反硝化生产能源物质氧化亚氮的装置的制作方法

本实用新型涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种反硝化生产能源物质氧化亚氮的装置。

背景技术：

氮元素是构成地球生物体中存在第四大元素，其在地球生物化学环境中的循环是重要的地球代谢过程。在氮循环过程中，反硝化是重要的组成部分。

反硝化菌在缺氧环境中将NO₃^-依次还原为NO₂^-、一氧化氮(NO)、N₂O，最终完全还原为氮气(N₂)，随着反硝化反应的进行pH值逐渐升高，有机碳源为反应提供电子。在反硝化过程中，N₂O是必然的中间产物，当N₂O还原酶受到抑制时会产生N₂O释放。部分反硝化菌自身缺乏N₂O还原酶，反硝化只能进行到还原为N₂O这一步，从而造成更多的N₂O释放。N₂O作为全球三大温室气体之一，其温室效应约是二氧化碳(CO₂)的300倍。平流层中的N₂O与氧原子反应生成NO进而破坏臭氧层，再加上其生命周期很长，所以即使是少量的N₂O也会带来很严重的危害。微生物脱氮过程释放的N₂O占大气中N₂O的90％以上，由于污水生物处理工艺在世界范围内的广泛应用，污水处理厂被认为是产生N₂O释放的主要来源之一。研究污水生物处理过程中N₂O的释放规律和释放途径，对于解析和调控N₂O释放有重要的现实意义。此外，氧化亚氮可以作为助燃剂或者火箭氧化剂等。当混合甲烷和氧化亚氮共燃时，可以提高能量产率。因此，通过反硝化过程生产氧化亚氮是一种有效的途径。现有的反硝化生产氧化亚氮的装置，生产速率较慢，效率较低。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种反硝化生产能源物质氧化亚氮的装置。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种反硝化生产能源物质氧化亚氮的装置，包括序批式反硝化发酵反应器、进水泵、吹脱泵、气体收集系统和排水泵，所述进水泵连接所述序批式反硝化发酵反应器的进水口，所述排水泵连接所述序批式反硝化发酵反应器的出水口，所述吹脱泵和所述气体收集系统设置在所述序批式反硝化发酵反应器中，所述序批式反硝化发酵反应器用于使通过所述进水泵送入的污水反应以产生氧化亚氮，所述吹脱泵用于将产生的氧化亚氮吹脱出反硝化发酵反应器，所述气体收集系统用于收集所述吹脱泵吹脱的氧化亚氮。

进一步地：

所述进水泵和所述排水泵为蠕动泵。

所述进水泵和所述排水泵为由定时器控制启闭的蠕动泵。

还包括设置在所述序批式反硝化发酵反应器中的搅拌器。

所述搅拌器为可移动搅拌器。

所述搅拌器为磁力搅拌器。

所述吹脱泵包括微孔曝气部件。

所述序批式反硝化发酵反应器为圆柱形有机玻璃反应器。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的反硝化生产能源物质氧化亚氮的装置能够高效生产N₂O，生产效率和速率远高于以往装置的反硝化效率和速率，生产过程也更简单。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例的反硝化生产氧化亚氮的装置结构示意图；

图2a和2b为实验例1中测定的水样中NO₂-N和溶解性N₂O浓度以及气态N₂O浓度；

图3a和3b为实验例2中测定的NO₃-N、NO₂-N和溶解性N₂O浓度以及气态N₂O浓度。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

如图1所示为一种实施例高效反硝化产能源物质氧化亚氮装置，该装置主要包括进水泵1、序批式反硝化发酵反应器2、排水泵4、吹脱泵5以及气体收集系统6，所述进水泵1连接所述序批式反硝化发酵反应器2的进水口，所述排水泵4连接所述序批式反硝化发酵反应器2的出水口，所述吹脱泵5和所述气体收集系统6设置在所述序批式反硝化发酵反应器2中，所述序批式反硝化发酵反应器2用于使通过所述进水泵1送入的污水进行反应以产生氧化亚氮，所述吹脱泵5用于将产生的氧化亚氮吹脱出反硝化发酵反应器2，所述气体收集系统6用于收集所述吹脱泵5吹脱的氧化亚氮。反应器采用序批式生产模式，驯化特定的微生物种群，以持续生产N₂O。

在优选实施例中，所述进水泵1和所述排水泵4为蠕动泵。更优选地，所述进水泵1和所述排水泵4为由定时器控制启闭的蠕动泵。

在优选实施例中，该装置还包括设置在所述序批式反硝化发酵反应器2中的搅拌器3。更优选地，所述搅拌器3为可移动式搅拌器。搅拌器3优选可以采用磁力搅拌器。

在优选实施例中，吹脱泵5包括微孔曝气部件(未图示)，从而构成一个微孔曝气器。

在优选实施例中，所述序批式反硝化发酵反应器2为圆柱形有机玻璃反应器。

生产过程中，可以以污水处理厂活性污泥作为菌种来源，采用序批式生产方式。首先，采用进水泵向置有污泥的反应器中泵入含有碳源和硝态氮以及微生物生长所需营养元素的污水，然后搅拌泥水混合物进行缺氧发酵以生产N₂O。在缺氧搅拌的过程中可以通过定时器启闭由排水泵进行排泥。反应一定时间后，采用气体吹脱方法把生产的N₂O吹脱出反应器到气体收集系统。根据实际情况，若有碳源剩余则进行好氧过程。由于好氧曝气也可以使污泥完全混合，故可不需搅拌。好氧过程可以防止缺氧结束后仍剩余碳源，通过好氧过程将其消耗完，避免在沉淀过程中继续进行反硝化产气使污泥发生膨胀而随出水流失。反应结束后，停止搅拌和吹脱，使污泥沉降，然后排出一定量的含有较低营养盐浓度的发酵液。接下来，采用进水泵泵入新的污水，开始新的生产过程。

实验例1

采用2个高为30cm，直径为10cm，有效容积为2000mL的圆柱形有机玻璃SBR反应器(序批式反应器)进行驯化反硝化菌。两个SBR反应器运行周期均为4h，运行温度为26℃。每天排泥200mL，控制污泥龄(SRT)为10天。SBR运行周期包括160min缺氧搅拌(包括10min进水)，20min好氧，45min静置沉淀和15min出水/闲置。每个周期进水为1L，出水为1L，水力停留时间(HRT)为8h。水力停留时间是污水在反应器内的平均停留时间。在此过程中反应器为2L，每个周期进出水1L，因此污水在反应器内的停留时间相当于两个周期，即8h。好氧反应阶段通过微孔曝气器曝气，反应器进水和排水通过定时器控制蠕动泵启闭实现。两个反应器进水碳源不同，分别为蛋白胨和淀粉。进水碳源的浓度分别为蛋白胨1090mg/L和淀粉1090mg/L，进水NaNO₂浓度为980mg/L(NO₂-N为200mg/L)，故进水COD/N为4。其他进水组分相同，其中Na₂HPO₄为50mg/L，CaCl₂为70mg/L，MgSO₄为400mg/L，NaHCO₃为1000mg/L，NH₄Cl为100mg/L，酵母浸膏为10mg/L，微量元素为0.4mL/L。

通过提供碳源和氮在缺氧过程中富集反硝化细菌进行驯化，待驯化结束达到稳定后可进行稳定产气。待驯化稳定后，分别从以蛋白胨和淀粉为碳源的反应器在好氧结束前取活性污泥300mL，离心弃上清液，活性污泥用清水重新悬浮，再次离心弃上清液，此过程重复两次。然后，对于最后离心得到的污泥用初始NO₂-N浓度为800mg/L的营养液重新悬浮到500mL丝口瓶中，分别加入充足的相应碳源，用磁力搅拌器进行搅拌，开始试验。试验反应时间为1h，试验过程中每隔10min取水样与气样，同时在线溶解性N₂O，试验结束后测定水样中NO₂-N浓度和气态N₂O浓度。所得结果如图2a和图2b所示。

经计算得，以蛋白胨和淀粉分别为碳源以NO₂-N为电子受体进行反硝化时，N₂O的产率分别为23.1％和36.3％。

以上实验中，由于气态N₂O与溶解性N₂O在实际反应器中不易测定，故将反应器中驯化好的活性污泥取出进行和反应器中相同的实验。由于从反应器中取出的活性污泥是污泥和污水的混合液，对活性污泥离心弃上清液重新悬浮的过程是为了将污水中的营养物质洗脱，利于计算。同时用取出活性污泥的方式也可研究碳源和氮源在何浓度条件下N₂O产率更大。活性污泥里富集了硝化细菌，可以重复使用。

实验例2

采用1个高为30cm，直径为10cm，有效容积为2000mL的圆柱形有机玻璃SBR反应器进行驯化反硝化菌。该SBR反应器运行周期为4h，每个周期包括：160min缺氧搅拌(包括10min进水)，20min好氧，45min静置沉降和15min出水/闲置。每个周期进水为1L，出水为1L，水力停留时间(HRT)为8h。每天在特定周期的好氧末端排泥200mL，控制污泥龄(SRT)为10天。好氧反应阶段使用微孔曝气器进行曝气，反应器进水和排水通过定时器控制蠕动泵启闭实现，反应器在26℃条件下长期驯化。反应器的进水碳源为葡萄糖，其进水COD浓度为800mg/L；进水NaNO₃为1214mg/L，对应进水NO₃-N浓度为200mg/L。故长期驯化条件下反应器进水COD/N为4。其他进水组分为：NaHCO₃为200mg/L，NH₄Cl为250mg/L，Na₂HPO₄为25mg/L，CaCl₂为45mg/L，MgSO₄为100mg/L，酵母浸膏为15mg/L，微量元素为0.2mL/L。

待驯化稳定后，在反应器好氧结束前取活性污泥500mL，离心弃上清液，活性污泥用清水重新悬浮，再次离心弃上清液，此过程重复两次。然后，对于最后离心得到的污泥用初始NO₃-N浓度为200mg/L的营养液重新悬浮到500mL丝口瓶中，分别加入初始浓度为400mg/L和800mg/L的碳源，从而在初始C/N比分别为2和4的条件下进行试验。试验过程中用磁力搅拌器进行搅拌。试验反应时间为1h，试验过程中每隔10min取水样与气样，同时在线溶解性N₂O，试验结束后测定水样中NO₃-N和NO₂-N浓度以及气态N₂O浓度。所得结果如图3a和图3b所示。

经过计算得，在以葡萄糖为碳源，NO₃-N为电子受体进行反硝化试验时，C/N比为2的条件下N₂O的转化率为66.68％，C/N比为4的条件下N2O的转化率为65.89％。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。