TWM577423U

TWM577423U - 氨氮廢水之處理裝置

Info

Publication number: TWM577423U
Application number: TW107217172U
Authority: TW
Inventors: 羅欽鍾
Original assignee: 羅欽鍾
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2019-05-01
Also published as: CN211664878U

Abstract

一種氨氮廢水之處理裝置，包含pH調整單元及電解反應單元。pH調整單元接收氨氮廢水並調整pH；電解反應單元接收來自pH調整單元的氨氮廢水，並進行電解產生次氯酸鹽(ClO-)及氯離子(Cl-)，並在進行曝氣後產生碳酸(H₂CO₃)，在弱酸性的條件下，碳酸更進一步與次氯酸鹽反應產生次氯酸(HClO)，次氯酸鹽、氯離子及次氯酸係持續氧化氨氮廢水，使氨氮廢水生成氮氣(N2)並排除，且完成上述反應的部分氨氮廢水回流至該pH調整單元，並調整該pH調整單元的pH。

Description

氨氮廢水之處理裝置

本創作係關於一氨氮廢水之處理裝置，特別是一種在調整pH後使用電解方式排出氮氣之氨氮廢水之處理裝置，且電解過程中無需添加任何的化學藥劑，並在處理完畢後不產生廢棄物及二次產物。

由於近年來全球自然界之氮平衡受到工業排放與人類活動排放之影響，產生嚴重失衡的危害，其中，氨氮(NH₄ ⁺-N)排入水體後會增加承受水體的生物毒性，且消耗承受水體中之溶氧而使得水體環境受到傷害。各產業之氨氮廢水排放因製程不同而有差異，如氨氮濃度高低、是否同時含有有機物、有機氮等，同時，在處理程序選擇上又涉及到用地大小與操作可行性等問題，對於處理程序的選擇上相較於一般有機物之處理需考量的因子較多，習知較有效的氨氮廢水處理方法依據操作原理的不同，可區分為物理處理、生物處理與化學處理等方式。

在習知的物理處理方法當中，可採用膜分離法、沸石脫氨法。在膜分離法中係利用調整水中的pH值將NH₄轉換成NH₃，再利用膜的選擇透過性進行氨氮的脫除，不過此種方法必須回收處理最後產出的硫酸銨濃縮液；在沸石脫氨法中係利用沸石中的陽離子與廢水中的NH₄進行交換以達到脫氮的目的，不過因為濃度飽和的問題，此種方法一般被用於處理低濃度含氨廢水，或含微量重金屬的廢水，同時，使用後的沸石則有再生處理的問題。

在習知的生物處理法當中，主要透過各種不同種類之微生物族群將水中之氨氮進行氧化與還原等生理代謝作用，其過程中氨氮之轉換包含亞硝酸氮、硝酸氮等，而最終處理後的產物通常為氮氣(N₂)。常見的生物處理法有氨氧化反應、亞硝酸氧化反應、硝酸還原反應、厭氧氨氧化反應等。在利用生物處理法進行氨氮廢水處理時，須考量的一個重要因子為廢水中是否同時含有有機物，若廢水中同時含有有機物，可以利用氨氧化反應、硝酸還原反應來進行硝化/脫氮反應，以達到去除氨氮之目的，亦或可利用硝酸還原反應進行半硝化/脫氮反應，同樣可達到去除氨氮之目的，若廢水中有機物濃度不足或微量時，則主要可利用厭氧氨氧化反應以進行氨氮廢水處理。

在習知的化學處理方法當中，依照廢水中的氨氮濃度而有不同的方法，在廢水中的氨氮濃度較低的條件下，可利用折點加氯法將廢水中的氨氮轉換為氮氣而達到去除的目的；而在處理中高濃度之氨氮廢水時，則可選擇磷酸銨鎂沉澱，將氨氮形成固體物後達到去除之目的，不過，以化學混凝程序進行磷酸銨鎂處理時，易產生大量磷酸銨鎂膠羽，造成處理成本上增加。

習知的折點加氯法去除氨的基本原理為利用氯氣(Cl₂)或次氯酸鈉與氨反應，進而生成無害的氮氣，雖然此方法具有操作不受水溫影響、操作方法簡單等優勢，然而，液氯在安全使用和貯存方面與對pH的控制上要求嚴謹，另外在處理過程中也需要加入大量的鹼，在加鹼量高的情況下，對於高濃度氨氮廢水的處理運行成本不符合經濟效益。

基於上述習知技術之瓶頸，本創作係揭露一種氨氮廢水處理裝置，可有效處理氨氮廢水，同時降低成本，並且在處理完後不產生廢棄物或二次產物。

本創作在於提供一種氨氮廢水處理裝置，在處理氨氮廢水後，不會產生廢棄物或二次產物。

本創作在於提供一種氨氮廢水處理裝置，藉以解決先前技術中，關於液氯的使用與貯存安全、pH的控制要求高以及加鹼量高，導致處理成本上升，不符合經濟效益等問題。

本創作之一實施例所揭露之氨氮廢水處理裝置包含一pH調整單元及一電解反應單元。pH調整單元接收氨氮廢水並調整pH；電解反應單元接收來自pH調整單元的氨氮廢水，並進行電解產生次氯酸鹽及氯離子，並在進行曝氣後產生碳酸，在弱酸性的條件下，碳酸更進一步與次氯酸鹽反應產生次氯酸，次氯酸鹽、氯離子及次氯酸係持續氧化氨氮廢水，使氨氮廢水生成氮氣並排除，且完成上述反應的部分氨氮廢水回流至該pH調整單元，並調整該pH調整單元的pH。其中電解反應單元具有一陽極及一陰極，陽極的材質係為釕系或銥系材料，陰極的材質係為不鏽鋼或鈦系材料。

根據上述實施例所揭露的氨氮廢水處理裝置，其中pH調整單元係依據添加酸鹼調整物以及回流的氨氮廢水來調整pH。由於回流的氨氮廢水本身呈弱酸性，因此可以減少添加的調整物的使用量，在pH控制上也更具有彈性。除此之外，在氧化氨氮廢水的過程中，次氯酸鹽、氯離子及次氯酸等氯離子來源，來自電解反應當中的電解反應及進行曝氣後所產生，不需要額外添加氯離子。如此一來，便可以解決在先前技術中，液氯的使用與貯存安全、pH的控制要求高以及加鹼量高，導致處理成本上升，不符合經濟效益等問題，同時更不會產生廢棄物或二次產物。

以上關於本創作內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本創作的原理，並且提供本創作的專利申請範圍更進一步的解釋。

10‧‧‧氨氮廢水之處理裝置

100‧‧‧pH調整單元

200‧‧‧電解反應單元

210‧‧‧陽極

220‧‧‧陰極

300‧‧‧氨氮廢水

M‧‧‧攪拌件

A‧‧‧曝氣裝置

B‧‧‧回流抽水區

圖1係為根據本創作之一實施例所繪示之氨氮廢水之處理裝置的示意圖。

圖2係為根據本創作之又一實施例所繪示之氨氮廢水之處理裝置的示意圖。

以下將說明有關本創作之一實施例，請參閱圖1。圖1係為根據本創作之一實施例所繪示之氨氮廢水之處理裝置的示意圖。

本實施例之氨氮廢水之處理裝置10係於含氨氮的污廢水處理上所使用。含氨氮的污廢水來源例如但不限於生活污水、高科技業、石化產業、化工產業等。氨氮廢水之處理裝置10包含一pH調整單元100、一電解反應單元200。pH調整單元100係接收一氨氮廢水300，氨氮廢水300的流動方向係如圖中長短虛線所示；電解反應單元200包含一陽極210及一陰極220，並接收來自pH調整單元100的氨氮廢水300。其中，氨氮廢水300在經過電解反應單元200處理過後，會回流至pH調整單元。換言之，氨氮廢水300係經過pH調整單元100，再經過電解反應單元200的處理，最後回流至pH調整單元，形成循環。

詳細而言，氨氮廢水300被pH調整單元100接收，pH調整單元100調整氨氮廢水300的pH值，使氨氮廢水300的pH值保持在適當值。pH調整單元100係可藉由加入酸性與鹼性調整物以調整氨氮廢水300的pH。常用的酸性調整物例如但不限於硫酸(H₂SO₄)、鹽酸(HCl)，鹼性調整物例如但不限於氫氧化鈉(NaOH)。需說明的是，由於氨氮廢水300最後回流至pH調整單元200時呈弱酸性，可協助調整pH調整單元200的pH值，因此所需要另外添加的酸性調整物也隨之減少。換句話說，pH調整單元100內的氨氮廢水300的pH值係由添加的酸性、鹼性調整物以及回流的氨氮廢水300所決定，而需將氨氮廢水300的pH值保持在適當值的原因在於，電解反應的反應條件介於4.5至6.5 之間，因此在氨氮廢水300進入電解反應單元200之前，需調整至適當狀態，以利後續反應進行，也就是說，在pH調整單元100內的氨氮廢水的pH值要維持在6至7.5的狀態。

進一步而言，pH調整單元100可包含攪拌件M。攪拌件M可以協助酸性、鹼性調整物以及氨氮廢水300之間的混合，加快pH調整單元100中的酸鹼反應。氨氮廢水300在經過pH調整單元100的處理過後，接著進入電解反應單元200進行後續的處理。

電解反應單元200接收來自pH調整單元100的氨氮廢水300後，會進行一系列的反應，以將氨氮廢水300中的氨氮生成氮氣後去除。進行的反應包含電解反應，生成次氯酸、次氯酸鈉與氯離子，並在進行曝氣後產生碳酸，在弱酸性的條件下，碳酸更進一步與次氯酸鹽反應產生次氯酸，次氯酸鹽、氯離子及次氯酸係持續地氧化該氨氮廢水，使氨氮廢水300在生成氯胺(NH₂Cl)後終氧化為氨氣並排除。詳細的反應式於後敘說明：

氨氮廢水300進行的電解反應式包含：2NaCl+2H₂O → 2NaOH+H₂↑+Cl₂；以及2NaOH+Cl₂ → NaClO+NaCl+H₂O。

如上述反應式，在電解反應中，氯化鈉(NaCl)與水(H2O)進行反應，生成氫氧化鈉與氯，接著，氫氧化鈉與氯進行反應，生成次氯酸鈉、氯化鈉、水。需說明的是，在一般氨氮廢水的電解反應當中，需額外添加含氯離子的化學物質以作為反應物中氯離子的來源，例如添加氯化鈉，又或是許多產業在製程當中所使用氯化鐵(FeCl₃)、氯化銅(CuCl₂)、氯化銨(NH₄Cl)、鹽酸等化學藥品。然而，在本實施例當中，不需要額外添加含氯離子的化學物質，而是直接利用廢水當中所包含的含氯離子化學物質，便可進行電解反應。

關於廢水中存在的氯離子化學物質，如先前所述，含氨氮的廢水來源係有生活污水、高科技業、石化產業、化工產業等，在一般廢水在處理氨氮前會先以化學沉降法去除水中的重金屬、氟離子(F^-)與懸浮固體(SS)等汙染物，在混凝沉澱過程中所使用的混凝劑如氯化鐵、聚多元氯化鋁(Polyaluminium Chloride)、氯化鈣(CaCl₂)皆可做為氯離子的來源。除此之外，電池、蓄電池、PCB、電鍍業、皮革業、金屬表面酸洗業、半導體製程等中皆有使用的氯化銨(NH₄Cl)，亦為廢水中氯離子的來源。更者，在垃圾掩埋場之滲出水、焚化底渣之洗滌等廢水內均含有大量的氯離子。由此可知，本實施例係利用廢水中已存在之氯離子作為電解反應中氯離子的來源，無需額外添加化學藥品。

其中，電解反應單元200具有陽極210及陰極220，陽極與陰極係交互排列，也就是說，陽極與陰極係以一陽極搭配一陰極的方式交互設置，而陽極與陰極的型態例如但不限於平板狀、網狀、條狀等。陽極的材質係為釕系或銥系材料，陰極的材質係為不鏽鋼或鈦系材料。更詳細而言，陽極為釕銥鈦陽極。釕銥鈦陽極作為電解產生次氯酸鈉使用，陽極材料選用塗層鈦電極及混合氧化物塗層。使用釕系或銥系材料作為陽極的優點在於，使用壽命長、過電位低、析氯電流效率高，因而具有節能的效果。而陰極的材質選擇鈦具有的優點在於，鈦具有優良的抗腐蝕能力，且抗蝕性佳，不易受稀硫酸、稀鹽酸、氯氣、氯溶液及大部份有機酸的腐蝕。

氨氮廢水300進行的曝氣反應的反應式包含：H₂CO₃+NaClO → HClO+NaHCO₃。

氨氮廢水300進行曝氣係藉由曝氣裝置A導入空氣(如虛線所示)進入至氨氮廢水300，並使空氣中的二氧化碳(CO₂)溶於水中產生碳酸，接著，碳酸與電解反應中所生成的次氯酸鈉進行反應，產生次氯酸與碳酸鈉。曝氣裝置A除了設置在電解反應單元200中以外，在本實施例中亦可設置在pH調整單元100中，在pH調整單元100中先行產生碳酸，加快次氯酸鈉與碳酸的反應速度。

氨氮廢水300進行的氧化反應式包含：NH₄ ⁺+HClO → NH₂Cl+H⁺+H₂O；以及2NH₂Cl+HClO → N₂+3HCl+H₂O。

在氨氮廢水300進行曝氣後所生成的次氯酸與氨氮廢水300中的銨離子進行氧化反應生成氯胺，生成的氯胺再持續地與次氯酸進行氧化反應直到形成氮氣，以達到脫氮。在反應的過程中，需要持續地讓次氯酸與水中的氨反應，在本實施例中，理想的氯：氮約介於8~10：1。而前述的曝氣裝置A在電解反應單元200中，除了用以將二氧化碳溶於水中產生碳酸，更可利用曝氣的方式將產生的氮氣趕出水體。

其中，氨氮廢水在進入電解反應單元前的pH值係介於6至7.5之間，而隨著電解反應的過程中pH值逐漸下降，氨氮廢水在電解反應單元中的pH值會逐漸下降到5至6之間。以電解反應而言，氨氮廢水300的電解反應條件pH值係介於4.5至6.5之間，維持上述pH值的原因在於，pH值低於4時會產生有毒氣體如三氯胺(NCl₃)、三氯甲烷(CHCl₃)，高於7.5時又會導致反應的效率不佳。

在生成氮氣以達到除氨的作用之後，剩餘的氨氮廢水會回流至pH調整單元，由於在電解反應過程中，氨氮廢水的pH值逐漸降低，剩餘的氨氮廢水呈現弱酸性的狀態，當剩餘的氨氮廢水回流與pH調整單元內待處理的氨氮廢水進行混合時，可以對待處理的氨氮廢水的pH值進行調整。

需說明的是，以上反應雖有先後順序之別，但在電解反應單元當中，反應是同時進行的，也就是說，在電解反應單元中同時進行電解反應、曝氣反應、氧化反應等。

另外，在圖1中的氨氮廢水之處理裝置中更包含了一回流抽水區B，其係臨設於電解反應單元200，處理後的氨氮廢水300會經由溢流的方式流入至回流抽水區B，並再藉由幫浦將部分處理後的氨氮廢水300回送至pH調整單元100，以達到上述調整pH調整單元100內pH值的目的。雖然圖1中並未詳細地繪示出詳細的幫浦設置位置，但不論是當在外界的廢水進入pH調整單元時、氨氮廢水自pH調整單元進入電解反應單元時、氨氮廢水自電解反應單元回流時，可能都需加設幫浦將氨氮廢水導入各單元中，根據不同的設備設計與實際需求，會有不同的幫浦配置，圖式中所示之結構並不限制本創作之範圍。

在圖2中則揭露本創作之又一實施例，其為本創作之氨氮廢水之處理裝置的另一種配視圖，根據不同的需求與場地設計，本創作氨氮廢水之處理裝置10的pH調整單元100、電解反應單元200及回流抽水區B的相對應位置可以如圖2所示。

除上述以外，本創作之氨氮廢水處理裝置更可選擇性地與至少一混凝單元、至少一沉澱單元、至少一生物處理單元及/或至少一中和單元連結。換句話說，本創作之氨氮廢水處理裝置可彈性地與其他不同的處理單元做結合。

一般氨氮廢水處理所使用的折點加氯法，是將氯氣不斷通入廢水中，直到廢水中氨的濃度降為零。一般使用折點加氯法時，需要另外通入大量的氯，且必須時時控管通入的氯含量，以免造成pH值超出操作範圍時可能產生有毒的三氯胺，或是效率不佳的問題。然而本創作所提供的氨氮廢水的處理裝置，藉由調整氨氮廢水的pH值再進入電解反應單元的方式，使pH達到適當的反應值，並利用廢水中原本就存在的氯離子，以及以電解的方式直接產生去除氨氮所需要的反應物，不需要額外再通入氯氣，操作成本相較於傳統的折點加氯法低，也減少了額外通入氯氣的時間，處理所需的時間相對傳統而言較少。此外，在電解反應中，次氯酸會持續的與氨氮廢水中的胺類化合物反應，一直到形成氮氣排出，剩餘的氨氮廢水會回流利用，不會產生廢棄物或二次產物。另外，由於電解後剩餘的氨氮廢水會回流作為pH值的調整使用，在調控pH值方面，也減少了所需要添加的化學藥品。綜合上述，本創作所提供的氨氮廢水處理具有節能、減少成本以及不會產生廢棄物等優點。

雖然本創作以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何熟習相像技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本創作之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種氨氮廢水之處理裝置，包含：一pH調整單元，接收一氨氮廢水並調整使該氨氮廢水的pH值介於6至7.5；以及一電解反應單元，接收來自該pH調整單元的該氨氮廢水並進行電解以產生次氯酸鹽(ClO-)及氯離子(Cl-)，並在進行曝氣後產生碳酸(H₂CO₃)，在弱酸性的條件下，碳酸更進一步與次氯酸鹽反應產生次氯酸(HClO)，次氯酸鹽、氯離子及次氯酸係持續地氧化該氨氮廢水，使該氨氮廢水在生成氯胺後終氧化為氮氣(N₂)並排除，且完成上述反應的部分該氨氮廢水回流至該pH調整單元，並調整該pH調整單元的pH值；其中該電解反應單元具有一陽極及一陰極，該陽極的材質係為釕系或銥系材料，該陰極的材質係為不鏽鋼或鈦系材料。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中該氨氮廢水進行的電解反應式包含：2NaCl+2H₂O → 2NaOH+H₂↑+Cl₂；以及2NaOH+Cl₂ → NaClO+NaCl+H₂O。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中該氨氮廢水進行曝氣係藉由導入空氣進入至該氨氮廢水，並使空氣中的二氧化碳(CO₂)溶於水中產生碳酸。
如請求項3所述之氨氮廢水之處理裝置，其中該氨氮廢水進行的曝氣反應式包含：H₂CO₃+NaClO → HClO+NaHCO₃。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中該氨氮廢水進行的氧化反應式包含：NH₄++HClO → NH₂Cl+H+ +H₂O；以及2NH₂Cl+HClO → N₂+3HCl+H₂O。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中該pH調整單元內更包含一攪拌件。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中該pH調整單元內更添加硫酸或液鹼來調整pH值。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中該pH調整單元內更可進行曝氣。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中在該電解反應單元內的氯：氮約介於8~10：1。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中該氨氮廢水的pH值係介於4.5至6.5之間。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中該氨氮廢水在該電解反應單元的pH值約為5~6。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中該陽極為釕銥鈦陽極。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其中電解反應單元更連結一回流抽水區。
如請求項1所述之氨氮廢水之處理裝置，其更選擇性地與至少一混凝單元、至少一沉澱單元、至少一生物處理單元及/或至少一中和單元連結。