[发明专利]一种去除废水中氨氮的装置及方法

说明书

本发明涉及一种去除废水中氨氮的装置及方法，将氨作为微藻生长所需的氮源，在去除废水中氨氮的同时，获得微藻细胞生物质。使用微藻溶液替代传统的化学吸收液，可以克服现有化学吸收法的缺陷，降低操作难度，排除安全隐患，简化处理装置，减少维护费用。利用膜接触器将废水与微藻溶液分隔开来，使得两种溶液可分别独立操作，互不接触，克服了目前使用微藻去除氨氮技术的缺点，避免废水中的有毒物质抑制微藻的生长，降低氨氮去除效率；另一方面，膜接触器较大的表面积有利于氨气分子的跨膜传输，提高氨氮的去除率及可处理的氨氮浓度。此外，本发明所述装置还可实现微藻细胞在废水氨氮去除过程中的反复使用。

技术领域

本发明涉及一种去除废水中氨氮的方法，具体涉及使用膜接触器将废水中的氨氮分离，并利用氨作为促进富含油脂的微藻生长所需的氮源，在处理净化废水的同时，获得微藻细胞生物质。

背景技术

膜接触器是利用微孔中空纤维疏水膜作为分隔介质，仅允许膜一侧溶液中的易挥发组分或气体透过分离膜，在膜的另一侧通过化学/物理方法对这些组分或气体进行收集。常用的中空纤维膜材料包括聚丙烯(PP)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)等。根据膜两侧两相流体的不同性质，可将膜接触器分为气-液、液-气和液-液膜接触器。膜接触器中的膜本身虽然没有分离功能，仅充当两相间的界面，但可以提供足够大的传质比表面积，较常规的分散相接触器更具优越性。另一方面，膜接触器中被分隔开来的两种流体相对独立，消除了液泛、沟流或泡沫夹带等问题，并且可以使膜接触器在各种流速条件下都能保持恒定的接触面积，确保该过程的稳定运行。膜接触器由于其设备简单、操作方便、能耗低等特点，近年来引起学术界和工业界的广泛关注，现已被应用于不同的工业过程，比如气体吸收、气提和萃取等。

含有氨氮的废水来源甚广且排放量巨大，如焦化、化肥、石化、制药、食品等生产企业和垃圾填埋场均会产生大量氨氮废水。将未经处理的氨氮废水直接排入水体后，会导致水体富营养化，并对水生生物产生毒副作用。目前，国内外对氨氮废水的处理展开了广泛的研究。处理方式主要涉及生物脱氮法(如硝化)和物理化学除氮法(如折点氯化法、化学沉淀法、离子交换法、吹脱法等)。废水中的氨氮基于废水pH的不同，主要以NH₄⁺和游离氨NH₃的形态存在，两种形态之间有如下电离平衡关系式：

基于上述关系式，利用气液传质方法将氨氮从废水中分离是最为可行和成熟的方法之一。作为一种新型的气液传质方法，中空纤维膜接触器(液-气-液)已被应用于氨氮废水的处理。膜的一侧通有氨氮废水，另一侧则是吸收液。常用的吸收液为硫酸和稀硝酸，酸液可迅速且大量地吸收来自废水中的氨气(NH₃)分子，生成硫酸/硝酸铵(重要且优良的氮肥)。然而，该方法对运行设备、管道等要求较高，且酸液的长期使用会对管道造成腐蚀，产生安全隐患。

微藻是一种单细胞水藻，大小通常为几个微米，广泛存在于自然界中。由于其较陆生植物有更高的光合作用效率和更快的生长速度，且受气候变化影响较小，微藻一年可收获多达20次以上。微藻的生长可不需要淡水和耕地，因此能够在广大盐碱滩涂和沙漠地区养殖。基于上述优势，微藻现已被开发用于生产健康食品和作为制造第三代可再生生物能源(生物柴油、乙醇、甲烷等)的原料。另外，一些微藻菌株对环境适应性强，耐受性较高，因此也被用于处理生活和工业污水。微藻在其生长过程中会消耗大量废水中含有的氮磷，并吸附水中的金属离子，从而达到净化水质的目的。但直接投加微藻至废水中，废水中的污染物，如重金属离子、浓度过高的氨氮、有机物等均会抑制微藻的生长，使其处理废水的能力下降。另一方面，废水中微藻的收集同样是一个技术难题，制约着该技术的进一步工业化应用。