专利名称：一种利用有机废水进行固氮的方法
技术领域：
本发明属于废水回收利用技术领域，涉及一种利用有机废水进行固氮的方法。
背景技术：
氮是多数动植物及微生物生长不可或缺的基本元素，且多数情况下生物体更易于利用有机态氮作为自身新陈代谢的氮源形式。虽然空气中约78%的成分为氮气，除少数具有自身固氮作用的微生物和植物体外，多数生物体都无法直接利用氮气。目前对空气氮源的利用还主要以化学方法进行固定转化(合成氨工艺)，将空气中的氮气转化为氨的形式再进一步利用。光合细菌是一类具有特殊生长代谢体系的古细菌，其能在不同环境条件下进行生长代谢活动，其中在厌氧光照和营养条件缺氮下的情况其可将单质氮转化自身生长代谢所需氮源，这种代谢形式是地球大气圈演变的重要组成部分。固氮作用是光合细菌固氮酶的一种自身代谢途径，该固氮过程必须在光照条件下进行，由于光合细菌的固氮酶对氧敏感， 氧的存在将导致固氮酶的失活从而失去固氮活性，因此要想利用光合细菌对空气中的氮进行固定转化，必须消除空气中氧的抑制作用。有机废水中含有大量的富碳有机质，其在代谢分解过程中将消耗大量的氧气从而引起缺氧导致水中动物死亡，是水体污染的重要原因。有机废水中含有的富碳物质是一种很好的碳源物质，可为多种微生物生长代谢提供能量来源。利用光合细菌的生长代谢特性在特定环境条件下以有机废水为碳源将空气中氮进行转化固定不仅可以使有机废水得到净化处理，光合细菌转化固定下来的氮源还是多种生物利用的氮源形式。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用有机废水进行固氮的方法，可以获得有机氮产品。本发明采用以下技术方案
一种利用有机废水进行固氮的方法，包括以下步骤
(1)有机废水灭菌后加入反应器中；(2)向反应器中接入光合细菌，光合细菌接种量为有机废水体积的5-10% ； (3)反应器的下部通入氮气使反应器内的气压达0. IMpa ； (4)对有机废水进行光照培养不少于96h，控制光照度为2000-3000 Lx，培养温度为25_30°C;(5)培养结束后反应器内的液体经离心分离、脱水干燥得到固态有机氮产物。所述氮气的制备步骤为将COD为4000-6000mg/L的有机废水送入脱氧反应器内； 向脱氧反应器内加入有机废水质量1/15-1/20的好氧活性污泥；由脱氧反应器底部通入空气，空气在脱氧反应器内自下至上流动过程中氧气参与反应被消耗，排出脱氧反应器的气体去除二氧化碳后得氮气。所述脱氧反应器包括壳体，壳体底部设有曝气器，曝气器的进口与空气进气管连接，曝气器上方的壳体内壁竖向间隔交错设有向下倾斜和向上倾斜的折流板，折流板的远端与相对壳体内壁之间留有空隙；壳体顶部设有喷淋器，喷淋器的进口通过循环管与壳体底部连接，循环管的进口处设有循环泵，壳体顶部设有出气管，壳体上部设有进水管，壳体底部为倾斜状，壳体底面设有排污口 ；壳体上设有溢流管；进水管设于由上至下第二块折流板与第三块折流板之间。本发明利用光合细菌将有机废水中的营养物质在厌氧光照条件下利用自身固氮酶的固氮作用将空气中的氮转化为菌体蛋白和菌体色素，从而将空气中的单质氮以有机态形式转化固定，提供合适氮源形式。本发明的过程中有机废水进入反应器之前要进行灭菌处理，防止杂菌污染，同时减少空气氧对光合细菌的抑制作用。本发明不能直接利用空气作为有机废水代谢反应的氮源，这是因为空气中氧对固氮酶有抑制作用，因此所采用的氮气必须是脱氧之后的空气，如果当微量氧存在时应增加培养时间，以便光合细菌首先进行好氧呼吸作用消耗存在的微量氧而后转入固氮代谢。本发明的固氮工艺简单，其主要成本在于光照培养的光照对电能消耗，如采用太阳光做自然光源，适当延长培养时间弥补太阳光周期性变化影响则可大大降低生产成本。 采用本发明的方法固氮后使得氮主要以菌体蛋白和光合色素形式存在培养液中，其离心分离后菌体蛋白和菌体色素可作为动物饲料蛋白、鱼类饲料，也可灭活后作为生物发酵的补充氮源，如用作秸秆厌氧发酵的补充氮源。本发明利用有机废水获取氮气，其原理是空气作为有机废水有机质降解的氧源，有机质降解代谢过程对氧进行消耗从而消除空气中的氧气，最后经过脱除二氧化碳和水，从而获得氮气浓度为95%左右的氮气产品。本发明中利用有机废水获得氮气时，有机废水COD需要进行控制，这是因为当有机废水COD过低时则不能完全消除空气中含有的氧气，而当有机废水COD过高时则有大量的C02、C0等新杂质气体生成，不仅增加吸收碱液的消耗量也影响获得氮气的纯度。控制COD 使得有机废水的降解代谢停留在好氧和微好氧层次，避免有机质在厌氧状态下更多杂气的生成。利用有机废水获得氮气的方法简单、能耗低，在获取氮气的同时对有机废水还有一定的净化作用，利用本发明方法获取的气体中氮气浓度(体积百分比)可达到95%左右，产气中还含有少量浓度的氧气和一氧化碳气体，可作为获取高纯氮气的前驱气体。利用有机废水获得氮气所用的脱氧反应器结构设计简单，布局合理，设置折流板， 能够使空气在反应器内实现充分自下至上的折流，保证空气中的氧气最大程度地被有机质降解代谢消耗掉。
图1为本发明中所用脱氧反应器的结构示意图； 图2为脱氧反应器使用时系统的结构示意图。
具体实施例方式试验采用饴糖厂生产废水作样品，一部分经紫外灭菌后用作光合细菌营养底物， 一部分用于空气脱氧介质使用。脱氧反应器，如图1所示，包括壳体1，壳体1底部设有曝气器2，曝气器2的进口与空气进气管3连接，曝气器2上方的壳体1内壁竖向间隔交错设有向下倾斜和向上倾斜的折流板4，折流板4的远端与相对壳体1内壁之间留有空隙；壳体1顶部设有喷淋器5，喷淋器5的进口通过循环管6与壳体1底部连接，循环管6的进口处设有循环泵7，运行过程中，循环泵7将底部的有机废水循环至喷淋器5，使得壳体1内的有机废水不断循环，多余的废水通过溢流管11排出；壳体1顶部设有出气管8，壳体1上部由上至下第二块折流板4 与第三块折流板4之间设有进水管9，经进水管9不断补充有机废水，壳体1上设有溢流管 11，壳体1底部为倾斜状，壳体1底面设有排污口 10。脱氧反应器使用时，如图2所示，脱氧反应器的空气进气管3与储气罐20连接，储气罐20与空气压缩机23连接，脱氧反应器的出气管8与碱性吸收箱21连接，碱性吸收箱 21的气体出口与脱水箱22连接。用于空气脱氧介质部分的有机废水经调整后(COD为5550mg/L)，经进水管9进入脱氧反应器的壳体1内；使水位达到壳体1内深度的2/3左右，向脱氧反应器内加入有机废水质量1/20的好氧活性污泥；利用空气压缩机23将空气压入储气罐20，空气经进气管 3、曝气器2分散于脱氧反应器的底部，并在折流板4相对较高的一端汇集，随着通气量的增加，汇集的空气向折流板4较低的一端扩散进而不断向上扩散，空气在折流板4的作用下逐级向脱氧反应器的顶部运动，空气在折流的过程中，所含的O2参与有机质的降解反应而达到消除的作用，最终气体由壳体1顶部的出气管8排出。出气管8排出的空气中大部分为氮气，还含有空气中本身含有的和有机质降解产生的二氧化碳，继续通入碱性吸收箱21被碱液吸收去除二氧化碳，最后经脱水箱22脱水后得到氮气。测得氮气中的成分为A2: 97.2%、 O2: 0. 8%、CO2:0%, CO:0. 4%，测得溢流管11流出的有机废水中的COD为4100mg/L。运行过程中，循环泵7将底部的有机废水经循环管6循环至喷淋器5，使得壳体1内的有机废水不断循环，由进水管9不断补充有机废水，多余的废水通过溢流管11排出；运行一段时间后， 关闭空气、循环泵7，打开排污口 10进行排污，去除反应器内的污泥颗粒，清理后开始下一工序的运行。经紫外灭菌后用作光合细菌营养底物的有机废水加入固氮反应器中；(2)向固氮反应器中接入接种量为有机废水体积5%的光合细菌，光合细菌是球形红假单胞菌和深红红螺菌的混合菌；(3)反应器的下部通入脱氧反应器脱水箱22排出的氮气使固氮反应器内的气压达0. IMpa ； (4)采用白炽灯对有机废水进行光照培养不少于96h，调整白炽灯与反应器距离控制光照度为2000 Lx，培养温度为25°C; (5)培养结束后反应器内的液体经离心分离、脱水干燥得到固态有机氮产物。试验前测试光合细菌接种液中含氮量为325mg/L，废水含氮量为97mg/L，连续培养4天后测定有机废水中含氮量为780 mg/L，由此推算连续培养后光合细菌共计固定氮为 5. 851g，即单位有效容积定氮量680. 35 mg/L。
权利要求
1.一种利用有机废水进行固氮的方法，包括以下步骤(1)有机废水灭菌后加入反应器中；(2)向反应器中接入光合细菌，光合细菌接种量为有机废水体积的5-10% ； (3)反应器的下部通入氮气使反应器内的气压达0. IMpa ； (4)对有机废水进行光照培养不少于96h，控制光照度为2000-3000 Lx，培养温度为25_30°C;(5)培养结束后反应器内的液体经离心分离、脱水干燥得到固态有机氮产物。
2.如权利要求1所述的利用有机废水进行固氮的方法，其特征在于，所述氮气的制备步骤为将COD为4000-6000mg/L的有机废水送入脱氧反应器内；向脱氧反应器内加入有机废水质量1/15-1/20的好氧活性污泥；由脱氧反应器底部通入空气，空气在脱氧反应器内自下至上流动过程中氧气参与反应被消耗，排出脱氧反应器的气体去除二氧化碳后得氮气。
3.如权利要求2所述的利用有机废水进行固氮的方法，其特征在于，所述脱氧反应器包括壳体，壳体底部设有曝气器，曝气器的进口与空气进气管连接，曝气器上方的壳体内壁竖向间隔交错设有向下倾斜和向上倾斜的折流板，折流板的远端与相对壳体内壁之间留有空隙；壳体顶部设有喷淋器，喷淋器的进口通过循环管与壳体底部连接，循环管的进口处设有循环泵，壳体顶部设有出气管，壳体上部设有进水管，壳体底部为倾斜状，壳体底面设有排污口 ；壳体上设有溢流管；进水管设于由上至下第二块折流板与第三块折流板之间。
全文摘要
本发明属于废水回收利用技术领域，涉及一种利用有机废水进行固氮的方法，该方法包括以下步骤(1)有机废水灭菌后加入反应器中；(2)向反应器中接入光合细菌；(3)反应器的下部通入氮气使反应器内的气压达0.1MPa；(4)对有机废水进行光照培养不少于96h；(5)培养结束后反应器内的液体经离心分离、脱水干燥得到固态有机氮产物。本发明利用光合细菌将有机废水中的营养物质在厌氧光照条件下利用自身固氮酶的固氮作用将空气中的氮转化为菌体蛋白和菌体色素，从而将空气中的单质氮以有机态形式转化固定，提供合适氮源形式。
文档编号C02F3/28GK102351309SQ20111016393
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者姬少龙, 岳建芝, 李刚, 郭前辉 申请人:河南农业大学