一种水同步电脱氮方法技术

本发明专利技术涉及在电化学电池中进行的水纯化方法，其中降低了水溶液的硝酸盐离子的含量，从而提供硝酸盐浓度低于100ppm，铵浓度低于50ppm，以及合并的氯浓度低于2ppm的水溶液。本发明专利技术还提供了适用于实施所述水纯化方法的电化学电池的设计方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种水同步电脱氮方法
本专利技术涉及在电化学电池中进行的水纯化方法，其中将水溶液的硝酸盐离子含量降低，从而使得到的水溶液具有的硝酸盐浓度低于100ppm，铵浓度低于50ppm，以及合并的氯浓度低于2ppm。本专利技术还提供了适用于进行所述水纯化方法的电化学电池的设计方法。
技术介绍
由于农业活性(包括过量施用无机氮肥和粪肥)，家庭和工业废水处理以及人和动物粪便中含氮废物的氧化(包括化粪池)，硝酸盐(NO3-)可以进入地表水和地下水。由于从天然植被中滤出，一些地下水也可能具有硝酸盐污染。饮用水中超过50ppm的硝酸盐水平与多种健康问题存在关联，例如高铁血红蛋白血症(methaemoglobinaemia)，特别是在婴儿和胃癌中。已知多种从水中除去硝酸盐的方法，例如离子交换，反渗透和生物脱氮。在离子交换过程中，水通过含有阴离子交换树脂的柱。当该树脂完全负载了硝酸根离子时，所述树脂通过与含有不同离子的溶液交换进行再生，所得到的硝酸盐溶液需要作为废料排出。在反渗透中，水通过保持硝酸盐离子的膜。然后必须丢弃所得到的保留离子的浓缩溶液。生物脱氮涉及使用细菌，这是有问题的，因为其去除含氮组分的能力是温度依赖性的。因此，这些方法的缺点是产生需要排出的相对浓缩的硝酸盐溶液，它们是温度依赖性的，以及它们导致显著的成本问题。在现有技术中也描述了从水中去除硝酸盐的电化学方法(即，电脱氮(electrodenitrification))，如在专利申请ES2400506A2中。在这些方法中，在阴极处发生硝酸盐离子还原反应，产生氨和氮气；在阳极处，水中存在的氯离子被氧化成次氯酸盐。在这些方法中，根据以下所示的反应，在阴极处发生硝酸盐离子还原反应，产生氨和氮气；在阳极处水中存在的氯离子被氧化成次氯酸盐，在水中氯分离成次氯酸盐和氯化物，所述次氯酸盐与氨反应生成氮气。NO3-+6H2O+8e-→NH3+9OH-NO3-+3H2O+5e-→1/2N2+6OH-2Cl-→Cl2+2e-Cl2+H2O→HClO+HCl2NH3+3HClO→N2+3HCl+3H2O饮用水中存在的铵和氯衍生物的含量不应超过某些值，分别地为0.5ppm和2ppm。为了利用电脱氮方法同时获得可接受的硝酸盐，铵和氯含量，将硝酸盐浓度降低至希望水平所需的时间必须与将铵完全氧化成氮气所需的时间相同。否则，铵将保留在水中或通过过量的游离氯与剩余的铵反应而出现氯胺化合物。类似的情况也发生于被丢弃到公共废水系统中的水中，其中铵的含量不应超过某些值，一般为50ppm。在这种情况下，为了使用电脱氮方法同时获得可接受的硝酸盐和铵水平，将硝酸盐浓度降低至希望水平所需的时间必须与将氨氧化成氮气所需的时间相同，直到达到希望的铵水平。专利申请ES2400506A2公开了用于将水电脱氮的电化学电池，其中获得可接受的硝酸盐，铵和氯水平。然而，所述专利申请仅提供了其中在约200ppm的氯化物浓度下，待处理的水中硝酸盐含量为125ppm，123ppm的2个实施例。然而，该专利申请没有提供关于阴极的分形表面(fractalsurface)和阳极的惰性表面的任何信息。本专利技术人已经观察到，这些参数影响适用于实现可接受的铵、合并的氯和硝酸盐含量的电化学电池的整体设计，如本申请的比较实施例中所示。因此，仍然需要提供同时获得可接受的硝酸盐，铵和氯水平的水处理方法。
技术实现思路
本专利技术人令人惊奇地发现了在具有特定设计参数的电化学电池中进行水处理的方法，由此可以同时得到目标可接受的硝酸盐，铵和氯水平。该方法既可用于获取饮用水，又可用于对待丢弃到公共废水系统中的水进行预处理，从而使其符合公共机构制定的规定。此外，本专利技术人还发现了确定适合于实施本专利技术的水处理方法的电化学电池的设计参数的方法。因此，在第一方面，本专利技术涉及通过选择所述电池的体积，阴极和阳极以及当操作所述电池时选择有待施加的电强度(以安培计)/体积单位，设计适用于降低具有大于5ppm的硝酸盐浓度(C0)和25ppm至1500ppm的氯化物浓度的第一水溶液的初始硝酸盐浓度(C0)以产生具有低于100ppm的最终硝酸盐浓度(Cf)，低于50ppm的铵浓度[NH4+]f，和低于2ppm的合并的氯浓度的第二水溶液的电化学电池的方法，所述方法包括以下步骤：a)使用式(1)计算参数Z其中，第一水溶液的初始硝酸盐浓度(C0)，第二水溶液的最终硝酸盐浓度(Cf)和最终铵浓度([NH4+]f)以mmol/升表示；b)固定(fixing)所述电化学电池的产量(P)(以升/分钟计)，定义为所述电池能够处理的第一水溶液的体积/分钟；c)计算电化学电池的体积(VR)(以升计)，为产量(P)的10-180倍；d)使用式(2)计算硝酸盐还原成铵和/或氮的理论常数(Kt)其中，初始硝酸盐浓度(C0)，最终硝酸盐浓度(Cf)以mmol/升表示，电化学电池的体积(VR)以升表示，产量(P)以升/分钟表示；e)使用式(3)计算电化学电池的阳极和阴极之间有待施加的强度(以安培计)/体积单位(以升计)(I/V)：其中，初始硝酸盐浓度(C0)，最终硝酸盐浓度(Cf)以mmol/升表示，如在步骤d)中计算Kt；f)选择具有1至10的分形表面(fractalsurface)(R)的阴极；g)通过施加具有强度的连续电流从而如在步骤e)中获得I/V，在配备有阴极和阳极的第一电化学电池中处理第一水溶液的样品，所述阴极选自步骤f)，所述阳极是钛-钌氧化物阳极，具有50％的惰性表面以及具有与步骤f)中选择的阴极的几何表面相等的表面，并且具有小于或等于VR的电池体积(VR’)(以升计)；h)在步骤g)的处理期间随着时间测量硝酸盐的浓度以及使用所述测量确定硝酸盐还原成铵和/或氮的实验反应常数(Ke)；i)通过重复步骤f)至h)调节阴极的分形表面，其中在每次重复中，在步骤f)中选择的阴极的分形表面(R)发生变化，直至所选择的阴极提供的硝酸盐还原成铵和/或氮的反应常数(Ke)的实验值为0.95·Kt至1.05·Kt，其中Kt是步骤d)中计算的理论反应常数的值；或者如果在步骤h)中测定的硝酸盐还原成铵和/或氮的反应常数(Ke)的实验值为0.95·Kt至1.05·Kt，其中Kt是步骤d)中计算的理论反应常数，则选择步骤f)的阴极；j)在步骤g)的电化学电池中处理第一水溶液的另一样品，其中在与步骤g)中施加的不同的强度/体积单位(I/V)下如步骤i)中选择阴极；k)在步骤j)的处理期间随着时间测量硝酸盐的浓度以及使用所述测量确定硝酸盐还原成铵和/或氮的实验反应常数(Ke)；l)通过重复步骤j)至k)调节强度/体积(I/V)，其中在每次重复中，强度/体积(I/V)发生改变，直至所选择的强度/体积(I/V)提供的硝酸盐还原成铵和/或氮的反应常数(Ke)的实验值为0.99·Kt至1.01·Kt，其中Kt是步骤d)中计算的理论反应常数的值；或者如果在步骤h)中测量的硝酸盐还原成铵和/或氮的反应常数(Ke)的实验值为0.99·Kt至1.01·Kt，其中Kt是步骤d)中计算的理论反应常数，则选择步骤j)的强度/体积(I/V)；m)使用式(4)计算铵氧化成氮的理论反应常数(KNt)：KNt＝Kt/Z(4)其中如在步骤a)中获得Z和如在步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过选择电池的体积，阴极和阳极以及当操作所述电池时选择有待施加的以安培计的电强度/体积单位，设计适用于降低具有大于5ppm的硝酸盐浓度(C0)和25ppm至1500ppm的氯化物浓度的第一水溶液的初始硝酸盐浓度(C0)以产生具有低于100ppm的最终硝酸盐浓度(Cf)，低于50ppm的铵浓度[NH4

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.30 EP 15382218.41.一种通过选择电池的体积，阴极和阳极以及当操作所述电池时选择有待施加的以安培计的电强度/体积单位，设计适用于降低具有大于5ppm的硝酸盐浓度(C0)和25ppm至1500ppm的氯化物浓度的第一水溶液的初始硝酸盐浓度(C0)以产生具有低于100ppm的最终硝酸盐浓度(Cf)，低于50ppm的铵浓度[NH4+]f，和低于2ppm的合并的氯浓度的第二水溶液的电化学电池的方法，所述方法包括以下步骤：a)使用式(1)计算参数Z：其中，第一水溶液的初始硝酸盐浓度(C0)，第二水溶液的最终硝酸盐浓度(Cf)和最终铵浓度([NH4+]f)以mmol/升表示；b)固定所述电化学电池的产量(P)(以升/分钟计)，定义为所述电池能够处理的第一水溶液的体积/分钟；c)计算电化学电池的体积(VR)(以升计)，为产量(P)的10-180倍；d)使用式(2)计算硝酸盐还原成铵和/或氮的理论常数(Kt)：其中，初始硝酸盐浓度(C0)，最终硝酸盐浓度(Cf)以mmol/升表示，电化学电池的体积(VR)以升表示，产量(P)以升/分钟表示；e)使用式(3)计算电化学电池的阳极和阴极之间有待施加的强度(以安培计)/体积单位(以升计)(I/V)：其中，初始硝酸盐浓度(C0)，最终硝酸盐浓度(Cf)以mmol/升表示，如在步骤d)中计算Kt；f)选择具有1至10的分形表面(R)的阴极；g)通过施加具有强度的连续电流从而如在步骤e)中获得I/V，在配备有阴极和阳极的第一电化学电池中处理第一水溶液的样品，所述阴极选自步骤f)，所述阳极是钛-钌氧化物阳极，具有50％的惰性表面以及具有与步骤f)中选择的阴极的几何表面相等的表面，并且具有小于或等于VR的电池体积(VR’)(以升计)；h)在步骤g)的处理期间随着时间测量硝酸盐的浓度以及使用所述测量确定硝酸盐还原成铵和/或氮的实验反应常数(Ke)；i)通过重复步骤f)至h)调节阴极的分形表面，其中在每次重复中，在步骤f)中选择的阴极的分形表面(R)发生变化，直至所选择的阴极提供的硝酸盐还原成铵和/或氮的反应常数(Ke)的实验值为0.95·Kt至1.05·Kt，其中Kt是步骤d)中计算的理论反应常数；或者如果在步骤h)中测定的硝酸盐还原成铵和/或氮的反应常数(Ke)的实验值为0.95·Kt至1.05·Kt，其中Kt是步骤d)中计算的理论反应常数，则选择步骤f)的阴极；j)在步骤g)的电化学电池中处理第一水溶液的另一样品，其中在与步骤g)中施加的不同的强度/体积单位(I/V)下如步骤i)中选择阴极；k)在步骤j)的处理期间随着时间测量硝酸盐的浓度以及使用所述测量确定硝酸盐还原成铵和/或氮的实验反应常数(Ke)；l)通过重复步骤j)至k)调节强度/体积(I/V)，其中在每次重复中，强度/体积(I/V)发生改变，直至所选择的强度/体积(I/V)提供的硝酸盐还原成铵和/或氮的反应常数(Ke)的实验值为0.99·Kt至1.01·Kt，其中Kt是步骤d)中计算的理论反应常数的值；或者如果在步骤h)中测量的硝酸盐还原成铵和/或氮的反应常数(Ke)的实验值为0.99·Kt至1.01·Kt，其中Kt是步骤d)中计算的理论反应常数，则选择步骤j)的强度/体积(I/V)；m)使用式(4)计算铵氧化成氮的理论反应常数(KNt)：KNt＝Kt/Z(4)其中如在步骤a)中获得Z和如在步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：路得·卡尼茨奥·巴多勒，奥尔加·欧努奇·艾斯特班，荷西·阿方索·卡尼茨奥·千曼诺，
申请(专利权)人：海德鲁科莫斯有限公司，
类型：发明
国别省市：西班牙,ES