CN1421399A - 电渗析膜生物反应槽及含硝酸盐原水或废水的脱氮方法 - Google Patents

电渗析膜生物反应槽及含硝酸盐原水或废水的脱氮方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物领域，特别涉及电渗析膜生物反应槽及含硝酸盐原水或废水的脱氮方法。一种适于含硝酸盐原水或废水的脱氮的电渗析膜生物反应槽，其包括一槽；一阴离子渗析膜；及一阳离子渗析膜；其中该阴离子渗析膜及阳离子渗析膜将该槽分隔成一阴极室、一阳极室及介于该阴极室与阳极室之间的生物脱氮室。该阴离子渗析膜允许位于该阴极室内的水溶液中的硝酸根离子通过该阴离子渗析膜进入该生物脱氮室；及该阳离子渗析膜阻绝位于该生物脱氮室内的水溶液中的硝酸根离子进入该阳极室，并阻绝位于该阳极室内的水溶液中的氯离子进入该生物脱氮室。

Description

电渗析膜生物反应槽及含硝酸盐原水或废水的脱氮方法
                       技术领域
本发明属于生物领域，特别涉及电渗析膜生物反应槽及含硝酸盐原水或废水的脱氮方法(Electrodialysis Membrane Bioreactor andProcess of Denitrification for Water Resource or Waste WaterContaining Nitrate)。
                       发明背景
由于人类活动，如施肥造成或氨氮经过硝化作用后，日积月累使承受水体遭受不同程度硝酸盐污染，由于硝酸盐被怀疑为致癌物，对人体健康会有不利影响，故做为饮用水用途的原水有硝酸盐浓度限制(10mg NO3-N/L)。若地下水遭受污染则需先行处理后，始能做为饮用水水源。目前含硝酸盐水体处理技术可分为物化及生物脱氮技术两类。前者采用的技术如离子交换或薄膜分离，但均因为硝酸盐浓缩问题，需有后续处理单元才能完全脱氮效果，且操作成本较高，厂商较不易接受。而后者可分为异营性及自营性两种生物脱氮技术，均可用于含硝酸盐地下水处理。虽然生物脱氮操作成本较低，但由于地下水中含有一定浓度溶氧，不易营造无氧(anoxic)环境及硝酸盐浓度较低(通常小于100 mgNO3-N/L)受到水量大与水力停留时间限制，而影响脱氮效果。另外，生物脱氮技术用于含硝酸盐地下水处理时，微生物及所添加的额外碳源通常会直接与处理水接触，处理水须再经分离、再处理及杀菌程序才能符合饮用水相关法规，而增加处理程序复杂性。
以往采用薄膜反应器来处理含硝酸盐废水的技术，例如发表于Environmental Science&technology，2000，34，pp1557～1562的论文”Drinking water denitrification using a novel ion-exchangemembrane bioreactor”，及发表于Applied microbiology biotechnology，1997，48，pp267-274的”Nitrate removal from drinking water usinga membrane-fixed biofilm reactor”论文，由于硝酸根离子的膜透过速率低(分别为6g NO3-N/m2.day及5g NO3-N/m2.day)，因此法快速分离水中的硝酸盐，亦即无法满足水量大(水力停留时间短)的要求。
                       发明内容
本发明的主要目的在于提供一种含硝酸盐原水或废水的处理技术，及提供一种电渗析膜生物反应槽。
本发明提出一种高效率电场膜生物反应槽，其为电渗析膜及生物反应槽的结合，能够快速及有效分离水中污染物如硝酸盐，又没有微生物及或外加碳源二次污染问题，可应用于含硝酸盐原水或废水处理，以解决硝酸盐污染问题。
本发明的机制为电解渗析，以电能为驱动力可以将含硝酸盐原水或废水中的硝酸根离子快速的浓缩于生物脱氮室，达到去除硝酸盐的目的。本发明电渗析膜其具有一透过速率为10g NO3-N/m2.day以上，显著的较先前技艺为高，故可以大幅减少所需膜材使用面积或减少含硝酸盐原水或废水处理的水力停留时间，以节省占地面积或膜生物反应槽体积。另外，本发明方法在阴极室及阳极室分别会有氢气及氯气产生，可以用于作为脱氮的电子供应者及用于自来水消毒，以节省药品使用，而降低操作成本。
本发明揭示一种高效率电场膜生物反应槽，包含：
一槽；
一阴离子渗析膜；
一阳离子渗析膜；
其中该阴离子渗析膜及阳离子渗析膜将该槽分隔成一阴极室、一阳极室及介于该阴极室与阳极室之间的生物脱氮室；
一设于该阴极室内的阴极，该阴极适于与一负电连接；及
一设于该阳极室内的阳极，该阳极适于与一正电连接；
其中该阴离子渗析膜允许位于该阴极室内的水溶液中的硝酸根离子通过该阴离子渗析膜进入该生物脱氮室；及该阳离子渗析膜阻绝位于该生物脱氮室内的水溶液中的硝酸根离子进入该阳极室，并阻绝位于该阳极室内的水溶液中的氯离子进入该生物脱氮室。
本发明亦揭示一种含硝酸盐原水或废水的脱氮方法，包含使用前述电渗析膜生物反应槽进行以下步骤：
a)将一含有盐酸或金属氯化物的水溶液作为一阳极液置于该阳极室；
b)将一适于进行生物脱氮反应的悬浮或固定生长微生物置于该生物脱氮室；
c)将该原水或废水由该阴极室的一入口连续导入该阴极室；及
d)将一直流电源的正电及负电分别连接于该阳极及阴极，于是从该阴极室的一出口流出一硝酸根离子浓度被降低的处理水，一还原反应于该阴极室进行，及一氧化反应于该阳极室进行。
较佳的，步骤d)的直流电源具有一介于0.1～0.5的电压，及该两电极间被测量有一介于0.1～1.0安培的电流。
较佳的，步骤a)的阳极液为一包含氯化钠的水溶液。
较佳的，步骤d)中该阴极室的还原反应产生氢气，及该方法进一步包含将该氢气作为一产品加予收集。更佳的，该方法进一步包含将该氢气的全部或一部份导入该生物脱氮室作为一自营性生物脱氮的电子供应来源。
较佳的，步骤d)中该阳阴极室的氧化反应产生氯气，及该方法进一步包含将该氯气作为一产品加予收集。更佳的，该方法进一步包含将该氯气的全部或一部份用于自来水消毒。
较佳的，在本发明方法中该阴离子渗析膜具有一硝酸根离子透过效率介于6g NO3-N/m2.day至20g NO3-N/m2.day。
较佳的，在本发明方法中该含硝酸盐原水被连续导入该阴极室，且其具有一硝酸盐浓度介于10mg NO3-N/L至50mg NO3-N/L。
较佳的，在本发明方法中该含硝酸盐废水被连续导入该阴极室，且其具有一硝酸盐浓度介于10mg NO3-N/L至1000mg NO3-N/L。
较佳的，在本发明方法中该含硝酸盐原水或废水于通过该阴极室时，其中的硝酸根离子将通过该阴离子渗析膜进入该生物脱氮室中，及于其中进行自营性或异营性生物脱氮反应。
较佳的，在本发明方法中该自营性生物脱氮反应所需电子供应者来源包括氢气或元素硫等。
较佳的，在本发明方法中该异营性生物脱氮反应所需电子供应者来源包括一般碳源如葡萄糖或醇类等。
依本发明的一较佳实施例所完成的一膜生物反应槽被示于图1，其中采用电渗析膜将该反应槽区分为阴极室1、生物脱氮室2及阳极室3。阴极室1及生物脱氮室2之间使用阴离子电渗析膜4隔离，而生物脱氮室2及阳极室3之间用阳离子电渗析膜5隔离，在阴极室及阳极室分别置入阴极板6及阳极板7并将一直流电源的负极8及正极9分别连接于其上。借助由两电极间的电场驱使进流水10中的硝酸根离子透过阴离子电渗析膜4而进入生物脱氮反应室2进行脱氮反应，于是一含低浓度(或不含)硝酸盐的处理水12离开阴极室1。阴极室同时有还原反应在进行，而会有氢气13产生。可以于生物脱氮室2采用自营性或异营性脱氮的微生物污泥，若采用自营性脱氮则阴极室1所产生的氢气13可以全部或一部份被导入该生物脱氮室2使用，以减少氢气用量。若采用异营性脱氮则需要添加碳源14，以利脱氮反应进行。在阳极室3添加氯化物电解质15，以利电解反应进行，并且会有氯气产生。氯气经收集后可用于自来水消毒。本发明应用电渗析膜使处理水与微生物及碳源不会直接接触，无二次污染问题；使用电渗析膜可以提升硝酸根离子穿透效率，以减少所需膜材面积及/或水力滞留时间。另外电解副产物如氢气及氯气可以用于脱氮或消毒，以节省操作成本。
本发明具有以下一个或多个优点：●可有效处理含硝酸盐原水或废水；●无微生物及/或外加碳源二次污染问题；●不受水体中溶氧限制，影响脱氮效果；●处理水无水力停留时间(HRT)限制，可适合低浓度含硝酸盐原水或废水处理。
本发明将借助以下实施例被进一步了解，该实施例仅作为说明之用，而非用于限制本发明范围。
                       附图说明
图1.依本发明的一较佳实施例所完成的一电渗析膜生物反应槽的剖视示意图.
图中标记
1.阴极室 2.生物脱氮室 3.阳极室 4.阴离子电渗析膜
5.阳离子电渗析膜      6.阴极板 7.阳极板
                     具体实施方式
实施例
使用图1的电渗析膜生物反应槽进行实验，其中阳极室、生物脱氮室及阴极室的尺寸大小分别为4cm(W)×18cm(L)×16cm(H)、6cm(W)×18cm(L)×16cm(H)及5cm(W)×18cm(L)×16cm(H)，它们的有效体积分别为0.864L、1.296L及1.08L。阳离子电渗析膜的膜面积为216cm2，阴离子电渗析膜的膜面积为216cm2，此两种膜均为Dupont公司生产。阴极板为不锈钢材质，阳极板为包覆钛金属的不溶性极板。实验采用直流电流，以定电压方式操作，其电压为0.1伏特及电流维持在0.2至0.5(安培)之间变化。阳极室定期添加电解质NaCl，每周添加1g方式操作。进流水含硝酸钠，其浓度介于25～45(mg NO3-N/L)之间变化，如下表一中所示。进流水流量为10L/day，水力停留时间(HRT)为2.6小时，处理后出流水硝酸盐浓度介于6～9(mg NO3-N/L)之间变化，可符合饮用水水质标准。阴离子电渗析膜的面积负荷介于11.6～20.8g NO3-N/m2.day。浓缩于生物脱氮室的硝酸根离子采用异营性生物脱氮菌，污泥浓度约3000mg/L，使用的碳源为醋酸钠，其剂量是以C/N比3为依据，较理论值C/N为2.7稍高，主要是能够达到较高脱氮效率为参考量。生物脱氮室的污泥水悬浮液反应槽用稀硫酸维持pH值在7～8之间，以利脱氮菌生长，硝酸根经过生物脱氮后，转换成氮气，残留硝酸根浓度介于3～8mg NO3-N/L之间变化，如表一中所示。
表一、高效率电场膜生物反应槽各试程对硝酸盐去除的结果
  试程(天)     进流水(mg NO3-N/L)     处理水(mg NO3-N/L)     脱氮室出流水(mg NO3-N/L)
    1     30     8     3
    2     35     8     5
    3     40     9     4
    4     32     7     4
    5     45     9     5
    6     25     7     5
    7     28     7     6
    8     38     6     8

Claims (14)

1.一种电渗析膜生物反应槽，包含：
一槽；
一阴离子渗析膜；
一阳离子渗析膜；
其中该阴离子渗析膜及阳离子渗析膜将该槽分隔成一阴极室、一阳极室及介于该阴极室与阳极室之间的生物脱氮室；
一设于该阴极室内的阴极，该阴极适于与一负电连接；及
一设于该阳极室内的阳极，该阳极适于与一正电连接；
其中该阴离子渗析膜允许位于该阴极室内的水溶液中的硝酸根离子通过该阴离子渗析膜进入该生物脱氮室；及该阳离子渗析膜阻绝位于该生物脱氮室内的水溶液中的硝酸根离子进入该阳极室，并阻绝位于该阳极室内的水溶液中的氯离子进入该生物脱氮室。
2.一种如权利要求1所述的电渗析膜生物反应槽的含硝酸盐原水或废水的脱氮方法，包含以下步骤：
a)将一含有盐酸或金属氯化物的水溶液作为一阳极液置于该阳极室；
b)将一适于进行生物脱氮反应的悬浮或固定生长微生物置于该生物脱氮室，以进行自营性或异营性生物脱氮反应；
c)将该原水或废水由该阴极室的一入口连续导入该阴极室；及
d)将一直流电源的正电及负电分别连接于该阳极及阴极，于是从该阴极室的一出口流出一硝酸根离子浓度被降低的处理水，一还原反应于该阴极室进行，及一氧化反应于该阳极室进行。
3.如权利要求2所述的方法，其中该直流电源具有一介于0.1-0.5的电压，及该两电极间被测量有一介于0.1-1.0安培的电流。
4.如权利要求2所述的方法，其中该阳极液为一包含氯化钠的水溶液。
5.如权利要求2所述的方法，其中该阴极室的还原反应产生氢气，及该方法进一步包含将该氢气作为一产品加予收集。
6.如权利要求5所述的方法，其进一步包含将该氢气的全部或一部份导入该生物脱氮室作为一自营性生物脱氮的电子供应来源。
7.如权利要求2所述的方法，其中该阳阴极室的氧化反应产生氯气，及该方法进一步包含将该氯气作为一产品加予收集。
8.如权利要求7所述的方法，其进一步包含将该氯气的全部或一部份用于自来水消毒。
9.如权利要求3所述的方法，其中该阴离子渗析膜具有一硝酸根离子透过效率介于6g NO3-N/m2.day至20g NO3-N/m2.day。
10.如权利要求2所述的方法，其中该含硝酸盐原水被连续导入该阴极室，且其具有一硝酸盐浓度介于10mg NO3-N/L至50mg NO3-N/L。
11.如权利要求2所述的方法，其中该含硝酸盐废水被连续导入该阴极室，且其具有一硝酸盐浓度介于10mg NO3-N/L至1000mg NO3-N/L。
12.如权利要求2所述的方法，其中该含硝酸盐原水或废水于通过该阴极室时，其中的硝酸根离子将通过该阴离子渗析膜进入该生物脱氮室中，及于其中进行自营性或异营性生物脱氮反应。
13.如权利要求12所述的方法，其中该自营性生物脱氮反应所需电子供应者来源包括氢气或元素硫。
14.如权利要求12所述的方法，其中异营性生物脱氮反应所需电子供应者来源包括葡萄糖或醇类。
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