CN113582455A - 一种处理高浓度氮废水的厌氧系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种处理高浓度氮废水的厌氧系统及方法，该系统包含升流式厌氧反应器、管式膜分离装置、循环泵、电化学反应器组成，所述升流式厌氧反应器与循环泵、管式膜分离装置、电化学反应器之间通过循环管道连接形成循环回路。方法是采用上述系统对氮废水进行脱氮处理。由于耐受进水浓度提高，本发明厌氧生物反应器可以直接处理显影液废液而不需要进行稀释。一方面节省了稀释水，另一方面降低了内部三相分离器等组件的处理负荷，以及降低了进水泵及附属管道阀门等设施的投资成本，且脱氮率高，避免高浓度氮废水对厌氧微生物活性产生抑制。
Description
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种处理高浓度氮废水的厌氧系统及方法。
背景技术
厌氧生化工艺是处理含有高浓度有机氮化合物废水的一种有效方法。在厌氧条件下，废水中的有机氮化合物被厌氧微生物高效分解为氨和甲烷，实现有机氮向氨氮的转化，以及沼气的回收利用。然后再采取好氧生化或吹脱等工艺对废水进一步脱氮处理。
由于水中高浓度的氨会抑制厌氧微生物的产甲烷活性，当采用常见厌氧生物反应器处理含高浓度有机氮废水时，往往需要先将废水稀释，降低废水中有机氮浓度后才可进入厌氧生物反应器处理。
以液晶面板工厂排放的显影液废液的厌氧生化处理为例。液晶面板工厂在生产过程中排放具有强碱性、腐蚀性和毒性的高浓度显影液废液，废液主要成分是四甲基氢氧化铵（Tetramethylammonium hydroxide，下文简称TMAH）。该物质是一种有机氮化合物，在废液中的浓度最高达23800mg/L。有公开资料表明，TMAH可在中温厌氧条件下被微生物分解为甲烷和氨。由于高浓度的氨会抑制厌氧微生物的产甲烷活性，当采用常见厌氧生物反应器处理显影液废液时，需先将废液稀释，降低废液中TMAH浓度后才可进入厌氧生物反应器处理，厌氧生化进水最高可承受TMAH浓度为12000mg/L。
中国发明专利申请CN112624509A公开了一种一种基于厌氧氨氧化的废水高效脱氮系统和方法，该系统包括一体式厌氧氨氧化反应器和曝气池，二者之间通过管道连接形成外置曝气循环回路，采用一体式连续流模式，包括一体式厌氧氨氧化反应器和曝气池，所述一体式厌氧氨氧化反应器与曝气池之间通过管道连接形成外置曝气循环回路，虽然该专利可处理一定浓度的氮废水，但处理浓度大约为氨氮含量约为2400mg/L，无法处理高浓度氮废水，并且实现的脱氮率在83%左右，实现效果不佳。
发明内容
针对上述背景技术中存在的问题及现有技术的不足，本发明特提出一种处理高浓度氮废水的厌氧系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，包含升流式厌氧反应器、管式膜分离装置、电化学反应器，所述升流式厌氧反应器与管式膜分离装置、电化学反应器之间通过循环管道连接形成循环回路。
进一步，所述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，所述的升流式厌氧反应器与管式膜分离装置之间的连接管道上设置有循环泵，循环泵从厌氧反应器上部抽出厌氧污泥混合液，并将其输送至管式膜分离装置。
进一步，所述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，其升流式厌氧反应器在升流式厌氧反应器底部安装有布水器，其功能是将厌氧反应器进水与回流的膜浓缩液均匀分配至反应器过流断面上。其中，布水器形式为穿孔布水管。厌氧反应器上部安装有三相分离器，对厌氧污泥混合液和厌氧反应产生的沼气进行三相分离。分离后的上清液从出水口流出厌氧反应器。分离后的厌氧污泥在重力作用下回流至厌氧反应区。分离后的沼气汇集在厌氧反应器顶部，通过管道从反应器顶部引出。在三相分离器下方安装循环液吸水管，循环泵通过循环液吸水管将反应器内的厌氧污泥混合液吸出，并输送入管式膜分离装置进行过滤分离。其中，循环液吸水管的形式为穿孔管。
进一步，所述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，所述的管式膜分离装置由两级管式膜组件串联组成，管式膜材质采用陶瓷或聚偏氟乙烯（PVDF）。管式膜组件采用错流过滤模式运行。厌氧污泥混合液流经管式膜组件后，大量膜浓缩液经管道回流至厌氧反应器进水管，与高浓度TMAH废水混合，再经布水器进入厌氧反应器底部。
进一步，所述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，所述的电化学反应器内平行安装交错排列的阳电极板和阴电极板，电极板间距为2mm，阳电极板材质为钛基钌铱涂层，阴电极板材质为纯钛。阳电极板和阴电极板通过电缆分别与外部直流电源的正极和负极相连。经电化学反应器处理后的膜透过液回流至厌氧反应器底部，与进水和厌氧污泥混合液混合，可降低厌氧反应器内氨的浓度。
基于一个总的技术构思，本发明采用上述一种处理高浓度氮废水的方法，包含以下步骤：
S1:在进入厌氧生物反应器处理前，高浓度显影液废液已经经过pH调节和混凝沉淀预处理，其中pH调节所用酸为盐酸。高浓度显影液废液被输送入升流式厌氧反应器处理，在中温厌氧条件下，废液中的有机氮化合物TMAH被厌氧微生物分解为甲烷和氨。
S2:安装在升流式厌氧反应器底部的布水器将厌氧反应器进水与回流的膜浓缩液均匀分配至反应器过流断面上，厌氧反应器上部安装有三相分离器，对厌氧污泥混合液和厌氧反应产生的沼气进行三相分离。分离后的上清液从出水口流出厌氧反应器。分离后的厌氧污泥在重力作用下回流至厌氧反应区。分离后的沼气汇集在厌氧反应器顶部，通过管道从反应器顶部引出。
S3:在三相分离器下方安装循环液吸水管，循环泵通过循环液吸水管将反应器内的厌氧污泥混合液吸出，并输送入管式膜分离装置进行过滤分离。
S4:厌氧污泥混合液流经管式膜组件后，大量膜浓缩液回流至厌氧反应器进水管，与高浓度TMAH废水混合，再经布水器进入厌氧反应器底部。在膜浓缩液大流量回流的情况下，进水中的高浓度TMAH被稀释，降低了厌氧反应器底部进水中TMAH的浓度，避免高浓度TMAH对厌氧微生物活性产生抑制。厌氧污泥混合液经管式膜分离后，膜浓缩液直接回流至厌氧反应器底部，膜透过液进入电化学反应器处理。
S5:在电化学反应器中，膜透过液中的高浓度氨被氧化分解为氮气去除。膜透过液经电化学反应器处理后再回流至厌氧反应器底部，与进水和厌氧污泥混合液混合，可降低厌氧反应器内氨的浓度。
如上述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统的方法，在所述步骤S1中预处理中所用酸优选为盐酸，将高浓度浓度显影废液的pH调节为中性。
如上述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统的方法，在所述步骤S2中布水器形式为穿孔布水管，可以将厌氧反应器进水与回流的膜浓缩液均匀分配至反应器过流断面上。所述步骤S3中循环液吸水管的形式为穿孔管。
如上述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统的方法，在所述步骤S4中，管式膜分离装置的处理水量（透过液水量）与厌氧生物反应器处理原水量的比例为80%--150%；管式膜组件的膜面流速为1--5m/s；管式膜材质采用陶瓷或聚偏氟乙烯（PVDF）；管式膜组件的透过液进入电化学反应器处理。在电化学反应器进水管上投加NaOH药剂，调节进水pH值为9。
如上述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统的方法，在所述步骤S5中电化学反应器处理膜透过液的电流密度200--460A/m2，反应时间为45--75min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）采用厌氧生化工艺处理含高浓度TMAH的显影液废液时，常见厌氧生物反应器耐受进水TMAH最高浓度为12000mg/L，本发明厌氧生物反应器耐受进水TMAH最高浓度可达23800mg/L。由于耐受进水浓度提高，本发明厌氧反应器可以直接处理显影液废液而不需要进行稀释。一方面节省了稀释水，另一方面降低了内部三相分离器等组件的处理负荷，以及降低了进水泵及附属管道阀门等设施的投资成本。
（2）本发明厌氧反应器在处理含高浓度有机氮废水时，不仅可以将废水中有机氮化合物高效转化为氨氮，还具有去除氨氮和总氮的能力。在处理含高浓度TMAH的显影液废液时，总氮去除率可达50%左右。
（3）本发明厌氧反应器的大流量循环泵，不仅可以满足外置式管式膜分离装置对膜面错流流速的要求，还能将大流量膜浓缩液回流至厌氧反应器进口与高浓度TMAH废水混合，降低厌氧反应器进水中TMAH的浓度，避免高浓度TMAH对厌氧微生物活性产生抑制。
附图说明
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、完整的描述。
图1是本发明一种处理高浓度氮废水的厌氧系统的流态图。
图2是本发明一种处理高浓度氮废水的厌氧系统的结构示意图。
其中1、升流式厌氧反应器，1-1、布水器，1-2、循环液吸水管，1-3、三相分离器，2、循环泵，3、管式膜分离装置，3-1、一级管式膜组件，3-2、二级管式膜组件，4、电化学反应器，5-直流电源。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
结合图1和图2所示，一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，包含升流式厌氧反应器1、管式膜分离装置3、电化学反应器4，所述升流式厌氧反应器1与管式膜分离装置3、电化学反应器4之间通过循环管道连接形成循环回路。所述的升流式厌氧反应器1与管式膜分离装置3之间的连接管道上设置有循环泵2，循环泵从厌氧反应器1上部抽出厌氧污泥混合液，并将其输送至管式膜分离装置3。
在进入厌氧生物反应器1处理前，高浓度显影液废液已经经过pH调节和混凝沉淀预处理，其中pH调节所用酸为盐酸。高浓度显影液废液被输送入升流式厌氧反应器处理，在中温厌氧条件下，废液中的有机氮化合物TMAH被厌氧微生物分解为甲烷和氨。
所述的升流式厌氧反应器1在升流式厌氧生物反应器1底部安装有布水器1-1，其功能是将厌氧反应器1进水与回流的膜浓缩液均匀分配至反应器过流断面上。其中，布水器1-1形式为穿孔布水管。厌氧反应器上部安装有三相分离器1-3，对厌氧污泥混合液和厌氧反应产生的沼气进行三相分离。分离后的上清液从出水口流出厌氧反应器。分离后的厌氧污泥在重力作用下回流至厌氧反应区。分离后的沼气汇集在厌氧反应器顶部，通过管道从反应器顶部引出。在三相分离器下方安装循环液吸水管1-2，循环泵2通过循环液吸水管1-2将厌氧反应器1内的厌氧污泥混合液吸出，并输送入管式膜分离装置3进行过滤分离。其中，循环液吸水管1-2的形式为穿孔管。
所述的管式膜分离装置3由两级管式膜组件3-1、3-2串联组成，管式膜材质采用陶瓷或聚偏氟乙烯（PVDF）。管式膜组件3-1、3-2采用错流过滤模式运行。管式膜分离装置3的处理水量（透过液水量）与厌氧生物反应器1处理原水量的比例为80%--150%；管式膜组件3-1、3-2的膜面流速为1--5m/s；管式膜组件3-1、3-2的透过液进入电化学反应器4处理。在电化学反应器4进水管上投加NaOH药剂，调节进水pH值为9。厌氧污泥混合液流经管式膜组件3-1、3-2后，大量膜浓缩液经管道回流至厌氧反应器1进水管，与高浓度TMAH废水混合，再经布水器1-1进入厌氧反应器1底部。
所述的电化学反应器4内平行安装交错排列的阳电极板和阴电极板，电极板间距为2mm，阳电极板材质为钛基钌铱涂层，阴电极板材质为纯钛。阳电极板和阴电极板通过电缆分别与外部直流电源5的正极和负极相连。电化学反应器处理膜透过液的电流密度200--460A/m2，反应时间为45--75min。其中，膜透过液中主要含氨根离子和氯离子，在电化学反应器4中，在直流电场作用下，氨被氧化分解为氮气去除，反应方程式如下：
2Cl- - 2e → Cl2
Cl2 + H2O → HClO + Cl- +H+
2NH3 + 3HClO → N2↑ + 3H+ + 3Cl- +3H2O
膜透过液经电化学反应器4处理后，水中氨浓度大幅降低，将其回流至厌氧反应器1底部，与进水和厌氧污泥混合液混合，可降低厌氧反应器1内氨的浓度，消除高浓度氨对厌氧微生物的抑制，使厌氧反应器1可以耐受更高浓度的进水TMAH。
实施例1
采用本发明所述厌氧生物反应器1处理一液晶面板工厂排放的含有高浓度TMAH的显影液废液，废液量为5m3/h，废液中TMAH浓度为18500mg/L。在进入厌氧生物反应器处理前，显影液废液已经过pH调节和混凝沉淀预处理，其中pH调节所用酸为盐酸。
在本实施例中，厌氧生物反应器1的各项工艺参数如下：
厌氧生物反应器1容积为480m3，反应器形式为圆柱形升流式反应器，反应器直径为6m，高18m。
管式膜分离装置3的处理水量（透过液水量）为4m3/h，与厌氧生物反应器处理原水量的比例为80%。
管式膜材质采用陶瓷膜，膜孔径为200nm，膜面流速为5m/s。
循环泵流量为160m3/h。
电化学反应器处理膜透过液的电流密度为200A/m2，反应时间为75min。
膜透过液经电化学反应器处理后，水中氨浓度降低至20mg/L。
在该实施例中，高浓度显影液废液未经稀释，直接进入厌氧生物反应器处理。原水中TMAH浓度为18500mg/L，总氮浓度为2840mg/L。厌氧生物反应器出水TMAH浓度为280mg/L，氨氮浓度为1500mg/L，总氮浓度为1560mg/L，TMAH去除率达98.5%，总氮去除率达45.1%。
实施例2
采用本发明所述厌氧生物反应器处理一液晶面板工厂排放的含有高浓度TMAH的显影液废液，废液量为5m3/h，废液中TMAH浓度为22500mg/L。在进入厌氧生物反应器处理前，显影液废液已经过pH调节和混凝沉淀预处理，其中pH调节所用酸为盐酸。
在本实施例中，厌氧生物反应器的各项工艺参数如下：
厌氧生物反应器容积为480m3，反应器形式为圆柱形升流式反应器，反应器直径为6m，高18m。
管式膜分离装置的处理水量（透过液水量）为6m3/h，与厌氧生物反应器处理原水量的比例为120%。
管式膜材质采用陶瓷膜，膜孔径为200nm，膜面流速为4m/s。
循环泵流量为255m3/h。
电化学反应器处理膜透过液的电流密度为320A/m2，反应时间为60min。
膜透过液经电化学反应器处理后，水中氨浓度降低至15mg/L。
在该实施例中，高浓度显影液废液未经稀释，直接进入厌氧生物反应器处理。原水中TMAH浓度为22500mg/L，总氮浓度为3460mg/L。厌氧生物反应器出水TMAH浓度为460mg/L，氨氮浓度为1520mg/L，总氮浓度为1585mg/L，TMAH去除率达98.0%，总氮去除率达54.2%。
实施例3
采用本发明所述厌氧生物反应器处理一液晶面板工厂排放的含有高浓度TMAH的显影液废液，废液量为5m3/h，废液中TMAH浓度为23800mg/L。在进入厌氧生物反应器处理前，显影液废液已经过pH调节和混凝沉淀预处理，其中pH调节所用酸为盐酸。
在本实施例中，厌氧生物反应器的各项工艺参数如下：
厌氧生物反应器容积为600m3，反应器形式为圆柱形升流式反应器，反应器直径为6.5m，高18m。
管式膜分离装置的处理水量（透过液水量）为7.5m3/h，与厌氧生物反应器处理原水量的比例为150%。
管式膜材质采用聚偏氟乙烯，膜孔径为30nm，膜面流速为1m/s。
循环泵流量为120m3/h。
电化学反应器处理膜透过液的电流密度为460A/m2，反应时间为45min。
膜透过液经电化学反应器处理后，水中氨浓度降低至45mg/L。
在该实施例中，高浓度显影液废液未经稀释，直接进入厌氧生物反应器处理。原水中TMAH浓度为23800mg/L，总氮浓度为3660mg/L。厌氧生物反应器出水TMAH浓度为600mg/L，氨氮浓度为1490mg/L，总氮浓度为1580mg/L，TMAH去除率达97.5%，总氮去除率达56.8%。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式之一，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，其特征在于包含升流式厌氧反应器（1）、管式膜分离装置（3）、电化学反应器（4）组成，所述升流式厌氧反应器（1）与管式膜分离装置（3）、电化学反应器（4）之间通过循环管道连接形成循环回路。
2.根据权利要求1所述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，其特征在于升流式厌氧反应器（1）与管式膜分离装置（3）之间的连接管道上设置有有循环泵（2），循环泵（2）从升流式厌氧反应器（1）上部抽出厌氧污泥混合液，并将其输送至管式膜分离装置（3）。
3.根据权利要求1所述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，其特征在于所述的升流式厌氧反应器（1）在底部安装有布水器（1-1），布水器（1-1）形式为穿孔布水管；升流式厌氧反应器（1）上部安装有三相分离器（1-3），对厌氧污泥混合液和厌氧反应产生的沼气进行三相分离；分离后的上清液从出水口流出升流式厌氧反应器（1）；分离后的厌氧污泥在重力作用下回流至厌氧反应区；分离后的沼气汇集在升流式厌氧反应器（1）顶部，通过管道从反应器顶部引出；在三相分离器下方安装循环液吸水管（1-2），循环泵（2）通过循环液吸水管（1-2）将反应器内的厌氧污泥混合液吸出，并输送入管式膜分离装置（3）进行过滤分离；其中，循环液吸水管（1-2）的形式为穿孔管。
4.根据权利要求1所述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，其特征在于所述的管式膜分离装置（3）由两级管式膜组件（3-1、3-2）串联组成，其材质采用陶瓷或聚偏氟乙烯（PVDF）；管式膜组件（3-1、3-2）采用错流过滤模式运行；厌氧污泥混合液流经管式膜组件（3-1、3-2）后，大量膜浓缩液经管道回流至升流式厌氧反应器（1）进水管，与高浓度TMAH废水混合，再经布水器（1-2）进入反应器底部。
5.根据权利要求1所述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统，其特征在于所述的电化学反应器（4）内平行安装交错排列的阳电极板和阴电极板，电极板间距为2mm，阳电极板材质为钛基钌铱涂层，阴电极板材质为纯钛；阳电极板和阴电极板通过电缆分别与外部直流电源（5）的正极和负极相连；膜透过液经电化学反应器（4）处理后的膜透过液回流至升流式厌氧反应器（1）底部，与进水和厌氧污泥混合液混合，可降低升流式厌氧反应器（1）内氨的浓度。
6.一种处理高浓度氮废水的方法，其特征在于，采用权利要求1～5中任一项所述的一种处理高浓度氮废水的厌氧系统对氮废水进行处理。
7.根据权利要求6所述的一种处理高浓度氮废水的方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1:在进入升流式厌氧反应器（1）处理前，高浓度显影液废液已经经过pH调节和混凝沉淀预处理，其中pH调节所用酸优选为盐酸；高浓度显影液废液被输送入升流式厌氧反应器（1）处理，在中温厌氧条件下，废液中的有机氮化合物TMAH被厌氧微生物分解为甲烷和氨；
S2:安装在升流式厌氧反应器（1）底部的布水器（1-1）将升流式厌氧反应器（1）进水与回流的膜浓缩液均匀分配至反应器过流断面上，厌氧反应器上部安装有三相分离器，对厌氧污泥混合液和厌氧反应产生的沼气进行三相分离；分离后的上清液从出水口流出升流式厌氧反应器（1）；分离后的厌氧污泥在重力作用下回流至厌氧反应区；分离后的沼气汇集在升流式厌氧反应器（1）顶部，通过管道从反应器顶部引出；
S3:在三相分离器（1-3）下方安装循环液吸水管（1-2），循环泵（2）通过循环液吸水管（1-2）将反应器内的厌氧污泥混合液吸出，并输送入管式膜分离装置进行过滤分离；
S4:厌氧污泥混合液流经管式膜组件（3-1、3-2）后，大量膜浓缩液回流至升流式厌氧反应器（1）进水管，与高浓度TMAH废水混合，再经布水器（1-1）进入升流式厌氧反应器（1）底部；在膜浓缩液大流量回流的情况下，进水中的高浓度TMAH被稀释，降低了升流式厌氧反应器（1）底部进水中TMAH的浓度，避免高浓度TMAH对厌氧微生物活性产生抑制；厌氧污泥混合液经管式膜组件（3-1、3-2）分离后，膜浓缩液直接回流至升流式厌氧反应器（1）底部，膜透过液进入电化学反应器（4）处理；
S5:在电化学反应器（4）中，膜透过液中的高浓度氨被氧化分解为氮气去除，膜透过液经电化学反应器（4）处理后再回流至升流式厌氧反应器（1）底部，与进水和厌氧污泥混合液混合，可降低升流式厌氧反应器（1）内氨的浓度。
8.根据权利要求7所述的一种处理高浓度氮废水的方法，其特征在于，所述步骤S2中布水器（1-1）形式为穿孔布水管，所述步骤S3中循环液吸水管（1-2）的形式为穿孔管。
9.根据权利要求7所述的一种处理高浓度氮废水的方法，其特征在于所述步骤S4中，管式膜分离装置（3）的处理水量（透过液水量）与升流式厌氧反应器（1）处理原水量的比例为80%--150%；管式膜组件（3-1、3-2）的膜面流速均为1--5m/s；管式膜组件（3-1、3-2）的透过液进入电化学反应器（4）处理；在电化学反应器（4）进水管上投加NaOH药剂，调节进水pH值为9。
10.根据权利要求7所述的一种处理高浓度氮废水的方法，其特征在于所述步骤S5中电化学反应器（4）处理膜透过液的电流密度200--460A/m2，反应时间为45--75min。
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