专利名称：基于无泡供氢自养反硝化处理污水中硝态氮装置及工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及水中硝态氮的去除方法，属于水处理技术领域，特别涉及基于无泡供氢自养反硝化处理污水中硝态氮的装置及工艺，利用氢自养反硝化过程去除二级处理出水中的硝态氮。
背景技术：
氮污染是导致水体富营养化的重要因素之一，城镇污水是氮污染物的主要来源， 严重威胁生态安全和人类健康。近年来，国家不断提高城镇污水排放的标准，一些经济发达，环境容量小的地区提出更为严格的要求，如北京地方标准的A级标准最为严格。由于我国城市污水C/N普遍较低，反硝化碳源不足，因此按照新标准达标排放的要求，TN去除较为困难。
目前，普遍的处理技术是在二级处理后增加深度处理单元，深度处理段由反硝化滤池，曝气生物滤池，V型滤池和臭氧消毒等单元组成。在反硝化滤池进水中投加甲醇、乙酸盐等液体有机物作为反硝化过程的碳源物质。投加液体碳源的反硝化滤池需要较多的设备和复杂的投加控制系统，以避免有机物投加过量造成的浪费和出水有机物过量残留导致的COD超标。而且在有机物投加不足时，因反硝化不完全，具有毒性的亚硝酸盐在出水中大量存在的问题。因此传统工艺需要在反硝化滤池后再增设曝气生物滤池，保证COD达标以及避免出水中存在亚硝酸盐。通过异养细菌的反硝化过程去除硝态氮，生物增长速度快，对过滤单元的影响较大，大幅缩短了滤池的运行周期。综上所述，传统工艺具有流程长，设备多，控制困难，药剂利 用效率低以及过滤单元易堵塞等缺点。
氢自养菌是一类可以利用氢气作为电子供体，硝酸盐作为电子受体，同时固定无机碳进行自养生长的细菌。利用氢自养菌进行深度脱氮，可以避免增加出水中的有机物。自养菌增殖速率慢，可以有效缓解过滤单元的堵塞问题，延长运行周期。氢气属于易燃易爆的气体，直接鼓泡向水中供氢安全性较低，因此安全高效的供氢技术是氢自养反硝化技术需要解决的关键问题。发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供基于无泡供氢自养反硝化处理污水中硝态氮的装置及工艺，本发明脱氮效率高，无需外加有机物，生物增殖速率慢， 可以避免出水COD超标风险，延长过滤单元的运行周期。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的
基于无泡供氢自养反硝化处理污水中硝态氮的装置，包括氢气储罐5，氢气储罐5 的通过调压阀与无泡供氢膜组件I 一端的氢气室7连接，无泡供氢膜组件I另一端的二氧化碳气室通过调压阀与二氧化碳储罐6相连通，二级处理出水经进水泵4接入无泡供氢膜组件I的进口，无泡供氢膜组件I的出水口接入生物接触反应装置2的入口，生物接触反应装置2一端出口通过回水泵3连通无泡供氢膜组件I的进口，生物接触反应装置2另一端出口连接至过滤单元。
所述的无泡供氢膜组件I 一端设置氢气室7，另一端设置二氧化碳气室，中间为中空的纤维膜9，且带内衬PVDF疏水微滤膜，纤维膜9 一端开口并与气室连通，另一端利用树脂胶密封固定，氢气室7与二氧化碳室8连接纤维膜9数目为3:1。
所述的生物接触反应装置2由底部的配水区10和上部的反应区11组成，反应区 11内安装有悬浮生物填料。
基于上述装置的处理污水中硝态氮的工艺，包括以下步骤
步骤一、氢气发生装置产生的氢气通过调压阀接入氢气储罐5，调压阀控制氢气储罐5压力为所需要的供气压力，氢气储罐5向无泡供氢膜组件I 一端的氢气室7内通入氢气，压力范围为O. 03-0. 06MPa,同时二氧化碳储罐6在压力下经调压阀向二氧化碳气室通入二氧化碳气，压力范围O. 02-0. 05MPa ;二级处理出水经进水泵4进入无泡供氢膜组件I 的纤维膜9，进水负荷率为25-75L/m2h，通过与内部通有氢气和二氧化碳的纤维膜9外壁接触进行气体传质；
步骤二、经过气体传质，二级处理出水溶有二氧化碳，同时氢气达到基本饱和，从无泡供氢膜组件I出水口流出进入生物接触反应装置2，水从生物接触反应装置2底部自下而上穿过反应区11，水力停留时间时间O. 5-1. 5h，容积负荷为O. 2^0. 4kgN/ (m3 -d)，附着在反应区11内安装的悬浮生物填料上生长的氢自养反硝化菌利用水中溶解的氢作为电子供体，以硝酸盐为电子受体，将水中的硝酸盐转化为氮气，进行脱除；
步骤三、生物接触反应装置2出水的一部分进行回流，回流比为50-800%，重新充氢气，使得更多的氢气能够进入反应区11为微生物提供电子，另一部分作为处理后的出水接后续过滤单元。
本发明的技术原理是将二氧化碳和氢气的混合气通入中空纤维透气膜内并施以一定的压力，使得气体在压力 的驱动下透过膜层以分子的形态进入水相，实现无泡供氢。氢自养菌利用氢气作为电子供体，水中的硝态氮为电子受体，进行反硝化，将硝态氮转化为氮气去除。二氧化碳可以作为氢自养菌生长的无机碳源，同时与氢自养反硝化过程产生的氢氧根结合成为碳酸氢根，降低产水的pH，保证合适的反应条件。
本发明的有益效果是无需外加有机物实现污水的深度脱氮，可以从根本上避免出水有机物残留超标的问题。氢自养菌生长缓慢，缓解后续过滤单元的压力，延长了运行周期，节约运行能耗。
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明装置中的无泡供氢膜组件I的放大示意图。
图3是本发明装置中的生物接触反应装置2放大的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做详细叙述。
参照图1，基于无泡供氢自养反硝化处理污水中硝态氮的装置，包括氢气储罐5， 氢气储罐5的通过调压阀与无泡供氢膜组件I 一端的氢气室7连接，无泡供氢膜组件I另一端的二氧化碳气室通过调压阀与二氧化碳储罐6相连通，二级处理出水经进水泵4接入无泡供氢膜组件I的进口，无泡供氢膜组件I的出水口接入生物接触反应装置2的入口，生物接触反应装置2 —端出口通过回水泵3连通无泡供氢膜组件I的进口，生物接触反应装置2另一端出口连接至过滤单元。
参照图2，所述的无泡供氢膜组件I 一端设置氢气室7，另一端设置二氧化碳气室， 中间为中空的纤维膜9，且带内衬PVDF疏水微滤膜，纤维膜9 一端开口并与气室连通，另一端利用树脂胶密封固定，氢气室7与二氧化碳室8连接纤维膜9数目为3:1。
参照图3，所述的生物接触反应装置2由底部的配水区10和上部的反应区11组成，反应区11内安装有悬浮生物填料。
实施例一
本实施例所用的无泡供氢膜组件I内径200mm，长1000mm，中空纤维膜9外径1. 5mm,总膜面积40m2 ；
本实施例生物接触反应池的配水区10高O. 4m,反应区11高3. Om,底面尺寸 ImX lm，其中装填的悬浮生物填料采用专利号为ZL200510047122. 7的BM填料。
本实施例包括以下步骤
步骤一、氢气发生装置产生的氢气通过调压阀接入氢气储罐5，调压阀控制氢气储罐5压力为所需要的供气压力，氢气储罐5向无泡供氢膜组件I 一端的氢气室7内通入氢气，流量为150L/h，压力范围为O. 03-0. 06MPa,同时二氧化碳储罐6在压力下经调压阀向二氧化碳气室通入二氧化碳气，流量为50L/h，压力范围O. 02-0. 05MPa ;二级处理出水经进水泵4进入无泡供氢膜组件I的纤维膜9，每支膜组件进水流量5. 0m3/h。通过与内部通有氢气·和二氧化碳的纤维膜9外壁接触进行气体传质；
步骤二、经过气体传质，二级处理出水溶有二氧化碳，同时氢气达到基本饱和，从无泡供氢膜组件I出水口流出进入生物接触反应装置2，水从生物接触反应装置2底部自下而上穿过反应区11，水力停留时间40min，附着在反应区11内安装的悬浮生物填料上生长的氢自养反硝化菌利用水中溶解的氢作为电子供体，以硝酸盐为电子受体，将水中的硝酸盐转化为氮气，进行脱除；
步骤三、生物接触反应装置2出水的一部分进行回流，回流比为70%，重新进行氢气溶解，使得更多的氢气能够进入反应区11为微生物提供电子，另一部分作为处理后的出水接后续过滤单元。
采用本实施例的技术方案，效果如下进水NO3--N浓度为15mg/L，温度为30°C时， 反应容积负荷最大可达O. 4kgN/ (m3 · d)，TN去除率为70%以上。出水COD增加量小于 10mg/Lo
实施例二
本实施例所用的无泡供氢膜组件I内径200mm，长1000mm，中空纤维膜9外径1. 5mm,总膜面积40m2 ；
本实施例生物接触反应池的配水区10高O. 4m,反应区11高3. Om,底面尺寸 ImX lm，其中装填的悬浮生物填料采用专利号为ZL200510047122. 7的BM填料。
本实施例包括以下步骤
步骤一、氢气发生装置产生的氢气通过调压阀接入氢气储罐5，调压阀控制氢气储罐5压力为所需要的供气压力，氢气储罐5向无泡供氢膜组件I 一端的氢气室7内通入氢气，流量为150L/h，压力范围为O. 03-0. 06MPa,同时二氧化碳储罐6在压力下经调压阀向二氧化碳气室通入二氧化碳气，流量为50L/h，压力范围O. 02-0. 05MPa ;二级处理出水经进水泵4进入无泡供氢膜组件I的纤维膜9，每支膜组件进水流量2. 2m3/h。通过与内部通有氢气和二氧化碳的纤维膜9外壁接触进行气体传质；
步骤二、经过气体传质，二级处理出水溶有二氧化碳，同时氢气达到基本饱和，从无泡供氢膜组件I出水口流出进入生物接触反应装置2，水从生物接触反应装置2底部自下而上穿过反应区11，水力停留时间1. 5h，附着在反应区11内安装的悬浮生物填料上生长的氢自养反硝化菌利用水中溶解的氢作为电子供体，以硝酸盐为电子受体，将水中的硝酸盐转化为氮气，进行脱除；
步骤三、生物接触反应装置2出水的一部分进行回流，回流比为300%，重新进行氢气溶解，使得更多的氢气能够进入反应区11为微生物提供电子，另一部分作为处理后的出水接后续过滤单元。
采用本实施例的技术方案，效果如下进水NO3--N浓度为35mg/L，温度为30°C时， 反应容积负荷最大可达O. 4kgN/ (m3 · d)，TN去除率为85%以上。出水COD增加量小于 10mg/Lo
实施例三
本实施例所用的无泡供氢膜组件I内径50mm,长500mm,中空纤维膜9外径1. 5mm, 总膜面积O. 04m2 ；
本实施例生物接触反应池的配水区10高O.1m,反应区11高O. 5m,底面直径50mm, 其中装填的悬浮生物 填料采用专利号为ZL200510047122. 7的BM填料。
本实施例包括以下步骤
步骤一、氢气发生装置产生的氢气通过调压阀接入氢气储罐5，调压阀控制氢气储罐5压力为所需要的供气压力，氢气储罐5向无泡供氢膜组件I 一端的氢气室7内通入氢气，流量为150mL/h，压力范围为O. 03-0. 06MPa,同时二氧化碳储罐6在压力下经调压阀向二氧化碳气室通入二氧化碳气，流量为50mL/h，压力范围O. 02-0. 05MPa ;二级处理出水经进水泵4进入无泡供氢膜组件I的纤维膜9，每支膜组件进水流量O. 67L/h。通过与内部通有氢气和二氧化碳的纤维膜9外壁接触进行气体传质；
步骤二、经过气体传质，二级处理出水溶有二氧化碳，同时氢气达到基本饱和，从无泡供氢膜组件I出水口流出进入生物接触反应装置2，水从生物接触反应装置2底部自下而上穿过反应区11，水力停留时间1. 5h，附着在反应区11内安装的悬浮生物填料上生长的氢自养反硝化菌利用水中溶解的氢作为电子供体，以硝酸盐为电子受体，将水中的硝酸盐转化为氮气，进行脱除；
步骤三、生物接触反应装置2出水的一部分进行回流，回流比为800%，重新进行氢气溶解，使得更多的氢气能够进入反应区11为微生物提供电子，另一部分作为处理后的出水接后续过滤单元。
采用本实施例的技术方案，效果如下进水Ν03_-Ν浓度为35mg/L，温度为30°C时， 反应容积负荷最大可达O. 4kgN/ (m3 · d)，TN去除率为96%以上。出水COD增加量小于 10mg/Lo
权利要求
1.基于无泡供氢自养反硝化处理污水中硝态氮的装置，其特征在于，包括氢气储罐(5)，氢气储罐(5)的通过调压阀与无泡供氢膜组件(I) 一端的氢气室(7)连接，无泡供氢膜组件(I)另一端的二氧化碳气室通过调压阀与二氧化碳储罐(6)相连通，二级处理出水经进水泵(4)接入无泡供氢膜组件(I)的进口，无泡供氢膜组件(I)的出水口接入生物接触反应装置(2 )的入口，生物接触反应装置(2 ) —端出口通过回水泵(3 )连通无泡供氢膜组件 (I)的进口，生物接触反应装置(2)另一端出口连接至过滤单元。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的无泡供氢膜组件(I)一端设置氢气室(7)，另一端设置二氧化碳气室，中间为中空的纤维膜(9)，且带内衬PVDF疏水微滤膜， 纤维膜(9) 一端开口并与气室连通，另一端利用树脂胶密封固定，氢气室(7)与二氧化碳室 (8)连接纤维膜(9)数目为3:1。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的生物接触反应装置(2)由底部的配水区(10)和上部的反应区(11)组成，反应区(11)内安装有悬浮生物填料。
4.基于上述权利要求1-3任意一项所述的装置处理污水中硝态氮的工艺，包括以下步骤步骤一、氢气发生装置产生的氢气通过调压阀接入氢气储罐(5)，调压阀控制氢气储罐(5)压力为所需要的供气压力，氢气储罐(5)向无泡供氢膜组件(I) 一端的氢气室(7)内通入氢气，压力范围为O. 03-0. 06MPa，同时二氧化碳储罐(6)在压力下经调压阀向二氧化碳气室通入二氧化碳气，压力范围O. 02-0. 05MPa ;二级处理出水经进水泵4进入无泡供氢膜组件I的纤维膜9，每支膜组件进水流量25-75L/m2h，二级处理出水经进水泵(4)进入无泡供氢膜组件(I)的纤维膜(9)，每支膜组件进水流量l_3m3/h，通过与内部通有氢气和二氧化碳的纤维膜(9)外壁接触进行气体传质；步骤二、经过气体传质，二级处理出水溶有二氧化碳，同时氢气达到基本饱和，从无泡供氢膜组件(I)出水口流出进入生物接触反应装置(2)，水从生物接触反应装置(2)底部自下而上穿过反应区(11)，水力停留时间时间O. 5-1. 5h，容积负荷为O. 2^0. 4kgN/(m3 -d)，附着在反应区(11)内安装的悬浮生物填料上生长的氢自养反硝化菌利用水中溶解的氢作为电子供体，以硝酸盐为电子受体，将水中的硝酸盐转化为氮气，进行脱除；步骤三、生物接触反应装置(2)出水的一部分进行回流，回流比为50-800%，重新充氢气，使得更多的氢气能够进入反应区(11)为微生物提供电子，另一部分作为处理后的出水接后续过滤单元。
全文摘要
基于无泡供氢自养反硝化处理污水中硝态氮的装置，包括氢气储罐，氢气储罐的通过调压阀与无泡供氢膜组件一端的氢气室连接，无泡供氢膜组件另一端的二氧化碳气室通过调压阀与二氧化碳储罐相连通，二级处理出水经进水泵接入无泡供氢膜组件的进口，无泡供氢膜组件的出水口接入生物接触反应装置的入口，生物接触反应装置一端出口通过回水泵连通无泡供氢膜组件的进口，生物接触反应装置另一端出口连接至过滤单元，将二氧化碳和氢气的混合气通入无泡供氢膜组件并施以一定的压力，实现无泡供氢，氢自养菌利用氢气作为电子供体，水中的硝态氮为电子受体，进行反硝化，将硝态氮转化为氮气去除，具有脱氮效率高的特点。
文档编号C02F3/28GK102992480SQ20121054985
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者左剑恶, 李彭, 袁琳, 唐蕾 申请人:清华大学