專利名稱：飲用水脫硝反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種去除飲用水中硝酸鹽氮的技術和反應器，具體是一種利用碳纖維和石墨作電極、有碳介質存在的情況下，通過微電解過程提供反硝化菌所需要的基質對水中低含量硝酸鹽進行脫除的方法。
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。這兩種方法對無機鹽的去除非常有效，但主要適合于總溶解性固體含量高的水及海水淡化，處理費用頗高。同時，膜分離法對硝酸鹽無選擇性，能去除所有的無機離子，產生濃縮無機鹽廢水。因而從運行操作和處理費用等多方面考慮，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，樹脂需要用進行再生并生高濃度鹽水，將對環(huán)境產生污染。
3)CARIX離子交換工藝。針對常規(guī)離子交換法的缺點，人們進行了大量的改進研究。一種改進工藝為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)點是不產生過量的再生廢液，而且二氧化碳可以重復利用。缺點是工藝復雜，運行管理困難。此外，碳酸鹽是一種弱酸，產生相當低濃度質子和重碳酸根離子，樹脂再生后只恢復交換容量的5％-10％。
4)離子交換/生物脫氮復合工藝該工藝是將離子交換和生物脫氮處理過程聯(lián)用，克服了單獨使用離子交換法造成的二次污染，再生利用量大等缺點。它將硝酸鹽的去除過程和離子交換要脂的再生過程統(tǒng)一于一個封閉循環(huán)的系統(tǒng)中。該工藝的優(yōu)點是再生過程在封閉系統(tǒng)中進行，可避免產生大量含鹽廢水，降低再生劑用量；其缺點是會產生硫酸鹽累積現(xiàn)象，操作復雜，再生時需投加有機物如甲醇、乙醇等作反硝化碳源，增加了運行費用，其設備費也較高。
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。利用有機物作為營養(yǎng)源，常用的有機物包括甲醇、乙醇和醋酸。這種方法的優(yōu)點是，選擇性地去除硝酸鹽，將其轉化為無害的氮氣，無廢液產生，處理費用低。但投加有機物后，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物，后處理較復雜。(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，較為經濟方便，但這種方法的最大缺陷是硫被氧化成硫酸根，導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，具體是充填介質的電化學-生物脫硝反應器。這種反應器以碳纖維材料為電極，其間填充碳性介質，采用上升式水流。由于通過電化學反應所提供的反硝化基質主要是氫氣，屬自養(yǎng)型反應器，經處理后水中的硝酸鹽氮可被有效去除且不產生任何二次污染，克服了現(xiàn)行方法的缺陷，具有重要的實用性。
本發(fā)明的反應器的工作原理如下反應器以碳纖維為電極，內填碳性介質，當通以適當的直流電時，將發(fā)生如下反應反應器的陰極產生氫(e0=0.000V) (1)在陽極上可能的電極反應有(e0=0.207V) (2)(e0=1.229V)(3)由于生物反硝化須在缺氧的環(huán)境中才能進行，反應器運行中必須排除副反應(3)。依據反應(2)和(3)的標準電極電位差判斷，這一點有可能做到。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基有以下優(yōu)點1．有利于細菌的附著生長，提高生物膜量，2．性碳顆粒材料不導電，3．由于無煙煤、活性碳等也是碳材料，有助于營造反應器內的缺氧環(huán)境。反硝化過程由自養(yǎng)菌以氫氣為電子供體完成當氫氣足夠量時，水中的硝酸鹽氮幾乎可以全部被還原成氮氣。
本發(fā)明的反應器的基本構造如附圖
示。
反應器1由陽極2，陰極3，碳顆粒填料4，氮氣排放口5，直流電源6和其它附件組成。反應器1置于恒溫箱7以保持溫度恒定。陽極2和陰極3分別由導線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，安裝計量泵13輸送原水至反應器，為調節(jié)進入反應器的水量和水在反應器內的停留時間，裝有閥門14和閥門15。為了對反應器進行反沖洗調節(jié)，裝有閥門16。
本發(fā)明的反應器系統(tǒng)操作過程如下首先進行接種、培養(yǎng)細菌，并使介質掛膜。介質掛膜的過程中溫度保持32℃，以甲醇為基質，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，并適當補充微量元素。接著將已掛膜的介質移入反應器，反應器的溫度保持32℃。繼續(xù)一段時間的培養(yǎng)后通電，使電極掛膜，并對細菌進行馴化。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)，直至達到完全的自養(yǎng)過程。以上過程以及后來的反應器運行中的進水都以實驗室內的自來水配制，并經過吹氮氣脫氧。在完成培養(yǎng)后，在正常運行時，將恒溫箱的溫度高定在20℃。
打開直流電源6，利用陽極導線8和陰極導線9將電源與陽極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后啟動計量泵13，將含NO3-的待處理水12送入反應器1，水經填料4向上流，并經閥門15流出，水量由計量泵13控制。應硝化過程中產生的N2通過排氣口5排出。完成一個運行周期后，打開閥門16，用自來水對反應器進行反沖洗。
本發(fā)明的特點如下1、通過微電解過程產生反硝化菌所需要的基質氫氣，無需外加營養(yǎng)源。
2、氫氣還原后生成水，不對處理后水產生二次污染。
3、使用碳纖維作陰極，由于其本身的強吸附特性，是很好的生物電極，同時可以提供少量碳源基質。
4、填充無煙煤或活性碳等碳性顆粒材料作為介質，在提供了生物載體的同時，也形成具有氧化還原過程的微電場，并提供了少量碳源基質。
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。
實施例實施例1 在容積為1L的反應器箱體內加入粒度1.8～2.0cm的無煙煤為充填介質，介質充填高度為反應器高的三分之二。被處理原水由硝酸鉀配制，水中硝酸鹽氮的濃度為21.4mg/l。在下述條件下進行脫氮處理電極 陽極石墨板，60×200×80mm,3塊陰極碳纖維片，60×200×5mm,3塊電極間距 2.5cm電流強度 13mA電壓 2.2v溫度 20℃流量 70ml/h電流效率 110％處理后水質如表1所示。表1實施例1處理后的水質
實施例2 在容積為1L的反應器箱體內加入粒度1.8～2.0cm的無煙煤為充填介質，介質充填高度為反應器高的三分之二。被處理原水由硝酸鉀配制，水中硝酸鹽氮的濃度為21.4mg/l。在下述條件下進行脫氮處理電極 陽極石墨板，60×200×80mm,3塊陰極碳纖維片，60×200×5mm,3塊電極間距 2.5cm電流強度 15mA電壓 2.2v溫度 20℃流量 96ml/h處理后水質如表2所示。表2實施例2處理后的水質
實施例3 在容積為1L的反應器箱體內加入粒度1.8～2.0cm的無煙煤為充填介質，介質充填高度為反應器高的三分之二。被處理原水由硝酸鉀配制，水中硝酸鹽氮的濃度為21.4mg/l。在下述條件下進行脫氮處理電極 陽極石墨板，60×200×80mm,3塊陰極碳纖維片，60×200×5mm,3塊電極間距 2.5cm電流強度 16mA電壓 2.2v溫度 20℃流量 130ml/h
處理后水質如表3所示。表3實施例3處理后的水質
權利要求
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的微電解自養(yǎng)脫硝反應器。
3.反應器的結構以及利用此類反應器進行水處理的參數。
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器,本發(fā)明屬于水處理工藝與設備的應用技術領域。以無煙煤為介質,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,據此構造成充填式微電解自養(yǎng)脫硝反應器。由于此反應器使用了具有強吸附的碳纖維電極和碳介質,不需外加基質,處理后水無任何二次污染,同時耗電量低、硝酸鹽脫除效率高、設備簡單緊湊、易于在線控制,具有很好的實用性。用此反應器處理后的含硝酸鹽地下水,其中的脫氮效率可達97%以上,亞硝酸鹽氮含量在0.01mg/L以下。
文檔編號C02F1/461GK1303819SQ9912399
公開日2001年7月18日 申請日期1999年11月23日 優(yōu)先權日1999年11月23日
發(fā)明者曲久輝, 劉鎖祥, 范彬, 雷鵬舉, 孟光輝 申請人:中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心