CN106047938A - 反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法和装置 - Google Patents

反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法及装置，该方法使用序批式反硝化发酵反应器生产氧化亚氮，包括以下步骤：通过进水泵向置有污泥的反硝化发酵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；使反硝化发酵反应器中的泥水混合液进行缺氧发酵反应以产生氧化亚氮；反应预定时间后，采用气体吹脱方法把产生的氧化亚氮吹脱出反硝化发酵反应器到气体收集***；反应结束后，停止气体吹脱，使污泥沉降，然后排出预定量的发酵液。本发明能够提高氧化亚氮制作的效率和速度。

Description

反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法和装置
技术领域
本发明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方法和装置。
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。
在反硝化过程中，O2的存在会抑制反硝化各步反应催化酶基因的表达和酶的活性，尤其是N2O还原酶受到的抑制程度最高，导致N2O释放。NO2-N存在也会导致反硝化过程中N2O释放增加。反硝化过程中较高的NO2 -会导致反硝化速率下降，高浓度的NO2 -加剧了反硝化各步还原酶对电子的竞争，而N2O还原酶在这种竞争中处于劣势，来不及还原的N2O部分逸出到空气中导致N2O释放量增加。当COD浓度受限制时，反硝化过程的N2O释放量会增加。当碳源受到限制时，聚-β-羟基烷酸酯(PHA)作为内部碳源被利用，N2O开始积累。由于微生物利用PHA的速率较慢，引起反硝化酶之间竞争电子供体，N2O还原酶在竞争中处于弱势，导致N2O释放。现今在污水处理领域反硝化积累N2O的方法主要采用污泥内碳源(PHA)作为反硝化碳源，通过亚硝酸盐抑制N2O还原酶活性，实现反硝化过程中N2O的积累；通过后续曝气作用将混合液中N2O吹脱到气体中，实现N2O的收集利用。此外，国外主要是采用分别投加碳源和亚硝酸盐，首先在厌氧条件下投加碳源实现碳源积累为内碳源，然后投加亚硝酸盐实现N2O的生产；反应速率较慢，一般采用20小时以上。
发明内容
本发明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方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法，使用序批式反硝化发酵反应器制作氧化亚氮，包括以下步骤：
通过进水泵向置有污泥的反硝化发酵反应器中泵入含有和硝态氮以及微生物生长所需营养元素的污水，其中所述碳源为蛋白质和/或者糖类；
使反硝化发酵反应器中的泥水混合液进行缺氧发酵反应以产生氧化亚氮；
反应预定时间后，采用气体吹脱方法把产生的氧化亚氮吹脱出反硝化发酵反应器到气体收集***；
反应结束后，停止气体吹脱，使污泥沉降，然后排出预定量的发酵液，其中，若缺氧发酵反应结束后仍剩余碳源，则先通过好氧过程将其消耗完；
至少进行一遍上述过程作为一个SBR运行周期；可通过进水泵向反硝化发酵反应器中泵入新的污水，重复上述过程，以持续生产氧化亚氮；优选的运行温度为26℃。
进一步地：
进行缺氧发酵反应时，使用搅拌器对泥水混合液进行搅拌。
所述蛋白质包括蛋白胨。
所述糖类包括淀粉或葡萄糖。
进行缺氧发酵反应时，以硝酸盐和/或者亚硝酸盐作为电子受体。
所述SBR运行周期包括：一定时间的缺氧反应，其包括进水时间；一定时间的静置沉降过程和出水闲置过程。
一种反硝化生产能源物质氧化亚氮的装置，用于实施所述的反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法，包括序批式反硝化发酵反应器、进水泵、吹脱泵、气体收集***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***设置在所述序批式反硝化发酵反应器中，
进一步地：
进水泵和所述排水泵为蠕动泵。
还包括设置在所述序批式反硝化发酵反应器中的搅拌器。
所述吹脱泵包括微孔曝气部件。
本发明的有益效果：
本发明针对现有技术主要采用内碳源产生N2O的局限性，提出采用蛋白质或者糖类碳源驯化特殊反硝化菌，采用硝酸盐或者亚硝酸盐作为电子受体，高效生产N2O，主要优点包括：(1)所采用的碳源为蛋白质或者糖类，所以反硝化效率和速率较高，远高于以往采用内碳源的反硝化效率和速率；同时，碳源不用首先转化为内碳源，所以生产过程更简单；(2)电子受体可以为硝酸盐也可以为亚硝酸盐，有别于以往仅仅采用亚硝酸盐作为电子受体。因此，本发明在反硝化原理(电子受体碳源和电子受体硝态氮)和工艺运行方面均有别于其他反硝化生产N2O的技术，具有显著的进步意义。生产N2O所采用原料包括蛋白质或糖类，硝态氮，可以通过污水处理工艺中存在的碳源或者硝化产生的硝态氮作为原料，实现废物资源化；也可以采用其他类似原料进行发酵生产。
附图说明
图1为本发明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和溶解态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和溶解态N2O浓度以及气态N2O浓度。
具体实施方式
以下对本发明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，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1，在一种实施例中，一种反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法，使用序批式反硝化发酵反应器制作氧化亚氮，该方法包括以下步骤：
通过进水泵向置有污泥的反硝化发酵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，其中所述碳源为蛋白质和/或者糖类；
使反硝化发酵反应器中的泥水混合液进行缺氧发酵以产生氧化亚氮；
反应预定时间后，采用气体吹脱方法把产生的氧化亚氮吹脱出反硝化发酵反应器到气体收集***；
反应结束后，停止气体吹脱，使污泥沉降，然后排出预定量的发酵液，其中若缺氧发酵反应结束后仍剩余碳源，则先通过好氧过程将其消耗完，如果碳源或营养液消耗完可以不加好氧反应；
至少进行一遍上述过程作为一个SBR运行周期；可通过进水泵向反硝化发酵反应器中泵入新的污水，重复上述过程，以持续生产氧化亚氮。
如图1所示为本发明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、搅拌器3、排水泵4、吹脱泵5以及气体收集***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***6设置在所述序批式反硝化发酵反应器2中。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。
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反应以生产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***。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
(1)微生物驯化过程
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。
(2)生产N2O过程
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
(1)微生物驯化过程
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。
(2)生产N2O过程
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发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法，使用序批式反硝化发酵反应器生产氧化亚氮，其特征在于,包括以下步骤：
通过进水泵向置有污泥的反硝化发酵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，其中所述碳源为蛋白质和/或者糖类；
使反硝化发酵反应器中的泥水混合液进行缺氧发酵反应以产生氧化亚氮；
反应预定时间后，采用气体吹脱方法把产生的氧化亚氮吹脱出反硝化发酵反应器到气体收集***；
反应结束后，停止气体吹脱，使污泥沉降，然后排出预定量的发酵液，其中若缺氧发酵反应结束后仍剩余碳源，则先通过好氧过程将其消耗完再使污泥沉降；
至少进行一遍上述过程作为一个SBR运行周期；可通过进水泵向反硝化发酵反应器中泵入新的污水，重复上述过程，以持续生产氧化亚氮。
2.如权利要求1所述的反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法，其特征在于,进行缺氧发酵反应时，使用搅拌器对泥水混合液进行搅拌。
3.如权利要求1所述的反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法，其特征在于,所述蛋白质包括蛋白胨。
4.如权利要求1所述的反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法，其特征在于,所述糖类包括淀粉或葡萄糖。
5.如权利要求1所述的反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法，其特征在于,进行缺氧发酵反应时，以硝酸盐和/或者亚硝酸盐作为电子受体。
6.如权利要求1至5任一项所述的反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法，其特征在于,所述SBR运行周期包括：一定时间的缺氧反应，其包括进水时间；一定时间的静置沉降过程；和一定时间的出水闲置过程；优选的运行温度为26℃。
7.一种反硝化生产能源物质氧化亚氮的装置，用于实施如权利要求1至6任一项所述的反硝化生产能源物质氧化亚氮的方法，其特征在于,包括序批式反硝化发酵反应器、进水泵、吹脱泵、气体收集***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***设置在所述序批式反硝化发酵反应器中。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于,进水泵和所述排水泵为蠕动泵。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于,还包括设置在所述序批式反硝化发酵反应器中的搅拌器。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于,所述吹脱泵包括微孔曝气部件。
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