一種基于浸沒式膜及電極分離水中氨氮系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于浸沒式膜及電極分離水中氨氮系統(tǒng)屬于水處理領(lǐng)域。該裝置包括氨氮分離器，放置在氨氮分離器內(nèi)的膜組件C、電極和攪拌器，出水蠕動泵，壓力表，進(jìn)水泵，進(jìn)水管，出水管，出水口，電源，導(dǎo)線，時(shí)間繼電器；膜組件C的出水口與出水管、壓力表和出水蠕動泵依次相連，并受時(shí)間繼電器的控制；攪拌器葉片位于膜組件C下部；電極的兩極經(jīng)導(dǎo)線分別和電源相連，兩極放在膜組件C兩側(cè)；出水口位于氨氮分離器上部；進(jìn)水泵接進(jìn)水管，進(jìn)水管末端位于氨氮分離器內(nèi)，且靠近氨氮分離器底部；將電極固定在膜組件C兩側(cè)，并將電極以淹沒深度為20%-80%放置于反應(yīng)器內(nèi)，并保持不變。解決了在電化學(xué)處理系統(tǒng)中有機(jī)物被氧化，反硝化碳源不足的問題，并且結(jié)構(gòu)簡單。
【專利說明】一種基于浸沒式膜及電極分離水中氨氮系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于水處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] C/N是硝化反硝化過程的重要影響因素。理論上，在反硝化過程中化學(xué)計(jì)量上所需 要的C/N為2. 86,但報(bào)道的反硝化工藝系統(tǒng)中需要的C/N遠(yuǎn)大于2. 86,甚至達(dá)到11以上。 在廢水處理時(shí)，實(shí)際運(yùn)行的硝化/反硝化工藝及其變型工藝（如氧化溝工藝、SBR工藝、BAF 工藝等），常因碳源不足投加有機(jī)碳源或開發(fā)新碳源，從而提高C/N達(dá)到反硝化效果，這無 形中增加了運(yùn)行成本，而且，在電化學(xué)系統(tǒng)中，有機(jī)物并沒有全部用于反硝化脫氮過程，這 也造成了反硝化碳源不足的問題，使脫氮效果不佳。
[0003] 發(fā)明人在進(jìn)行生物脫氮研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，若將廢水中的NH4+和有機(jī)物分別進(jìn)行富集和 分離，并將富集的NH 4+和分離出來的有機(jī)物分別用于后續(xù)硝化和反硝化過程，則可有效利 用碳源實(shí)現(xiàn)高效生物脫氮，然而若分離富集效率低，氨氮和有機(jī)物不能有效分離，反硝化脫 氮效率將降低，因此為達(dá)到較好的脫氮效率，需提高氨氮富集效果，提高氨氮富集效果和有 機(jī)物的有效分離對于脫氮效率起著至關(guān)重要的作用。為此發(fā)明人在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，富集 效果的好壞與電極淹沒百分比（電極淹沒深度/露出水面高度）有很大關(guān)系，需進(jìn)行進(jìn)一 步研究。
[0004] 目前，nh4+分離富集的方法主要有吸附與離子交換法、膜吸收法以及電滲析等方 法。吸附與離子交換法（如沸石、離子交換樹脂），可以分離濃縮nh 4+，但存在吸附容量有限， 往往吸附效率低。化學(xué)再生易造成二次污染等問題，所以目前沸石法脫氮主要針對微污染 河道水、景觀水、二沉池出水等含氮不高的水體。電滲析法常被用于養(yǎng)豬廢水的NH 4+富集， 該方法具有低能耗、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是無法實(shí)現(xiàn)有機(jī)物與nh4+分離。同時(shí)在電化學(xué)生物處 理工藝中，常因電極電解水生成的新生態(tài)氧氧化有機(jī)物而導(dǎo)致碳源不足，無法滿足后續(xù)反 硝化過程對C/N的要求。因此，提高氨氮富集和有機(jī)物分離效率對于脫氮效果至關(guān)重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)有處理廢水的硝化/反硝化工藝及其變型工藝（如氧 化溝、BAF等）處理低C/N廢水反硝化碳源不足的問題，和現(xiàn)有NH 4+分離富集方法的不足和 缺陷，以及電化學(xué)系統(tǒng)的電解產(chǎn)物氧化有機(jī)物導(dǎo)致碳源減少問題，提供了一種基于膜及電 極高效富集水中氨氮離子的方法，該方法能夠充分分離有機(jī)物并富集氨氮，使出水氨氮得 到濃縮，有機(jī)物得到分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對氨氮的富集和有機(jī)物分離，且該裝置為單一處理裝 置，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作運(yùn)行。
[0006] -種基于浸沒式膜及電極分離水中氨氮系統(tǒng)，其特征在于：該裝置包括敞口的氨 氮分離器，放置在氨氮分離器內(nèi)的膜組件C、電極和攪拌器，出水蠕動泵，壓力表，進(jìn)水泵，進(jìn) 水管，出水管，出水口，電源，導(dǎo)線，時(shí)間繼電器；膜組件C的出水口與出水管、壓力表和出水 蠕動泵依次相連，并受時(shí)間繼電器的控制；攪拌器葉片位于膜組件C下部；電極的兩極經(jīng) 導(dǎo)線分別和電源相連，兩極放在膜組件C兩側(cè)；出水口位于氨氮分離器上部；進(jìn)水泵接進(jìn)水 管，進(jìn)水管末端位于氨氮分離器內(nèi)，且靠近氨氮分離器底部；膜組件C由陽離子交換膜、超 濾膜或者微濾膜和帶有導(dǎo)流槽和孔洞的支撐板組成、陽離子交換膜、超濾膜或者微濾膜之 一分別設(shè)置在支撐板兩側(cè)；將電極固定在膜組件C兩側(cè)，并將電極以淹沒深度為20 %-80 % 放置于反應(yīng)器內(nèi)，并保持不變。
[0007] 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出效果：
[0008] (1)提高nh4+分離富集效果，注重電極的作用
[0009] 針對生活污水中C/N低、碳源不足的問題，在有機(jī)物未被生物分解之前，將有機(jī)物 與NH 4+分離并將NH4+富集，為后續(xù)硝化過程消除異養(yǎng)微生物與自養(yǎng)硝化菌的競爭、為反硝 化過程提供有效碳源，所以提高氨氮富集效果顯得尤為重要。本實(shí)用新型為了強(qiáng)化分離富 集效果，研究了電極的淹沒形式對富集效果的影響，電極的淹沒形式對于提高氨氮富集效 果影響顯著，氨氮富集效果可高達(dá)100%以上，相比常規(guī)電極全部淹沒時(shí)氨氮富集率提高了 50%左右。且電極露出水面一部分，浸入水中的電極面積變小，節(jié)約了電極材料。
[0010] ⑵以鐵板或鐵網(wǎng)作為陽極，在通電過程中，陽極上鐵板失去電子成為亞鐵離子溶 入水中：Fe-2e - Fe2+，并在攪拌等條件下最終生成Fe (0H) 3，且生成的Fe (0H) 3能夠提高污 泥的沉降性能，在該過程中，氨氮分離器中的有機(jī)物不會被氧化，為后續(xù)反硝化過程提供有 效碳源，實(shí)現(xiàn)了氨氮和有機(jī)物的有效分離。
[0011] (3)以廢鐵作為電極，應(yīng)用于城市廢水及其他低C/N廢水處理，是一種實(shí)用有效且 經(jīng)濟(jì)方便的廢水處理手段。為未來的實(shí)際工程應(yīng)用提供了便利性和使用價(jià)值。
[0012] (4)整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)際操作運(yùn)行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本實(shí)用新型提供的一種水中氨氮富集裝置示意圖。
[0014] 圖2為本實(shí)用新型提供的一種水中氨氮富集方法運(yùn)行示意圖。
[0015] 圖3為本實(shí)用新型提供的一種膜組件C示意圖。
[0016] 圖4為本實(shí)用新型提供的一種膜組件C的支撐板示意圖。
[0017] 圖中：1_進(jìn)水泵2-進(jìn)水管3-氨氮分離器4-電源5-導(dǎo)線6-電極7-攪拌器8-膜 組件C9-壓力表10-出水蠕動泵11-時(shí)間繼電器12-出水管13-出水口 14-支撐板15-超 濾膜或者微濾膜16-陽離子交換膜17-膜組件C出水口 18-導(dǎo)流槽19-孔洞

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖1、2、3、4及實(shí)施例詳細(xì)加以說明，以進(jìn)一步理解本實(shí)用新型。
[0019] 本實(shí)用新型的一種膜組件C8(圖3、圖4)，是由陽離子交換膜16、超濾膜或者微濾 膜15和帶有導(dǎo)流槽18和孔洞19的支撐板14組成；陽離子交換膜16和超濾膜或者微濾膜 15分別固定在支撐板14的兩面。
[0020] 為了使實(shí)驗(yàn)效果達(dá)到更好，本實(shí)用新型所采用的陽離子交換膜16為來自日本 astom提供的型號為CMS的陽離子交換膜，超濾膜15為來自南京瑞潔特提供的孔徑為 0. 1 μ m、膜通量為18. 75-20. 83L/m2. h的超濾膜。
[0021] 本實(shí)用新型所提供的一種水中氨氮富集裝置（圖1)包括敞口的氨氮分離器3,放 置在氨氮分離器3內(nèi)的膜組件C8、攪拌器7和電極6,進(jìn)水泵1，進(jìn)水管2,電源4,導(dǎo)線5,壓 力表9,出水蠕動泵10,時(shí)間繼電器11，出水管12,出水口 13 ;膜組件C8的出水口與出水管 12、壓力表9和出水蠕動泵10依次相連，并受時(shí)間繼電器11的控制；攪拌器葉片位于膜組 件C8下部；電極6的兩極經(jīng)導(dǎo)線5分別和電源4相連，采用陽極正對陽離子交換膜16,陰 極正對超濾膜15 ;出水口 13位于氨氮分離器3上部；進(jìn)水泵1接進(jìn)水管2,進(jìn)水管末端位于 氨氮分離器3內(nèi)，且靠近氨氮分離器3底部。
[0022] 圖2表示了水中氨氮富集裝置運(yùn)行狀態(tài)，具體步驟為：
[0023] (1)原水引入：原水經(jīng)進(jìn)水泵1增壓后，經(jīng)過進(jìn)水管2進(jìn)入氨氮分離器3中。
[0024] (2)膜組件C連接、流量設(shè)定及攪拌：將膜組件C8浸沒于氨氮分離器3中，其出水 口 17與出水管12、壓力表9和出水蠕動泵10依次相連，并受時(shí)間繼電器11的控制，打開出 水蠕動泵10,調(diào)整出水流量為1. 45-4. 15ml/min并不斷調(diào)整轉(zhuǎn)速維持出水流量不變，經(jīng)出 水管12出水。同時(shí)，將攪拌器7放入氨氮分離器3中并運(yùn)行，其攪拌葉片位于膜組件C8下 部。由于攪拌器7的攪拌，氨氮在反應(yīng)器中的濃度基本上是均勻的。
[0025] (3)電源連接及電流設(shè)定：將電極6的兩極經(jīng)導(dǎo)線5分別與電源4相連，并將陽極 正對陽離子交換膜16,陰極正對超濾膜15,打開電源4,調(diào)整電流為0. 05-0. 25A，并保持不 變。膜組件C8中的超濾膜15可以允許水分子透過進(jìn)入到超濾膜15和支撐板14之間，透 過的水分子通過支撐板14的孔洞19進(jìn)入到支撐板14和陽離子交換膜16之間，使陽離子 交換膜16兩側(cè)均為水溶液，由于陽離子交換膜16具有（如NH 4+)選擇透過性，在外加電流 作用下，單位時(shí)間內(nèi)NH4+進(jìn)入膜組件C8的數(shù)量增加，進(jìn)入膜組件C8的離子，會迅速進(jìn)入到 從超濾膜15透過的水中，形成高濃度的氨氮濃縮液，進(jìn)而使氨氮得到富集；同時(shí)，由于兩種 膜孔徑很小，有機(jī)物很難進(jìn)入膜組件C8中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物分離。
[0026] (4)電極淹沒形式以及電極形狀的設(shè)定：將板狀或網(wǎng)狀電極6固定在膜組件C8兩 偵牝并將電極以20% -80 %等不同淹沒深度放置于反應(yīng)器內(nèi)，并保持不變；
[0027] (5)抽停時(shí)間比設(shè)定及膜組件C清洗：出水蠕動泵10,在時(shí)間繼電器11的控制下， 出水為間歇性型出水即出水蠕動泵抽停時(shí)間比為10分鐘：1_8分鐘，操作過程中應(yīng)使膜組 件處于正常壓力下，即15kpa，當(dāng)壓力表指示數(shù)值超過15kpa時(shí)，需對膜組件C進(jìn)行清洗。
[0028] (6)重新投入運(yùn)行：將膜組件C8清洗后可重新投入運(yùn)行。整個(gè)過程被富集的氨氮 從出水管12流出，分離有機(jī)物從出水口 13流出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了氨氮富集和有機(jī)物的分離。
[0029] 結(jié)果：
[0030] 1)小實(shí)驗(yàn)：
[0031] 例1當(dāng)原水為一般的生活污水時(shí)，其主要水質(zhì)指標(biāo)為：C0D = 468. 8mg/L，NH4+-N =57. 73mg/L ;操作條件為：出水蠕動泵抽停時(shí)間比為10分鐘：5分鐘，進(jìn)水流量為9. 5ml/ min，膜組件C出水流量為4. 8ml/min，電極浸沒水中深度為80%，電流為0. 2A時(shí)，經(jīng)過氨氮 富集裝置后，膜出水的主要指標(biāo)可以達(dá)到：C0D = 199. 4mg/L，NH4+-N = 78. 95mg/L，氨氮富 集率為36. 77%，COD的分離率為56. 25%。
[0032] 例2當(dāng)原水為一般的生活污水時(shí)，其主要水質(zhì)指標(biāo)為：C0D = 465mg/L，NH4+-N = 57mg/L ;操作條件為：出水蠕動泵抽停時(shí)間比為10分鐘：5分鐘，進(jìn)水流量為9. 5ml/min，膜 組件C出水流量為4. 8ml/min，電極浸沒水中深度為60%，電流為0. 2A時(shí)，經(jīng)過氨氮富集裝 置后，膜出水的主要指標(biāo)可以達(dá)到：C0D = 200. 7mg/L，NH4+-N = 81. 14mg/L，氨氮富集率為 42. 35%，COD 的分離率為 56. 25%。
[0033] 例3當(dāng)原水為一般的生活污水時(shí)，其主要水質(zhì)指標(biāo)為：C0D = 476. 3mg/L，NH4+-N =60. 88mg/L ;操作條件為：出水蠕動泵抽停時(shí)間比為10分鐘：5分鐘，進(jìn)水流量為9. 5ml/ min，膜組件C出水流量為4. 8ml/min，電極浸沒水中深度為40%，電流為0. 2A時(shí)，經(jīng)過氨氮 富集裝置后，膜出水的主要指標(biāo)可以達(dá)到：C0D = 222. 7mg/L，NH4+-N = 89. 87mg/L，氨氮富 集率為47. 62 %，COD的分離率為53. 25 %。
[0034] 例4當(dāng)原水為一般的生活污水時(shí)，其主要水質(zhì)指標(biāo)為：COD = 467. 25mg/L，NH4+-N =56. 39mg/L ;操作條件為：出水蠕動泵抽停時(shí)間比為10分鐘：5分鐘，進(jìn)水流量為9. 5ml/ min，膜組件C出水流量為4. 8ml/min，電極浸沒水中深度為20%，電流為0. 2A時(shí)，經(jīng)過氨氮 富集裝置后，膜出水的主要指標(biāo)可以達(dá)到：C0D = 206. 2mg/L，NH4+-N = 98. 36mg/L，氨氮富 集率為74. 43 %，COD的分離率為55. 87 %。
[0035] 例5當(dāng)原水為一般的生活污水時(shí)，其主要水質(zhì)指標(biāo)為：C0D = 456mg/L，NH4+-N = 72. 52mg/L;操作條件為：采用鐵網(wǎng)作為電極，（鐵網(wǎng)參數(shù)：長45. 5cm寬22. 5cm厚度1mm) 出水蠕動泵抽停時(shí)間比為10分鐘：5分鐘，進(jìn)水流量為9. 5ml/min，膜組件C出水流量為 4. 8ml/min，電極浸沒水中深度為60%，電流為0. 2A時(shí)，經(jīng)過氨氮富集裝置后，膜出水的主 要指標(biāo)可以達(dá)到：C0D = 120. 4mg/L，NH4+-N = 103. 58mg/L，氨氮富集率為 47. 62%，C0D 的 分尚率為53. 25%。
[0036] 例6當(dāng)原水為一般的生活污水時(shí)，其主要水質(zhì)指標(biāo)為：C0D = 402. 5mg/L，NH/-N = 64. 15mg/L ;操作條件為：采用鐵板作為電極，（鐵板參數(shù)：長45. 5cm寬22. 5cm厚度2mm) 出水蠕動泵抽停時(shí)間比為10分鐘：5分鐘，進(jìn)水流量為9. 5ml/min，膜組件C出水流量為 4. 8ml/min，電極浸沒水中深度為60%，電流為0. 2A時(shí)，經(jīng)過氨氮富集裝置后，膜出水的主 要指標(biāo)可以達(dá)到：C0D = 117. 4mg/L，NH4+-N = 102. 73mg/L，氨氮富集率為 60. 13%，C0D 的 分離率為70. 84%。
[0037] 例7當(dāng)原水為一般的生活污水時(shí)，其主要水質(zhì)指標(biāo)為：C0D = 416. 5mg/L，NH/-N = 101. 39mg/L ;操作條件為：采用鐵板作為電極，（鐵板參數(shù)：長45. 5cm寬22. 5cm厚度1mm) 出水蠕動泵抽停時(shí)間比為10分鐘：5分鐘，進(jìn)水流量為9. 5ml/min，膜組件C出水流量為 4. 8ml/min，電極浸沒水中深度為60%，電流為0. 2A時(shí)，經(jīng)過氨氮富集裝置后，膜出水的主 要指標(biāo)可以達(dá)到：C0D = 145. 25mg/L，NH4+-N = 101. 39mg/L，氨氮富集率為 42. 90%，C0D 的 分離率為65. 1%。
[0038] 2)連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果：
[0039] 例1當(dāng)原水為一般的生活污水時(shí)，其主要水質(zhì)指標(biāo)為：C0D = 346. lmg/L，NH/-N = 37.2〇11^/1;操作條件為：出水蠕動泵抽停比為10:5，進(jìn)水流量為9.51111/1^11，膜組件(：出水 流量為4. 8ml/min，電極浸沒水中深度為40%，電流為0. 2A時(shí)，經(jīng)過氨氮富集裝置后，膜出 水的主要指標(biāo)可以達(dá)到：C0D = 189. 6mg/L，NH/-N = 78. 45mg/L，氨氮富集率為110. 87%， COD的截留率為45. 22%。
[0040] 例2當(dāng)原水為一般的生活污水時(shí)，其主要水質(zhì)指標(biāo)為：C0D = 344. 6mg/L，NH4+-N =32. 47mg/L ;操作條件為：出水蠕動泵抽停比為10:5,進(jìn)水流量為9. 5ml/min，膜組件C 出水流量為4. 8ml/min，有機(jī)物出水流量為4. 7ml/min，電極浸沒水中深度為40%，電流為 0. 2A時(shí)，經(jīng)過氨氮富集裝置后，膜出水的主要指標(biāo)可以達(dá)到：C0D = 133. 9mg/L，NH4+-N = 73. 45mg/L，氨氮富集率為126. 20%，COD的截留率為61. 14%。
[0041] 例3當(dāng)原水為一般的生活污水時(shí)，連續(xù)運(yùn)行13天其主要水質(zhì)指標(biāo)均值為：COD = 350mg/L，NH4+-N = 50mg/L ;操作條件為：出水蠕動泵抽停比為10:5,電流為0. 2A，進(jìn)水流量 為9. 5ml/min，膜組件C出水流量為4. 8ml/min，有機(jī)物出水流量為4. 7ml/min，電極浸沒水 中深度分別為40%與常規(guī)電極全部淹沒時(shí)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于浸沒式膜及電極分離水中氨氮系統(tǒng)，其特征在于：該裝置包括敞口的氨氮 分離器，放置在氨氮分離器內(nèi)的膜組件C、電極和攪拌器，出水蠕動泵，壓力表，進(jìn)水泵，進(jìn)水 管，出水管，出水口，電源，導(dǎo)線，時(shí)間繼電器；膜組件C的出水口與出水管、壓力表和出水蠕 動泵依次相連，并受時(shí)間繼電器的控制；攪拌器葉片位于膜組件C下部；電極的兩極經(jīng)導(dǎo)線 分別和電源相連，兩極放在膜組件C兩側(cè)；出水口位于氨氮分離器上部；進(jìn)水泵接進(jìn)水管， 進(jìn)水管末端位于氨氮分離器內(nèi)，且靠近氨氮分離器底部；膜組件C由陽離子交換膜、超濾膜 或者微濾膜和帶有導(dǎo)流槽和孔洞的支撐板組成、陽離子交換膜、超濾膜或者微濾膜之一分 別設(shè)置在支撐板兩側(cè)；將電極固定在膜組件C兩側(cè)，并將電極以淹沒深度為20%-80%放置于 反應(yīng)器內(nèi)，并保持不變。
【文檔編號】C02F101/16GK203877946SQ201420172129
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】張巖, 陳敬, 張中, 孫鳳俠, 甘志明, 史揚(yáng), 王修平, 謝杭冀 申請人:鎮(zhèn)江清水環(huán)境科技有限公司