CN114790037B - 一种控制co2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置及处理含硝酸盐污水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置及处理含硝酸盐污水的方法，属于水净化技术领域。本发明建立独立的CO2供给系统，通过监测其缓冲池中的CO2浓度，实现向氢基质生物膜主反应器系统定量化供给CO2的目的；利用CO2供给系统精确添加的CO2同时作为氢自养微生物的无机碳源和控制系统pH，使得H2‑MBfR在脱氮过程中保持长期高效稳定运行，为氢基质生物膜反应器技术在水处理领域的推广和规模化应用提供新思路。本发明提供的控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置处理效果好、结构简单、能精确控制CO2添加量和系统pH，可进行工程放大。
Description
技术领域
本发明涉及水净化技术领域，尤其涉及一种控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置及处理含硝酸盐污水的方法。
背景技术
硝酸盐污染已成为水体污染中相当普遍的环境问题。世界各地均有大量关于水体硝酸盐污染的报道，在发达国家一些地区地下水中硝酸盐浓度能达到40～50mg N/L，甚至有些地区中地下水和井水中的硝酸盐浓度高达500～700mg N/L。据Zhang等(Tracingnitrate pollution sources and transformation in surface-and ground-watersusing environmental isotopes,Science ofThe Total Environment,2014.490(1):213-222)对华北平原地区地表水和地下水中的硝酸盐污染进行取样分析，大约46.7％的地表水样本和10％的地下水样本超过了世界卫生组织(WHO)的硝酸盐饮用水标准。水体硝酸盐污染的高效、低成本处理仍是全球性环境治理的热点和难点问题。
传统的物理化学脱氮技术，如吸附、膜过滤、电渗析、光/电催化和化学还原等，虽然能够分离或降解硝酸盐，但由于高耗能和后处理要求较高而难以大规模应用。氢基质生物膜反应器(H2-MBfR)是一种用于处理水体氧化性污染物的新兴技术，在处理硝酸盐污染上具有诸多优势。H2-MBfR以无毒、廉价的氢气作为电子供体，以无机碳为碳源，具有较高硝酸盐去除效率、无二次污染物、电子供体氢气利用率高(H2-MBfR采用中空纤维膜以无泡形式将氢气扩散至膜外的生物膜中，氢气利用率可达100％)等特点，受到了环境工作者和科研人员的广泛青睐，被认为是一种极具前景的水处理技术。然而，目前为止，H2-MBfR的进一步开发和扩大工程化应用仍面临着一些挑战，其中一个主要技术难题是无机碳源添加和pH控制。
H2-MBfR处理硝酸盐污染一个显著特征是氢自养反硝化作用过程中会消耗质子(公式1：NO3 -+4.48H2+0.86CO2+H+＝0.41N2+0.17C5H7O2N+4.38H2O)，使反应器内pH值升高，如不加以调控，会导致脱氮效率降低，同时产生一些有害中间物质(如NO2 -、NO、N2O等)或产生硬度离子沉淀导致膜污染。根据文献报道，H2-MBfR中现有常用的pH调控方法包括添加磷酸盐缓冲液、碳酸氢盐、盐酸和CO2等。有学者研究表明，添加CO2同时作为氢自养微生物的无机碳源和控制系统pH是一种优选的方法(Wu等,Hydroge n-based membrane biofilmreactors for nitrate removal from water and was tewater,International Journalof Hydrogen Energy,2018.43(1):1-15；Tang 等,A pH-control model forheterotrophic and hydrogen-based autotrophic d enitrification,Water Research,2011.45(1):232-240)。然而，采用CO2作为无机碳源和控制系统pH关键在于精确控制CO2的添加量。因为，CO2的供应不足会导致微生物碳源不足和pH控制效果不佳，而过量的CO2会导致反应器混合液酸化，降低反硝化效率并可能对系统造成不可逆损害。专利201310698439.1提出了将不同中空纤维膜组件同时放入一个反应池中，一些膜组件用于供应氢气，另一些膜组件用于供应CO2。然而，这种集成系统应用于实际的水处理工程，存在着一定的局限性：例如，(1)CO2膜组件不可避免地会发生膜污染和生物膜生长，这将增加CO2精确添加的难度；(2)如果 CO2膜组件发生泄漏，会导致系统pH值的快速下降，可能会对微生物活性和反应器造成不可逆的损害。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置及处理含硝酸盐污水的方法，能够利用独立的CO2供给系统精确添加 CO2，同时作为氢自养微生物的无机碳源和控制系统pH，实现对硝酸盐的快速、稳定和高效去除。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置，包括氢基质生物膜主反应器系统和CO2供给系统；
所述氢基质生物膜主反应器系统包括原水箱、反应池、进水管路系统、出水管路系统、回流管路系统和供氢系统；所述反应池中设置有氢气膜组件；所述供氢系统与反应池中氢气膜组件的两个端口相连；所述反应池、进水管路系统和回流管路系统三通连接，所述反应池、出水管路系统和回流管路系统三通连接；所述反应池、进水管路系统、出水管路系统和回流管路系统形成循环回路；
所述CO2供给系统包括去离子水箱、循环系统、CO2供应瓶和CO2膜组件；所述CO2供应瓶与CO2膜组件的两个端口相连；所述循环系统分别与 CO2膜组件的进水端和出水端相连；所述去离子水箱与所述CO2膜组件的进水端相连，且所述去离子水箱与循环系统连通；
所述氢基质生物膜主反应器系统和CO2供给系统通过缓冲池相连，所述缓冲池设置于所述循环系统的管路上，且所述缓冲池与所述氢基质生物膜主反应器系统的进水管路系统连通，所述缓冲池中为含有CO2的水。
优选的，所述反应池呈垂直放置，所述氢气膜组件含有32根中空纤维膜丝。
优选的，所述回流管路系统上设有回流泵，所述回流泵的回流速率为 50～200mL/min。
优选的，所述供氢系统提供的供气压力为1～15pisg。
优选的，所述CO2膜组件包括玻璃管和置于玻璃管内部的中空纤维膜束，所述中空纤维膜束由数根中空纤维膜丝组成。
优选的，所述中空纤维膜丝的材质均为疏水性聚丙烯材料，所述中空纤维膜丝的膜孔径为0.02μm，内径为200μm，外径为280μm。
优选的，根据所述氢基质生物膜主反应器系统内pH需求以及通过去除硝酸盐负荷理论计算所需无机碳源的量确定所述缓冲池中CO2浓度。
本发明提供了利用上述技术方案所述氢基质生物膜反应器联合装置处理含硝酸盐污水的方法，包括以下步骤：
将含硝酸盐污染原水通过进水管路系统与缓冲池中含有CO2的水混合后，再与回流管路系统汇合后由反应池底部进入，反应池内的混合液向上流动，经反应池顶部的出水管路系统流出，同时采用供氢系统提供氢气；
利用CO2供应瓶为CO2膜组件提供CO2，将去离子水箱中水通入CO2膜组件，利用循环系统将CO2膜组件外的水循环于包括反应池在内的同一个循环回路中，得到含有CO2的水，所述含有CO2的水通过缓冲池引入氢基质生物膜主反应器系统的进水管路系统；
通过调节CO2供给系统控制所述缓冲池中含有CO2的水中CO2浓度，提供不同无机碳源量和不同pH值条件，进行含硝酸盐污染原水处理。
优选的，所述含有CO2的水中CO2浓度的确定依据为：满足氢自养微生物反硝化过程中自身生长所需的无机碳源，同时控制氢基质生物膜主反应器系统的pH值为7.5。
本发明提供了一种控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置，本发明建立独立的CO2供给系统，通过监测其缓冲池中的CO2浓度，实现向氢基质生物膜主反应器系统定量化供给CO2的目的；利用CO2供给系统精确添加的CO2同时作为氢自养微生物的无机碳源和控制系统pH，通过监测氢基质生物膜主反应器系统脱氮性能与系统pH，结合理论计算，获得CO2需求量，并将CO2需求量反馈给CO2供给系统进行精准调控，避免了CO2供给不足或过剩给氢基质生物膜主反应器带来的不良影响，实现了CO2的最大化利用，使得氢基质生物膜反应器联合装置在脱氮过程中保持长期高效稳定运行。本发明提供的控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置处理效果好、结构简单、能精确控制CO2添加量和系统pH，可进行工程放大，为氢基质生物膜反应器技术在水处理领域的推广和规模化应用提供新思路。
附图说明
图1为本发明所提供的控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置结构示意图；
图2为不同碳源和pH值控制方式及不同CO2添加量条件下，氢基质生物膜反应器的系统性能图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置(CO2-H2-MBfR)，包括氢基质生物膜主反应器系统和CO2供给系统；
所述氢基质生物膜主反应器系统包括原水箱、反应池、进水管路系统、出水管路系统、回流管路系统和供氢系统；所述反应池中设置有氢气膜组件；所述供氢系统与反应池中氢气膜组件的两个端口相连；所述反应池、进水管路系统和回流管路系统三通连接，所述反应池、出水管路系统和回流管路系统三通连接；所述反应池、进水管路系统、出水管路系统和回流管路系统形成循环回路；
所述CO2供给系统包括去离子水箱、循环系统、CO2供应瓶和CO2膜组件；所述CO2供应瓶与CO2膜组件的两个端口相连；所述循环系统分别与 CO2膜组件的进水端和出水端相连；所述去离子水箱与所述CO2膜组件的进水端相连，且所述去离子水箱与循环系统连通；
所述氢基质生物膜主反应器系统和CO2供给系统通过缓冲池相连，所述缓冲池设置于所述循环系统的管路上，且所述缓冲池与所述氢基质生物膜主反应器系统的进水管路系统连通，所述缓冲池中为含有CO2的水。
在本发明中，若无特殊说明，所需设备或材料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明提供的控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置包括氢基质生物膜主反应器系统(H2-MBfR)；所述氢基质生物膜主反应器系统包括原水箱、反应池、进水管路系统、出水管路系统、回流管路系统和供氢系统；所述反应池中设置有氢气膜组件；所述供氢系统与反应池中氢气膜组件的两个端口相连；所述反应池、进水管路系统、出水管路系统和回流管路系统通过三通连接形成循环回路。
作为本发明的一个实施例，所述反应池呈垂直放置，所述反应池中设置有氢气膜组件，所述氢气膜组件含有32根中空纤维膜丝；所述反应池由一根由方形玻璃管加工而成；本发明对所述加工的具体过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程加工即可。本发明对所述反应池的具体尺寸没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可；在本发明的实施例中，所述反应池的内壁尺寸为10mm×10mm，长为350mm。作为本发明的一个实施例，所述膜组件的两端分别用环氧树脂胶固定于方形玻璃管上下两端侧壁上的开孔。本发明对所述环氧树脂胶及其固定过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程固定即可；本发明对所述开孔的尺寸没有特殊的限定，根据实际需求进行调整即可。
在本发明中，所述中空纤维膜丝的材质优选为疏水性聚丙烯材料，所述中空纤维膜丝的膜孔径优选为0.02μm，内径优选为200μm，外径优选为 280μm。本发明对所述疏水性聚丙烯材料没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品即可。
作为本发明的一个实施例，所述进水管路系统上设置有进水泵，所述进水泵设置于所述原水箱与反应池之间。
作为本发明的一个实施例，所述出水管路系统上设置有出水管，所述出水管上述设有取样口。
在本发明中，所述进水泵、反应池和回流泵通过三通连接，所述出水管、回流泵和反应池三通连接，所述进水泵、反应池、回流泵和出水管形成循环回路。
作为本发明的一个实施例，所述回流管路系统上设有回流泵，所述回流泵的回流速率优选为50～200mL/min，更优选为80mL/min。本发明利用回流泵实现氢基质生物膜主反应器内混合液充分混合的目的。
作为本发明的一个实施例，所述供氢系统为高纯氢气瓶，所述高纯氢气瓶中氢气纯度优选≥99％；所述高纯氢气瓶分别与反应池内膜组件的两端连接，所述供氢系统提供的供气压力为1～15pisg，更优选为5pisg。在本发明中，所述高纯氢气瓶中H2通入中空纤维膜内部，然后H2通过中空纤维膜壁上的微孔以无泡形势扩散至生物膜内。
本发明提供的控制CO2添加量的氢基质生物膜反应器联合装置包括CO2供给系统；所述CO2供给系统包括去离子水箱、循环系统、CO2供应瓶和 CO2膜组件；所述CO2供应瓶与CO2膜组件的两个端口相连；所述循环系统分别与CO2膜组件的进水端和出水端相连；所述去离子水箱与所述CO2膜组件的进水端相连，且所述去离子水箱与循环系统连通。
作为本发明的一个实施例，所述去离子水箱通过蠕动泵1与循环系统相连。
作为本发明的一个实施例，所述循环系统上设置有循环泵，所述循环泵的一端与缓冲池相连，所述循环泵的另一端分别与蠕动泵1和CO2膜组件相连。
在本发明中，所述CO2供应瓶中CO2气体为高纯气体，所述CO2供应瓶中CO2供给压力根据所述缓冲池中监测的CO2浓度按需要调节。
作为本发明的一个实施例，所述CO2膜组件包括玻璃管和置于玻璃管内部的中空纤维膜束，所述中空纤维膜束由数根中空纤维膜丝组成。在本发明中，所述CO2膜组件包括玻璃管与所述反应池的方形玻璃管的规格优选相同。本发明对所述CO2膜组件中玻璃管的规格和中空纤维膜丝的数量没有特殊的限定，根据实际需求进行调整，保证CO2供给系统能提供H2-MBfR主反应器系统对CO2的需求范围即可。在本发明的实施例中，所述CO2供给系统中玻璃管中内含中空纤维膜丝数量为10根。
在本发明中，所述氢基质生物膜主反应器系统和CO2供给系统通过缓冲池相连，所述缓冲池设置于所述循环系统的管路上，且所述缓冲池与所述氢基质生物膜主反应器系统的进水管路系统连通，所述缓冲池中为含有CO2的水。作为本发明的一个实施例，所述缓冲池通过蠕动泵2与所述进水管路系统相连。
在本发明中，根据所述氢基质生物膜主反应器系统内pH需求以及通过去除硝酸盐负荷理论计算所需无机碳源的量确定所述缓冲池中CO2浓度，进而通过CO2供给系统控制向H2-MBfR主反应器系统提供的含有CO2的水中 CO2含量(即所述缓冲池中CO2浓度)。
在本发明中，所述含有CO2的水中CO2浓度的确定依据为：满足氢自养微生物反硝化过程中自身生长所需的无机碳源，同时控制氢基质生物膜主反应器系统的pH值为7.5。本发明对确定满足所述氢自养微生物反硝化过程中自身生长所需的无机碳源的量的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程确定即可。
在本发明中，CO2的添加量需要满足：(1)自养微生物生长所需的无机碳源；(2)pH调节需要；自养微生物生长所需的无机碳源根据污染原水中待去除的NO3 -量结合公式1(NO3 -+4.48H2+0.86CO2+H+＝0.41N2+0.17C5H7O2N+4.38H2O)理论计算所得；pH调节需求量，根据检测反应器混合液中的p H值是否能控制为7.5，对CO2添加量进行增补；当pH＞7.5，则增加CO2添加量；当pH＜7.5，则减少CO2添加量，但不能低于无机碳源需求量。
本发明通过监测H2-MBfR主反应器系统的脱氮性能与系统pH，结合理论计算，获得CO2需求量，并将CO2需求量反馈给CO2供给系统；然后通过独立的CO2供给系统，通过监测其缓冲池中的CO2浓度，实现向H2-MBfR 主反应器系统定量化供给CO2的目的。
本发明监测H2-MBfR主反应器系统的脱氮性能的方法包括测定出水中NO3 -，结合进水NO3 -计算反应器的NO3去除率和NO3的去除通量；水中NO3 -的测定方法为离子色谱法或国标分光光度法。
在本发明中，监测缓冲池中CO2浓度的两种方法：(1)直接测定缓冲池中TIC含量(通过水中总有机碳分析仪)，换算成CO2浓度；(2)测定缓冲池中pH值，通过酸碱平衡理论计算CO2浓度。
本发明提供了利用上述技术方案所述氢基质生物膜反应器联合装置处理含硝酸盐污水的方法，包括以下步骤：
将含硝酸盐污染原水通过进水管路系统与缓冲池中含有CO2的水混合后，再与回流管路系统汇合后由反应池底部进入，反应池内的混合液向上流动，经反应池顶部的出水管路系统流出，同时采用供氢系统提供氢气；
利用CO2供应瓶为CO2膜组件提供CO2，将去离子水箱中水通入CO2膜组件，利用循环系统将CO2膜组件外的水循环于包括反应池在内的同一个循环回路中，得到含有CO2的水，所述含有CO2的水通过缓冲池引入氢基质生物膜主反应器系统的进水管路系统；
通过调节CO2供给系统控制所述缓冲池中含有CO2的水中CO2浓度，提供不同无机碳源量和不同pH值条件，进行含硝酸盐污染原水处理。
本发明优选通过蠕动泵2从缓冲池中抽取含有CO2的水，与H2-MBfR 主反应器系统的进水管中原水混合后一同进入反应池。
在本发明中，所述氢基质生物膜反应器联合装置处理含硝酸盐污水前，优选将所述氢基质生物膜反应器联合装置进行启动与驯化，过程优选包括：
a)将取自城市污水处理厂厌氧池污泥与本实验内培养的氢自养反硝化污泥按体积比1:1混合后，按反应器总有效容积的10％接种至主反应器系统内；
b)将含有硝酸盐20mgN/L的模拟废水通过进水泵充满整个反应器后，关闭进水泵，同时开启供氢系统设置氢气压力为5psig，开启回流系统设置回流泵流速为80mL/min；
c)连续监测反应器内硝酸盐浓度，当少于0.5mgN/L时，重新开启进水泵，连续进水一个水力停留时间；
d)重复步骤c)，直至中空纤维膜表面形成肉眼可见的生物膜后，设置进水泵流速为0.63mL/min、水力停留时间为80min、氢气压力为5psig，每天监测出水中硝酸盐浓度，当出水硝酸盐浓度连续5天保持稳定时，即可认为氢基质生物膜反应器联合装置启动与驯化完成。
在本发明中，所述步骤b)中模拟废水的组成成分具体见表1。
完成所述启动与驯化后，本发明按照所述氢基质生物膜反应器联合装置处理含硝酸盐污水的方法进行污水处理，即连续运行阶段：
采用连续进水的方式引入模拟配水，除了将模拟配水中的磷酸盐缓冲溶液和NaHCO3去掉，运用CO2供给系统为氢基质生物膜主反应器系统提供无机碳源和控制系统pH值，其余反应器运行条件与驯化稳定时一致。在不同运行阶段中，设置不同的进水CO2添加量，监测反应器达到稳定时的运行情况，包括：脱氮性能、系统pH值、中间产物的积累和副反应硫酸盐的还原，获取在不同CO2添加量条件下反应器的运行性能数据，根据运行性能数据分析得出最优的CO2添加量。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将含硝酸盐污染原水通过进水管路系统与缓冲池中含有CO2的水混合后，再与回流管路系统汇合后由反应池底部进入，反应池内的混合液向上流动，经反应池顶部的出水管路系统流出，同时采用供氢系统提供氢气；
利用CO2供应瓶为CO2膜组件提供CO2，将去离子水箱中水通入CO2膜组件，利用循环系统将CO2膜组件外的水循环于包括反应池在内的同一个循环回路中，得到含有CO2的水，所述含有CO2的水通过缓冲池引入氢基质生物膜主反应器系统的进水管路系统；
通过调节CO2供给系统控制所述缓冲池中含有CO2的水中CO2浓度，提供不同无机碳源量和不同pH值条件；
具体过程包括：
(1)氢基质生物膜反应器联合装置启动与驯化：
a)将取自桂林市七里店城市污水处理厂的厌氧池污泥与本实验内培养的氢自养反硝化污泥按体积比1:1混合后，按反应器总有效容积的10％接种至主反应器系统内，接种量为5mL；
b)将含有硝酸盐20mgN/L的模拟废水通过进水泵充满整个反应器后，关闭进水泵，同时开启供氢系统设置氢气压力为5psig，开启回流系统设置回流泵流速为80mL/min；
c)连续监测反应器内硝酸盐浓度，当少于0.5mgN/L时，重新开启进水泵，连续进水一个水力停留时间；
d)重复步骤c)，直至中空纤维膜表面形成肉眼可见的生物膜后，设置进水泵流速为0.63mL/min、水力停留时间为80min、氢气压力为5psig，每天监测出水中硝酸盐浓度，当出水硝酸盐浓度连续5天保持稳定时，即可认为氢基质生物膜反应器联合装置启动与驯化完成；
所述步骤b)中的模拟废水的组成成分如表1所示：
表1模拟实验配水成分表
(2)连续运行阶段：
启动与驯化完成后，采用连续进水的方式引入模拟配水，除了将模拟配水中的磷酸盐缓冲溶液和NaHCO3去掉，运用CO2供给系统为H2-MBfR主反应器系统提供无机碳源和控制系统pH值，其余反应器运行条件与驯化稳定时一致。
在不同运行阶段中，设置不同的进水CO2添加量，监测反应器达到稳定时的运行情况，包括：脱氮性能、系统pH值、中间产值的积累和副反应硫酸盐的还原。
阶段1：驯化完成后，将模拟配水中的磷酸盐缓冲溶液和NaHCO3去掉，设置CO2添加量为100mg/L(即缓冲池中CO2水与原水混合后的浓度)，运行反应器达到稳定后(稳定的标准：反应器的检测指标在当下条件运行基本不发生变化)，检测出水中NO3-、NO2-和SO4 2-浓度以及系统pH值，计算 TN去除通量和SO4 2-通量；
阶段2：设置CO2添加量为75mg/L；运行反应器达到稳定后，检测出水中NO3-、NO2-和SO4 2-浓度以及系统pH值，计算TN去除通量和SO4 2-通量；
阶段3：设置CO2添加量为50mg/L；运行反应器达到稳定后，检测出水中NO3-、NO2-和SO4 2-浓度以及系统pH值，计算TN去除通量和SO4 2-通量；
阶段4：设置CO2添加量为25mg/L；运行反应器达到稳定后，检测出水中NO3-、NO2-和SO4 2-浓度以及系统pH值，计算TN去除通量和SO4 2-通量；
阶段5：设置CO2添加量为10mg/L，运行反应器达到稳定后，检测出水中NO3-、NO2-和SO4 2-浓度以及系统pH值，计算TN去除通量和SO4 2-通量。
所得结果见图2。
结果分析：
H2-MBfR反应器的启动与驯化阶段采用传统方式无机碳源形式和pH值控制方式，即以NaHCO3作为无机碳源和磷酸盐缓冲溶液来控制系统pH值，反应器达到稳定后总氮(TN)的去除通量为1.42gN/(m2·d)，出水中硝酸盐和亚硝酸盐浓度分别为6.5和0.1mgN/L，反应器内混合液的pH值为8.1。采用传统的无机碳源形式和pH值控制方式，反应器虽然具有较好的脱氮效率，但即使添加了大量的磷酸盐缓冲溶液(128mg/L KH2PO4和434mg/L Na2HPO4)，反应器内的pH值依然仅能控制在8.1左右，高pH值会产生亚硝酸盐的积累及硬度离子沉淀带来的膜污染风险，此外，磷酸盐的大量添加可能会带来营养盐的二次污染。
本发明的实施例中，待反应器驯化完成后，运用CO2供给系统为主反应器系统提供无机碳源和控制系统pH值，通过精准控制不同CO2添加量开展实验，监测反应器达到稳定时的运行情况，结果如图2所示。
从图2中可看出，当CO2添加量为50mg/L时，反应器的总氮去除通量达到最高的1.44gN/(m2·d)，系统pH值稳定在7.5左右，并且无毒性更高的亚硝酸盐积累和副反应硫酸盐还原的发生。根据公式1理论计算，去除通量为1.44gN/(m2·d)时，氢自养反硝化菌在反硝化过程中对无机碳源的需求为 37mg/L(以CO2计)，说明CO2添加量为50mg/L时即能满足氢自养反硝化菌新陈代谢对碳源的需求，剩余13mg/L的CO2又能将系统pH值控制在合理范围内。
当CO2添加量小于50mg/L时，随着CO2添加量的降低，反应器的脱氮性能逐渐下降，系统pH值逐渐上升，当CO2添加量为10mg/L时，系统pH 值升至9.6，总氮去除通量显著下降至0.43gN/(m2·d)，总氮去除率仅为20％，主要原因是无机碳源不能满足氢自养反硝化菌的生长需求，此外，过高的pH 值也会抑制氢自养反硝化菌的活性。当CO2添加量超过50mg/L时，虽然能满足氢自养反硝化菌对碳源的需求，但是随着添加量的增加，系统pH值逐渐下降，反应器的脱氮效率开始受到抑制，当CO2添加量为100mg/L时，系统pH值降为6.1，总氮去除通量降为1.28gN/(m2·d)。
综上，当CO2添加量为50mg/L时，即能满足氢自养菌反硝化过程中对碳源的需求，同时又能将系统pH控制在合理范围内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种氢基质生物膜反应器联合装置处理含硝酸盐污水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将含硝酸盐污染原水通过进水管路系统与缓冲池中含有CO2的水混合后，再与回流管路系统汇合后由反应池底部进入，反应池内的混合液向上流动，经反应池顶部的出水管路系统流出，同时采用供氢系统提供氢气；所述供氢系统提供的供气压力为5pisg；
利用CO2供应瓶为CO2膜组件提供CO2，将去离子水箱中水通入CO2膜组件，利用循环系统将CO2膜组件外的水循环于包括反应池在内的同一个循环回路中，得到含有CO2的水，所述含有CO2的水通过缓冲池引入氢基质生物膜主反应器系统的进水管路系统；
通过调节CO2供给系统控制所述缓冲池中含有CO2的水中CO2浓度，提供不同无机碳源量和不同pH值条件，进行含硝酸盐污染原水处理；
所述含有CO2的水中CO2浓度的确定依据为：满足氢自养微生物反硝化过程中自身生长所需的无机碳源，同时控制氢基质生物膜主反应器系统的pH值为7.5；
所述氢基质生物膜反应器联合装置，由氢基质生物膜主反应器系统和CO2供给系统组成；
所述氢基质生物膜主反应器系统包括原水箱、反应池、进水管路系统、出水管路系统、回流管路系统和供氢系统；所述反应池中设置有氢气膜组件；所述供氢系统与反应池中氢气膜组件的两个端口相连；所述反应池、进水管路系统和回流管路系统三通连接，所述反应池、出水管路系统和回流管路系统三通连接；所述反应池、进水管路系统、出水管路系统和回流管路系统形成循环回路；
所述反应池呈垂直放置，所述氢气膜组件含有32根中空纤维膜丝；
所述中空纤维膜丝的材质均为疏水性聚丙烯材料，所述中空纤维膜丝的膜孔径为0.02μm，内径为200μm，外径为280μm；
所述CO2供给系统包括去离子水箱、循环系统、CO2供应瓶和CO2膜组件；所述CO2供应瓶与CO2膜组件的两个端口相连；所述循环系统分别与CO2膜组件的进水端和出水端相连；所述去离子水箱与所述CO2膜组件的进水端相连，且所述去离子水箱与循环系统连通；
所述氢基质生物膜主反应器系统和CO2供给系统通过缓冲池相连，所述缓冲池设置于所述循环系统的管路上，且所述缓冲池与所述氢基质生物膜主反应器系统的进水管路系统连通，所述缓冲池中为含有CO2的水。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回流管路系统上设有回流泵，所述回流泵的回流速率为50～200mL/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CO2膜组件包括玻璃管和置于玻璃管内部的中空纤维膜束，所述中空纤维膜束由数根中空纤维膜丝组成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述氢基质生物膜主反应器系统内pH需求以及通过去除硝酸盐负荷理论计算所需无机碳源的量确定所述缓冲池中CO2浓度。
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