CN113754044B - 提高制膜废水氨化率的装置、方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于制膜废水处理技术领域，本发明公开了一种提高制膜废水氨化率的装置、方法及应用，其中装置包括：反应器、外电路系统和回流系统；所述的反应器内部设有阳极区和阴极区；所述的阳极区和阴极区分别与所述的外电路系统的阳极和阴极电连接；所述的阴极区远离所述的阳极区的一端设有曝气管；所述的提高制膜废水氨化率的装置上靠近曝气管的一端设有进水口，另一端设有出水口，所述的出水口和进水口在外部通过回流槽连通；所述的回流槽的下部设有与进水口连通的回流口。本发明的装置处理制膜废水时可改善废水的可生化性，又可大幅提高废水氨化率。

Description

提高制膜废水氨化率的装置、方法及应用
技术领域
本发明涉及制膜废水处理技术领域，具体涉及一种提高制膜废水氨化率的装置、方法及应用。
背景技术
本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的发明内容，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。
膜技术作为一种高效、节能和环保的分离技术，其在废水处理及资源化、工业产品精制等行业已体现出巨大潜力。随着膜技术的广泛应用及其应用领域的不断扩展，膜产品的需求量日益增加，由此产生的制膜废水排放量也随之增加。制膜废水具有成分复杂、有机氮含量高及可生化性差等特点，属于一种典型的高浓度难降解有机氮工业废水。
目前，针对含有N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)等有机物膜生产废水处理方法主要有物理法、化学法及生化法。相比之下，生化法运行成本低、反应条件温和，在制膜废水处理工艺中应用较为广泛。然而，生物系统中微生物受制膜废水毒性抑制的影响，废水中有机氮污染物在生物处理系统内未能有效地进行氨化反应，即有机氮转化为氨氮的过程受阻，导致系统出水存在因有机氮而造成总氮超标问题。因此，高含有机氮制膜废水强化氨化预处理成为亟待解决的难题。
近年来，国内外关于制膜废水中有机氮的氨化预处理工艺缺乏系统性研究，相关研究主要集中于有机氮高效降解菌株的筛选和分离。张艳梅等从皮革废水处理系统中的生化池单元分离出Brevundimonas sp.、Flavobacterium sp.、Nocardioidaceae sp.、Brevibacillus parabrevis和Stenotrophomonas sp.等混合高效菌，该组混合高效菌可利用DMF作为碳、氮源并将其降解。从混合菌群代谢规律发现，反应后期体系中释放出氨氮量约为理论值75％，有效地保证了后续有机氮的有效脱除。但是，混合高效菌可承受的最高污染物浓度有限，当超过限值时，降解效果显著降低。同时，在实际制膜废水应用中，高效菌易受废水中复杂基质的影响，有机氮氨化效果不稳定。因此限制了其在制膜废水领域的大规模应用。
水解酸化工艺作为预处理手段，因其启动快、抗冲击负荷能力强等特点，其在畜禽养殖、食品加工等易降解有机氮废水氨化预处理领域得到广泛应用。而针对难降解有机氮废水具有难氨化特点，单纯采用水解酸化工艺通常无法达到预期处理效果。因此，亟需基于水解酸化工艺开发强化新技术，以实现制膜废水中有机氮向氨氮的高效转化。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种提高制膜废水氨化率的装置、方法及应用，本发明的装置处理制膜废水时可改善废水的可生化性，又可大幅提高废水氨化率。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：
一种提高制膜废水氨化率的装置，包括：反应器、外电路系统和回流系统；所述的反应器内部设有阳极区和阴极区；所述的阳极区和阴极区分别与所述的外电路系统的阳极和阴极电连接；所述的阴极区远离所述的阳极区的一端设有曝气管；所述的提高制膜废水氨化率的装置上靠近曝气管的一端设有进水口，另一端设有出水口，所述的出水口和进水口在外部通过回流槽连通；所述的回流槽的下部设有与进水口连通的回流口。
进一步的，所述的阳极区由碳刷组成，所述的碳刷上远离阴极区的一端与所述的外电路系统的阳极电连接。
进一步的，所述的阴极区包括固定阴极组件圆盘、阴极组件和曝气管；所述的阴极组件阵列式地固定在所述的固定阴极组件圆盘上；所述的阴极组件远离阳极区的一端与所述的曝气管连接。
进一步的，所述的阴极组件由内到外依次包括微孔曝气管、不锈钢支撑管和碳毡。
进一步的，所述的曝气管与外部的流量计和曝气泵连通。
进一步的，所述的外电路系统包括直流电源和记录仪；所述的直流电源与所述的阳极区之间设有电阻；所述的电阻两端分别与所述的记录仪电连接，所述的阳极区和阴极区之间设有与所述的记录仪连接的参比电极。
第二方面，本发明提供了一种提高制膜废水氨化率的方法，采用上述的装置完成，包括如下步骤：
反应器接种污泥2.0-3.0g/L，将制膜废水由进水口引入反应器中，打开外电路系统，外加电压0.5-0.8V；保持反应器内温度为20-40℃；水力停留时间为18h；制膜废水经微电场强化水解酸化后由出水口和回流槽引至进水口。
进一步的，所述的反应器内的阴极区设有曝气管，所述的曝气管与外部的流量计和曝气泵连通，通过流量计和曝气泵调节曝气强度。
第三方面，本发明提供了一种上述的装置的应用，将所述的提高制膜废水氨化率的装置应用到制膜废水的处理中。
本发明实施例具有如下有益效果：
反应器阳极区和阴极区置于同一单元，且无离子交换膜，不存在膜污染问题。系统无需投加药剂或菌剂，只需施加微电流和阴极区适当曝气即可大幅提高制膜废水的氨化率，有效降低制膜废水毒性，吨水能耗约为0.08Kwh/t，能耗低。反应器阴极区设置曝气系统，一方面阴极区氧气作为电子受体可以接受来自阳极氧化有机物产生的电子，打开电子传递通路，提高阳极区反应速率；另一方面阴极区多余的氧气扩散至阳极，促进阳极区兼性微生物的生长，提高系统微生物活性及多样性。
附图说明
图1是本发明一实施例中可提高制膜废水氨化率的微电场强化水解酸化反应器系统结构示意图。
图2是本发明实施例中反应器固定阴极组件圆盘的俯视图。
图3是本发明实施例中反应器阴极区不锈钢支撑管的正视图。
图4是本发明实施例中反应器对照组和试验组制膜废水氨化效果。
图5是本发明实施例中反应器对照组和试验组进出水硝化抑制毒性比较。
图中，附图标记为：1、反应器进水桶；2、蠕动泵；3、曝气泵；4、流量计；5、阴极区；6、阳极区；7、固定阴极组件圆盘；8、阴极组件；9、曝气管；10、碳刷；11、参比电极；12、电阻；13、直流电源；14、无纸记录仪；15、回流槽；100、微电场强化水解酸化反应器。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请进行进一步的介绍。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。不同实施例之间可以替换或者合并组合，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施方式。
结合附图1，一种提高制膜废水氨化率的装置，包括：反应器100、外电路系统和回流系统；所述的反应器100内部设有阳极区6和阴极区5；所述的阳极区6和阴极区5分别与所述的外电路系统的阳极和阴极电连接；所述的阴极区5远离所述的阳极区6的一端设有曝气管9；所述的提高制膜废水氨化率的装置上靠近曝气管9的一端设有进水口，另一端设有出水口，所述的出水口和进水口在外部通过回流槽15连通；所述的回流槽15的下部设有与进水口连通的回流口。
上述方案已经可以实现改善废水的可生化性，又可大幅提高废水氨化率的目的，下面在此基础上给出一些优选方案。
在一些实施例中，制膜废水由反应器进水桶1和蠕动泵2引入到反应器中，反应器进水桶1通过管道与所述的进水口连通。
在本发明的一些实施例中，阳极区6由定制碳刷组成，碳刷顶端与钛丝相连，钛丝另一端与反应器外直流电源13正极相连。
结合附图2和3，在本发明的一些实施例中，阴极区5由固定阴极组件圆盘7、阴极组件8、曝气管9组成。阴极组件8从里到外由微孔曝气管、不锈钢支撑管(如图3所示)及碳毡(图中未示出)组成。阴极组件8阵列式地排列在固定阴极组件圆盘7上，固定阴极组件圆盘7采用有机玻璃板材质，上面均匀地设有直径5mm系列布水孔及3个直径13mm固定阴极组件的孔(如图2所示)。阴极组件8底部连接在曝气管9上，曝气管8与反应器外流量计4和曝气泵3相连。将钛丝均匀地缠绕于阴极组件8外层的碳毡上，钛丝一端与反应器外直流电源13负极相连。所述不锈钢支撑管周围均匀布满小孔，其便于氧气扩散至碳毡以供微生物利用，且不锈钢的导电性为阴极区微生物还原反应的提供条件。所述不锈钢支撑管将微孔曝气管和碳毡分开，有效地避免了两者因直接接触而造成曝气不均的现象。所述碳毡均匀地缠绕于不锈钢支撑管周围，碳毡具有较大的比表面积和较好的导电性，为微生物的附着和还原反应器提供了场所。
所述的微孔曝气管孔径为30-40微米，该尺寸为阴极0.2-0.3mg/L的DO浓度提供了保障。
在本发明的一些实施例中，所述的曝气管9与外部的流量计4和曝气泵3连通。
在本发明的一些实施例中，所述的外电路系统包括直流电源13和记录仪14；所述的直流电源13与所述的阳极区6之间设有电阻12；所述的电阻12两端分别与所述的记录仪14电连接，所述的阳极区6和阴极区5之间设有与所述的记录仪14连接的参比电极11。在一些实施例中，采用无纸记录仪仪实时记录系统电流及阴阳电势。应当理解，本发明的记录仪的种类不作限定，本领域技术人员可以根据需要选择本领域常用的记录仪。
一种提高制膜废水氨化率的方法，采用上述的装置完成，包括如下步骤：
反应器接种污泥2.0-3.0g/L，将制膜废水由进水口引入反应器中，打开外电路系统，外加电压0.5-0.8V；保持反应器内温度为20-40℃；水力停留时间为18h；制膜废水经微电场强化水解酸化后由出水口和回流槽引至进水口。
在本发明的一些实施例中，所述的反应器100内的阴极区5设有曝气管9，所述的曝气管9与外部的流量计4和曝气泵3连通，通过流量计4和曝气泵3调节曝气强度。
一种上述的装置的应用，将所述的提高制膜废水氨化率的装置应用到制膜废水的处理中。
反应器阳极区和阴极区置于同一单元，且无离子交换膜，不存在膜污染问题。系统无需投加药剂或菌剂，只需施加微电流和阴极区适当曝气即可大幅提高制膜废水的氨化率，有效降低制膜废水毒性，吨水能耗约为0.08Kwh/t，能耗低。反应器阴极区设置曝气系统，一方面阴极区氧气作为电子受体可以接受来自阳极氧化有机物产生的电子，打开电子传递通路，提高阳极区反应速率；另一方面阴极区多余的氧气扩散至阳极，促进阳极区兼性微生物的生长，提高系统微生物活性及多样性。
下面结合具体实例来对本发明方案的优点进行详细说明，应当理解，以下实例是为了方便理解，不作为对本发明的限定。
如图1、图4和图5所示，通过实施例1中反应器做试验反应器并设置一个对照反应器进行制膜废水处理试验，对照反应器除无阴极区曝气系统和无外加直流电源外，其他条件均与上述反应器相同。对照组反应器称作R-HA，试验反应器称作R-EHA。
反应器的主体为有机玻璃，反应器接种的污泥浓度2.0-3.0g/L，水力停留时间为18h。反应器的外部设置有水浴保温装置，保持反应器内部温度为30℃左右。施加电压为0.8V，由直流电源13提供。
进水为制膜实际生产废水，废水COD为4998±156mg/L，NH3-N为0.6±0.2mg/L，TN为599±96mg/L。
试验分别考察了4个不同阶段(如表1)下制膜废水氨化效果，如图4所示。试验阶段I和II中对照组和试验组对制膜废水氨化效果相当，无明显差异。而在外加电压0.8V且阴极适当曝气(试验阶段III)的条件下,试验组的氨化率比对照组高约为20％左右。关闭直流电源仅在阴极适当曝气(试验阶段IV)条件下，对照组氨化率未发生明显变化，而试验组氨化率较阶段III呈大幅降低趋势。
进水、对照组及试验组阶段III出水的硝化抑制性如图5所示。进水的硝化抑制率为85.6％，对照组阶段III出水硝化抑制率为72.3％，试验组阶段III出水硝化抑制率为43.2％。在试验组阶段III操作条件下，制膜废水对硝化细菌毒性得到大幅削减。
表1不同运行阶段下试验操作条件
Figure BDA0003259138700000061
Figure BDA0003259138700000071
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上介绍仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高制膜废水氨化率的装置的应用，其特征在于，所述的提高制膜废水氨化率的装置包括：反应器、外电路系统和回流系统；所述的反应器内部设有阳极区和阴极区；所述的阳极区和阴极区分别与所述的外电路系统的阳极和阴极电连接；所述的阴极区远离所述的阳极区的一端设有曝气管；所述的提高制膜废水氨化率的装置上靠近曝气管的一端设有进水口，另一端设有出水口，所述的出水口和进水口在外部通过回流槽连通；所述的回流槽的下部设有与进水口连通的回流口；
将所述的提高制膜废水氨化率的装置应用到制膜废水的处理中。
2.根据权利要求1所述的提高制膜废水氨化率的装置的应用 ，其特征在于，所述的阳极区由碳刷组成，所述的碳刷上远离阴极区的一端与所述的外电路系统的阳极电连接。
3.根据权利要求1所述的提高制膜废水氨化率的装置的应用，其特征在于，所述的阴极区包括固定阴极组件圆盘、阴极组件和曝气管；所述的阴极组件阵列式地固定在所述的固定阴极组件圆盘上；所述的阴极组件远离阳极区的一端与所述的曝气管连接。
4.根据权利要求3所述的提高制膜废水氨化率的装置的应用，其特征在于，所述的阴极组件由内到外依次包括微孔曝气管、不锈钢支撑管和碳毡。
5.根据权利要求1所述的提高制膜废水氨化率的装置的应用，其特征在于，所述的曝气管与外部的流量计和曝气泵连通。
6.根据权利要求1所述的提高制膜废水氨化率的装置的应用，其特征在于，所述的外电路系统包括直流电源和记录仪；所述的直流电源与所述的阳极区之间设有电阻；所述的电阻两端分别与所述的记录仪电连接，所述的阳极区和阴极区之间设有与所述的记录仪连接的参比电极。
7.一种提高制膜废水氨化率的方法，其特征在于，采用提高制膜废水氨化率的装置完成，所述的提高制膜废水氨化率的装置包括：反应器、外电路系统和回流系统；所述的反应器内部设有阳极区和阴极区；所述的阳极区和阴极区分别与所述的外电路系统的阳极和阴极电连接；所述的阴极区远离所述的阳极区的一端设有曝气管；所述的提高制膜废水氨化率的装置上靠近曝气管的一端设有进水口，另一端设有出水口，所述的出水口和进水口在外部通过回流槽连通；所述的回流槽的下部设有与进水口连通的回流口；
提高制膜废水氨化率的方法包括如下步骤：
反应器接种污泥2.0-3.0 g/L，将制膜废水由进水口引入反应器中，打开外电路系统，外加电压0.5-0.8V；保持反应器内温度为20-40℃；水力停留时间为18 h；制膜废水经微电场强化水解酸化后由出水口和回流槽引至进水口。
8.根据权利要求7所述的提高制膜废水氨化率的方法，其特征在于，所述的反应器内的阴极区设有曝气管，所述的曝气管与外部的流量计和曝气泵连通，通过流量计和曝气泵调节曝气强度。
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