CN112320933B

CN112320933B - 一种将生活污水中氨氮转化为n2o的装置及方法

Info

Publication number: CN112320933B
Application number: CN202011135080.3A
Authority: CN
Inventors: 吕永涛; 王磊; 吝力; 朱传首; 苗瑞; 王旭东
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2040-10-21
Also published as: CN112320933A

Abstract

本发明公开了一种将生活污水中氨氮转化为N₂O的装置及方法，包括设置有微生物附着生长的中空纤维膜生物反应器，生物膜反应器分别连通进水管、N₂O收集管道和一体化活性污泥反应器；一体化活性污泥反应器设置有微孔曝气器和斜板，部分出水连通回流管至生物膜反应器；通过中空纤维膜内腔的负压将生物膜反应器中产生的N₂O实时分离并收集。提高了低浓度N₂O的分离效率，缩短了N₂O富集的时间，同时避免了反应器中的液体进入内腔体。本发明可将生活污水中低浓度氨氮转化为N₂O，且转化率高于85％。

Description

一种将生活污水中氨氮转化为N2O的装置及方法

技术领域

本发明属于环境与资源回收技术领域，主要涉及一种将生活污水中氨氮转化为N₂O的装置及方法。

背景技术

废水生物脱氮是水处理的重要方向。传统的生物脱氮原理是将氮素转化为无害的N₂并排放至大气环境，然而，反硝化过程还释放N₂O。近年来，研究发现 N₂O是潜在的可再生能源，可以做赛车助燃剂、火箭氧化剂等，为污水处理过程中氮的能源化利用提供了重要的科学依据。然而，针对生活污水，传统的硝化- 反硝化过程N₂O释放量很少，难以实现其富集，更不能回收利用。

将污水中的氨氮转化为N₂O并进行能源化利用日益引起人们的关注，生活污水水量大，但氮素的浓度低，而传统脱氮工艺中N₂O转化率低和回收困难问题，一直是人们亟待解决的技术问题，因此，提供一种将生活污水中氨氮转化为N₂O 的装置及方法，可为污水处理氮的能源化利用奠定基础，是目前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将生活污水中氨氮转化为N₂O的装置及方法，通过一体化活性污泥反应器在反应区通过曝气将生活污水中的氨氮转化为硝酸盐，沉降区通过设置斜板完成泥水分离；生物膜反应器利用一体化活性污泥反应器出水中的硝酸盐和生活污水中的有机物进行反应，通过控制pH值并抑制N₂O还原酶的活性，将硝酸盐还原为N₂O，并利用中空纤维膜组件将N₂O分离并回收，为氮的能源化利用奠定基础。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

本发明提供一种将生活污水中氨氮转化为N₂O的装置，包括生物膜反应器和一体化活性污泥反应器；

所述生物膜反应器设置有微生物附着生长的中空纤维膜，生物膜反应器分别连通进水管、N₂O收集管道和一体化活性污泥反应器；

所述一体化活性污泥反应器包括反应区和沉降区，反应区设置有微孔曝气器，沉降区设置有方向相异的斜板，一体化活性污泥反应器部分出水连通回流管至生物膜反应器；

生物膜反应器中中空纤维膜组件与N₂O收集装置之间连接有气压计和真空泵，通过中空纤维膜内腔的负压将生物膜反应器中产生的N₂O实时分离并收集。

本发明还有进一步优选的方案：

优选的，所述生物膜反应器上设有pH计，并连通有HCl投加口。

优选的，所述中空纤维膜为复合型分离膜，基膜的主材为聚丙烯，生物膜附着生长在中空纤维膜的外表面，内表面主材为聚酰胺，内表面的平均孔径为 40-60nm。

优选的，所述中空纤维膜的基膜利用纳米氧化铜进行改性。

本发明进而提供了一种基于所述装置的将生活污水中氨氮转化为N₂O的方法，包括以下步骤：

活性污泥通过在一体化活性污泥反应器中曝气将生活污水中的氨氮转化为硝酸盐；利用方向相异的斜板沉降完成泥水分离；通过回流将出水硝酸盐返至生物膜反应器；

利用生活污水中的有机物与回流的硝酸盐反应，控制反应pH值，并通过附着生长在中空纤维膜外表面的纳米氧化铜抑制氧化亚氮还原酶的活性，将硝酸盐还原为N₂O；利用中空纤维膜的内腔体负压方式将生物膜产生的N₂O实时分离。

优选的，控制曝气(DO＝0.5-1.5mg/L)将生活污水中的氨氮转化为硝酸盐。

优选的，控制反应pH值为5.5-6.5。

优选的，中空纤维膜的内腔体内负压为0.1-0.3MPa。

优选的，一体化活性污泥反应器出水的回流比为250-300％。

本发明具有以下有益效果：

(1)采用以复合型中空纤维膜为载体的生物膜反应器，采用纳米氧化铜对复合型中空纤维膜的基膜进行改性，从而具有抑制氧化亚氮还原酶的功能，使附着生长的生物膜将硝酸盐的还原产物控制为N₂O，从而实现N₂O的高效转化。

(2)通过膜分离的方法原位分离N₂O，进一步强化产N₂O还原菌的生长条件，可将生活污水中N₂O的转化率提高至85％以上。

(3)本发明采用复合型中空纤维膜，针对生活污水中低浓度氨氮转化问题，本发明采用一体化活性污泥反应器，的功能是将生活污水中的氨氮氧化为硝酸盐，同时完成泥水分离。简化了工艺流程和操作难度，降低了建设和运行费用。

(4)采用的生物膜反应器中设置有中空纤维膜组件，采用复合型中空纤维膜分离膜，并采用纳米氧化铜对基膜的聚丙烯进行改性，通过抑制氧化亚氮还原酶的活性并控制适宜的pH值，附着生长的生物膜将硝酸盐的还原产物控制为 N₂O；通过中空纤维膜内腔侧的负压将产生的N₂O从反应器中实时分离，利用聚酰胺分离层控制分离膜内腔体的孔径仅为40-60nm，既提高了低浓度N₂O的分离效率，缩短了N₂O富集的时间，同时又避免了反应器中的液体进入内腔体。因此，本发明可将生活污水中低浓度氨氮高效转化为N₂O，且转化率高于85％。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本技术做进一步说明。

图1是将生活污水中氨氮转化为N₂O的装置图；

图2是中空纤维膜的示意图；

图3是生活污水中氨氮转化为N₂O的效果图。

图中，1.生物膜反应器；2.一体化活性污泥反应器；3.进水管；4.出水口；5. 回流管；6.HCl投加口；7.pH计；8.气压计；9.真空泵；10.N₂O收集装置；11.阀门；12.空压机；13.气体流量计；14.中空纤维膜；15.生物膜；16.微孔曝气器；17. 斜板。

201.膜面的微孔；202.纳米氧化铜；203.基膜层；204.聚酰胺层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚的描述。显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，以及在此基础上做出的简单修改都属于本发明保护的范围。

如图1所示，将氨氮转化为N₂O的生物反应装置，该装置包括生物膜反应器 1和一体化活性污泥反应器2。

生物膜反应器1中设置有附着生长的生物膜15的中空纤维膜14，生物膜反应器1并分别连通有进水管3、N₂O收集管道和一体化活性污泥反应器2，一体化活性污泥反应器2内置有微孔曝气器16，微孔曝气器16设于一体化活性污泥反应器2的反应区，在反应区上方一体化活性污泥反应器2一侧为沉降区，沉降区设置有相邻方向相对布置的斜板17，一体化活性污泥反应器2上方侧壁连通回流管5，将部分出水回流至生物膜反应器1。

生物膜反应器1中，中空纤维膜14组件与N₂O收集管道之间连接有气压计 8、真空泵9和N₂O收集装置10，并设有阀门11；通过中空纤维膜内腔的负压将生物膜反应器中产生的N₂O实时分离并收集。

生物膜反应器1上设有pH计7，并连通有HCl投加口6，通过出水口4连通进水管3连通至一体化活性污泥反应器2。

一体化活性污泥反应器2中，通过空压机12曝气的方式维持反应器好氧的环境条件(利用气体流量计13控制DO＝0.5-1.5mg/L)，活性污泥微生物将生活污水中的氨氮转化为硝酸盐，控制反应pH值为5.5-6.5，同时在分离区利用方向相异的斜板17完成泥水分离。通过回流将出水硝酸盐返至生物膜反应器，反应器出水的回流比为250-300％。

生物膜反应器1中，生物膜15附着生长在中空纤维膜14的外表面，分离膜为复合型分离膜，结构图见图2，基膜层203的主材为聚丙烯，利用纳米氧化铜 202进行改性，纳米氧化铜202分布在膜面的微孔201之间的基膜层203上，内表面主材为聚酰胺层204，内腔体的聚酰胺层平均孔径为40-60nm。生物膜反应器1利用一体化活性污泥反应器回流的硝酸盐与生活污水中的有机物进行反应，通过纳米氧化铜抑制氧化亚氮还原酶的活性将硝酸盐还原为N₂O，并利用真空泵 9抽负压(利用压力计8控制压力为0.1-0.3MPa)的方式将产生的N₂O实时分离，进入N₂O收集装置10。

经过25d的连续运行，本装置可实现生活污水中氨氮高效转化为N₂O，转化率达到85％以上。

下面以本技术处理生活污水为例，来进一步说明本发明效果。

模拟生活污水与一体化活性污泥反应器2的部分出水混合进入如图1所示的生物膜反应器1，生物膜反应器1中设置有膜分离组件，所用的中空纤维膜14 为复合型分离膜，基膜的主要材质为聚乙烯，利用纳米氧化亚铜202(图2)进行改性；中空纤维膜的内表面为聚酰胺层204(图2)，内表面的平均孔径为45nm。微生物附着生长在中空纤维膜14的外表面，形成生物膜15，通过投加0.1mmol 的盐酸控制生物膜反应器的pH值为6.0。中空纤维膜的内腔与气体流量计13、气压计8与真空泵9相连，反硝化生物膜形成后，开启气液分离功能，通过控制负压为0.3MPa将生物膜反应器产生的N₂O实时分离，并进入N₂O收集装置10，末端与阀门11相连。

在一体化活性污泥反应器2中，活性污泥微生物在曝气的条件下将生活污水中的氨氮转化为硝酸盐，并通过方向相异的斜板17完成泥水分离，出水经回流管5以300％的回流比返至生物膜反应器。

生物膜形成后，N₂O的转化效率见图3。气液分离功能开启初期，N₂O转化率仅有0.2％，随着N₂O还原酶活性的抑制以及实时将N₂O从反应器中分离，N₂O 的转化率逐步得到提升，在15d时，已经提升至40.6％；第24d时，N₂O的转化率达到86％，之后稳定在86-88％之间，实现了生活污水中低浓度氨氮稳定转化为N₂O的目标。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种将生活污水中氨氮转化为N₂O的装置，其特征在于，包括生物膜反应器和一体化活性污泥反应器；

生物膜反应器中中空纤维膜组件与N₂O收集装置之间连接有气压计和真空泵；生物膜反应器利用一体化活性污泥反应器出水中的硝酸盐和生活污水中的有机物进行反应，通过控制pH值为5.5-6.5，并抑制N₂O还原酶的活性，将硝酸盐还原为N₂O，通过中空纤维膜内腔的负压为0.1-0.3MPa，将生物膜反应器中产生的N₂O实时分离并收集；

所述中空纤维膜为复合型分离膜，基膜的主材为聚丙烯，生物膜附着生长在中空纤维膜的外表面，内表面主材为聚酰胺，内表面的平均孔径为40-60nm；

所述中空纤维膜的基膜利用纳米氧化铜进行改性。

2.根据权利要求1所述的一种将生活污水中氨氮转化为N₂O的装置，其特征在于，所述生物膜反应器上设有pH计，并连通有HCl投加口。

3.一种基于权利要求1-2任一项所述装置的将生活污水中氨氮转化为N₂O的方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用生活污水中的有机物与回流的硝酸盐反应，控制反应pH值，并通过中空纤维膜外表面的纳米氧化铜抑制氧化亚氮还原酶的活性，将硝酸盐还原为N₂O；利用中空纤维膜的内腔体负压方式将生物膜产生的N₂O实时分离。

4.根据权利要求3所述的将生活污水中氨氮转化为N₂O的方法，其特征在于，控制曝气DO=0.5-1.5mg/L。

5.根据权利要求3所述的将生活污水中氨氮转化为N₂O的方法，其特征在于，一体化活性污泥反应器出水的回流比为250-300%。