一种电解-微电解-厌氧联用工艺的强化脱氮装置专利检索-水废水污水或污泥的处理专利检索查询-专利查询网

IPRDB

API 数据接口

专利申请

使用指引 chat嘟嘟

会员体验

联系我们

交流群

现在联系顾问~

一种电解-微电解-厌氧联用工艺的强化脱氮装置
申请号	CN202311662743.0	申请日	2023-12-06	公开(公告)号	CN117800516A	公开(公告)日	2024-04-02
申请人	同济大学;			发明人	马利民; 陈光耀;
摘要	本发明涉及一种强化脱氮装置，具体涉及一种电解 ‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，包括脱氮容器和外加电源；脱氮容器内腔通过集水控制格栅分隔为污水处理区和厌氧集水区；污水处理区于顶部设置入水口，集水控制格栅上开设连通污水处理区和厌氧集水区的集水口，厌氧集水区于侧边设置排泥口和出水口；污水处理区内填充铁碳微电解填料；污水处理区内还间隔设置有若干电极板，且阳极板与阴极板交替设置；阳极板与外加电源的正极相连，阴极板与外加电源的负极相连。与现有技术相比，本发明解决现有技术中外加电源强电解能耗高、铁碳微电解有局限性的问题，实现了外加电源电解与铁碳微电解的联用，对低碳氮比污水具有强化脱氮能力且能耗较低。
权利要求	1.一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，其特征在于，包括脱氮容器和外加电源(10)；所述的脱氮容器内腔通过集水控制格栅(13)分隔为污水处理区(12)和厌氧集水区(11)；所述的污水处理区(12)于顶部设置入水口，所述的集水控制格栅(13)上开设连通污水处理区(12)和厌氧集水区(11)的集水口(14)，所述的厌氧集水区(11)于侧边设置排泥口(7)和出水口(6)；所述的污水处理区(12)内填充铁碳微电解填料(1)；所述的污水处理区(12)内还间隔设置有若干电极板，且阳极板与阴极板交替设置；所述的阳极板与外加电源(10)的正极相连，所述的阴极板与外加电源(10)的负极相连。 2.根据权利要求1所述的一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，其特征在于，所述的铁碳微电解填料(1)为椭圆型填料；铁碳微电解填料(1)填充于污水处理区(12) 2 的孔隙率为30‑65％，比表面积为0.5‑1.2m/g。 3.根据权利要求1所述的一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，其特征在于，所述的阳极板为铁电极板；所述的阴极板为石墨电极板。 4.根据权利要求3所述的一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，其特征在于，所述的污水处理区(12)内沿竖直方向间隔设置第一电极板(2)、第二电极板(3)和第三电极板(4)，所述的第一电极板(2)与所述的第三电极板(4)为阳极板，所述的第二电极板(3)为阴极板。 5.根据权利要求1所述的一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，其特征在于，所述的排泥口(7)设置于厌氧集水区(11)的底部，所述的集水口(14)高于排泥口(7)设置，所述的出水口(6)高于集水口(14)设置。 6.根据权利要求5所述的一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，其特征在于，所述的集水口(14)设置于脱氮容器1/5高度的位置，所述的出水口(6)设置于脱氮容器 4/5高度的位置。 7.根据权利要求1所述的一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，其特征在于，所述的集水口(14)间隔设置有若干个，集水口(14)的孔径小于铁碳微电解填料(1)的尺寸。 8.根据权利要求1所述的一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，其特征在于，所述的外加电源(10)为直流稳压电源。 9.根据权利要求1所述的一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，其特征在于，所述的电极板呈水平设置；电极板通过电极夹(5)和导线与外加电源(10)电气连接，电极板与电极夹(5)的连接处以及电极夹(5)与导线的连接处分别通过防水胶密封。 10.根据权利要求1所述的一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，其特征在于，所述的排泥口(7)连接排泥管路，所述的排泥管路上设置有排泥控制阀门(9)；所述的出水口(6)连接出水管路，所述的出水管路上设置有出水控制阀门(8)。
说明书全文	一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置技术领域 [0001] 本发明涉及一种强化脱氮装置，具体涉及一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置。背景技术 [0002] 我国的淡水资源总量为28000亿m3，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加3 拿大，但是人均水资源量仅2300m，只有世界平均水平的四分之一，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。中国是农业大国，当前国内乡镇总数在41360个以上，约有5.1亿人口居住在农村。与城镇不同，农村人口的居住集中程度较低，且污水收集与处理设备较少。根据住建部数据，2020年城市污水处理率已超过97％，但农村污水处理仍有很大短板，2021年的处理率仅28％。目前污水处理涌现了大量的工艺，但大多数都是集中式污水处理工艺，符合城镇居民的一般生活污水特征。而农村生活污水与城镇生活污水不同，特别是在北方，因为生活污水碳氮比不足，导致污水可生化性较差；并且受到基础设施建设及管网投入与高额维护费用的限制，农村地区分散式生活污水的治理无法照搬城镇污水处理的模式，需采用新的技术手段对农村生活污水进行治理。 [0003] 有机碳源的匮乏已成为制约传统农村生活污水处理工艺的瓶颈，特别是针对总氮(TN)的高效去除。长期以来，反硝化作用被人们一致认为是将活性氮转化为氮气(N2)的唯一途径，然而在实际运行的农村生活污水处理工艺中，针对高氮低碳废水的传统硝化和反硝化脱氮能力被限制在一定水平，且由于传统厌氧反硝化过程需要大量碳源，往往需要外加碳源以补充其不足，从而导致其处理废水成本较高。微电解技术通常利用铸铁废料和活性炭为电极材料，铁作为阳极，碳作为阴极，借助铁碳元素之间1.2V的电位差形成大量微观原电池，并产生电子和还原物质，还原废水中的污染物。水电解反应在电极周围产生轻微的外部电压；阴极产生的H2可以通过氢自养反硝化来提高反硝化效率。此外，在电极附近富集的电活性微生物也可以将电子从电极转移到硝酸盐中；阳极产生的O2可以为硝化细菌提供+提高硝化效率和去除NH4的合适条件。因此，与外加碳源相比，铁碳微电解占用的空间小，能量消耗低，持续增强脱氮，产生的副产品少，具有很大的实际应用潜力。而电解脱氮工艺，由于其能耗大，不适于实际工程应用。 [0004] 公开号为CN110104735A的发明专利通过电解机产生的氢和氧与水体中的氨氮和3‑ NO 反应，生成H2O和N2，除去微污染水体的氨氮和总氮。公开号为CN110697877A的发明专利将生物氨氧化和电极生物膜反硝化脱氮进行偶联，进而对废水进行脱氮产甲烷处理，整个反应过程无需曝气加快了脱氮效率并在原有基础上节约了能源。公开号为CN216614119U的 2+ 实用新型专利通过填充铁碳颗粒填充层，废水中会形成无数个微原电池，从而将Fe 氧化成 3+ Fe ，形成氢氧化铁胶体，达到絮凝沉淀的作用，对废水中的污染物进行吸附凝聚，从而增强对废水的净化效果。 [0005] 但上述技术仍存在以下缺陷：1、普通的外加电源强电解技术能耗高，在城镇污水处理工艺中，有更好的替代工艺；而运用在农村地区污水处理时，其运行维护成本，大大限制了该工艺在农村地区的大面积覆盖；2、单纯的加入铁碳微电解填料，有其局限性，大部分铁碳微电解填料，需要在酸性条件下才能最大限度的发挥其污水处理作用，这对农村地区运维成本是不友好的。 [0006] 由此，需要提出一种新型加强脱氮装置以实现对低碳氮比污水的强化脱氮能力。发明内容 [0007] 本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，以解决现有技术中外加电源强电解技术能耗高、单纯的铁碳微电解有局限性的问题，实现了外加电源电解与铁碳微电解的联用，表现出对低碳氮比污水具有强化脱氮能力且能耗较低。 [0008] 本发明的目的通过以下技术方案实现： [0009] 一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，包括脱氮容器和外加电源； [0010] 所述的脱氮容器内腔通过集水控制格栅分隔为污水处理区和厌氧集水区； [0011] 所述的污水处理区于顶部设置入水口，所述的集水控制格栅上开设连通污水处理区和厌氧集水区的集水口，所述的厌氧集水区于侧边设置排泥口和出水口； [0012] 所述的污水处理区内填充铁碳微电解填料； [0013] 所述的污水处理区内还间隔设置有若干电极板，且阳极板与阴极板交替设置；所述的阳极板与外加电源的正极相连，所述的阴极板与外加电源的负极相连。 [0014] 优选地，所述的铁碳微电解填料为椭圆型填料；铁碳微电解填料填充于污水处理2 区的孔隙率为30‑65％，比表面积为0.5‑1.2m/g。保证前端处理水均匀流经铁碳微电解填料表面以持续进行一系列的生物、物理、化学反应。 [0015] 优选地，所述的阳极板为铁电极板；所述的阴极板为石墨电极板。本方案中特选为铁‑石墨组成电解脱氮，优选与铁碳微电解填料的材料保持一致；一方面是为了节约成本，3+ 2+ 阴、阳极的材料较易获得；其次，铁作为阳极，失电子后形成的Fe 以及Fe ，可形成胶体，加速污染物的吸附沉淀，同时，铁盐与磷酸盐也可形成多种沉淀化合物，加强该装置对于总磷 2+ + 的去除；最后，阴、阳极形成的Fe 与H也可形成较弱的芬顿体系，可加强对有机物以及总氮的氧化还原能力，从而达到对污染物高效去除的目的。 [0016] 优选地，所述的污水处理区内沿竖直方向间隔设置第一电极板、第二电极板和第三电极板，所述的第一电极板与所述的第三电极板为阳极板，所述的第二电极板为阴极板。之所以设置三个电极板，是由于污水处理区总流程较长(高度较高)，且在实际运行过程中，流经铁碳微电解填料以及电极表面的大多为间隙流，如果极板之间距离较远，其微电流的强度会减小，故此在本方案中优选设置了三个极板；而之所以设置两个阳极一个阴极，因为 2+ 3+ 铁电极作为阳极，产生的Fe 与Fe 在这个体系中有很大的作用，能够促进多种反应过程的发生与进行。 [0017] 优选地，所述的排泥口设置于厌氧集水区的底部，所述的集水口高于排泥口设置，所述的出水口高于集水口设置。 [0018] 优选地，所述的集水口设置于脱氮容器1/5高度的位置，所述的出水口设置于脱氮容器4/5高度的位置。由于铁碳微电解填料具有很强的絮凝沉淀作用，因而随着运行周期的进行，会产生一定量的污泥；设置一定高度的出水口，可保证一定的水力停留时间。 [0019] 优选地，所述的集水口间隔设置有若干个，集水口的孔径小于铁碳微电解填料的尺寸，保证厌氧集水区内的水SS(悬浮物)含量低，由出水口排出的水质清澈。 [0020] 优选地，所述的外加电源为直流稳压电源，可以控制恒电流与恒电压模式。 [0021] 优选地，所述的电极板呈水平设置，配合较大尺寸的电极板，可保证水流与电极板的充分接触；电极板通过电极夹和导线与外加电源电气连接，电极板与电极夹的连接处以及电极夹与导线的连接处分别通过防水胶密封，防止漏电以及腐蚀。 [0022] 优选地，所述的排泥口连接排泥管路，所述的排泥管路上设置有排泥控制阀门；所述的出水口连接出水管路，所述的出水管路上设置有出水控制阀门。 [0023] 本发明的工作原理为： [0024] 低碳氮比的生活污水由前端布水管网通过入水口进入污水处理区后，在重力作用下，流经铁碳微电解填料，并依次流过各个电极板；期间持续发生一系列的生物物理化学反应。以下举出部分生物化学反应示例：1、生物吸附：微生物可以通过吸附污染物的方式将其从水中去除。微生物在填料表面附着并形成生物膜，吸附污染物分子，将其从水中拦截并固定在生物膜中。这类厌氧微生物，大部分为化能自养型微生物，需要依靠氧化还原过程中的能量差来提供能量，例如利用污水中碳源的氧化还原反应来供能；而低碳氮比废水，由于碳源的不足，使得这些微生物的能量来源不足，这时，铁碳微电解填料以及电极，可以为其提供电子供体，促进其氧化还原过程，使其获得能量。2、生物降解：微生物能够分解有机物质，将其转化为无害物质或者更容易处理的形式。在填料表面附着的微生物利用污染物作为能源和营养源，通过代谢途径将其分解为更简单的物质。3、氧化还原反应：铁碳微电解填料中的铁和碳可以作为电极材料参与电化学反应。同时电极与其一致，通过电解作用，填料表面的铁和碳会发生氧化还原反应，产生电子和电荷转移。这些反应可以促进污水中的氧化还原反应，有助于降解污染物。 [0025] 经电解‑微电解处理后的水经集水口流到厌氧集水区进行厌氧反硝化，在水位达到出水口的高度后排出。 [0026] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0027] 1、本发明将外加电源强电解技术与铁碳微电解技术联用，将强电解技术的高能耗和微电解技术环境要求高，处理效果波动大的缺点进行了改进，实现了降低能耗的同时，处理效果好，并进行了预实验，得出了相同的结论。具有结构简单、装置轻质化以及污水负荷能力较高的优点，可快速投入使用，适用于农村生活污水处理。 [0028] 2、本发明污水处理区的铁碳微电解填料粒径大小可随着前端处理效果的改变而改变，前端处理效果好时，可选用粒径较小的铁碳微电解填料，反之，则选用粒径较大的填料。这对不同工艺的适用性耦合度更高。 [0029] 3、本发明装置系统可作为不同处理工艺的后端处理模块，可以灵活的进行接续，在现有的设施不发生改变的前提下，可对其出水碳氮比失衡进行改进，降低成本。 [0030] 4、本发明设置了集水区，保证了反硝化的进行，维持了一定的停留时间，加强了装置对污染物的去除效果，同时设置了排泥沉淀，防止出水悬浮物浓度过高。附图说明 [0031] 图1为实施例的强化脱氮装置的结构剖视示意图； [0032] 图2为实施例的集水控制格栅的结构示意图； [0033] 图中：1‑铁碳微电解填料；2‑第一电极板；3‑第二电极板；4‑第三电极板；5‑电极夹；6‑出水口；7‑排泥口；8‑出水控制阀门；9‑排泥控制阀门；10‑外加电源；11‑厌氧集水区；12‑污水处理区；13‑集水控制格栅；14‑集水口。具体实施方式 [0034] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 [0035] 实施例 [0036] 一种电解‑微电解‑厌氧联用工艺的强化脱氮装置，如图1和图2所示，包括脱氮容器和外加电源10； [0037] 所述的脱氮容器内腔通过集水控制格栅13分隔为污水处理区12和厌氧集水区11； [0038] 所述的污水处理区12于顶部设置入水口，所述的集水控制格栅13上开设连通污水处理区12和厌氧集水区11的集水口14，所述的厌氧集水区11于侧边设置排泥口7和出水口6； [0039] 所述的污水处理区12内填充铁碳微电解填料1； [0040] 所述的污水处理区12内还间隔设置有若干电极板，且阳极板与阴极板交替设置；所述的阳极板与外加电源10的正极相连，所述的阴极板与外加电源10的负极相连。 [0041] 更具体地，本实施例中： [0042] 该强化脱氮装置，包括脱氮容器内部腔体左侧的厌氧集水区11、腔体右侧的污水处理区12和外加电源10。 [0043] 厌氧集水区11为一个厌氧腔体，其左侧为脱氮容器的外侧壁，自上而下设有出水口6和排泥口7，其中：出水口6连接有出水管路，并在出水管路上设置有出水控制阀门8；排泥口7连接有排泥管路，并在排泥管路上设置有排泥控制阀门9。厌氧集水区11的右侧为集水控制格栅13，在集水控制格栅13靠近底部一定距离的位置开设有数个同等大小且等间隔设置的集水口14，连通厌氧集水区11和污水处理区12。 [0044] 污水处理区12中均匀铺满铁碳微电解填料1，该铁碳微电解填料1可采用市售通用铁碳微电解填料1。污水处理区12自上而下等间距设有3块电极板，依次为第一电极板2、第二电极板3和第三电极板4，其中，第一电极板2为铁电极板，第二电极板3为石墨电极板，第三电极板4为铁电极板。 [0045] 外加电源10为直流稳压电源，可采用市售产品。其中，电源的正极与第一电极板2以及第三电极板4相连，电源的负极与第二电极板3相连；具体连接方式为：在脱氮容器的腔体外侧采用铜导线连接，在脱氮容器的腔体内侧采用铂片电极夹5与各电极板相连；并且，在连接处用防水胶密封，防止处理水泄漏而引起漏电以及电气部件的腐蚀老化。 [0046] 生活污水由前端布水管网进入污水处理区12后，在重力的作用下，流过铁碳微电解填料1，并依次流过各个电极板并发生一系列的生物物理化学反应，处理后的水经集水口14流道厌氧集水区11，在达到出水口6的高度后，由出水控制阀门8控制排出装置。 [0047] 如图1所示，本脱氮容器的内腔尺寸为350mm×350mm×500mm；其中，厌氧集水区11的尺寸为50mm×350mm×500mm，污水处理区12的尺寸为300mm×350mm×500mm。外加电源10可控制恒电流与恒电压模式。 [0048] 厌氧集水区11在最底部设置有孔径为25mm的排泥口7，由于铁碳微电解填料1具有很强的絮凝沉淀作用，因而随着运行周期的进行，会产生一定量的污泥，排泥口7连接的排泥管路以及其上设置的排泥控制阀门9可周期性的打开进行排泥操作；在距底部400mm处设有出水口6，通过设置有一定高度的出水口6，看在厌氧集水区11内保证一定的水力停留时间，并且出水口6连接出水管路并在其上设置有出水控制阀门8，可进行出水流量的控制。 [0049] 污水处理区12内部均匀铺满铁碳微电解填料1，孔隙率为65％，比表面积为1.2m2/g，规格尺寸为30‑50mm椭圆，保证前端处理水能够均匀地流经铁碳微电解填料1表面以进行一系列的生物物理化学反应；污水处理区12自上而下等间距的设置有3块电极板，其中：第一电极板2为铁电极板，距离污水处理区12的顶部100mm，尺寸为250mm×250mm×3mm；第二电极板3为石墨电极板，距离第一电极板2150mm，尺寸为250mm×250mm×3mm；第三电极板4为铁电极板，距离第二电极板3150mm，尺寸为250mm×250mm×3mm。设置的电极板表面积较大，可保证水流与电极板的充分接触，以尽可能充分的发生反应。 [0050] 外加电源10的电压可调范围为0‑60V，电流可调范围为0‑8A，功率为180W，分辨率为10mV/1mA。 [0051] 如图2所示，集水控制格栅13的尺寸为350mm×500mm，其中集水口14孔径为25mm，共设10个，距离底部100mm。集水口14的孔径远小于铁碳微电解填料1，保证厌氧集水区11的水SS含量低，出水清澈。 [0052] 该强化脱氮装置在厌氧条件下运行，前端连接进水结构，采用连续进水的方式进水。 [0053] 本实施例中，为方便实验过程中观察内部情况与现象，因而脱氮容器采用高强度有机玻璃制成，在实际应用中，可采用本领域常规材料进行替换。 [0054] 工作原理： [0055] 来自前置收集系统(现有结构)的农村生活污水首先经过沉淀、过滤和厌氧发酵等预处理手段，降低污水的SS含量；并且污水中的COD也经过初步处理，至污水的溶解氧降低达到厌氧标准，然后再通过一些进水装置连续性地进入本系统。 [0056] 在强化脱氮装置中，预处理后的生活污水通过外部设置的布水管路，从污水处理区12上部进入，在重力作用下直接向下渗滤，在铁碳微电解填料1中侧向流动的同时向下渗滤，流经铁碳微电解填料1间隙的同时，也会流过相应的电极板。 [0057] 强化脱氮装置中存在传统的污染去除途径：在成功挂膜后，微生物会在系统中的铁碳微电解填料1表面进行生长，形成生物膜；溶解态有机物则被填料吸附并进一步被填料表面的生物膜所降解。 [0058] 同时，铁碳微电解填料1表面会形成无数个微电池，为微生物的生化反应提供电子供体与电子受体，而阴、阳电极板具有类似的作用，在低碳氮比的污水中，可以替代碳源在其中的作用，从而强化对总氮的去除。 [0059] 铁碳微电解填料1表面产生的二价铁会被氧化成三价铁，形成氢氧化铁胶体，与磷化合物形成共沉淀，从而达到去除磷的作用。 [0060] 由污水处理区12渗滤来的污水在厌氧集水区11的腔体内停留，水力停留时间较长，形成厌氧环境，污水在此进一步进行厌氧分解反应。反应产生的固体废物首先在集水区腔体底部沉淀，然后周期性打开排泥阀门进行排空。 [0061] 采用本技术建成的小试装置，采用水力负荷为1.2m3/m2/d；测定水处理效果良好，并能持续稳定运行。 [0062] 本发明实现了外加电源电解和铁碳微电解填料在厌氧条件下的联用(电解‑微电解‑厌氧联用工艺)，大大提升了该强化脱氮装置的脱氮性能并降低了能耗；同时该强化脱氮装置可作为现有污水处理系统中的一个后端处理模块，具有与多种传统污水处理系统的强耦合性，可解决农村一般低碳氮比的高氮生活污水处理排放的问题。 [0063] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。