專利名稱：一種同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理工藝及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于水處理技術領域，特別涉及一種同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理
工藝與裝置。
背景技術：
隨著人口的增加、工業(yè)化和城市化程度的不斷提高，大量氮元素進入水體，使水體富營養(yǎng)化，導致生態(tài)環(huán)境惡化，為此，研究者們開發(fā)了眾多生物、化學或物理的技術將污水中的銨態(tài)、硝態(tài)或有機態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮氣從而最終去除污水中的氮素。氮素是生物生長的必需元素，但多數(shù)生物只能吸收硝態(tài)或銨態(tài)氮，因此空氣中大量存在的氮氣需要在高溫高壓下人工合成為氨氣并進一步轉(zhuǎn)化才能制成氮肥或其他原料。常規(guī)脫氮技術雖然較為有效地緩解了目前水體氮素污染的問題，但也造成了大量氮肥資源的損失，如果能將污水中的氮素加以回收，將能節(jié)約大量的能源。生物電化學系統(tǒng)是近年來發(fā)展迅速的一種污水處理新技術，通常由陽極室、分隔膜和陰極室組成，陰、陽極室內(nèi)由于發(fā)生不同反應而形成電勢差。不存在分隔膜時，在電勢差的驅(qū)動下陽離子會從陽極室向陰極室遷移，而陰離子則會由陰極室向陽極室遷移；當分隔膜對陰、陽離子具有選擇性時，只有陰(或陽)離子可以通過分隔膜在不同極室之間交換， 因此，利用不同分隔膜的陰、陽離子選擇性和微生物燃料電池在不同極室間形成的電勢差， 在陰、陽極室之間增加一個回收室并以陽、陰離子交換膜相隔開，可以驅(qū)動陽、陰離子分別從陽、陰極室進入回收室。如果污水中含有較高的氮素，由于陽極室為厭氧狀態(tài)，氮素主要以銨根離子形式存在，陰極室為好氧狀態(tài)，氮素主要被轉(zhuǎn)化為硝酸根離子，因此，在離子選擇膜的選擇透過和電勢差驅(qū)動下，硝酸根、銨根離子分別從陰、陽極室進入回收室，從而實現(xiàn)污水的脫氮和含氮離子的收集。由于污水中氮素含量相對較低，回收室中含氮離子的濃度并不太高，有必要進行進一步濃縮。膜蒸溜，又稱為低溫膜蒸餾，是一種采用疏水性微孔膜，以膜兩側(cè)的蒸汽壓力差為驅(qū)動力的膜分離過程。水的飽和蒸汽壓隨溫度升高以指數(shù)增加，將不同溫度的水引入膜的兩側(cè)，由于膜的疏水性，兩側(cè)的溶液相均不能透過，但由于高溫側(cè)水溶液與膜界面的水蒸汽壓高于低溫側(cè)，水蒸汽會從高溫側(cè)透過膜孔進入低溫側(cè)并冷凝成為滲出水，留在高溫側(cè)的溶液則得到濃縮，成為滲余液。因此，將回收的含氮水采用膜蒸餾系統(tǒng)進行濃縮，可以在高溫側(cè)獲得液態(tài)氮肥，實現(xiàn)氮素的回收，低壓側(cè)產(chǎn)生的滲出水可以回用于回收室。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以生物電化學和膜蒸餾為基礎，目的在于同時實現(xiàn)處理含氮污水、產(chǎn)電和回收氮素。本發(fā)明提供了一種同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理工藝和裝置，其特征在于，包括以下步驟
(a)按照附圖1安裝設備；
(b)含氮污水由a進入陽極室I，陽極2上的產(chǎn)電微生物1在厭氧環(huán)境下將污水中的污染物氧化并將產(chǎn)生電子傳遞給陽極2，生物電化學系統(tǒng)外電路的電流方向為從陰極5流向陽極2，處理后的污水由b排出陽極室I ；
(c)由于陽極室I為厭氧狀態(tài)，含氮污水中的氮素以銨根離子為主要存在形式，生物電化學系統(tǒng)內(nèi)電路的電流方向為從陽極2流向陰極6，銨根及其他陽離子在離子梯度及電勢差驅(qū)動下透過陽離子交換膜3進入回收室II ；
(d)含氮污水由h進入陰極室III，空氣由曝氣管道7進入陰極室III，陰極6上的好氧微生物5在好氧條件下將污水中的有機物氧化并將銨根離子轉(zhuǎn)化為硝酸根離子，硝酸根離子及其他陰離子會在離子梯度及電勢差驅(qū)動下穿過陰離子交換膜4進入回收室II，而電子經(jīng)由導線和外電阻8傳遞至陰極6并進一步傳遞給好氧微生物5用于氧氣等的還原，完成產(chǎn)電過程；
(e)回收室II中含銨根離子和硝酸根離子的溶液由d進入膜蒸餾系統(tǒng)IV，經(jīng)過處理后的濃縮液經(jīng)由e收集作為液態(tài)氮肥，低離子濃度的滲出液經(jīng)由f回到回收室II，同時由c補充少量凈水。所述污水為可生化處理的含氮廢水，總氮濃度大于20mg/L。所述產(chǎn)電微生物為馴化的混合微生物菌群，其優(yōu)化的產(chǎn)電條件為溫度25 40°C，pH值6. 5 8. 5，溶解氧濃度小于0. 2mg/L。所述的好氧微生物的優(yōu)化生長條件為溫度25 40°C，pH值6. 5 8. 5，溶解氧濃度為1 3mg/L。所述低溫膜蒸餾系統(tǒng)的操作溫度為4(T50°C。本發(fā)明還提供了一種同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理裝置，其特征在于，陽離子交換膜3和陰離子交換膜4將處理裝置分為陽極室I、回收室II和陰極室III ；在陽極室I內(nèi)放置陽極2，在陰極室III內(nèi)放置陰極6，并在陽極2和陰極5上分別馴化、富集產(chǎn)電微生物1和好氧微生物5 ；陽極2和陰極6通過導線和外電阻8相連接；含氮污水分別由a 和g進入陽極室I和陰極室III，處理完畢后由b和h分別排出；回收室II中收集了氮素的溶液由d進入膜蒸餾系統(tǒng)IV，濃縮后的含氮溶液由e收集，低離子濃度的滲出液由f回到回收室II，同時由c補充少量凈水進入回收室II。所述陽離子交換膜3和陰離子交換膜4為透過率> 90%的無毒離子交換膜，膜厚度0. 2 0. 5mm,爆破強度大于0. 3MPa。所述陽極2上的產(chǎn)電微生物1和陰極6上的好氧微生物5所形成的膜厚度為20 100 μ m0所述陽極室I內(nèi)陽極2和陰極室III內(nèi)陽極6的材料包括石墨粒，粒徑1 5mm ； 或石墨氈，厚度5 IOmm ；或碳氈，厚度5 IOmm ；或碳布，厚度0. 1 0. 45mm。本發(fā)明的有益效果為利用生物電化學系統(tǒng)陰、陽極微生物在處理污水、產(chǎn)電的同時去除污水中的氮素并將其加以回收，尤其適合有機物濃度較低但總氮濃度較高廢水的處理；本發(fā)明所述工藝簡單、易操作、能耗低、效率高、運行費用低，實現(xiàn)了污水的資源化處理和有用物質(zhì)的回收；所述處理裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于擴大化工業(yè)生產(chǎn)與使用。


圖1為本發(fā)明所述的同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理工藝與裝置示意圖。
圖中標示
I一陽極室，II一回收室，III一陰極室，IV—膜蒸餾系統(tǒng)；1一產(chǎn)電微生物，2—陽極，3— 陽離子交換膜，4一陰離子交換膜，5—好氧微生物，6 —陰極，7—曝氣管道，8—導線和外電阻；a—陽極室進水口，b—陽極室出水口，c一回收室進水口(凈水補充)，d—回收室出水口及膜蒸餾系統(tǒng)進水口，e—膜蒸餾系統(tǒng)濃縮液出水口，f一膜蒸餾系統(tǒng)滲出液出水口及回收室進水口(回用水)，g—陰極室進水口，h—陰極室出水口。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理工藝與裝置，以下結(jié)合附圖對具體實施方式
進行說明。實施方式1:裝置安裝
裝置按照圖1所示的原理圖進行安裝陽離子交換膜3和陰離子交換膜4將裝置分為陽極室I、回收室II和陰極室III，其中陽離子交換膜3和陰離子交換膜4采用透過率分別為96%和94%的無毒的離子交換膜，厚度均為0. 3mm，爆破強度均> 0. 5MPa ；在陽極室I內(nèi)放置厚度為0. 2 0. 3mm的碳布作為陽極2，在陰極室III內(nèi)放置厚度為0. 1 0. 2mm的碳布作為陰極6，陽極2和陰極6分布富集厚度為40 60 μ m的產(chǎn)電微生物1和好氧微生物 5，均從生活污水處理廠消化污泥馴化而來；以導線和100 Ω的外電阻8連接陽極2和陰極 6。所用膜蒸餾系統(tǒng)采用內(nèi)壓式聚偏氟乙烯中空纖維膜，孔徑0. 0Γ0. 05 μ m。實施方式2:裝置運行
裝置安裝完成后，在生物電化學系統(tǒng)陽極室I中由進水口 a加入可生化處理的含氮廢水并使其處于溶解氧濃度低于0. 2mg/L的厭氧狀態(tài)，廢水中的污染物在產(chǎn)電微生物1的作用下被分解，同時分解污染物釋放出的電子被傳遞到陽極2，經(jīng)處理后的污水由出水口 b排出；陰極室III中由進水口 g加入同樣可生化處理的含氮廢水，空氣通過曝氣管道7進入陰極室III，使其溶解氧濃度大于1. 5mg/L，還原態(tài)的氮素從而被好氧微生物5氧化為硝酸根離子，經(jīng)處理后的污水由出水口h排出。處于厭氧狀態(tài)的陽極室I電位較低，而好氧狀態(tài)的陰極室III的電位較高，在陽極室I和陰極室III之間形成電勢差，產(chǎn)電微生物1釋放的電子會經(jīng)陽極2、導線和外電阻8流到陰極6，并被陰極上的好氧微生物5用于還原氧氣完成產(chǎn)電過程。在生物電化學系統(tǒng)的內(nèi)電路中，由于陽極室I和陰極室III之間存在的電勢差，陰離子(如硝酸根離子)會從陰極室III向陽極室I遷移，而陽離子(如銨根離子)會從陽極室 I向陰極室III遷移，但是由于陽極室I和陰極室III之間增加了一個回收室II，且陽極室 I和回收室II、陰極室III和回收室II之間分別以陽離子交換膜3和陰離子交換膜4隔開， 因此，陽離子從陽極室I進入回收室II后不能再通過陰離子交換膜4進入陰極室III，同樣，陰離子從陰極室III進入回收室II后不能再通過陽離子交換膜3進入陽極室II，從而在回收室II累積較高濃度的銨根離子和硝酸根離子，此外也含有其他陽離子(如鉀離子和鈉離子等)和其他陰離子(如碳酸根離子和磷酸根離子)。經(jīng)一定時間后，回收室II中的水經(jīng)出水口及管道d進入膜蒸餾系統(tǒng)IV，經(jīng)低溫膜蒸餾后液體濃縮至原體積的約10%，并經(jīng)出水口 e排出，約占原體積95%的凈水則經(jīng)f回到回收室II，同時由進水口 C補充原體積5% 的凈水至回收室。
在實施過程中，陽極室I、回收室II和陰極室III的有效體積均為1L，所用的含氮廢水均為總氮80mg/L、化學需氧量250mg/L，均采用間歇式進水和出水，外電阻8為500 Ω ； 陽極室I中水力停留時間Mh，COD去除率大于90%，總氮去除率大于75%，陰極室III水力停留時間為12h，COD去除率大于98%，總氮去除率大于75%，回收室II水力停留時間為4 ， 總氮濃度大于360mg/L，膜蒸餾系統(tǒng)溫度控制在40 45°C，濃縮液總氮濃度大于7g/L ；生物電化學系統(tǒng)輸出功率大于10W/m3。
權(quán)利要求
1.一種同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理工藝，其特征在于，包括以下步驟(a)安裝設備；(b)含氮污水由a進入陽極室I，陽極2上的產(chǎn)電微生物1在厭氧環(huán)境下將污水中的污染物氧化并將產(chǎn)生電子傳遞給陽極2，生物電化學系統(tǒng)外電路的電流方向為從陰極5流向陽極2，處理后的污水由b排出陽極室I ；(c)由于陽極室I為厭氧狀態(tài)，含氮污水中的氮素以銨根離子為主要存在形式，生物電化學系統(tǒng)內(nèi)電路的電流方向為從陽極2流向陰極6，銨根及其他陽離子在離子梯度及電勢差驅(qū)動下透過陽離子交換膜3進入回收室II ；(d)含氮污水由h進入陰極室III，空氣由7進入陰極室III，陰極6上的好氧微生物5 在好氧條件下將污水中的有機物氧化并將銨根離子轉(zhuǎn)化為硝酸根離子，硝酸根離子及其他陰離子會在離子梯度及電勢差驅(qū)動下穿過陰離子交換膜4進入回收室II，而電子經(jīng)由導線和外電阻8傳遞至陰極6并進一步傳遞給好氧微生物5用于氧氣等的還原，完成產(chǎn)電過程；(e)回收室II中含銨根離子和硝酸根離子的溶液由d進入膜蒸餾系統(tǒng)IV，經(jīng)過處理后的濃縮液經(jīng)由e收集，低離子濃度的滲出液經(jīng)由f回到回收室II，同時由c補充少量凈水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理工藝，其特征在于，所述污水為可生化處理的含氮污水，總氮濃度大于20mg/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理工藝，其特征在于，所述膜蒸餾系統(tǒng)操作溫度為4(T50°C。
4.一種同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理裝置，其特征在于陽離子交換膜3和陰離子交換膜4將處理裝置分為陽極室I、回收室II和陰極室III ；在陽極室I內(nèi)放置陽極2， 在陰極室III內(nèi)放置陰極6，并在陽極2和陰極5上分別馴化、富集產(chǎn)電微生物1和好氧微生物5 ；陽極2和陰極6通過導線和外電阻8相連接；含氮污水分別由a和g進入陽極室I 和陰極室III，處理完畢由b和h分別排出；回收室II中收集了氮素的溶液由d進入膜蒸餾系統(tǒng)IV，濃縮后的含氮溶液由e收集，低離子濃度的滲出液由f回到回收室II，同時由c 補充少量凈水進入回收室II。
全文摘要
本發(fā)明屬于水處理技術領域，特別涉及一種同步產(chǎn)電和回收氮素的含氮污水處理工藝與裝置。該裝置主要包括生物電化學和膜蒸餾系統(tǒng)，其中生物電化學系統(tǒng)包括陽極室、陽膜、回收室、陰膜、陰極室和外電路等6部分；含氮污水進入陽極室，微生物厭氧分解污染物并將電子傳遞至陽極并進一步經(jīng)外電路傳遞到陰極實現(xiàn)產(chǎn)電；含氮污水進入陰極室進行好氧處理，氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮；陽極室中的銨根和陰極室中的硝酸根在電勢差驅(qū)動下分別通過陽膜和陰膜進入回收室；回收室中的水以膜蒸餾系統(tǒng)處理，滲出液回流至回收室，濃縮液為含高濃度硝酸銨等的溶液，從而實現(xiàn)氮素的回收。本發(fā)明所述工藝簡單、效率高、經(jīng)濟效益好；處理裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于實際應用。
文檔編號C02F3/30GK102372398SQ20111025495
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者肖勇, 趙峰 申請人:中國科學院城市環(huán)境研究所