[发明专利]板框式固定化细胞膜生物反应器及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及饮用水安全保障技术领域，具体的说，涉及一种板框式固定化细胞膜生物反应器及其在地下水生物反硝化脱氮技术中的应用。

背景技术

地下水是许多国家和地区的主要饮用水源，如美国超过一半的人口以地下水作为饮用水；荷兰饮用水2/3源于地下水。我国对21个省市和27个主要城市的统计表明，有一半以上的城市以地下水为主要水源。然而，由于不合理的使用化肥、污水灌溉及污水渗漏等原因，导致地下水中的硝酸盐浓度持续上升。硝酸盐被摄入人体后，在肠胃中被还原为亚硝酸盐，后者可以把血红蛋白中的Fe²⁺氧化成Fe³⁺，减少血液的载氧容量，从而具有引发各种疾病的危险，如高铁血红蛋白症、肝损害以及癌症等。

为防止受硝酸盐污染的地下水危害人体健康，世界上许多国家和国际组织都对饮用水中硝酸盐的含量设定了最高限值。如世界卫生组织（WHO）在2004年出版的《饮用水水质准则》（第3版）中推荐的饮用水硝酸盐限值为50mg NO₃^-/L；美国EPA和加拿大环境组织规定了饮用水中硝酸盐氮浓度的最高极限值为10mgNO₃^--N/L。欧盟提出了饮用水中硝酸盐最高允许浓度为50 mgNO₃^-/L，推荐硝酸盐氮的允许水平5.6mgNO₃^--N/L。我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）规定的硝酸盐限值为10mg/L(以NO₃^--N计)。

把地下水中硝酸盐浓度降至标准值以下的方法主要有离子交换、反渗透和生物反硝化等。离子交换和反渗透具有相似的缺点，两者都会副产浓盐水，需要进一步处理或处置。生物反硝化是相对廉价的脱氮方法，即在缺氧或厌氧环境下，反硝化细菌以有机物作为电子供体、硝酸盐分子中的氧作为最终电子受体，把硝酸盐还原成氮气。生物反硝化过程不会副产盐水。

最近几十年来，生物反硝化技术在地下水脱硝酸盐方面得到广泛研究，但该技术的工程应用却很少，原因是常规的生物反硝化无法避免微生物和电子供体对处理水的污染。因此，相关研究聚焦于生物过程与膜分离技术相结合形成的膜生物反应器（MBR）。MBR可以完全避免地下水受微生物污染，但仍无法解决残留电子供体对地下水的污染问题。

中国专利（CN101786763A）公开了一种间歇式地下水反硝化脱氮方法，即把细胞固定化技术与膜分离技术有机地结合在一起，构建了一种间歇操作的新型膜生物反应器，利用该新型膜生物反应器进行地下水反硝化脱氮，可以克服常规生物反硝化及普通MBR反硝化脱氮过程中存在的缺点。但是，由于这种新型膜生物反应器是一种敞开体系，特别是该反应器在运行时需要不断搅拌反应器内的地下水和乙醇水溶液，从而消除外扩散对反硝化反应的影响。不过，持续的搅拌也使得地下水和乙醇水溶液的表面不断更新，这就不可避免地增加了大气中氧气在地下水和乙醇水溶液中的溶解。地下水和乙醇水溶液中溶解氧的增加，又会提高溶解氧从两侧液体中向膜状固定化细胞中扩散的速率，使膜状固定化细胞靠近地下水或乙醇水溶液的表层区域溶解氧浓度偏高（处于好氧状态），或者说在整个膜状固定化细胞的厚度上，只有中间区域处于兼氧或厌氧状态，满足生物反硝化的条件。也就是说，溶解氧的增加缩小了膜状固定化细胞的反硝化区域，因此，这种间歇式地下水反硝化脱氮方法的脱氮速率比较慢，不利于这一地下水反硝化脱氮方法的工程应用，并且空气中的氧气不断溶入乙醇水溶液中，还会促进微生物对乙醇的降解，增加乙醇的消耗。此外，这种间歇式地下水反硝化脱氮技术单位反应器体积内膜状固定化细胞的有效面积比较小，与一般的MBR相比，达到相同处理能力所需的反应器体积会大得多。若不彻底改变反应器的结构，很难提高单位反应器体积的处理能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续、密闭的，板框式固定化细胞膜生物反应器。

本发明的第二个目的在于提供一种地下水连续式反硝化脱氮的方法，并实现电子供体反硝化碳源的循环利用。