專利名稱：飲用水脫硝反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種去除飲用水中硝酸鹽氮的技術(shù)和反應(yīng)器，具體是一種利用碳纖維和石墨作電極、有碳介質(zhì)存在的情況下，通過微電解過程提供反硝化菌所需要的基質(zhì)對(duì)水中低含量硝酸鹽進(jìn)行脫除的方法。
目前，去除飲用水中硝酸鹽氮的方法有1)膜分離法主要包括反滲透和電滲析兩種。這兩種方法對(duì)無機(jī)鹽的去除非常有效，但主要適合于總?cè)芙庑怨腆w含量高的水及海水淡化，處理費(fèi)用頗高。同時(shí)，膜分離法對(duì)硝酸鹽無選擇性，能去除所有的無機(jī)離子，產(chǎn)生濃縮無機(jī)鹽廢水。因而從運(yùn)行操作和處理費(fèi)用等多方面考慮，根本不能用于較大規(guī)模的飲用水脫硝處理。
2)離子交換法采用陰離子交換樹脂能有效去除水中陰離子，如SO42-、NO3-、HCO32-等。但陰樹脂交換了幾乎所有水中的硫酸根離子后，才與硝酸鹽和重碳酸交換，此過程去除了水中所有的硫酸根離子，硝酸根離子以及一半的重碳酸根離子，它們都替代成了氯離子，造成氯根增加。而且，樹脂需要用進(jìn)行再生并生高濃度鹽水，將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。
3)CARIX離子交換工藝。針對(duì)常規(guī)離子交換法的缺點(diǎn)，人們進(jìn)行了大量的改進(jìn)研究。一種改進(jìn)工藝為CARIX離子交換工藝。此工藝將弱酸樹脂和重碳酸鹽形式的弱堿樹脂相結(jié)合，將兩種樹脂放在混床中，采用二氧化碳再生樹脂。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生過量的再生廢液，而且二氧化碳可以重復(fù)利用。缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，運(yùn)行管理困難。此外，碳酸鹽是一種弱酸，產(chǎn)生相當(dāng)?shù)蜐舛荣|(zhì)子和重碳酸根離子，樹脂再生后只恢復(fù)交換容量的5％-10％。
4)離子交換/生物脫氮復(fù)合工藝該工藝是將離子交換和生物脫氮處理過程聯(lián)用，克服了單獨(dú)使用離子交換法造成的二次污染，再生利用量大等缺點(diǎn)。它將硝酸鹽的去除過程和離子交換要脂的再生過程統(tǒng)一于一個(gè)封閉循環(huán)的系統(tǒng)中。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是再生過程在封閉系統(tǒng)中進(jìn)行，可避免產(chǎn)生大量含鹽廢水，降低再生劑用量；其缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽累積現(xiàn)象，操作復(fù)雜，再生時(shí)需投加有機(jī)物如甲醇、乙醇等作反硝化碳源，增加了運(yùn)行費(fèi)用，其設(shè)備費(fèi)也較高。
5)硝酸鹽選擇性離子交換樹脂法這種樹脂交換容量很低，不能用于飲用水處理。
6)生物反硝化法(1)異養(yǎng)反硝化法。利用有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)源，常用的有機(jī)物包括甲醇、乙醇和醋酸。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，選擇性地去除硝酸鹽，將其轉(zhuǎn)化為無害的氮?dú)?，無廢液產(chǎn)生，處理費(fèi)用低。但投加有機(jī)物后，造成一定污染，因此需要用好氧生物處理法除去過量的有機(jī)物，后處理較復(fù)雜。(2)自養(yǎng)反硝化法。主要是采用氫或硫作為電子供體。研究證明，用氫作為還原劑從地下水中去除硝酸鹽是可行的。其主要優(yōu)點(diǎn)是加入到水中的氫無任何二次污染，處理后無需額外生物凈化，安全性高。但由外源提供氫易于爆炸，而且氫氣成本較高。用硫作為自養(yǎng)源可選擇性去除硝酸鹽，而且成本較低，較為經(jīng)濟(jì)方便，但這種方法的最大缺陷是硫被氧化成硫酸根，導(dǎo)致出水硫酸鹽含量增加。
本發(fā)明旨在建立一種飲用水脫硝的新方法，具體是充填介質(zhì)的電化學(xué)-生物脫硝反應(yīng)器。這種反應(yīng)器以碳纖維材料為電極，其間填充碳性介質(zhì)，采用上升式水流。由于通過電化學(xué)反應(yīng)所提供的反硝化基質(zhì)主要是氫氣，屬自養(yǎng)型反應(yīng)器，經(jīng)處理后水中的硝酸鹽氮可被有效去除且不產(chǎn)生任何二次污染，克服了現(xiàn)行方法的缺陷，具有重要的實(shí)用性。
本發(fā)明的反應(yīng)器的工作原理如下反應(yīng)器以碳纖維為電極，內(nèi)填碳性介質(zhì)，當(dāng)通以適當(dāng)?shù)闹绷麟姇r(shí)，將發(fā)生如下反應(yīng)反應(yīng)器的陰極產(chǎn)生氫(e0=0.000V) (1)在陽(yáng)極上可能的電極反應(yīng)有(e0=0.207V) (2)(e0=1.229V)(3)由于生物反硝化須在缺氧的環(huán)境中才能進(jìn)行，反應(yīng)器運(yùn)行中必須排除副反應(yīng)(3)。依據(jù)反應(yīng)(2)和(3)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位差判斷，這一點(diǎn)有可能做到。無煙煤是碳化程度較深的煤，其分子組成中主要是碳的骨架。選擇無煙煤及類似的碳性黑材料作為介質(zhì)基有以下優(yōu)點(diǎn)1．有利于細(xì)菌的附著生長(zhǎng)，提高生物膜量，2．性碳顆粒材料不導(dǎo)電，3．由于無煙煤、活性碳等也是碳材料，有助于營(yíng)造反應(yīng)器內(nèi)的缺氧環(huán)境。反硝化過程由自養(yǎng)菌以氫氣為電子供體完成當(dāng)氫氣足夠量時(shí)，水中的硝酸鹽氮幾乎可以全部被還原成氮?dú)狻?br> 本發(fā)明的反應(yīng)器的基本構(gòu)造如附圖
示。
反應(yīng)器1由陽(yáng)極2，陰極3，碳顆粒填料4，氮?dú)馀欧趴?，直流電源6和其它附件組成。反應(yīng)器1置于恒溫箱7以保持溫度恒定。陽(yáng)極2和陰極3分別由導(dǎo)線8和9通過電壓表10和電流表11聯(lián)接至電源6。水箱12盛裝含有NO3-的原水，安裝計(jì)量泵13輸送原水至反應(yīng)器，為調(diào)節(jié)進(jìn)入反應(yīng)器的水量和水在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，裝有閥門14和閥門15。為了對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行反沖洗調(diào)節(jié)，裝有閥門16。
本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)操作過程如下首先進(jìn)行接種、培養(yǎng)細(xì)菌，并使介質(zhì)掛膜。介質(zhì)掛膜的過程中溫度保持32℃，以甲醇為基質(zhì)，甲醇與硝酸鹽氮的比C∶N(mg/mg)=3，以K2HPO3和KH2PO3為pH緩沖劑保證體系中的pH值維持在7左右，并適當(dāng)補(bǔ)充微量元素。接著將已掛膜的介質(zhì)移入反應(yīng)器，反應(yīng)器的溫度保持32℃。繼續(xù)一段時(shí)間的培養(yǎng)后通電，使電極掛膜，并對(duì)細(xì)菌進(jìn)行馴化。在馴化的過程中逐步減少甲醇的投入量(其它條件與前面相同)，直至達(dá)到完全的自養(yǎng)過程。以上過程以及后來的反應(yīng)器運(yùn)行中的進(jìn)水都以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的自來水配制，并經(jīng)過吹氮?dú)饷撗?。在完成培養(yǎng)后，在正常運(yùn)行時(shí)，將恒溫箱的溫度高定在20℃。
打開直流電源6，利用陽(yáng)極導(dǎo)線8和陰極導(dǎo)線9將電源與陽(yáng)極2和陰極3接通，電壓和電流由電位表10和電流表11顯示。開啟閥門14和15后啟動(dòng)計(jì)量泵13，將含NO3-的待處理水12送入反應(yīng)器1，水經(jīng)填料4向上流，并經(jīng)閥門15流出，水量由計(jì)量泵13控制。應(yīng)硝化過程中產(chǎn)生的N2通過排氣口5排出。完成一個(gè)運(yùn)行周期后，打開閥門16，用自來水對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行反沖洗。
本發(fā)明的特點(diǎn)如下1、通過微電解過程產(chǎn)生反硝化菌所需要的基質(zhì)氫氣，無需外加營(yíng)養(yǎng)源。
2、氫氣還原后生成水，不對(duì)處理后水產(chǎn)生二次污染。
3、使用碳纖維作陰極，由于其本身的強(qiáng)吸附特性，是很好的生物電極，同時(shí)可以提供少量碳源基質(zhì)。
4、填充無煙煤或活性碳等碳性顆粒材料作為介質(zhì)，在提供了生物載體的同時(shí)，也形成具有氧化還原過程的微電場(chǎng)，并提供了少量碳源基質(zhì)。
5、由于使用碳纖維作陰極并填充碳料，使電耗大大降低，電流效率高。
6、通過該反應(yīng)器處理后的水中硝酸鹽基本得到去除，水中不殘留亞硝酸鹽。
實(shí)施例實(shí)施例1 在容積為1L的反應(yīng)器箱體內(nèi)加入粒度1.8～2.0cm的無煙煤為充填介質(zhì)，介質(zhì)充填高度為反應(yīng)器高的三分之二。被處理原水由硝酸鉀配制，水中硝酸鹽氮的濃度為21.4mg/l。在下述條件下進(jìn)行脫氮處理電極 陽(yáng)極石墨板，60×200×80mm,3塊陰極碳纖維片，60×200×5mm,3塊電極間距 2.5cm電流強(qiáng)度 13mA電壓 2.2v溫度 20℃流量 70ml/h電流效率 110％處理后水質(zhì)如表1所示。表1實(shí)施例1處理后的水質(zhì)
實(shí)施例2 在容積為1L的反應(yīng)器箱體內(nèi)加入粒度1.8～2.0cm的無煙煤為充填介質(zhì)，介質(zhì)充填高度為反應(yīng)器高的三分之二。被處理原水由硝酸鉀配制，水中硝酸鹽氮的濃度為21.4mg/l。在下述條件下進(jìn)行脫氮處理電極 陽(yáng)極石墨板，60×200×80mm,3塊陰極碳纖維片，60×200×5mm,3塊電極間距 2.5cm電流強(qiáng)度 15mA電壓 2.2v溫度 20℃流量 96ml/h處理后水質(zhì)如表2所示。表2實(shí)施例2處理后的水質(zhì)
實(shí)施例3 在容積為1L的反應(yīng)器箱體內(nèi)加入粒度1.8～2.0cm的無煙煤為充填介質(zhì)，介質(zhì)充填高度為反應(yīng)器高的三分之二。被處理原水由硝酸鉀配制，水中硝酸鹽氮的濃度為21.4mg/l。在下述條件下進(jìn)行脫氮處理電極 陽(yáng)極石墨板，60×200×80mm,3塊陰極碳纖維片，60×200×5mm,3塊電極間距 2.5cm電流強(qiáng)度 16mA電壓 2.2v溫度 20℃流量 130ml/h
處理后水質(zhì)如表3所示。表3實(shí)施例3處理后的水質(zhì)
權(quán)利要求
1.以碳纖維、石墨等墮性材料為電極，以無煙煤、活性碳等碳性顆粒材料為介質(zhì)的微電解自養(yǎng)反硝化去除飲用水中硝酸鹽氮的方法和工藝。
2.以碳纖維、石墨等墮性材料為電極，以無煙煤、活性碳等碳性顆粒材料為介質(zhì)的微電解自養(yǎng)脫硝反應(yīng)器。
3.反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)以及利用此類反應(yīng)器進(jìn)行水處理的參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脫除飲用水中硝酸鹽氮的方法和反應(yīng)器,本發(fā)明屬于水處理工藝與設(shè)備的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。以無煙煤為介質(zhì),碳纖維為電極,在缺氧條件下通以較低的直流電,即可通過介質(zhì)顆粒創(chuàng)造微電解氧化還原環(huán)境,在線發(fā)生反硝化菌所需要的氫氣和碳源,將飲用水中低濃度的硝酸鹽氮脫除,據(jù)此構(gòu)造成充填式微電解自養(yǎng)脫硝反應(yīng)器。由于此反應(yīng)器使用了具有強(qiáng)吸附的碳纖維電極和碳介質(zhì),不需外加基質(zhì),處理后水無任何二次污染,同時(shí)耗電量低、硝酸鹽脫除效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單緊湊、易于在線控制,具有很好的實(shí)用性。用此反應(yīng)器處理后的含硝酸鹽地下水,其中的脫氮效率可達(dá)97%以上,亞硝酸鹽氮含量在0.01mg/L以下。
文檔編號(hào)C02F1/461GK1303819SQ9912399
公開日2001年7月18日 申請(qǐng)日期1999年11月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月23日
發(fā)明者曲久輝, 劉鎖祥, 范彬, 雷鵬舉, 孟光輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心