酸盐，处理效果显著。

Description

低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置及方法
技术领域
本发明涉及环境工程水处理技术领域，具体涉及一种低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置及方法。
背景技术
近年来，由于过度施用氮肥、污水排放等人类活动，水体硝酸盐污染日益严重。以华北平原为例，地下水硝酸盐超过30mg/L的地区主要是人口密集的大中型城市，如北京、天津、石家庄、邢台等。对农村饮用水源调查发现，饮用水水质状况不容乐观，超标主要污染物为硝酸盐，总硬度，大肠杆菌等。就人类健康而言，在导致内源性亚硝化作用下摄入的硝酸盐被世界卫生组织的国际癌症研究机构列为2A类致癌物。对于水生生态系统，地表水中硝酸盐的增加会导致水体富营养化。硫酸盐是水体中一种与硝酸盐共存的常见阴离子。地下水水质受地质因素影响明显，某些地区水化学类型主要为硫酸盐型。沿海地区受海水入侵的影响，某些地表中硫酸盐含量也较高。在厌氧条件下，硫酸盐的还原产物硫化物，具有腐蚀性和生物毒性，危害人类健康和生态环境安全。
然而，含有硝酸盐和硫酸盐污染的水体通常有机碳含量较低，此时使用广泛应用的异养生物还原技术去除污染物需要投加碳源，不仅增加处理成本且极有可能造成水体二次污染。常规的反渗透和电渗析等化学处理方法操作简便，但费用高且浓缩废液难处理。三维电极生物膜反应器是一种将微生物生理学和电化学相结合的生物电化学反应器，在电解池的阴阳极之间填充导电粒子作为第三电极，在直流电源下，阴极产生氢气和电子，阳极产生氧气，以石墨棒作阳极时，阳极则优先产生二氧化碳。微生物附着在电极表面进行自养生物还原作用。该反应器适用于缺乏有机碳的水体处理，通过外加电流产生氢气等无机电子供体，实现目标污染物的去除。
目前，已有研究利用三维电极生物膜反应器去除水体中的硝酸盐，自养反硝化菌利用阴极产生的氢气做电子供体进行反硝化，并取得理想的脱氮效果。据报道，少数硫酸盐还原菌能够以氢气为电子供体，硫酸盐为电子受体，在含有无机碳源的缺氧环境中生长。因此，在三维电极生物膜反应器的基础上，开发一种适用于低有机碳水体中硝酸盐和硫酸盐共去除的方法，具有理论可行性和实际应用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置及方法，基于升流式三维电极生物膜反应器，经微生物挂膜与驯化，利用电化学催化还原和生物还原的协同作用处理污染水体，实现低有机碳水体中硝酸盐和硫酸盐的共去除同步去除低碳水体中的硝酸盐和硫酸盐。
具体技术方案如下：
低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置，采用三维电极生物膜反应器，反应器主体为圆柱形，底部铺设砾石作为承托层；承托层之上放置均匀开孔的布水板；不锈钢网作为阴极材料，采用石墨棒作为阳极材料，反应器主体内填充颗粒活性炭作为第三电极，阴阳极以同心圆方式布置，阳极石墨棒置于反应器正中间，阴极不锈钢网围绕反应器内壁铺设，用导线将阴阳极分别与直流电源的负正极相连；顶部开设出水口，中部开设生物膜取样口，底部连接反冲洗管，反应器外部缠绕加热带，保持反应温度在30℃。
低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除方法，使用上述去除装置，经过微生物挂膜与驯化，利用电化学催化还原和生物还原的协同作用处理污染水体，去除低有机碳水体中的硝酸盐和硫酸盐，具体步骤如下：
(1)颗粒活性炭在使用前，用稀硫酸溶液和去离子水清洗数次并置于烘箱中105℃烘干以去除杂质；
(2)微生物挂膜过程，取缺氧池活性污泥于污泥桶中，利用蠕动泵向反应器中接种取自污水处理厂缺氧池的活性污泥，使其在反应器与污泥桶间连续循环数天，微生物在电极表面挂膜驯化；挂膜期间定期向污泥桶中添加微生物生长所需的营养物质，按照碳氮磷硫15-4：6：1：6添加乙酸盐、硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐，并逐步减少乙酸盐投加量；此阶段，外加电流低于80mA，保持10h以上的水力停留时间，以使微生物尽快在电极表面挂膜；
(3)微生物驯化过程，挂膜完成后，采用含硝酸盐与硫酸盐的模拟废水进行生物膜驯化；外加电流逐渐增至240mA，保持每个电流水平运行7天以上；当硝酸盐和硫酸盐去除率分别超过80％和20％时，驯化过程完成；
(4)运行升流式三维电极生物膜反应器，污水由底部进水口进入反应器，调节外加电流大小和水力停留时间以保证反应器处理效果，每天监测出水NO3 --N、NO2 --N、NH4 +-N、SO4 2-和溶解性硫化物的浓度变化，根据模拟废水或待处理污水水质，调节外加电流大小以及水力停留时间，以达到较好的处理效果和经济效益；
(5)每日监测出水口处的出水水质状况，定期从生物膜取样口取适量微生物样品观察生物膜及微生物群落生长状况；反应器运行过程中当进水压力明显增大时，通过反冲洗管进行反冲洗操作。
所述三维电极生物膜反应器采用升流式，水流方向自下而上，进水口通过管路和蠕动泵与进水箱相通，电极通过导线与直流电源相连。
所述三维电极生物膜反应器外加直流电源，阴极获得电子产生氢气，附着在电极上的微生物利用反应器中电解水产生的氢气作为电子供体或直接从电极上获得电子，进行自养反硝化与硫酸盐还原，硫酸盐的还原产物硫化物与硫化物的氧化产物硫单质和硫代硫酸盐，又可作为自养反硝化的补充电子供体。
所述砾石的铺设厚度为5cm。
所述布水板上开孔的孔径为5mm。
所述颗粒活性炭的直径为4-8mm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
(1)在三维电极生物膜反应器中，实现了高浓度硫酸盐存在下硝酸盐的有效去除，出水亚硝酸盐和氨氮均在较低水平。
(2)提供了一种低有机碳水体中硝酸盐和硫酸盐的共去除方法，通过调节外加电流与水力停留时间，硝酸盐和硫酸盐去除率分别达到80％和20％以上。此方法无需外加碳源，反应器采用单室构造，具有良好的pH缓冲能力，节约建造费用和运行成本。
(3)三维电极生物膜反应器采用升流式，水流方向垂直于电场方向，保证进水中的污染物与电极和微生物膜充分接触与反应，达到良好的处理效果。
(4)在三维电极生物膜反应器内，硫酸盐的还原产物硫化物，以及硫化物的氧化产物硫单质等，可作为自养反硝化的补充电子供体。
附图说明
图1为本发明所采用的升流式三维电极生物膜反应器结构示意图；
图中，1-进水箱；2-蠕动泵；3-反冲洗管；4-承托层；5-布水板；6-生物膜取样口；7-颗粒活性炭；8-不锈钢网；9-出水口；10-石墨棒；11-直流电源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受附图和实施例所限。
图1为本发明所采用的升流式三维电极生物膜反应器结构示意图，如图所示：
本发明低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置采用三维电极生物膜反应器，反应器主体为圆柱形，底部铺设砾石作为承托层4；承托层4之上放置均匀开孔的布水板5；不锈钢网8作为阴极材料，采用石墨棒10作为阳极材料，反应器主体内填充颗粒活性炭7作为第三电极，阳极材料以同心圆方式布置，阳极石墨棒10置于反应器正中间，阴极不锈钢网8围绕反应器内壁铺设，用导线将阴阳极分别与直流电源11的负正极相连；反应器外部缠绕加热带，保持反应温度在30℃。所述三维电极生物膜反应器采用升流式，水流方向自下而上，进水口通过管路和蠕动泵2与进水箱1相通，电极通过导线与直流电源11相连。顶部开设出水口9，中部开设生物膜取样口6，底部连接反冲洗管3，每日监测出水口9处的出水水质状况，定期从生物膜取样口6取适量微生物样品观察生物膜及微生物群落生长状况。反应器运行过程中当进水压力明显增大时，通过反冲洗管3进行反冲洗操作。
实施例1
处理pH为7.3±0.3，NO3 --N为40mg/L，SO4 2-为50-350mg/L的模拟污水。调节直流电源使外加电流保持在240mA，设置水力停留时间为18h。在此操作条件下，当进水SO4 2-为150mg/L时，出水NO3 --N低于8.2mg/L，NO2 --N累积量低于3.4mg/L，NH4 +-N累积量低于2.7mg/L，出水中未检测到硫化物，NO3 --N平均去除率为88％，SO4 2-平均去除率为29％；当进水SO4 2-低于150mg/L时，NO3 --N平均去除率可达90％以上，进一步增大进水SO4 2-至350mg/L，仍可达到73％的NO3 --N平均去除率。
实施例2
山东烟台某地地下水，由于近年来农业面源污染严重，地下水中硝酸盐含量超过35mg/L，受地质条件影响，水体硫酸盐含量高于150mg/L。构建直径为0.4米，高1.5米的上述升流式反应器，阳极为石墨棒，直径15厘米，高1.4米；阴极采用不锈钢网；电极布置方式与微生物挂膜驯化过程如前所述。调节电流与水力停留时间并监测出水水质状况。出水中未检测到硫化物，且NO3 --N低于11mg/L，NO2 --N和NH4 +-N分别低于0.9和0.4mg/L，三氮含量均低于世界卫生组织规定的饮用水水质标准限值。长期运行，反应器对NO3 --N平均去除率为80％，SO4 2-平均去除率为17％。

Claims (7)

1.低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置，其特征在于：采用三维电极生物膜反应器，反应器主体为圆柱形，底部铺设砾石作为承托层；承托层之上放置均匀开孔的布水板；不锈钢网作为阴极材料，采用石墨棒作为阳极材料，反应器主体内填充颗粒活性炭作为第三电极，阴阳极以同心圆方式布置，阳极石墨棒置于反应器正中间，阴极不锈钢网围绕反应器内壁铺设，用导线将阴阳极分别与直流电源的负正极相连；顶部开设出水口，中部开设生物膜取样口，底部连接反冲洗管；反应器外部缠绕加热带，保持反应温度在30℃。
2.低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除方法，其特征在于，使用上述去除装置，经过微生物挂膜与驯化，利用电化学催化还原和生物还原的协同作用处理污染水体，去除低有机碳水体中的硝酸盐和硫酸盐，具体步骤如下：
(1)颗粒活性炭在使用前，用稀硫酸溶液和去离子水清洗数次并置于烘箱中105℃烘干以去除杂质；
(2)微生物挂膜过程，取缺氧池活性污泥于污泥桶中，利用蠕动泵向反应器中接种取自污水处理厂缺氧池的活性污泥，使其在反应器与污泥桶间连续循环数天，微生物在电极表面挂膜驯化；挂膜期间定期向污泥桶中添加微生物生长所需的营养物质，按照碳氮磷硫15-4：6：1：6添加乙酸盐、硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐，并逐步减少乙酸盐投加量；此阶段，外加电流低于80mA，保持10h以上的水力停留时间，以使微生物尽快在电极表面挂膜；
(3)微生物驯化过程，挂膜完成后，采用含硝酸盐与硫酸盐的模拟废水进行生物膜驯化；外加电流逐渐增至240mA，保持每个电流水平运行7天以上；当硝酸盐和硫酸盐去除率分别超过80％和20％时，驯化过程完成；
(4)运行升流式三维电极生物膜反应器，污水由底部进水口进入反应器，调节外加电流大小和水力停留时间以保证反应器处理效果，每天监测出水NO3 --N、NO2 --N、NH4 +-N、SO4 2-和溶解性硫化物的浓度变化，根据模拟废水或待处理污水水质，调节外加电流大小以及水力停留时间，以达到较好的处理效果和经济效益；
(5)每日监测出水口处的出水水质状况，定期从生物膜取样口取适量微生物样品观察生物膜及微生物群落生长状况；反应器运行过程中当进水压力明显增大时，通过反冲洗管进行反冲洗操作。
3.根据权利要求1所述的低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置，其特征在于：所述三维电极生物膜反应器采用升流式，水流方向自下而上，进水口通过管路和蠕动泵与进水箱相通，电极通过导线与直流电源相连。
4.根据权利要求1所述的低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置，其特征在于：所述三维电极生物膜反应器外加直流电源，阴极获得电子产生氢气，附着在电极上的微生物利用反应器中电解水产生的氢气作为电子供体或直接从电极上获得电子，进行自养反硝化与硫酸盐还原，硫酸盐的还原产物硫化物与硫化物的氧化产物硫单质和硫代硫酸盐，又可作为自养反硝化的补充电子供体。
5.根据权利要求1所述的低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置，其特征在于：所述砾石的铺设厚度为5cm。
6.根据权利要求1所述的低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置，其特征在于：所述布水板上开孔的孔径为5mm。
7.根据权利要求1所述的低碳高氮高硫水体硝酸盐和硫酸盐的同步去除装置，其特征在于：所述颗粒活性炭的直径为4-8mm。
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