饮用水脱硝反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种脱除饮用水中硝酸盐氮的方法和反应器，本发明专利技术属于水处理工艺与设备的应用技术领域。以无烟煤为介质，碳纤维为电极，在缺氧条件下通以较低的直流电，即可通过介质颗粒创造微电解氧化还原环境，在线发生反硝化菌所需要的氢气和碳源，将饮用水中低浓度的硝酸盐氮脱除，据此构造成充填式微电解自养脱硝反应器。由于此反应器使用了具有强吸附的碳纤维电极和碳介质，不需外加基质，处理后水无任何二次污染，同时耗电量低、硝酸盐脱除效率高、设备简单紧凑、易于在线控制，具有很好的实用性。用此反应器处理后的含硝酸盐地下水，其中的脱氮效率可达９７％以上，亚硝酸盐氮含量在０．０１ｍｇ／Ｌ以下。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种去除饮用水中硝酸盐氮的技术和反应器，具体是一种利用碳纤维和石墨作电极、有碳介质存在的情况下，通过微电解过程提供反硝化菌所需要的基质对水中低含量硝酸盐进行脱除的方法。目前，去除饮用水中硝酸盐氮的方法有1)膜分离法主要包括反渗透和电渗析两种。这两种方法对无机盐的去除非常有效，但主要适合于总溶解性固体含量高的水及海水淡化，处理费用颇高。同时，膜分离法对硝酸盐无选择性，能去除所有的无机离子，产生浓缩无机盐废水。因而从运行操作和处理费用等多方面考虑，根本不能用于较大规模的饮用水脱硝处理。2)离子交换法采用阴离子交换树脂能有效去除水中阴离子，如SO42-、NO3-、HCO32-等。但阴树脂交换了几乎所有水中的硫酸根离子后，才与硝酸盐和重碳酸交换，此过程去除了水中所有的硫酸根离子，硝酸根离子以及一半的重碳酸根离子，它们都替代成了氯离子，造成氯根增加。而且，树脂需要用进行再生并生高浓度盐水，将对环境产生污染。3)CARIX离子交换工艺。针对常规离子交换法的缺点，人们进行了大量的改进研究。一种改进工艺为CARIX离子交换工艺。此工艺将弱酸树脂和重碳酸盐形式的弱碱树脂相结合，将两种树脂放在混床中，采用二氧化碳再生树脂。这种方法的优点是不产生过量的再生废液，而且二氧化碳可以重复利用。缺点是工艺复杂，运行管理困难。此外，碳酸盐是一种弱酸，产生相当低浓度质子和重碳酸根离子，树脂再生后只恢复交换容量的5％-10％。4)离子交换/生物脱氮复合工艺该工艺是将离子交换和生物脱氮处理过程联用，克服了单独使用离子交换法造成的二次污染，再生利用量大等缺点。它将硝酸盐的去除过程和离子交换要脂的再生过程统一于一个封闭循环的系统中。该工艺的优点是再生过程在封闭系统中进行，可避免产生大量含盐废水，降低再生剂用量；其缺点是会产生硫酸盐累积现象，操作复杂，再生时需投加有机物如甲醇、乙醇等作反硝化碳源，增加了运行费用，其设备费也较高。5)硝酸盐选择性离子交换树脂法这种树脂交换容量很低，不能用于饮用水处理。6)生物反硝化法(1)异养反硝化法。利用有机物作为营养源，常用的有机物包括甲醇、乙醇和醋酸。这种方法的优点是，选择性地去除硝酸盐，将其转化为无害的氮气，无废液产生，处理费用低。但投加有机物后，造成一定污染，因此需要用好氧生物处理法除去过量的有机物，后处理较复杂。(2)自养反硝化法。主要是采用氢或硫作为电子供体。研究证明，用氢作为还原剂从地下水中去除硝酸盐是可行的。其主要优点是加入到水中的氢无任何二次污染，处理后无需额外生物净化，安全性高。但由外源提供氢易于爆炸，而且氢气成本较高。用硫作为自养源可选择性去除硝酸盐，而且成本较低，较为经济方便，但这种方法的最大缺陷是硫被氧化成硫酸根，导致出水硫酸盐含量增加。本专利技术旨在建立一种饮用水脱硝的新方法，具体是充填介质的电化学-生物脱硝反应器。这种反应器以碳纤维材料为电极，其间填充碳性介质，采用上升式水流。由于通过电化学反应所提供的反硝化基质主要是氢气，属自养型反应器，经处理后水中的硝酸盐氮可被有效去除且不产生任何二次污染，克服了现行方法的缺陷，具有重要的实用性。本专利技术的反应器的工作原理如下反应器以碳纤维为电极，内填碳性介质，当通以适当的直流电时，将发生如下反应反应器的阴极产生氢(e0=0.000V) (1)在阳极上可能的电极反应有(e0=0.207V) (2)(e0=1.229V)(3)由于生物反硝化须在缺氧的环境中才能进行，反应器运行中必须排除副反应(3)。依据反应(2)和(3)的标准电极电位差判断，这一点有可能做到。无烟煤是碳化程度较深的煤，其分子组成中主要是碳的骨架。选择无烟煤及类似的碳性黑材料作为介质基有以下优点1．有利于细菌的附着生长，提高生物膜量，2．性碳颗粒材料不导电，3．由于无烟煤、活性碳等也是碳材料，有助于营造反应器内的缺氧环境。反硝化过程由自养菌以氢气为电子供体完成当氢气足够量时，水中的硝酸盐氮几乎可以全部被还原成氮气。本专利技术的反应器的基本构造如附图示。反应器1由阳极2，阴极3，碳颗粒填料4，氮气排放口5，直流电源6和其它附件组成。反应器1置于恒温箱7以保持温度恒定。阳极2和阴极3分别由导线8和9通过电压表10和电流表11联接至电源6。水箱12盛装含有NO3-的原水，安装计量泵13输送原水至反应器，为调节进入反应器的水量和水在反应器内的停留时间，装有阀门14和阀门15。为了对反应器进行反冲洗调节，装有阀门16。本专利技术的反应器系统操作过程如下首先进行接种、培养细菌，并使介质挂膜。介质挂膜的过程中温度保持32℃，以甲醇为基质，甲醇与硝酸盐氮的比C∶N(mg/mg)=3，以K2HPO3和KH2PO3为pH缓冲剂保证体系中的pH值维持在7左右，并适当补充微量元素。接着将已挂膜的介质移入反应器，反应器的温度保持32℃。继续一段时间的培养后通电，使电极挂膜，并对细菌进行驯化。在驯化的过程中逐步减少甲醇的投入量(其它条件与前面相同)，直至达到完全的自养过程。以上过程以及后来的反应器运行中的进水都以实验室内的自来水配制，并经过吹氮气脱氧。在完成培养后，在正常运行时，将恒温箱的温度高定在20℃。打开直流电源6，利用阳极导线8和阴极导线9将电源与阳极2和阴极3接通，电压和电流由电位表10和电流表11显示。开启阀门14和15后启动计量泵13，将含NO3-的待处理水12送入反应器1，水经填料4向上流，并经阀门15流出，水量由计量泵13控制。应硝化过程中产生的N2通过排气口5排出。完成一个运行周期后，打开阀门16，用自来水对反应器进行反冲洗。本专利技术的特点如下1、通过微电解过程产生反硝化菌所需要的基质氢气，无需外加营养源。2、氢气还原后生成水，不对处理后水产生二次污染。3、使用碳纤维作阴极，由于其本身的强吸附特性，是很好的生物电极，同时可以提供少量碳源基质。4、填充无烟煤或活性碳等碳性颗粒材料作为介质，在提供了生物载体的同时，也形成具有氧化还原过程的微电场，并提供了少量碳源基质。5、由于使用碳纤维作阴极并填充碳料，使电耗大大降低，电流效率高。6、通过该反应器处理后的水中硝酸盐基本得到去除，水中不残留亚硝酸盐。实施例实施例1 在容积为1L的反应器箱体内加入粒度1.8～2.0cm的无烟煤为充填介质，介质充填高度为反应器高的三分之二。被处理原水由硝酸钾配制，水中硝酸盐氮的浓度为21.4mg/l。在下述条件下进行脱氮处理电极 阳极石墨板，60×200×80mm,3块阴极碳纤维片，60×200×5mm,3块电极间距 2.5cm电流强度 13mA电压 2.2v温度 20℃流量 70ml/h电流效率 110％处理后水质如表1所示。表1实施例1处理后的水质 实施例2 在容积为1L的反应器箱体内加入粒度1.8～2.0cm的无烟煤为充填介质，介质充填高度为反应器高的三分之二。被处理原水由硝酸钾配制，水中硝酸盐氮的浓度为21.4mg/l。在下述条件下进行脱氮处理电极 阳极石墨板，60×200×80mm,3块阴极碳纤维片，60×200×5mm,3块电极间距 2.5cm电流强度 15mA电压 2.2v温度 20℃流量 96ml/h处理后水质如表2所示。表2实施例2处理后的水质本文档来自技高网...

【技术保护点】
以碳纤维、石墨等堕性材料为电极，以无烟煤、活性碳等碳性颗粒材料为介质的微电解自养反硝化去除饮用水中硝酸盐氮的方法和工艺。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曲久辉，刘锁祥，范彬，雷鹏举，孟光辉，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]