CN201598203U

CN201598203U - 脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器

Info

Publication number: CN201598203U
Application number: CN2009201990164U
Authority: CN
Inventors: 李文红; 周欲飞; 赵国智; 田光明
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2019-10-22

Abstract

本实用新型公开了一种脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器。它包括反应器本体、石墨阳极、发泡镍阴极、固相反硝化基质填充层、塑料多面空心球填充层、取样口、多孔性挡板、直流电源、出水口、进水口；反应器本体内下部从上到下设有固相反硝化基质、塑料多面空心球、多孔性挡板，反应器本体底部设有进水口，反应器本体侧壁设有多个取样口，反应器本体顶部设有出水口，反应器本体中间设有石墨阳极，反应器本体内侧壁设有发泡镍阴极，石墨阳极、发泡镍阴极分别与直流电源正负极相接。本实用新型可有效地去除水中的硝酸盐污染物，硝酸盐去除率可达80％以上，而亚硝酸盐的含量在0.01mg/l以下。

Description

脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器

技术领域

本实用新型涉及环境保护领域中的地下水、地表水处理，尤其涉及一种脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器。

背景技术

地下水中硝酸盐的处理方法主要包括物化方法、化学反硝化和生物反硝化。

物化方法主要包括离子交换、反渗透和电渗析。

常规的离子交换工艺包括用氯离子型和重碳酸根离子型树脂进行阴离子交换等。但是离子交换法要耗用大量再生药剂，而排放时又会引起二次污染。

反渗透法不仅可以去除地下水中NO₃ ^--N，还可同时去除Cl^-、SO₄ ^2-、Ca²⁺、Mg²⁺等，比其他方法更优越。但该法能耗高且产生的大量高盐水需要处置。

电渗析是一种较新的膜处理技术，原水通过交替排列的阴阳离子选择渗透性膜，在直流电场中，NO₃ ^--N通过膜与净水分离，进入高浓度盐水一侧，从而使NO₃ ^--N得以去除。但因此法操作较为复杂而应用范围不广。NitRem电渗装置可选择性地脱除NO₃ ^--N，无须任何化学药品，能将NO₃ ^--N从50mg/L降到25mg/L以下，但是设备昂贵。总之，物化方法存在处理费用过高、脱除选择性差不彻底、有二次污染等问题。

化学反硝化利用一定的还原剂还原地下水中的硝酸盐从而去除硝酸盐。目前对硝酸盐的还原反应历程缺乏一致的认识，与生物反硝化相比，化学反硝化法有两个潜在的突出优点，单位体积反应器的脱硝速度比生物反硝化法快得多；工艺简单，对运行管理的要求低。采用化学反硝化去除NO₃ ^--N的反应过程将产生反应副产物，反应条件难以控制，同时催化剂的回收和分离是个需要解决的问题。

生物反硝化过程是包括异养反硝化和自养反硝化两类。异养反硝化需要有机碳(如甲醇)作为细菌的营养源及电子供体，异养反硝化的优点是反硝化速度快，单位体积反应器的处理量大，缺点是若投加的基质不足，则易导致出水中NO₃ ^--N的积累问题，若投加的基质过量，则残留的有机基质对被处理水有二次污染问题，自养反硝化主要利用地下水中的无机碳(如CO₂、HCO₃ ^-)或外加的硫或氢作为能源来进行脱氮，由于不需要外加有机物，此方法处理出水不会含有有机碳的污染，但其主要缺点是单位体积反应器的处理能力较小，水力停留时间长。

从效率和成本两个方面来看，生物反硝化方法是目前已投入实用的最好的方法，但其仍存在一些缺点，如管理要求较高，不适合用于小型或分散给水处理，需要后续处理等。因而开发新型、高效的组合处理方法成为硝酸盐去除的研究热点，固相异养-电化学自养-生物脱氮工艺在减少二次处理、自动控制方面都有优势。

发明内容

本实用新型的目的是克服上述现有技术中所存在的问题，提供一种脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器。

脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器包括反应器本体、石墨阳极、发泡镍阴极、固相反硝化基质填充层、塑料多面空心球填充层、取样口、多孔性挡板、直流电源、出水口、进水口；反应器本体内下部从上到下设有固相反硝化基质、塑料多面空心球、多孔性挡板，反应器本体底部设有进水口，反应器本体侧壁设有多个取样口，反应器本体顶部设有出水口，反应器本体中间设有石墨阳极，反应器本体内侧壁设有发泡镍阴极，石墨阳极、发泡镍阴极分别与直流电源正负极相接。

所述的发泡镍阴极的面密度为350～750g/m²，孔径为70～90PPI，厚度为2.5～3.0mm。石墨阳极直径为8～10mm，长300～350mm。所述的固相反硝化基质填充层中的固相反硝化基质的填充质量为200～250g，含有30～50％淀粉含量和70～50％的聚乳酸，粒直为2～3mm，高为4～5mm的圆柱体。所述的塑料多面空心球填充层的高度3～6cm。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果：

1)同单纯的生物反硝化相比，固相异养与电化学自养集成反硝化反应器的优点主要体现在反应器利用了两种微生物反硝化的优势，一是利用异养反硝化菌的高效脱氮能力；二是利用自养反硝化菌能利用异养反硝化菌的代谢产物CO₂实现碳源的充分利用。

2)固相异养与电化学自养集成反硝化反应器下段的电化学反应可以降解进水中的溶解氧，为反硝化菌提供更好的厌氧环境。

3)与其他的异养自养结合的生物反硝化相比，固相异养与电化学自养集成反硝化一体式反应器中的异养段生物反硝化所采用的有机碳源为固态碳源(PLA)，这种碳源不溶于水，只有在微生物酶作用下才会被分解，因而不会引起有机碳过多而导致的二次污染。

4)固相异养与电化学自养集成反硝化反应器自养段采用电化学产氢自养的反硝化方式其优点主要有：一是利用电极作为生物膜的载体；二是利用电场微电解水释放出的H⁺为自养反硝化菌提供电子受体，不产生任何影响水质安全的副产物；三是由于H⁺是从生物膜外因电场吸引力作用穿透生物膜向内扩散的，所以生物膜中的微生物能高效利用H⁺进行反硝化作用。四是阳极碳棒电解产物CO₂和H⁺可以调节反应器中pH值，其中CO₂还可以做为自养反硝化菌的碳源。

5)固相异养与电化学自养集成反硝化反应器可以解决固相异养反硝化基质过多而导致的反应器堵塞问题同时具有高效的脱氮能力，出水水质好。

附图说明

图1是脱除水中硝酸盐氮的固相异养与电化学自养集成反硝化一体式反应器结构示意图；

图2是本实用新型反应器底部多孔性挡板的结构示意图；

图中：反应器外壳1、石墨阳极2、发泡镍阴极3、固相反硝化基质PLA4、塑料多面空心球5、取样口6、多孔性挡板7、直流电源8、出水口9、进水口10。

具体实施方式

如图1所示，脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器，包括反应器本体1、石墨阳极2、发泡镍阴极3、固相反硝化基质填充层4、塑料多面空心球填充层5、取样口6、多孔性挡板7、直流电源8、出水口9、进水口10；反应器本体1内下部从上到下设有固相反硝化基质4、塑料多面空心球5、多孔性挡板7，反应器本体1底部设有进水口10，反应器本体1侧壁设有多个取样口6，反应器本体1顶部设有出水口9，反应器本体1中间设有石墨阳极2，反应器本体1内侧壁设有发泡镍阴极3，石墨阳极2、发泡镍阴极3分别与直流电源8正负极相接。

所述的发泡镍阴极3的面密度为350～750g/m²，孔径为70～90PPI，厚度为2.5～3.0mm。石墨阳极2直径为8～10mm，长300～350mm。所述的固相反硝化基质填充层4中的固相反硝化基质的填充质量为200～250g，含有30～50％淀粉含量和70～50％的聚乳酸，粒直为2～3mm，高为4～5mm的圆柱体。所述的塑料多面空心球填充层5的高度3～6cm。

本实用新型的工作过程为：将1L的厌氧污泥接种于反应器中，在通电条件下驯化，在基质PLA和阴极表面形成生物膜。反应器的配水池中的模拟废水经蠕动泵进入器体1；通过多孔挡板7实现均匀配水后进入装有填料5的反应器下段，使得溶解氧得以消耗，为反硝化菌提供良好的厌氧环境；再到填充有PLA基质4的异养反硝化段，让大部分NO₃ ^-_N得到还原，NO₃ ^-_N浓度降低；接着进入到电化学自养反硝化段，通过微电解作用，阳极碳棒2产生CO₂和H⁺，发泡镍阴极3产生H₂，阳极产生的CO₂既能作为无机碳源又可以缓冲反应器内的酸碱度，进入到这个阶段的物质除了一部分没有还原的NO₃ ^-_N外，还有PLA的分解产物CO₂，这部分CO₂也可以被自养反硝化菌所利用。

实施例1：在pH为7.5，温度为30℃，电流为40mA，ORP＜0，HRT为3.5小时，进水NO₃ ^-离子浓度为70mg/L条件下，富集于发泡镍阴极的微生物可将NO₃ ^-迅速还原成N₂，实现NO₃ ^-离子的去除。去除效率在98％以上。

实施例2：在pH为7.5，温度为30℃，电流为40mA，ORP＜0，HRT为3.5小时，进水NO₃ ^-离子浓度为100mg/L条件下，富集于发泡镍阴极的微生物可将NO₃ ^-迅速还原成N₂，实现NO₃ ^-离子的去除。去除效率在80％以上。

Claims

1.一种脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器，其特征在于包括反应器本体(1)、石墨阳极(2)、发泡镍阴极(3)、固相反硝化基质填充层(4)、塑料多面空心球填充层(5)、取样口(6)、多孔性挡板(7)、直流电源(8)、出水口(9)、进水口(10)；反应器本体(1)内下部从上到下设有固相反硝化基质(4)、塑料多面空心球(5)、多孔性挡板(7)，反应器本体(1)底部设有进水口(10)，反应器本体(1)侧壁设有多个取样口(6)，反应器本体(1)顶部设有出水口(9)，反应器本体(1)中间设有石墨阳极(2)，反应器本体(1)内侧壁设有发泡镍阴极(3)，石墨阳极(2)、发泡镍阴极(3)分别与直流电源(8)正负极相接。

2.根据权利要求1所述的一种脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器，其特征在于所述的发泡镍阴极(3)的面密度为350～750g/m²，孔径为70～90PPI，厚度为2.5～3.0mm。石墨阳极(2)直径为8～10mm，长300～350mm。

3.根据权利要求1所述的一种脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器，其特征在于所述的固相反硝化基质填充层(4)中的固相反硝化基质的填充质量为200～250g，粒直为2～3mm，高为4～5mm的圆柱体。

4.根据权利要求1所述的一种脱除水中硝酸盐的固相异养与电化学自养集成反硝化反应器，其特征在于所述的塑料多面空心球填充层(5)的高度3～6cm。