本實(shí)用新型涉及污水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種反硝化生產(chǎn)能源物質(zhì)氧化亞氮的裝置。

背景技術(shù)：

氮元素是構(gòu)成地球生物體中存在第四大元素，其在地球生物化學(xué)環(huán)境中的循環(huán)是重要的地球代謝過程。在氮循環(huán)過程中，反硝化是重要的組成部分。

反硝化菌在缺氧環(huán)境中將NO₃^-依次還原為NO₂^-、一氧化氮(NO)、N₂O，最終完全還原為氮?dú)?N₂)，隨著反硝化反應(yīng)的進(jìn)行pH值逐漸升高，有機(jī)碳源為反應(yīng)提供電子。在反硝化過程中，N₂O是必然的中間產(chǎn)物，當(dāng)N₂O還原酶受到抑制時會產(chǎn)生N₂O釋放。部分反硝化菌自身缺乏N₂O還原酶，反硝化只能進(jìn)行到還原為N₂O這一步，從而造成更多的N₂O釋放。N₂O作為全球三大溫室氣體之一，其溫室效應(yīng)約是二氧化碳(CO₂)的300倍。平流層中的N₂O與氧原子反應(yīng)生成NO進(jìn)而破壞臭氧層，再加上其生命周期很長，所以即使是少量的N₂O也會帶來很嚴(yán)重的危害。微生物脫氮過程釋放的N₂O占大氣中N₂O的90％以上，由于污水生物處理工藝在世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，污水處理廠被認(rèn)為是產(chǎn)生N₂O釋放的主要來源之一。研究污水生物處理過程中N₂O的釋放規(guī)律和釋放途徑，對于解析和調(diào)控N₂O釋放有重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外，氧化亞氮可以作為助燃劑或者火箭氧化劑等。當(dāng)混合甲烷和氧化亞氮共燃時，可以提高能量產(chǎn)率。因此，通過反硝化過程生產(chǎn)氧化亞氮是一種有效的途徑。現(xiàn)有的反硝化生產(chǎn)氧化亞氮的裝置，生產(chǎn)速率較慢，效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種反硝化生產(chǎn)能源物質(zhì)氧化亞氮的裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

一種反硝化生產(chǎn)能源物質(zhì)氧化亞氮的裝置，包括序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器、進(jìn)水泵、吹脫泵、氣體收集系統(tǒng)和排水泵，所述進(jìn)水泵連接所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器的進(jìn)水口，所述排水泵連接所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器的出水口，所述吹脫泵和所述氣體收集系統(tǒng)設(shè)置在所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器中，所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器用于使通過所述進(jìn)水泵送入的污水反應(yīng)以產(chǎn)生氧化亞氮，所述吹脫泵用于將產(chǎn)生的氧化亞氮吹脫出反硝化發(fā)酵反應(yīng)器，所述氣體收集系統(tǒng)用于收集所述吹脫泵吹脫的氧化亞氮。

進(jìn)一步地：

所述進(jìn)水泵和所述排水泵為蠕動泵。

所述進(jìn)水泵和所述排水泵為由定時器控制啟閉的蠕動泵。

還包括設(shè)置在所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器中的攪拌器。

所述攪拌器為可移動攪拌器。

所述攪拌器為磁力攪拌器。

所述吹脫泵包括微孔曝氣部件。

所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器為圓柱形有機(jī)玻璃反應(yīng)器。

本實(shí)用新型的有益效果：

本實(shí)用新型的反硝化生產(chǎn)能源物質(zhì)氧化亞氮的裝置能夠高效生產(chǎn)N₂O，生產(chǎn)效率和速率遠(yuǎn)高于以往裝置的反硝化效率和速率，生產(chǎn)過程也更簡單。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型一種實(shí)施例的反硝化生產(chǎn)氧化亞氮的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a和2b為實(shí)驗(yàn)例1中測定的水樣中NO₂-N和溶解性N₂O濃度以及氣態(tài)N₂O濃度；

圖3a和3b為實(shí)驗(yàn)例2中測定的NO₃-N、NO₂-N和溶解性N₂O濃度以及氣態(tài)N₂O濃度。

具體實(shí)施方式

以下對本實(shí)用新型的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實(shí)用新型的范圍及其應(yīng)用。

如圖1所示為一種實(shí)施例高效反硝化產(chǎn)能源物質(zhì)氧化亞氮裝置，該裝置主要包括進(jìn)水泵1、序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器2、排水泵4、吹脫泵5以及氣體收集系統(tǒng)6，所述進(jìn)水泵1連接所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器2的進(jìn)水口，所述排水泵4連接所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器2的出水口，所述吹脫泵5和所述氣體收集系統(tǒng)6設(shè)置在所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器2中，所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器2用于使通過所述進(jìn)水泵1送入的污水進(jìn)行反應(yīng)以產(chǎn)生氧化亞氮，所述吹脫泵5用于將產(chǎn)生的氧化亞氮吹脫出反硝化發(fā)酵反應(yīng)器2，所述氣體收集系統(tǒng)6用于收集所述吹脫泵5吹脫的氧化亞氮。反應(yīng)器采用序批式生產(chǎn)模式，馴化特定的微生物種群，以持續(xù)生產(chǎn)N₂O。

在優(yōu)選實(shí)施例中，所述進(jìn)水泵1和所述排水泵4為蠕動泵。更優(yōu)選地，所述進(jìn)水泵1和所述排水泵4為由定時器控制啟閉的蠕動泵。

在優(yōu)選實(shí)施例中，該裝置還包括設(shè)置在所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器2中的攪拌器3。更優(yōu)選地，所述攪拌器3為可移動式攪拌器。攪拌器3優(yōu)選可以采用磁力攪拌器。

在優(yōu)選實(shí)施例中，吹脫泵5包括微孔曝氣部件(未圖示)，從而構(gòu)成一個微孔曝氣器。

在優(yōu)選實(shí)施例中，所述序批式反硝化發(fā)酵反應(yīng)器2為圓柱形有機(jī)玻璃反應(yīng)器。

生產(chǎn)過程中，可以以污水處理廠活性污泥作為菌種來源，采用序批式生產(chǎn)方式。首先，采用進(jìn)水泵向置有污泥的反應(yīng)器中泵入含有碳源和硝態(tài)氮以及微生物生長所需營養(yǎng)元素的污水，然后攪拌泥水混合物進(jìn)行缺氧發(fā)酵以生產(chǎn)N₂O。在缺氧攪拌的過程中可以通過定時器啟閉由排水泵進(jìn)行排泥。反應(yīng)一定時間后，采用氣體吹脫方法把生產(chǎn)的N₂O吹脫出反應(yīng)器到氣體收集系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際情況，若有碳源剩余則進(jìn)行好氧過程。由于好氧曝氣也可以使污泥完全混合，故可不需攪拌。好氧過程可以防止缺氧結(jié)束后仍剩余碳源，通過好氧過程將其消耗完，避免在沉淀過程中繼續(xù)進(jìn)行反硝化產(chǎn)氣使污泥發(fā)生膨脹而隨出水流失。反應(yīng)結(jié)束后，停止攪拌和吹脫，使污泥沉降，然后排出一定量的含有較低營養(yǎng)鹽濃度的發(fā)酵液。接下來，采用進(jìn)水泵泵入新的污水，開始新的生產(chǎn)過程。

實(shí)驗(yàn)例1

采用2個高為30cm，直徑為10cm，有效容積為2000mL的圓柱形有機(jī)玻璃SBR反應(yīng)器(序批式反應(yīng)器)進(jìn)行馴化反硝化菌。兩個SBR反應(yīng)器運(yùn)行周期均為4h，運(yùn)行溫度為26℃。每天排泥200mL，控制污泥齡(SRT)為10天。SBR運(yùn)行周期包括160min缺氧攪拌(包括10min進(jìn)水)，20min好氧，45min靜置沉淀和15min出水/閑置。每個周期進(jìn)水為1L，出水為1L，水力停留時間(HRT)為8h。水力停留時間是污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間。在此過程中反應(yīng)器為2L，每個周期進(jìn)出水1L，因此污水在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間相當(dāng)于兩個周期，即8h。好氧反應(yīng)階段通過微孔曝氣器曝氣，反應(yīng)器進(jìn)水和排水通過定時器控制蠕動泵啟閉實(shí)現(xiàn)。兩個反應(yīng)器進(jìn)水碳源不同，分別為蛋白胨和淀粉。進(jìn)水碳源的濃度分別為蛋白胨1090mg/L和淀粉1090mg/L，進(jìn)水NaNO₂濃度為980mg/L(NO₂-N為200mg/L)，故進(jìn)水COD/N為4。其他進(jìn)水組分相同，其中Na₂HPO₄為50mg/L，CaCl₂為70mg/L，MgSO₄為400mg/L，NaHCO₃為1000mg/L，NH₄Cl為100mg/L，酵母浸膏為10mg/L，微量元素為0.4mL/L。

通過提供碳源和氮在缺氧過程中富集反硝化細(xì)菌進(jìn)行馴化，待馴化結(jié)束達(dá)到穩(wěn)定后可進(jìn)行穩(wěn)定產(chǎn)氣。待馴化穩(wěn)定后，分別從以蛋白胨和淀粉為碳源的反應(yīng)器在好氧結(jié)束前取活性污泥300mL，離心棄上清液，活性污泥用清水重新懸浮，再次離心棄上清液，此過程重復(fù)兩次。然后，對于最后離心得到的污泥用初始NO₂-N濃度為800mg/L的營養(yǎng)液重新懸浮到500mL絲口瓶中，分別加入充足的相應(yīng)碳源，用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，開始試驗(yàn)。試驗(yàn)反應(yīng)時間為1h，試驗(yàn)過程中每隔10min取水樣與氣樣，同時在線溶解性N₂O，試驗(yàn)結(jié)束后測定水樣中NO₂-N濃度和氣態(tài)N₂O濃度。所得結(jié)果如圖2a和圖2b所示。

經(jīng)計算得，以蛋白胨和淀粉分別為碳源以NO₂-N為電子受體進(jìn)行反硝化時，N₂O的產(chǎn)率分別為23.1％和36.3％。

以上實(shí)驗(yàn)中，由于氣態(tài)N₂O與溶解性N₂O在實(shí)際反應(yīng)器中不易測定，故將反應(yīng)器中馴化好的活性污泥取出進(jìn)行和反應(yīng)器中相同的實(shí)驗(yàn)。由于從反應(yīng)器中取出的活性污泥是污泥和污水的混合液，對活性污泥離心棄上清液重新懸浮的過程是為了將污水中的營養(yǎng)物質(zhì)洗脫，利于計算。同時用取出活性污泥的方式也可研究碳源和氮源在何濃度條件下N₂O產(chǎn)率更大。活性污泥里富集了硝化細(xì)菌，可以重復(fù)使用。

實(shí)驗(yàn)例2

采用1個高為30cm，直徑為10cm，有效容積為2000mL的圓柱形有機(jī)玻璃SBR反應(yīng)器進(jìn)行馴化反硝化菌。該SBR反應(yīng)器運(yùn)行周期為4h，每個周期包括：160min缺氧攪拌(包括10min進(jìn)水)，20min好氧，45min靜置沉降和15min出水/閑置。每個周期進(jìn)水為1L，出水為1L，水力停留時間(HRT)為8h。每天在特定周期的好氧末端排泥200mL，控制污泥齡(SRT)為10天。好氧反應(yīng)階段使用微孔曝氣器進(jìn)行曝氣，反應(yīng)器進(jìn)水和排水通過定時器控制蠕動泵啟閉實(shí)現(xiàn)，反應(yīng)器在26℃條件下長期馴化。反應(yīng)器的進(jìn)水碳源為葡萄糖，其進(jìn)水COD濃度為800mg/L；進(jìn)水NaNO₃為1214mg/L，對應(yīng)進(jìn)水NO₃-N濃度為200mg/L。故長期馴化條件下反應(yīng)器進(jìn)水COD/N為4。其他進(jìn)水組分為：NaHCO₃為200mg/L，NH₄Cl為250mg/L，Na₂HPO₄為25mg/L，CaCl₂為45mg/L，MgSO₄為100mg/L，酵母浸膏為15mg/L，微量元素為0.2mL/L。

待馴化穩(wěn)定后，在反應(yīng)器好氧結(jié)束前取活性污泥500mL，離心棄上清液，活性污泥用清水重新懸浮，再次離心棄上清液，此過程重復(fù)兩次。然后，對于最后離心得到的污泥用初始NO₃-N濃度為200mg/L的營養(yǎng)液重新懸浮到500mL絲口瓶中，分別加入初始濃度為400mg/L和800mg/L的碳源，從而在初始C/N比分別為2和4的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌。試驗(yàn)反應(yīng)時間為1h，試驗(yàn)過程中每隔10min取水樣與氣樣，同時在線溶解性N₂O，試驗(yàn)結(jié)束后測定水樣中NO₃-N和NO₂-N濃度以及氣態(tài)N₂O濃度。所得結(jié)果如圖3a和圖3b所示。

經(jīng)過計算得，在以葡萄糖為碳源，NO₃-N為電子受體進(jìn)行反硝化試驗(yàn)時，C/N比為2的條件下N₂O的轉(zhuǎn)化率為66.68％，C/N比為4的條件下N2O的轉(zhuǎn)化率為65.89％。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實(shí)施方式對本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實(shí)施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。