一种基于浸没式膜及电极分离水中氨氮系统的制作方法
【专利摘要】一种基于浸没式膜及电极分离水中氨氮系统属于水处理领域。该装置包括氨氮分离器，放置在氨氮分离器内的膜组件C、电极和搅拌器，出水蠕动泵，压力表，进水泵，进水管，出水管，出水口，电源，导线，时间继电器；膜组件C的出水口与出水管、压力表和出水蠕动泵依次相连，并受时间继电器的控制；搅拌器叶片位于膜组件C下部；电极的两极经导线分别和电源相连，两极放在膜组件C两侧；出水口位于氨氮分离器上部；进水泵接进水管，进水管末端位于氨氮分离器内，且靠近氨氮分离器底部；将电极固定在膜组件C两侧，并将电极以淹没深度为20%-80%放置于反应器内，并保持不变。解决了在电化学处理系统中有机物被氧化，反硝化碳源不足的问题，并且结构简单。
【专利说明】一种基于浸没式膜及电极分离水中氨氮系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于水处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002] C/N是硝化反硝化过程的重要影响因素。理论上，在反硝化过程中化学计量上所需 要的C/N为2. 86,但报道的反硝化工艺系统中需要的C/N远大于2. 86,甚至达到11以上。 在废水处理时，实际运行的硝化/反硝化工艺及其变型工艺（如氧化沟工艺、SBR工艺、BAF 工艺等），常因碳源不足投加有机碳源或开发新碳源，从而提高C/N达到反硝化效果，这无 形中增加了运行成本，而且，在电化学系统中，有机物并没有全部用于反硝化脱氮过程，这 也造成了反硝化碳源不足的问题，使脱氮效果不佳。
[0003] 发明人在进行生物脱氮研究时发现，若将废水中的NH4+和有机物分别进行富集和 分离，并将富集的NH 4+和分离出来的有机物分别用于后续硝化和反硝化过程，则可有效利 用碳源实现高效生物脱氮，然而若分离富集效率低，氨氮和有机物不能有效分离，反硝化脱 氮效率将降低，因此为达到较好的脱氮效率，需提高氨氮富集效果，提高氨氮富集效果和有 机物的有效分离对于脱氮效率起着至关重要的作用。为此发明人在进行实验时发现，富集 效果的好坏与电极淹没百分比（电极淹没深度/露出水面高度）有很大关系，需进行进一 步研究。
[0004] 目前，nh4+分离富集的方法主要有吸附与离子交换法、膜吸收法以及电渗析等方 法。吸附与离子交换法（如沸石、离子交换树脂），可以分离浓缩nh 4+，但存在吸附容量有限， 往往吸附效率低。化学再生易造成二次污染等问题，所以目前沸石法脱氮主要针对微污染 河道水、景观水、二沉池出水等含氮不高的水体。电渗析法常被用于养猪废水的NH 4+富集， 该方法具有低能耗、效率高的优点，但是无法实现有机物与nh4+分离。同时在电化学生物处 理工艺中，常因电极电解水生成的新生态氧氧化有机物而导致碳源不足，无法满足后续反 硝化过程对C/N的要求。因此，提高氨氮富集和有机物分离效率对于脱氮效果至关重要。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的是针对现有处理废水的硝化/反硝化工艺及其变型工艺（如氧 化沟、BAF等）处理低C/N废水反硝化碳源不足的问题，和现有NH 4+分离富集方法的不足和 缺陷，以及电化学系统的电解产物氧化有机物导致碳源减少问题，提供了一种基于膜及电 极高效富集水中氨氮离子的方法，该方法能够充分分离有机物并富集氨氮，使出水氨氮得 到浓缩，有机物得到分离，进而实现了对氨氮的富集和有机物分离，且该装置为单一处理装 置，结构简单，易于操作运行。
[0006] -种基于浸没式膜及电极分离水中氨氮系统，其特征在于：该装置包括敞口的氨 氮分离器，放置在氨氮分离器内的膜组件C、电极和搅拌器，出水蠕动泵，压力表，进水泵，进 水管，出水管，出水口，电源，导线，时间继电器；膜组件C的出水口与出水管、压力表和出水 蠕动泵依次相连，并受时间继电器的控制；搅拌器叶片位于膜组件C下部；电极的两极经 导线分别和电源相连，两极放在膜组件C两侧；出水口位于氨氮分离器上部；进水泵接进水 管，进水管末端位于氨氮分离器内，且靠近氨氮分离器底部；膜组件C由阳离子交换膜、超 滤膜或者微滤膜和带有导流槽和孔洞的支撑板组成、阳离子交换膜、超滤膜或者微滤膜之 一分别设置在支撑板两侧；将电极固定在膜组件C两侧，并将电极以淹没深度为20 %-80 % 放置于反应器内，并保持不变。
[0007] 本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：
[0008] (1)提高nh4+分离富集效果，注重电极的作用
[0009] 针对生活污水中C/N低、碳源不足的问题，在有机物未被生物分解之前，将有机物 与NH 4+分离并将NH4+富集，为后续硝化过程消除异养微生物与自养硝化菌的竞争、为反硝 化过程提供有效碳源，所以提高氨氮富集效果显得尤为重要。本实用新型为了强化分离富 集效果，研究了电极的淹没形式对富集效果的影响，电极的淹没形式对于提高氨氮富集效 果影响显著，氨氮富集效果可高达100%以上，相比常规电极全部淹没时氨氮富集率提高了 50%左右。且电极露出水面一部分，浸入水中的电极面积变小，节约了电极材料。
[0010] ⑵以铁板或铁网作为阳极，在通电过程中，阳极上铁板失去电子成为亚铁离子溶 入水中：Fe-2e - Fe2+，并在搅拌等条件下最终生成Fe (0H) 3，且生成的Fe (0H) 3能够提高污 泥的沉降性能，在该过程中，氨氮分离器中的有机物不会被氧化，为后续反硝化过程提供有 效碳源，实现了氨氮和有机物的有效分离。
[0011] (3)以废铁作为电极，应用于城市废水及其他低C/N废水处理，是一种实用有效且 经济方便的废水处理手段。为未来的实际工程应用提供了便利性和使用价值。
[0012] (4)整个装置结构简单，便于实际操作运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本实用新型提供的一种水中氨氮富集装置示意图。
[0014] 图2为本实用新型提供的一种水中氨氮富集方法运行示意图。
[0015] 图3为本实用新型提供的一种膜组件C示意图。
[0016] 图4为本实用新型提供的一种膜组件C的支撑板示意图。
[0017] 图中：1_进水泵2-进水管3-氨氮分离器4-电源5-导线6-电极7-搅拌器8-膜 组件C9-压力表10-出水蠕动泵11-时间继电器12-出水管13-出水口 14-支撑板15-超 滤膜或者微滤膜16-阳离子交换膜17-膜组件C出水口 18-导流槽19-孔洞
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图1、2、3、4及实施例详细加以说明，以进一步理解本实用新型。
[0019] 本实用新型的一种膜组件C8(图3、图4)，是由阳离子交换膜16、超滤膜或者微滤 膜15和带有导流槽18和孔洞19的支撑板14组成；阳离子交换膜16和超滤膜或者微滤膜 15分别固定在支撑板14的两面。
[0020] 为了使实验效果达到更好，本实用新型所采用的阳离子交换膜16为来自日本 astom提供的型号为CMS的阳离子交换膜，超滤膜15为来自南京瑞洁特提供的孔径为 0. 1 μ m、膜通量为18. 75-20. 83L/m2. h的超滤膜。
[0021] 本实用新型所提供的一种水中氨氮富集装置（图1)包括敞口的氨氮分离器3,放 置在氨氮分离器3内的膜组件C8、搅拌器7和电极6,进水泵1，进水管2,电源4,导线5,压 力表9,出水蠕动泵10,时间继电器11，出水管12,出水口 13 ;膜组件C8的出水口与出水管 12、压力表9和出水蠕动泵10依次相连，并受时间继电器11的控制；搅拌器叶片位于膜组 件C8下部；电极6的两极经导线5分别和电源4相连，采用阳极正对阳离子交换膜16,阴 极正对超滤膜15 ;出水口 13位于氨氮分离器3上部；进水泵1接进水管2,进水管末端位于 氨氮分离器3内，且靠近氨氮分离器3底部。
[0022] 图2表示了水中氨氮富集装置运行状态，具体步骤为：
[0023] (1)原水引入：原水经进水泵1增压后，经过进水管2进入氨氮分离器3中。
[0024] (2)膜组件C连接、流量设定及搅拌：将膜组件C8浸没于氨氮分离器3中，其出水 口 17与出水管12、压力表9和出水蠕动泵10依次相连，并受时间继电器11的控制，打开出 水蠕动泵10,调整出水流量为1. 45-4. 15ml/min并不断调整转速维持出水流量不变，经出 水管12出水。同时，将搅拌器7放入氨氮分离器3中并运行，其搅拌叶片位于膜组件C8下 部。由于搅拌器7的搅拌，氨氮在反应器中的浓度基本上是均匀的。
[0025] (3)电源连接及电流设定：将电极6的两极经导线5分别与电源4相连，并将阳极 正对阳离子交换膜16,阴极正对超滤膜15,打开电源4,调整电流为0. 05-0. 25A，并保持不 变。膜组件C8中的超滤膜15可以允许水分子透过进入到超滤膜15和支撑板14之间，透 过的水分子通过支撑板14的孔洞19进入到支撑板14和阳离子交换膜16之间，使阳离子 交换膜16两侧均为水溶液，由于阳离子交换膜16具有（如NH 4+)选择透过性，在外加电流 作用下，单位时间内NH4+进入膜组件C8的数量增加，进入膜组件C8的离子，会迅速进入到 从超滤膜15透过的水中，形成高浓度的氨氮浓缩液，进而使氨氮得到富集；同时，由于两种 膜孔径很小，有机物很难进入膜组件C8中，进而实现了有机物分离。
[0026] (4)电极淹没形式以及电极形状的设定：将板状或网状电极6固定在膜组件C8两 侦牝并将电极以20% -80 %等不同淹没深度放置于反应器内，并保持不变；
[0027] (5)抽停时间比设定及膜组件C清洗：出水蠕动泵10,在时间继电器11的控制下， 出水为间歇性型出水即出水蠕动泵抽停时间比为10分钟：1_8分钟，操作过程中应使膜组 件处于正常压力下，即15kpa，当压力表指示数值超过15kpa时，需对膜组件C进行清洗。
[0028] (6)重新投入运行：将膜组件C8清洗后可重新投入运行。整个过程被富集的氨氮 从出水管12流出，分离有机物从出水口 13流出，进而实现了氨氮富集和有机物的分离。
[0029] 结果：
[0030] 1)小实验：
[0031] 例1当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：C0D = 468. 8mg/L，NH4+-N =57. 73mg/L ;操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为10分钟：5分钟，进水流量为9. 5ml/ min，膜组件C出水流量为4. 8ml/min，电极浸没水中深度为80%，电流为0. 2A时，经过氨氮 富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：C0D = 199. 4mg/L，NH4+-N = 78. 95mg/L，氨氮富 集率为36. 77%，COD的分离率为56. 25%。
[0032] 例2当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：C0D = 465mg/L，NH4+-N = 57mg/L ;操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为10分钟：5分钟，进水流量为9. 5ml/min，膜 组件C出水流量为4. 8ml/min，电极浸没水中深度为60%，电流为0. 2A时，经过氨氮富集装 置后，膜出水的主要指标可以达到：C0D = 200. 7mg/L，NH4+-N = 81. 14mg/L，氨氮富集率为 42. 35%，COD 的分离率为 56. 25%。
[0033] 例3当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：C0D = 476. 3mg/L，NH4+-N =60. 88mg/L ;操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为10分钟：5分钟，进水流量为9. 5ml/ min，膜组件C出水流量为4. 8ml/min，电极浸没水中深度为40%，电流为0. 2A时，经过氨氮 富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：C0D = 222. 7mg/L，NH4+-N = 89. 87mg/L，氨氮富 集率为47. 62 %，COD的分离率为53. 25 %。
[0034] 例4当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：COD = 467. 25mg/L，NH4+-N =56. 39mg/L ;操作条件为：出水蠕动泵抽停时间比为10分钟：5分钟，进水流量为9. 5ml/ min，膜组件C出水流量为4. 8ml/min，电极浸没水中深度为20%，电流为0. 2A时，经过氨氮 富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：C0D = 206. 2mg/L，NH4+-N = 98. 36mg/L，氨氮富 集率为74. 43 %，COD的分离率为55. 87 %。
[0035] 例5当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：C0D = 456mg/L，NH4+-N = 72. 52mg/L;操作条件为：采用铁网作为电极，（铁网参数：长45. 5cm宽22. 5cm厚度1mm) 出水蠕动泵抽停时间比为10分钟：5分钟，进水流量为9. 5ml/min，膜组件C出水流量为 4. 8ml/min，电极浸没水中深度为60%，电流为0. 2A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主 要指标可以达到：C0D = 120. 4mg/L，NH4+-N = 103. 58mg/L，氨氮富集率为 47. 62%，C0D 的 分尚率为53. 25%。
[0036] 例6当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：C0D = 402. 5mg/L，NH/-N = 64. 15mg/L ;操作条件为：采用铁板作为电极，（铁板参数：长45. 5cm宽22. 5cm厚度2mm) 出水蠕动泵抽停时间比为10分钟：5分钟，进水流量为9. 5ml/min，膜组件C出水流量为 4. 8ml/min，电极浸没水中深度为60%，电流为0. 2A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主 要指标可以达到：C0D = 117. 4mg/L，NH4+-N = 102. 73mg/L，氨氮富集率为 60. 13%，C0D 的 分离率为70. 84%。
[0037] 例7当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：C0D = 416. 5mg/L，NH/-N = 101. 39mg/L ;操作条件为：采用铁板作为电极，（铁板参数：长45. 5cm宽22. 5cm厚度1mm) 出水蠕动泵抽停时间比为10分钟：5分钟，进水流量为9. 5ml/min，膜组件C出水流量为 4. 8ml/min，电极浸没水中深度为60%，电流为0. 2A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主 要指标可以达到：C0D = 145. 25mg/L，NH4+-N = 101. 39mg/L，氨氮富集率为 42. 90%，C0D 的 分离率为65. 1%。
[0038] 2)连续运行试验结果：
[0039] 例1当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：C0D = 346. lmg/L，NH/-N = 37.2〇11^/1;操作条件为：出水蠕动泵抽停比为10:5，进水流量为9.51111/1^11，膜组件(：出水 流量为4. 8ml/min，电极浸没水中深度为40%，电流为0. 2A时，经过氨氮富集装置后，膜出 水的主要指标可以达到：C0D = 189. 6mg/L，NH/-N = 78. 45mg/L，氨氮富集率为110. 87%， COD的截留率为45. 22%。
[0040] 例2当原水为一般的生活污水时，其主要水质指标为：C0D = 344. 6mg/L，NH4+-N =32. 47mg/L ;操作条件为：出水蠕动泵抽停比为10:5,进水流量为9. 5ml/min，膜组件C 出水流量为4. 8ml/min，有机物出水流量为4. 7ml/min，电极浸没水中深度为40%，电流为 0. 2A时，经过氨氮富集装置后，膜出水的主要指标可以达到：C0D = 133. 9mg/L，NH4+-N = 73. 45mg/L，氨氮富集率为126. 20%，COD的截留率为61. 14%。
[0041] 例3当原水为一般的生活污水时，连续运行13天其主要水质指标均值为：COD = 350mg/L，NH4+-N = 50mg/L ;操作条件为：出水蠕动泵抽停比为10:5,电流为0. 2A，进水流量 为9. 5ml/min，膜组件C出水流量为4. 8ml/min，有机物出水流量为4. 7ml/min，电极浸没水 中深度分别为40%与常规电极全部淹没时。
【权利要求】
1. 一种基于浸没式膜及电极分离水中氨氮系统，其特征在于：该装置包括敞口的氨氮 分离器，放置在氨氮分离器内的膜组件C、电极和搅拌器，出水蠕动泵，压力表，进水泵，进水 管，出水管，出水口，电源，导线，时间继电器；膜组件C的出水口与出水管、压力表和出水蠕 动泵依次相连，并受时间继电器的控制；搅拌器叶片位于膜组件C下部；电极的两极经导线 分别和电源相连，两极放在膜组件C两侧；出水口位于氨氮分离器上部；进水泵接进水管， 进水管末端位于氨氮分离器内，且靠近氨氮分离器底部；膜组件C由阳离子交换膜、超滤膜 或者微滤膜和带有导流槽和孔洞的支撑板组成、阳离子交换膜、超滤膜或者微滤膜之一分 别设置在支撑板两侧；将电极固定在膜组件C两侧，并将电极以淹没深度为20%-80%放置于 反应器内，并保持不变。
【文档编号】C02F101/16GK203877946SQ201420172129
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】张岩, 陈敬, 张中, 孙凤侠, 甘志明, 史扬, 王修平, 谢杭冀 申请人:镇江清水环境科技有限公司