專(zhuān)利名稱(chēng)：用于總氮去除的方法和系統(tǒng)的制作方法
本申請(qǐng)要求提交于2004年5月14日的美國(guó)申請(qǐng)60/571,344的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容作為整體在本文中引用作為參考。
背景技術(shù)：
向水體中輸入過(guò)量的氮正成為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，含氮物質(zhì)(N)如銨或硝酸鹽的濃度增加促進(jìn)了富營(yíng)養(yǎng)化，從而導(dǎo)致缺氧、臭味、著色、以及其它不利的水質(zhì)變化。銨還對(duì)魚(yú)類(lèi)直接有毒，并顯示出巨大的氧需求。此外，飲用水中硝酸鹽的含量增加會(huì)導(dǎo)致嬰兒出現(xiàn)高鐵血紅蛋白血癥(Maxcy，1950；Masters，1998)。結(jié)果，USEPA設(shè)定了飲用水中對(duì)于硝酸鹽的最高污染物含量(MCL)，為10mg NO3-N/l(Masters，1998)。具有諷刺意味的是，水環(huán)境中氮的問(wèn)題要求氮濃度遠(yuǎn)低于MCL。將來(lái)，當(dāng)廢水對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化或缺乏敏感時(shí)，對(duì)于總氮的廢水排放標(biāo)準(zhǔn)可低至1-3mgN/L。
銨是各種類(lèi)型的廢水中最普遍的氮污染形式。它在制造肥料和化學(xué)品的過(guò)程中產(chǎn)生。結(jié)果，大量的銨存在于農(nóng)田徑流中并從肥料工業(yè)中排放。銨污染還歸因于過(guò)度施肥和密集的放牧。另一個(gè)主要的銨氮源是生活污水，因?yàn)榇嬖谟谌思S尿中的有機(jī)材料中的氮是銨或可水解為銨的有機(jī)氮。
附圖簡(jiǎn)述

圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的一種或多種本發(fā)明的方法。
圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的具有氣體(H2或O2)擴(kuò)散通過(guò)膜式水冷壁，并被外部的生物膜利用的中空纖維。
圖2A-B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的需氧的和缺氧的MBfR部件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖3在最初100小時(shí)處理過(guò)程中的氮物質(zhì)的濃度。
圖4當(dāng)H2壓力為2.5psi(磅/平方英寸)時(shí)，O2壓力對(duì)氮物質(zhì)濃度的影響。第一個(gè)100小時(shí)表示基線操作(baseline operation)。
圖5當(dāng)O2壓力維持恒定在3.6psi時(shí)，H2壓力對(duì)氮物質(zhì)濃度的影響。
圖6AO2壓力對(duì)硝酸鹽(NO3-)濃度的影響。
圖6BO2壓力對(duì)硝酸鹽(NO2-)濃度的影響。
圖7A當(dāng)O2＜2.0psi時(shí)，O2氣體對(duì)NH4+濃度的影響(注圖7A中的趨勢(shì)線是指數(shù)形式的)。
圖7B當(dāng)O2＞2.0psi時(shí)，O2氣體對(duì)NH4+濃度的影響(注圖7B中的趨勢(shì)線是線性的)。
圖8在恒定壓力(2.5psi)和流入物NH4+濃度為50mgN/L的條件下的總氮去除％。
圖9在恒定O2壓力(約3.6psi)和流入物NH4+濃度為50mgN/L的條件下的總氮去除％。
發(fā)明概述鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種或多種用于從廢物流中去除含氮污染物(包括，但不限于氨和銨化合物)的方法、設(shè)備和/或系統(tǒng)，由此解決現(xiàn)有技術(shù)中的各種擔(dān)憂和問(wèn)題，包括上述列出的那些。本發(fā)明技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面能滿足特定的目的，而一個(gè)或多個(gè)其他方面能滿足其他特定的目的。各個(gè)目的可以不在其各個(gè)方面與本發(fā)明的每個(gè)方面相同。同樣地，以下目的可視為對(duì)本發(fā)明的任一方面的替換。
本發(fā)明的目的是提供一種或多種用于去除還原性含氮污染物(包括，但不限于銨化合物以及相關(guān)的有機(jī)胺和季胺污染物)，以達(dá)到滿足州和/或聯(lián)邦規(guī)定要求的含量的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供對(duì)單獨(dú)的還原性含氮污染物，或者還原性含氮污染物與一種或多種流入的氧化性氮污染物的組合進(jìn)行氧化，以從水性系統(tǒng)中去除總氮。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種或多種用于本發(fā)明方法的設(shè)備和/或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以對(duì)含氮污染物進(jìn)行同時(shí)或協(xié)同氧化及還原，以從水性廢物流中去除氮。
本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將在概述和對(duì)各個(gè)實(shí)施方式的描述中變得明顯，且對(duì)具有各種氧化/還原反應(yīng)和廢物處理系統(tǒng)的知識(shí)的本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。這些目的、特征、好處和優(yōu)點(diǎn)將從上述內(nèi)容與實(shí)施例、數(shù)據(jù)、附圖、以及所引用的所有合理的參考文獻(xiàn)的結(jié)合中變得明顯。
本發(fā)明包括一種或多種將含氮廢物組分硝化和脫硝，以從水性廢物流中去除總氮的方法，以及設(shè)備和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，硝化在本文中可考慮為并通過(guò)硝化細(xì)菌將銨物質(zhì)(例如NH4+)氧化為硝酸鹽(例如NO3-)來(lái)示出，如可用以下非限制性的反應(yīng)表示NH4++2O2→NO3-+2H++H2O銨氧化為硝酸鹽會(huì)產(chǎn)生2酸性當(dāng)量(H+)/摩爾氧化的氮，以及可利用的分子氧(O2)(2mol O2/mol NH4+)，如所示。相反地，脫硝可考慮為還原，其中，硝酸鹽被還原為氮?dú)?N2)，根據(jù)非限制性的半反應(yīng)(half reaction)NO3-+6H++5e-→0.5N2(g)+3H2ON2氣散發(fā)，由此從水中清除氮。H2通過(guò)微生物進(jìn)行氧化，提供電子(e-)以驅(qū)動(dòng)硝酸鹽還原，用于其的半氧化反應(yīng)為H2→2e-+2H+結(jié)合兩個(gè)半反應(yīng)，脫硝可表示為NO3-+2.5H2(g)→0.5N2(g)+2H2O+OH-總的來(lái)說(shuō)，脫硝在1堿性當(dāng)量(OH-)/摩爾還原的氮?dú)獾臈l件下將硝酸鹽還原為氮?dú)狻?br> 因此，本發(fā)明提供了一種從水性廢物系統(tǒng)中去除氮組分的方法。該方法包括(1)提供包含至少一種硝化細(xì)菌、以及至少一種脫硝細(xì)菌的系統(tǒng)；(2)在系統(tǒng)中引入包含還原性含氮組分的水性廢物流或供水；以及(3)使所述系統(tǒng)獨(dú)立地與氧氣和氫氣接觸。需養(yǎng)條件促進(jìn)了硝化細(xì)菌的聚集，如本領(lǐng)域中已知的，而缺養(yǎng)條件則促進(jìn)了脫硝細(xì)菌的聚集，也如本領(lǐng)域中已知的?；蛘?，可向該系統(tǒng)中注入硝化和/或脫硝細(xì)菌。在引入還原性含氮廢物組分(例如，但不限于銨化合物)時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行氧化和還原以從水性系統(tǒng)中去除還原的和氧化的氮物質(zhì)。
或者，本發(fā)明還可提供使用脫硝細(xì)菌從廢物流或供水中去除還原的含氮污染物的方法。該方法包括(1)提供包含第一組分和第二組分的系統(tǒng)，所述第一組分包含至少一種硝化細(xì)菌以及包含還原性含氮污染物的水體(aqueousvolume)，所述第二組分包含至少一種脫硝細(xì)菌；(2)使所述第一組分與氣態(tài)氧接觸，以氧化含氮污染物；(3)將所述氧化的含氮污染物引入和/或轉(zhuǎn)移到第二組分中；以及(4)使所述第二組分與氣態(tài)氫接觸。在還原性含氮污染物(例如，但不限于氨或銨化合物)的背景下可以考慮本方法的特殊實(shí)施方式。需養(yǎng)條件能促進(jìn)生物量(包含硝化細(xì)菌)的聚集，并氧化為一種或多種氧化的含氮污染物(例如硝酸鹽、亞硝酸鹽)。隨后將該氧化的污染物引入第二組分，并引入包含脫硝細(xì)菌的生物量，在缺養(yǎng)條件下得到促進(jìn)，還原污染物，從廢物流中去除。
需養(yǎng)和缺養(yǎng)條件可改變和/或優(yōu)化，取決于具體的廢物流和氮物質(zhì)/含量，通過(guò)分別改變氧氣壓力和氫氣壓力來(lái)進(jìn)行(參見(jiàn)下述實(shí)施例2-4)。這一協(xié)同的氧化和還原可將流出物的濃度減小至小于約1mgN/L(對(duì)于具體的還原的或氧化的氮污染物。同樣地，總氮流出物的濃度可減小至小于約2mg/L，符合相應(yīng)州和聯(lián)邦規(guī)定的要求)。同時(shí)的、依序的或協(xié)作的氧化和還原也通過(guò)脫硝的堿性副產(chǎn)物中和硝化的酸性副產(chǎn)物，由此將對(duì)額外的系統(tǒng)pH控制的需要減至最小或者消除。除了酸/堿中和的好處之外，廢水再循環(huán)能提供各種其他優(yōu)點(diǎn)。例如，重復(fù)處理或循環(huán)能促進(jìn)污染物的去除。或者，再循環(huán)可用來(lái)控制通過(guò)硝化和脫硝反應(yīng)器(即，NR和DR)部件中的一種或兩種的速度，而與流入物的流速無(wú)關(guān)。在任一部件中的高流速會(huì)促進(jìn)形成牢固的致密生物膜，以及促進(jìn)還原的或氧化的氮污染物向生物膜轉(zhuǎn)移。本發(fā)明方法的這些方面及有關(guān)的好處可參照以下附圖1A-B和2A-B來(lái)考慮，這些附圖對(duì)本文中提供的任何具體的方法/工藝參數(shù)或系統(tǒng)組分材料、尺寸或結(jié)構(gòu)不起限制作用。
可使用這些方法而不限于任何一種設(shè)備或組分結(jié)構(gòu)。但是，本發(fā)明的一種或多種方法可結(jié)合下述設(shè)備使用，該設(shè)備包含(1)包含至少一種中空膜的第一組件，各個(gè)中空膜與氧氣源流體連通；以及(2)與所述第一組件流體連通的第二組件，所述第二組件包含至少一種中空膜，各個(gè)中空膜與氫氣源流體連通。在一些實(shí)施方式中，所述膜可包含具有第一密度的內(nèi)層和外層，以及位于內(nèi)層和外層之間的具有大于第一密度的第二密度的層。在各個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，前面的層可以是多孔的，后面的層可以是基本上無(wú)孔的，以減少或避免氫或氧的鼓泡，或者其他對(duì)生物量聚集有害的條件。
同樣地，不限于任何一種廢物處理系統(tǒng)、設(shè)備或組分結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供了一種對(duì)還原的含氮污染物進(jìn)行氧化的方法。該方法可包括(1)提供包含一組件和一水體的系統(tǒng)，所述組件包含膜和位于其上的硝化細(xì)菌，所述水體包含還原性含氮污染物；以及(2)使所述系統(tǒng)與氧接觸，以氧化含氮的污染物。如本文中其他地方所討論的，該系統(tǒng)中可注入細(xì)菌，或者需養(yǎng)條件可選擇性地促進(jìn)包含硝化細(xì)菌的生物量的聚集。在某些實(shí)施方式中，該系統(tǒng)可包含至少一種與氧氣源流體連通的膜組件。該膜按上述排列和構(gòu)造，或者如下述結(jié)合引用的參考文獻(xiàn)中所述排列和構(gòu)造。有關(guān)的氧化的污染物可引入包含脫硝細(xì)菌的第二系統(tǒng)或組件中，如本文中其他地方所述，用以還原隨后用以去除的污染物。或者，該氧化方法和/或硝化細(xì)菌的使用可與本領(lǐng)域已知的任何還原或脫硝工藝一起使用。
某些實(shí)施方式的詳細(xì)描述可使用的系統(tǒng)/設(shè)備組分結(jié)構(gòu)更詳細(xì)地描述在美國(guó)專(zhuān)利No.6,387,262和提交于2004年8月30日的待審申請(qǐng)10/930,051，它們各自在本文中全部引用。這些引用的文獻(xiàn)的附圖和相關(guān)說(shuō)明書(shū)中例舉和提供的設(shè)備組分和結(jié)構(gòu)可有效地用在本發(fā)明中。因此，在某些實(shí)施方式中，膜式生物膜反應(yīng)器(MBfR)可通過(guò)擴(kuò)散通過(guò)氣泡減少膜的(bubble-less membrane)壁分別向脫硝或硝化細(xì)菌傳輸H2或O2氣體。細(xì)菌生物膜自發(fā)地在相應(yīng)的膜式水冷壁的外側(cè)生長(zhǎng)。硝化細(xì)菌利用O2以促進(jìn)還原的氮組分氧化為例如NO3-。至于脫硝，生物膜中的細(xì)菌從擴(kuò)散到膜外側(cè)的H2中除去電子以將NO3-還原為N2氣。
硝化細(xì)菌是本領(lǐng)域已知的，其代表性的例子包括，但不限于歐洲亞硝化單胞菌、真氧亞硝化單胞菌(Nitrosomonas eutropha)、白里亞硝化螺菌(Nitrosospira briensa)、活躍假單胞菌和海洋硝化螺菌。同樣地，脫硝細(xì)菌也是可得到的和眾所周知的。
雖然不限于自養(yǎng)(即，氫-氧化)菌種，但是這些有機(jī)體的有代表性的例子包括，但不限于脫氮副球菌、真氧產(chǎn)堿菌、黃色氫噬胞菌和Ralstonia eutropha。這些細(xì)菌可引入使用來(lái)自現(xiàn)有氮處理系統(tǒng)的相應(yīng)孕育劑的各氧化和還原反應(yīng)器組件中，或者通過(guò)在需氧和缺氧條件下的選擇性的反應(yīng)器生物量聚集(參見(jiàn)例如，前述引入的’262專(zhuān)利和共同待審的’051申請(qǐng))。
H2基MBfR用于將NO3-(或者例如亞硝酸鹽NO2-)還原為N2氣。H2是能大量購(gòu)買(mǎi)的最廉價(jià)的電子供體，且對(duì)人無(wú)毒。使用H2免除了供體有機(jī)C源的需要，而有機(jī)C源是昂貴的，經(jīng)常會(huì)引起處理和安全問(wèn)題，且很容易用量不足或過(guò)量。通過(guò)擴(kuò)散通過(guò)膜式水冷壁傳輸H2免除了過(guò)量的危險(xiǎn)，而用量不足可通過(guò)增加對(duì)膜的H2壓簡(jiǎn)單而快速地彌補(bǔ)。在膜式水冷壁上具有生物膜確保了接近100％的H2使用效率，改善了工藝的成本效率。使用氣泡減少膜的好處是安全地傳輸H2氣。使用其它傳輸方法，氫氣會(huì)聚集在氣相中，從而形成了爆炸性環(huán)境，因而具有較大的安全危險(xiǎn)(在空氣中氫的爆炸范圍約為4-74.5％)。氣泡減少傳輸和生物膜的即時(shí)H2消耗阻止了爆炸性氣相的形成。
對(duì)于總氮去除，用需氧硝化細(xì)菌將任何存在的還原性氮組分(例如，氨或銨物質(zhì))氧化為NO3-(或亞硝酸鹽NO2-)。本發(fā)明的MBfR系統(tǒng)和設(shè)備還可用于脫硝和硝化。如圖1B中所示，O2可通過(guò)擴(kuò)散通過(guò)膜式水冷壁來(lái)傳輸。為了防止起泡，纖維組分可包含位于微孔聚乙烯壁之間的1μm厚的無(wú)孔的疏水聚氨酯層。圖1B中所示的用于該類(lèi)系統(tǒng)/設(shè)備組分的纖維由Mitsubishi Rayon制造(Model MHF200TL)，可作為復(fù)合物得到。致密的無(wú)孔的層可形成用于氣體分散的高驅(qū)動(dòng)力，而不會(huì)過(guò)早地形成氣泡，由此促進(jìn)了有效的氧利用和所需的硝化細(xì)菌的聚集。中空纖維可以是一端密封，而另一端對(duì)加壓的氧(或氫)開(kāi)放的。本領(lǐng)域已知的其它纖維結(jié)構(gòu)可提供氣泡減少的操作。引入的生物膜聚集簡(jiǎn)化了水性氮組分(例如NH4+或NO3-)與引入的氣體(例如O2或H2)之間的電子輸送。
因此，本發(fā)明的需氧和缺氧系統(tǒng)可包含兩個(gè)用于集合操作的MBfR。一個(gè)MBfR組件由O2供給以進(jìn)行硝化(NR)。另一個(gè)MBfR組件由H2氣供給以進(jìn)行脫硝(DR)，用以達(dá)到完全的N去除。一種這樣的需氧和缺氧組分結(jié)構(gòu)示于圖2A。在某些實(shí)施方式中，各個(gè)柱具有長(zhǎng)度為25cm的32個(gè)中空纖維，各個(gè)MBfR組件的總生物膜表面積為70.6cm2。各個(gè)MBfR的體積約為10cm3。有用的流入物泵送速率設(shè)定為0.11cm3/分鐘，使得MBfR系統(tǒng)的停留時(shí)間約為3小時(shí)。圖2A所示的再循環(huán)流(例如，以50ml/分鐘泵送和以150ml/分鐘泵送)可用來(lái)連接兩個(gè)MBfR，并提供合適的混合以確保適宜的氧化/還原。其它組分結(jié)構(gòu)示于圖2B，它提供了任選的、額外的緩沖能力。緩沖劑組分的引入(即，用于酸和/或堿中和)可有利地用于處理具有高含量含氮廢物的廢物流。同樣地，根據(jù)體積或污染物含量，可在本發(fā)明的硝化和/或脫硝方面中使用多個(gè)中空纖維膜組件。
可參照前述引入的’262專(zhuān)利和共同待審的’051申請(qǐng)，具體是它們的附圖1-2中提供的設(shè)備組件和系統(tǒng)材料來(lái)考慮本發(fā)明的各個(gè)其它的實(shí)施方式?；蛘撸糜诒景l(fā)明的膜可包括一種或多種本領(lǐng)域已知的片或另一種材料陣列。無(wú)論是纖維、片或另一種這樣的陣列，膜組件可隨機(jī)設(shè)置或以預(yù)定的空間結(jié)構(gòu)(例如，但不限于行結(jié)構(gòu)，或者行和列結(jié)構(gòu))設(shè)置。至于后者，可使用一種或多種格柵支撐組件在相對(duì)于一種或多種氧氣或氫氣源的點(diǎn)處設(shè)置纖維或片。這些組件的設(shè)置的結(jié)構(gòu)可限定用于水移動(dòng)通過(guò)其的中間組件空間。非限制性地，這樣的空間使得水中負(fù)載的污染物橫向移動(dòng)到膜組件中，因?yàn)檫@樣對(duì)廢水和包含固體顆粒物質(zhì)的其它水性系統(tǒng)的處理特別有用。這些組分和相關(guān)的設(shè)備結(jié)構(gòu)更詳細(xì)地描述在共同待審的申請(qǐng)10/876,745中，具體是其附圖2A-C中，該申請(qǐng)?jiān)诒疚闹腥恳谩?br> 發(fā)明實(shí)施例以下非限制性實(shí)施例和數(shù)據(jù)示出了與本發(fā)明方法和/或設(shè)備有關(guān)的各個(gè)方面和特征。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的方法和設(shè)備得到了令人驚奇、出乎意料、且與之相反的結(jié)論和數(shù)據(jù)。雖然本發(fā)明的實(shí)用性通過(guò)使用幾種設(shè)備結(jié)構(gòu)和用在其中的模擬的含氮廢物流來(lái)證實(shí)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，用其它各種設(shè)備和廢物流組合物(例如，有機(jī)胺和銨化合物)也可以得到類(lèi)似的結(jié)果，這是因?yàn)樗鼈兣c本方法的范圍匹配。因此，本發(fā)明構(gòu)思了具有需氧和缺氧組分的設(shè)備/系統(tǒng)，用于在一定的氧氣和氫氣輸送速度和壓力范圍內(nèi)依序或同時(shí)硝化和脫硝，使還原的和氧化的氮廢物組分的流出物濃度小于約1mg/L，并基本上除去包含氨的流入物廢物流中的總氮。
如本領(lǐng)域中用于證明本發(fā)明的廣泛應(yīng)用性所應(yīng)理解的，以下實(shí)施例中使用的介質(zhì)是具有表1所示組成的合成廢水。銨濃度為50mg NH4+N/l。所述水的緩沖能力以0.252g/l HCO3-、0.136g/l H2PO4-和1.134g/l HPO42-的形式加入。所述介質(zhì)包含在氮?dú)鈬娏芷恐?，以防止碳酸鹽系統(tǒng)中發(fā)生不受控的改變。
表1合成廢水介質(zhì)的組成
所測(cè)參數(shù)是NH4+、NO3-、NO2-和pH。分析方法列于表2。各方法用已知標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)，以確保測(cè)量精度。使用Spectronic Spec 20來(lái)測(cè)量NH4+、NO3-、NO2-樣品的吸光度。
表2分析方法簡(jiǎn)述
連續(xù)送入所述介質(zhì)幾周，同時(shí)生物膜聚集在中空纖維膜的外側(cè)(參見(jiàn)例如圖1B和圖2A)，并形成基線性能。當(dāng)出現(xiàn)一層可見(jiàn)的生物膜，且氮去除在基線調(diào)節(jié)下穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確定在MBfR中在不同氣壓條件下的氮去除。在恒定的H2壓力(2.5psi)下，確定在以下O2壓力下的氮去除1.25psi、2.0psi和6.0psi。在恒定的O2壓力(3.6psi)下確定在1.25psi和5.0psi H2壓力下的氮去除。在改變氧氣或氫氣壓力之前使所述系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。氫氣壓力最初保持在2.5psi，此時(shí)改變氧氣壓力。然后在氧氣壓力保持在3.6psi時(shí)改變氫氣壓力。每個(gè)氣壓取至少3個(gè)樣品，在各取樣之間最少間隔9小時(shí)。各樣品過(guò)濾(0.45微米膜過(guò)濾器)除去任何從生物膜中脫落的懸浮的微生物。
實(shí)施例1基線除氮圖3中最初100小時(shí)的結(jié)果顯示當(dāng)氫氣壓力為2.5psi，平均氧氣壓力為2.5psi時(shí)的基線除氮。所有氮物質(zhì)的濃度均較低NH4+和NO3-接近或小于1mgN/L，NO2-接近零?？偟獫舛?即，NH4+、NO3-、NO2-作為N的總和)總小于3mgN/L，通常小于2mgN/L。這些結(jié)果清楚地證明了所述需氧和缺氧MBfR系統(tǒng)可以使所有氮物質(zhì)的濃度和總氮濃度很低。
實(shí)施例2改變氧氣壓力圖4也說(shuō)明了當(dāng)氧氣壓力隨時(shí)間流逝(110-280小時(shí))而改變時(shí)，硝酸鹽和銨的總趨勢(shì)。銨濃度因氧氣壓力低(1.25psi)而大大增加。這是因?yàn)樵谛柩鮉BfR中硝化反應(yīng)所需氧氣有限。另一方面，當(dāng)氧氣壓力升高(6psi)時(shí)，所述硝酸鹽濃度高，估計(jì)這是因?yàn)閺男柩鮉BfR轉(zhuǎn)移到缺氧MBfR中的溶解氧抑制了從NO3-脫硝形成N2。所述亞硝酸的鹽濃度低，并且在所用條件下不受氣壓的影響。總氮濃度反映了氮物質(zhì)的濃度，由于氧氣壓力的變化而導(dǎo)致濃度升高。
圖4中的結(jié)果證明了氧氣利用率的預(yù)期趨勢(shì)。氧氣利用率太低會(huì)減緩需氧MBfR的硝化反應(yīng)，留下未氧化的NH4+。在需氧MBfR中氧氣利用率太高則會(huì)使溶解氧轉(zhuǎn)移，抑制缺氧MBfR中NO3-的還原。因此，所述集合的需氧和缺氧系統(tǒng)以一種可預(yù)見(jiàn)的方式運(yùn)行，并顯示為控制進(jìn)入需氧MBfR的氧氣壓力會(huì)使總氮去除最優(yōu)化。正確控制氧氣壓力能很好地除去所有的氮物質(zhì)(＜1mgN/L)和總氮(＜3mgN/L)，如最初100小時(shí)中的結(jié)論所示。
實(shí)施例3
改變氫氣壓力圖5表示在保持氧氣壓力為3.6psi時(shí)氫氣壓力發(fā)生變化的結(jié)果。改變氫氣壓力不會(huì)像改變氧氣壓力那樣顯著地改變濃度。所述銨和硝酸鹽濃度幾乎完全不受氫氣壓力變化的影響。另一方面，當(dāng)氫氣壓力低(1.25psi)時(shí)，硝酸鹽濃度顯著增大。所述總氮濃度與NO3-濃度相似。
圖5中的結(jié)果證明氫氣利用率的預(yù)期趨勢(shì)。氫氣利用率太低會(huì)減緩缺氧MBfR中的脫硝反應(yīng)，留下未還原的NO3-。但是，提高缺氧MBfR中的氫氣利用率看起來(lái)不會(huì)對(duì)需氧MBfR中的硝化反應(yīng)產(chǎn)生不利影響。這種良好的結(jié)果可能是因?yàn)闅錃獾乃苄缘?，不?huì)顯著地轉(zhuǎn)移到需氧MBfR中。而且，所述集合的需氧和缺氧系統(tǒng)以可預(yù)見(jiàn)的方式運(yùn)行，顯示控制進(jìn)入缺氧MBfR中的氫氣壓力可以進(jìn)行總氮去除。正確控制氫氣壓力能很好地除去所有的氮物質(zhì)和總氮，如最初100小時(shí)中的結(jié)論所示(圖3)。
實(shí)施例4氣壓影響概述圖6A-B概括了在所有實(shí)驗(yàn)中氧氣壓力如何影響NO3-和NO2-的濃度。顯然，硝酸鹽隨氧氣壓力的增大而增加(圖6A)，這是因?yàn)閺男柩鮉BfR轉(zhuǎn)移來(lái)氧氣。另一方面，NO2-濃度幾乎不受氧氣壓力的影響(圖6B)。如圖5所示，氫氣壓力強(qiáng)力控制流出物NO3-的濃度，大于1.25psi的氫氣壓力明顯提高了硝酸鹽的除去效果。
實(shí)施例5圖7A-B顯示當(dāng)氧氣壓力大于1.25psi時(shí)銨濃度顯著降低。當(dāng)氧氣壓力低時(shí)(圖7A)，氧氣并不足以使需氧MBfR中的硝化反應(yīng)充分進(jìn)行。結(jié)果，NH4+的氧化率低。當(dāng)氧氣壓力大于2.5psi時(shí)(圖7B)，NH4+去除與氧氣壓力并沒(méi)有太大的關(guān)聯(lián)，雖然在兩個(gè)變量之間有稍稍向下的趨勢(shì)線(R＝-0.23)。如圖5所示，NH4+與氫氣壓力并沒(méi)有關(guān)聯(lián)。
實(shí)施例6氮去除效率概述圖8和9概括了當(dāng)流入物的N濃度固定為50mgN/L(均以NH4+計(jì))時(shí)的總氮去除效率。在需氧MBfR中的氫氣壓力恒定(2.5psi)時(shí)，總氮去除(圖8)在需氧MBfR的中間氧氣壓力為2.0psi時(shí)最大(97.1％)。這與流出物的總氮濃度僅為1.5mgN/L相符。在6.0psi時(shí)，氮去除率為91.9％，并由于NO3-增大而降低。在1.25psi時(shí)達(dá)到合適的去除率，氮去除率為58.1％，流出物中大多數(shù)是NH4+。而且，控制需氧MBfR中的氧氣利用率能獲得很高的總氮去除率。
在恒定氧氣壓力(～3.6psi)下，在所用條件和設(shè)備下，所述總氮去除率在氫氣壓力為5psi的條件下最佳(95.1％，假設(shè)流出物總氮濃度為2.5mgN/L)。在1.25psi下，氮去除率稍低，為92.2％，這是因?yàn)槊撓醴磻?yīng)較少?？刂迫毖鮉BfR中的氫氣利用率是有效的，但是最大總氮去除率看起來(lái)與需氧MBfR中的氧氣利用率更加直接相關(guān)。
上述實(shí)施例顯示本發(fā)明的需氧和缺氧MBfR系統(tǒng)能幾乎完全除去總氮。在本文中，還原的氮污染物以及濃度為～50mgN/L是市政污水以及許多其它廢水的典型條件。在硝化生物膜的需氧條件(氧氣)下將NH4+氧化成NO3-和NO2-，同時(shí)在將生物膜脫硝的缺氧條件(氫氣)下將NO3-和NO2-還原成氮?dú)狻Ｓ捎谙趸兔撓跫?xì)菌是自養(yǎng)的，不需要任何含碳能量源，因此無(wú)需大量的材料成本，且不會(huì)有工藝風(fēng)險(xiǎn)。
總氮去除率會(huì)受到氧氣壓力的影響氧氣壓力不足會(huì)降低NH4+到NO3-或NO2-的硝化反應(yīng)，而氧氣壓力高則會(huì)抑制在缺氧組分中NO3-到N2的脫硝反應(yīng)。總氮去除率并不太受氫氣壓力的影響，雖然氫氣壓力升高能更好地進(jìn)行脫硝反應(yīng)且不會(huì)影響硝化反應(yīng)。
雖然已經(jīng)通過(guò)具體實(shí)施方式
說(shuō)明了本發(fā)明的原理，但是應(yīng)清楚地理解這些說(shuō)明僅作為實(shí)施例，并不是以任何方式限制本發(fā)明的范圍。例如，在本文中，在總氮去除率的情況下證實(shí)同時(shí)或協(xié)同硝化和脫硝是可行的，但是本發(fā)明也可用于其它各種廢物流，不論還原性和氧化性污染物是否共存。還原性污染物還包括，但不限于所有的有機(jī)物質(zhì)和有機(jī)氮化合物，而氧化性污染物可類(lèi)似地包括，但不限于高氯酸鹽、氯酸鹽、亞氯酸鹽、鉻酸鹽、硒酸鹽、亞硒酸鹽、溴酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽、鈾、钚、镎和含氯有機(jī)化合物(例如，但不限于三氯乙烯和三氯乙烯)。
權(quán)利要求
1.一種從水系統(tǒng)中去除還原性含氮組分的方法，該方法包括提供包含硝化細(xì)菌、脫硝細(xì)菌和水性還原性氮組分的系統(tǒng)；使所述系統(tǒng)獨(dú)立地與氧氣和氫氣接觸；以及氧化并還原所述組分以產(chǎn)生氮?dú)狻?br> 2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，需氧條件促進(jìn)系統(tǒng)中硝化細(xì)菌的聚集，缺氧條件促進(jìn)系統(tǒng)中脫硝細(xì)菌的聚集。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述氧氣壓力和氫氣壓力是獨(dú)立地改變的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述還原性氮組分依序氧化和還原，所述氧化產(chǎn)生酸性副產(chǎn)物，所述還原產(chǎn)生堿性副產(chǎn)物，所述酸性和堿性副產(chǎn)物至少部分地相互中和。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述還原性氮組分選自氨、銨離子、含氮有機(jī)化合物、以及它們的組合。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述還原性氮組分被氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽中的至少一種。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述還原性氮組分的流出物濃度小于約1mgN/L。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包含流入物氧化的氮組分。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述還原的和氧化的氮組分的總流出物濃度小于約2mgN/L。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，缺氧條件促進(jìn)系統(tǒng)中氫-氧化細(xì)菌的聚集。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包含過(guò)氯酸鹽，氯酸鹽，亞氯酸鹽，硒酸鹽，亞硒酸鹽，溴酸鹽，硫酸鹽，亞硫酸鹽，鈾，钚，镎，含氯有機(jī)化合物，以及所述化合物的組合。
12.一種使用脫硝細(xì)菌從水系統(tǒng)中去除還原性氮污染物的方法，該方法包括提供包含第一組分、第二組分、以及還原性含氮污染物的系統(tǒng)，所述第一組分包含至少一種硝化細(xì)菌，所述第二組分包含至少一種脫硝細(xì)菌；使所述第一組分與氣態(tài)氧接觸；將所述氧化的含氮污染物引入第二組分中；以及使所述第二組分與氣態(tài)氫接觸。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，需氧條件促進(jìn)系統(tǒng)中硝化細(xì)菌的聚集，缺氧條件促進(jìn)系統(tǒng)中脫硝細(xì)菌的聚集。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述細(xì)菌是自養(yǎng)細(xì)菌。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，提供所述氣態(tài)氧而基本上沒(méi)有鼓泡。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述含氮污染物依序氧化和還原，所述氧化產(chǎn)生酸性副產(chǎn)物，所述還原產(chǎn)生堿性副產(chǎn)物，所述酸性和堿性副產(chǎn)物至少部分地相互中和。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，它包括使所述水體與所述第一和第二組分重復(fù)接觸。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述還原性含氮污染物選自氨、銨離子、有機(jī)化合物、以及它們的組合。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述污染物的流出物濃度小于約1mgN/L。
20.一種膜式生物膜反應(yīng)器設(shè)備，它包括包含至少一種中空膜的第一組件，各個(gè)纖維與氧氣源流體連通；與所述第一組件流體連通的第二組件，所述第二組件包含至少一種中空膜，各個(gè)膜與氫氣源流體連通；以及位于所述第一組件上的硝化細(xì)菌，以及位于所述第二組件上的脫硝細(xì)菌。
21.如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，各個(gè)膜包含具有第一密度的內(nèi)層和外層，以及位于內(nèi)層和外層之間的具有大于第一密度的第二密度的層。
22.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，所述位于內(nèi)層和外層之間的層是基本上無(wú)孔的。
23.如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二組件中的每一個(gè)包含許多中空纖維膜。
24.一種對(duì)還原性含氮污染物進(jìn)行氧化的方法，該方法包括提供包含組件和水體的系統(tǒng)，所述組件包含膜和位于其上的硝化細(xì)菌，所述水體包含還原性含氮污染物；以及使所述組件與氧氣接觸。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述含氮污染物選自氨、銨離子、有機(jī)化合物、以及它們的組合。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述硝化細(xì)菌是自養(yǎng)細(xì)菌。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述組件包含至少一種與氧氣源流體連通的中空纖維膜。
28.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述氧化的污染物被還原。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述氧化的污染物與包括含有膜和位于膜上的脫硝細(xì)菌的組件的第二系統(tǒng)接觸，所述第二系統(tǒng)組件與氫氣源流體連通。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，需氧條件促進(jìn)系統(tǒng)中硝化細(xì)菌的聚集，缺氧條件促進(jìn)系統(tǒng)中脫硝細(xì)菌的聚集。
全文摘要
一種還原性水性氮污染物的氧化還原方法及相關(guān)的設(shè)備。
文檔編號(hào)C02F3/00GK101065331SQ200580015113
公開(kāi)日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月14日
發(fā)明者B·E·瑞特曼, C·托雷斯, J·考曼 申請(qǐng)人:西北大學(xué)