CN115043483B - 一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统 - Google Patents
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Abstract
一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统，包括反应器壳体以及沿由下至上的方向间隔设置于反应器壳体中的阴极电解网和阳极电解网，反应器壳体的顶部设有溢流口和排气口，底部设有进水口并连接有用于将污水经进水口通入反应器壳体中的污水泵，阴极电解网与直流电源的负极相连，阳极电解网与直流电源的正极相连，在反应器壳体中位于阴极电解网和阳极电解网之间形成生物反应腔，在生物反应腔中填充有带有氢自养反硝化微生物的生物载体。本发明可有效去除污水中硝酸盐的前提下降低污水处理成本并简化工艺流程。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体的说是一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统。
背景技术
由于工业、生活和水产养殖废水的排放以及农业生产中氮肥使用的增加，氮的自然循环遭到破坏，地下水中硝酸盐污染问题在世界范围内日益突出。因高累积浓度硝酸盐会对人类健康和环境造成不利影响，对于水体中硝酸盐的去除已经迫在眉睫。
现有技术中，去除水中硝酸盐的主要方法有：物理法、化学法和生物法。其中，生物法以其较低的运行费用、较高的去除效率及选择性等优点获得了广泛应用。按照微生物需求的碳源不同，生物反硝化可以分为自养反硝化和异养反硝化法，由于异养反硝化需要在水中添加有机物质作碳源，容易引起二次污染，其在饮用水处理中的应用受到限制。而自养反硝化由于其安全可靠、操作方便等优点被更多的应用在脱硝中，尤其氢自养反硝化比较突出。氢自养反硝化一般通过生物法与电化学法相结合来去除硝酸盐，由微生物在缺氧条件下利用电解水于阴极处产生的氢气作电子供体来还原硝酸盐，产生无害的氮气或一氧化氮排出。但是在电解水于阴极产生氢气的同时还会在阳极处产生氧气，而氧气易对需要缺氧条件下反应的微生物产生不利影响，导致硝酸盐分解效果较差。而为了避免氧气对于阴极处生化反应的影响，传统生物电化学反应器采用竖直放置的阴极和阳极，需要在阴极和阳极之间设置质子交换膜，使得氢离子可穿越以维持电流正常导通，而阳极产生的氧气或其它氧化性化学物质则被质子交换膜隔离于阴极以外以避免其对于微生物反应的影响。
由此，一方面因质子交换膜的引入导致成本增高，反应器中因质子交换膜的安装产生结构复杂化；另一方面，阴极位置主要发生的电解水反应会使溶液中的氢离子不断消耗，虽然质子交换膜可以使阳极位置的氢离子通过来弥补阴极的消耗，但由于氢离子需穿过质子交换膜进行迁移，存在一定的阻力，故仍会出现阴极位置溶液因氢离子消耗而产生pH值升高的现象。由于反硝化需要在适宜pH值范围内进行，当pH值过高(>9.5)会影响反硝化速率，因此需要在阳极室中添加适量的酸溶液促进氢离子向阴极室的迁移以稳定阴极室溶液pH值在中性范围，此举进一步增加了电化学生物法污水处理成本且使污水处理过程更加繁琐。
发明内容
本发明旨在提供一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统，有效去除污水中硝酸盐的前提下降低污水处理成本并简化工艺流程。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体方案为：一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统，包括反应器壳体以及沿由下至上的方向间隔设置于反应器壳体中的阴极电解网和阳极电解网，反应器壳体的顶部设有溢流口和排气口，底部设有进水口并连接有用于将污水经进水口通入反应器壳体中的污水泵，阴极电解网与直流电源的负极相连，阳极电解网与直流电源的正极相连，在反应器壳体中位于阴极电解网和阳极电解网之间形成生物反应腔，在生物反应腔中填充有带有氢自养反硝化微生物的生物载体。
优选的，阳极电解网设置在反应器壳体的中上方，阴极电解网设置在反应器壳体的中下方，在反应器壳体中位于阳极电解网的上方形成溢流腔，所述溢流口设置于溢流腔的侧壁上，在反应器壳体中位于阴极电解网的下方形成进水腔，所述进水口设置于进水腔的底端。
优选的，进水腔的底部设有隔板，隔板用于收集由生物载体上脱落的微生物。
优选的，溢流腔的侧壁上且低于溢流口的位置开设有循环出口，进水腔的侧壁上设有循环进口，循环出口和循环进口之间设有循环泵。
优选的，循环泵和污水泵均为蠕动泵。
优选的，阳极电解网为铱钛钌网板，阴极电解网为镍网板。
优选的，反应器壳体为立式，其横向截面为圆形或矩形；阳极电解网和阴极电解网均沿水平方向分布，且阳极电解网和阴极电解网的形状均与反应器壳体的横向截面形状相同。
本发明中的阴极电解网和阳极电解网沿竖向间隔设置在反应器壳体中，生物载体设置于阴极电解网和阳极电解网之间，而反应器壳体中的污水则在污水泵的作用下沿由下至上的方向流通反应器壳体。通过以上结构，使得本发明具有以下有益效果：
首先，阴极电解网电解水产生的氢气微气泡在浮力和水流推力的双重作用下自动向上穿越生物载体。在穿越过程中，由氢气微气泡为微生物提供电子供体发生反硝化作用，使其能够有效去除水中硝酸盐。
其次，阳极电解网电解水产生的氧气微气泡同样在浮力和水流推力的双重作用下自动向上并随水流排出反应器壳体。该氧气微泡或其它氧化性物质不会下沉至生物载体处破坏微生物反硝化反应所需的缺氧环境，不会对下方的反硝化反应产生不利影响。故本发明中不需要质子交换膜来阻隔氧气并维持阳极电解网和阴极电解网之间的通电状态，从而省去了质子交换膜的投入成本并简化了反应器壳体的内部结构。
再次，因本发明中无需质子交换膜，使阳极电解网处的氢离子可无障碍的迁移至阴极电解网处，一方面降低了电能损耗，另一方面可及时弥补阴极电解网电解反应导致的氢离子的不断消耗，使本发明在不额外添加酸碱溶液调平的情况下，即使得反应器壳体中始终维持pH中性状态，避免pH值过高(>9.5)导致的微生物反硝化速率大幅下降的情况，从而进一步降低了污水处理投入成本并简化了处理工艺。
最后，本发明可利用对操作参数的控制，明确操作参数对去除硝酸盐的影响，揭示不同操作条件下微生物群落结构分布。
附图说明
图1为本发明的一个优选实施例的剖视结构示意图；
图中标记：1、反应器壳体，101、端盖，102、法兰，103、筒体，2、循环出口，3、取样口，4、循环泵，5、循环进口，6、隔板，7、进水口，8、污水泵，9、污水池，10、进水腔，11、阴极电解网，12、直流电源，13、生物载体，14、引线接口，15、溢流口，16、阳极电解网，17、溢流腔，18、排气口，19、生物反应腔。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统，主要包括反应器壳体1以及设置在反应器壳体1中的阳极电解网16、阴极电解网11以及生物载体13。
反应器壳体1为立式筒状结构，其具有沿竖向分布且横截面为圆形的筒体103，筒体103的上端设有端盖101，端盖101与筒体103上端的法兰102通过螺栓固定连接，筒体103的下端内收形成锥斗结构。在端盖101的中心位置设有供反应废气排出的排气口18，在筒体103上靠近顶部的左侧筒壁上开设有供脱除硝酸盐的水体流出的溢流口15，筒体103底部的锥斗结构的下端连接有进水口7，进水口7通过一个蠕动泵作为污水泵8与盛装由硝酸盐的待处理污水的污水池9相连。通过将进水口7设置在反应器壳体1的底部而将溢流口15设置在反应器壳体1的顶部，使待处理污水在污水泵8的作用下沿由下至上的方向流经反应器壳体1。
阳极电解网16为铱钛钌网板，阴极电解网11为镍网板，二者分别通过设置在筒体103左侧筒壁上的引线接口14经导线电连接于直流电源12的正负极。阳极电解网16和阴极电解网11的形状均与筒体103的横截面形状相对应并水平设置，且阴极电解网11和阳极电解网16上分别具有均匀间隔分布的网孔以供污水通过。阳极电解网16位于阴极电解网11上方，从而在筒体103内位于阳极电解网16的上方形成溢流腔17，在阴极电解网11的下方形成进水腔10，在阳极电解网16和阴极电解网11之间形成生物反应腔19。所述生物载体13填充于生物反应腔19中并附着有氢自养反硝化微生物。为避免微生物由生物载体13上脱落并落入进水管线产生污染，本实施例在进水腔10的底部设有隔板6，隔板6上开设有供水体穿过并隔绝脱落微生物的网孔。同时，隔板6需进行定期清理其上的微生物，避免将网孔堵塞。
本实施例的具体实施过程如下：
污水池9中的含硝酸盐的污水通过污水泵8的传输经进水口7进入进水腔10，污水通过隔板6后进入生物反应腔19。在直流电源12对阴极电解网11和阳极电解网16持续通电的作用下，水在通过阴极电解网11时被电解产生氢气微气泡，氢气微气泡在浮力和水流推力的双重作用下向上穿过生物反应腔19，从而为生物载体13上的微生物提供电子供体以用于去除水中硝酸盐。去除硝酸盐后的水体在水流持续推动作用下进入溢流腔17并最终通过溢流口15排出。而水在通过阳极电解网16时被电解产生氧气微气泡和氢离子，其中的氧气微气泡和多余的氢气微气泡在浮力和水流双重作用下从溢流腔17中水体的液面逸出并经排气口18排出，不影响生物反应腔19中的缺氧环境；氢离子用来维持反应器壳体1中水体的pH，使水体呈中性以利于微生物反应。
本实施例中在溢流腔17的侧壁上且低于溢流口15的位置开设有循环出口2，在进水腔10的侧壁上设有循环进口5，循环出口2和循环进口5之间设有循环泵4。从而使经过生物反应腔19处理后的一部分水通过循环泵4的作用下重新回到进水腔10中并重新进入生物反应腔19，进一步提高硝酸盐的去除效率。
此外，本实施例在污水处理过程中，阴极电解网11区域的pH值仍会出现上升的情况，这是由于阴极电解网11电解水利用氢离子产生氢气，导致该区域氢氧根离子增多引起溶液pH升高。在水力停留时间过长或施加电流较大的情况下，可以借助上述内循环的方式稳定阴极电解网11区域的pH值，对微生物不会产生干扰和影响，保障硝酸盐的去除效率。循环水由阳极电解网16上方回流至阴极电解网11下方，回流要重新穿越阴极反应区域，因此阳极电解网16产生的氧化性物质的干扰可以被阴极电解网11处的还原反应所抵消。
本实施例中在生物反应腔19和溢流腔17的侧壁上分别设有多个取样口3，以便于随时对各部水体进行取样检测。
实施案例1：将含有20mg-N/L的硝酸盐污水通过污水泵传输到反应系统内，反应器运行条件为：水力停留时间＝8h，电流强度＝20mA，回流比＝3。在此条件下，硝酸盐的去除率可达到91.87％，进水pH值为7.3，出水pH值为7.72。
实施案例2：将含有20mg-N/L的硝酸盐污水通过污水泵传输到反应系统内，反应器运行条件为：水力停留时间＝6h，电流强度＝35mA，回流比＝3。在此条件下，硝酸盐的去除率可达到87.11％，进水pH值为7.3，出水pH值为7.62。
其中水力停留时间为待处理污水在生物反应腔中的平均停留时间；回流比为循环泵和污水泵的流量比。
Claims (5)
1.一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统，其特征在于：包括反应器壳体（1）以及沿由下至上的方向间隔设置于反应器壳体（1）中的阴极电解网（11）和阳极电解网（16），反应器壳体（1）的顶部设有溢流口（15）和排气口（18），底部设有进水口（7）并连接有用于将污水经进水口（7）通入反应器壳体（1）中的污水泵（8），阴极电解网（11）与直流电源（12）的负极相连，阳极电解网（16）与直流电源（12）的正极相连，在反应器壳体（1）中位于阴极电解网（11）和阳极电解网（16）之间形成生物反应腔（19），在生物反应腔（19）中填充有带有氢自养反硝化微生物的生物载体（13）；
阳极电解网（16）设置在反应器壳体（1）的中上方，阴极电解网（11）设置在反应器壳体（1）的中下方，在反应器壳体（1）中位于阳极电解网（16）的上方形成溢流腔（17），所述溢流口（15）设置于溢流腔（17）的侧壁上，在反应器壳体（1）中位于阴极电解网（11）的下方形成进水腔（10），所述进水口（7）设置于进水腔（10）的底端；
溢流腔（17）的侧壁上且低于溢流口（15）的位置开设有循环出口（2），进水腔（10）的侧壁上设有循环进口（5），循环出口（2）和循环进口（5）之间设有循环泵（4）；
反应运行条件为：水力停留时间=6-8h，电流强度=20-35mA，回流比=3。
2.根据权利要求1所述的一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统，其特征在于：进水腔（10）的底部设有隔板（6），隔板（6）用于阻隔由生物载体（13）上脱落的微生物。
3.根据权利要求1所述的一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统，其特征在于：循环泵（4）和污水泵（8）均为蠕动泵。
4.根据权利要求1所述的一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统，其特征在于：阳极电解网（16）为铱钛钌网板，阴极电解网（11）为镍网板。
5.根据权利要求1所述的一种去除水体中硝酸盐的升流穿越式生物电化学反应系统，其特征在于：反应器壳体（1）为立式，其横向截面为圆形或矩形；阳极电解网（16）和阴极电解网（11）均沿水平方向分布，且阳极电解网（16）和阴极电解网（11）的形状均与反应器壳体（1）的横向截面形状相同。
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