申请日2011.08.31
公开(公告)日2012.03.14
IPC分类号C02F9/14; C02F1/44; C02F3/30; H01M8/16
摘要
本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺与装置。该装置主要包括生物电化学和膜蒸馏系统，其中生物电化学系统包括阳极室、阳膜、回收室、阴膜、阴极室和外电路等6部分;含氮污水进入阳极室，微生物厌氧分解污染物并将电子传递至阳极并进一步经外电路传递到阴极实现产电;含氮污水进入阴极室进行好氧处理，氨氮转化为硝态氮;阳极室中的铵根和阴极室中的硝酸根在电势差驱动下分别通过阳膜和阴膜进入回收室;回收室中的水以膜蒸馏系统处理，渗出液回流至回收室，浓缩液为含高浓度硝酸铵等的溶液，从而实现氮素的回收。本发明所述工艺简单、效率高、经济效益好;处理装置结构简单，便于实际应用。
权利要求书
1.一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(a)安装设备;
(b)含氮污水由a进入阳极室I，阳极2上的产电微生物1在厌氧环境下将污水中的污染物氧化并将产生电子传递给阳极2，生物电化学系统外电路的电流方向为从阴极5流向阳极2，处理后的污水由b排出阳极室I;
(c)由于阳极室I为厌氧状态，含氮污水中的氮素以铵根离子为主要存在形式，生物电化学系统内电路的电流方向为从阳极2流向阴极6，铵根及其他阳离子在离子梯度及电势差驱动下透过阳离子交换膜3进入回收室II;
(d)含氮污水由h进入阴极室III，空气由7进入阴极室III，阴极6上的好氧微生物5在好氧条件下将污水中的有机物氧化并将铵根离子转化为硝酸根离子，硝酸根离子及其他阴离子会在离子梯度及电势差驱动下穿过阴离子交换膜4进入回收室II，而电子经由导线和外电阻8传递至阴极6并进一步传递给好氧微生物5用于氧气等的还原，完成产电过程;
(e)回收室II中含铵根离子和硝酸根离子的溶液由d进入膜蒸馏系统IV，经过处理后的浓缩液经由e收集，低离子浓度的渗出液经由f回到回收室II，同时由c补充少量净水。
2.根据权利要求1所述的一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺，其特征在于，所述污水为可生化处理的含氮污水，总氮浓度大于20mg/L。
3.根据权利要求1所述的一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺，其特征在于，所述膜蒸馏系统操作温度为40~50℃。
4.一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理装置，其特征在于阳离子交换膜3和阴离子交换膜4将处理装置分为阳极室I、回收室II和阴极室III;在阳极室I内放置阳极2，在阴极室III内放置阴极6，并在阳极2和阴极5上分别驯化、富集产电微生物1和好氧微生物5;阳极2和阴极6通过导线和外电阻8相连接;含氮污水分别由a和g进入阳极室I和阴极室III，处理完毕由b和h分别排出;回收室II中收集了氮素的溶液由d进入膜蒸馏系统IV，浓缩后的含氮溶液由e收集，低离子浓度的渗出液由f回到回收室II，同时由c补充少量净水进入回收室II。
说明书
一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺及装置
技术领域
本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺与装置。
背景技术
随着人口的增加、工业化和城市化程度的不断提高，大量氮元素进入水体, 使水体富营养化，导致生态环境恶化，为此，研究者们开发了众多生物、化学或物理的技术将污水中的铵态、硝态或有机态氮转化成氮气从而最终去除污水中的氮素。氮素是生物生长的必需元素，但多数生物只能吸收硝态或铵态氮，因此空气中大量存在的氮气需要在高温高压下人工合成为氨气并进一步转化才能制成氮肥或其他原料。常规脱氮技术虽然较为有效地缓解了目前水体氮素污染的问题，但也造成了大量氮肥资源的损失，如果能将污水中的氮素加以回收，将能节约大量的能源。
生物电化学系统是近年来发展迅速的一种污水处理新技术，通常由阳极室、分隔膜和阴极室组成，阴、阳极室内由于发生不同反应而形成电势差。不存在分隔膜时，在电势差的驱动下阳离子会从阳极室向阴极室迁移，而阴离子则会由阴极室向阳极室迁移;当分隔膜对阴、阳离子具有选择性时，只有阴(或阳)离子可以通过分隔膜在不同极室之间交换，因此，利用不同分隔膜的阴、阳离子选择性和微生物燃料电池在不同极室间形成的电势差，在阴、阳极室之间增加一个回收室并以阳、阴离子交换膜相隔开，可以驱动阳、阴离子分别从阳、阴极室进入回收室。如果污水中含有较高的氮素，由于阳极室为厌氧状态，氮素主要以铵根离子形式存在，阴极室为好氧状态，氮素主要被转化为硝酸根离子，因此，在离子选择膜的选择透过和电势差驱动下，硝酸根、铵根离子分别从阴、阳极室进入回收室，从而实现污水的脱氮和含氮离子的收集。由于污水中氮素含量相对较低，回收室中含氮离子的浓度并不太高，有必要进行进一步浓缩。
膜蒸馏，又称为低温膜蒸馏，是一种采用疏水性微孔膜，以膜两侧的蒸汽压力差为驱动力的膜分离过程。水的饱和蒸汽压随温度升高以指数增加，将不同温度的水引入膜的两侧，由于膜的疏水性，两侧的溶液相均不能透过，但由于高温侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于低温侧，水蒸汽会从高温侧透过膜孔进入低温侧并冷凝成为渗出水，留在高温侧的溶液则得到浓缩，成为渗余液。因此，将回收的含氮水采用膜蒸馏系统进行浓缩，可以在高温侧获得液态氮肥，实现氮素的回收，低压侧产生的渗出水可以回用于回收室。
发明内容
本发明以生物电化学和膜蒸馏为基础，目的在于同时实现处理含氮污水、产电和回收氮素。本发明提供了一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理工艺和装置，其特征在于，包括以下步骤：
(a)按照附图1安装设备;
(b)含氮污水由a进入阳极室I，阳极2上的产电微生物1在厌氧环境下将污水中的污染物氧化并将产生电子传递给阳极2，生物电化学系统外电路的电流方向为从阴极5流向阳极2，处理后的污水由b排出阳极室I;
(c)由于阳极室I为厌氧状态，含氮污水中的氮素以铵根离子为主要存在形式，生物电化学系统内电路的电流方向为从阳极2流向阴极6，铵根及其他阳离子在离子梯度及电势差驱动下透过阳离子交换膜3进入回收室II;
(d)含氮污水由h进入阴极室III，空气由曝气管道7进入阴极室III，阴极6上的好氧微生物5在好氧条件下将污水中的有机物氧化并将铵根离子转化为硝酸根离子，硝酸根离子及其他阴离子会在离子梯度及电势差驱动下穿过阴离子交换膜4进入回收室II，而电子经由导线和外电阻8传递至阴极6并进一步传递给好氧微生物5用于氧气等的还原，完成产电过程;
(e)回收室II中含铵根离子和硝酸根离子的溶液由d进入膜蒸馏系统IV，经过处理后的浓缩液经由e收集作为液态氮肥，低离子浓度的渗出液经由f回到回收室II，同时由c补充少量净水。
所述污水为可生化处理的含氮废水，总氮浓度大于20mg/L。
所述产电微生物为驯化的混合微生物菌群，其优化的产电条件为：温度25～40℃，pH值6.5～8.5，溶解氧浓度小于0.2mg/L。
所述的好氧微生物的优化生长条件为：温度25～40℃，pH值6.5～8.5，溶解氧浓度为1～3mg/L。
所述低温膜蒸馏系统的操作温度为40~50℃。
本发明还提供了一种同步产电和回收氮素的含氮污水处理装置，其特征在于，阳离子交换膜3和阴离子交换膜4将处理装置分为阳极室I、回收室II和阴极室III;在阳极室I内放置阳极2，在阴极室III内放置阴极6，并在阳极2和阴极5上分别驯化、富集产电微生物1和好氧微生物5;阳极2和阴极6通过导线和外电阻8相连接;含氮污水分别由a和g进入阳极室I和阴极室III，处理完毕后由b和h分别排出;回收室II中收集了氮素的溶液由d进入膜蒸馏系统IV，浓缩后的含氮溶液由e收集，低离子浓度的渗出液由f回到回收室II，同时由c补充少量净水进入回收室II。
所述阳离子交换膜3和阴离子交换膜4为透过率≥90%的无毒离子交换膜，膜厚度0.2～0.5mm，爆破强度大于0.3MPa。
所述阳极2上的产电微生物1和阴极6上的好氧微生物5所形成的膜厚度为20～100μm。
所述阳极室I内阳极2和阴极室III内阳极6的材料包括：石墨粒，粒径1～5mm;或石墨毡，厚度5～10mm;或碳毡，厚度5～10mm;或碳布，厚度0.1～0.45mm。
本发明的有益效果为：利用生物电化学系统阴、阳极微生物在处理污水、产电的同时去除污水中的氮素并将其加以回收，尤其适合有机物浓度较低但总氮浓度较高废水的处理;本发明所述工艺简单、易操作、能耗低、效率高、运行费用低，实现了污水的资源化处理和有用物质的回收;所述处理装置结构简单，便于扩大化工业生产与使用。
