一种光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置及方法

本发明设计涉及污水处理装置，尤其涉及一种光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置及方法。

背景技术：

1、地下水是世界范围内饮用水的重要来源。然而，目前在许多国家已经检测到地下水中的硝酸盐氮(no3--n)污染，其浓度经常超过世界卫生组织(who)制定的饮用水标准(≤11mg/l)，因此需要通过从地下水中去除no3--n来确保安全的饮用水供应。

2、饮用被硝酸盐污染的地下水会严重危害人体健康，可能会导致高铁血红蛋白症、诱发癌症。当前低有机碳含量的硝酸盐污染水普遍存在，对生态环境和人体健康都有一定的影响。同时，受水体中有机碳含量的限制，以及处理费用等因素，目前对此类受硝酸盐污染水体的处理技术还比较有限。与目前其它处理硝酸盐污染地下水的技术相比，氢自养反硝化是一种有前途、更环保的技术，可以提供安全的饮用水。h2既不会对环境造成危害，也不会对人体健康造成损害，并且氢自养反硝化法仅需无机碳源即可完成自身新陈代谢，可以避免外加有机物而引起的二次污染，非常适于处理受硝酸盐污染的低碳氮比地下水。相比于异养细菌，氢自养菌反硝化的剩余污泥量更低，能有效减少反应器堵塞情况，使后续处理过程简化。反硝化过程中不会由于底物产生有害的副产物，作为电子供体的氢也不会在处理后的水中持续存在。然而，由于硝酸盐利用率低，及氢气运输和存储困难等，使得氢自养反硝化技术在实际应用中受到限制。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明提供了一种光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置及方法，以解决现有技术中氢自养反硝化实施过程中所需外加h2储存、运输安全的技术问题。

2、本发明提供了一种光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，包括：反应罐体、上层隔板、下层隔板、光催化剂、第一光源、曝气盘和外部氢气瓶；

3、上层隔板和下层隔板沿着反应罐体轴向上下分开的设置在反应罐体内，将反应罐体从顶部至底部分割成三个区域：上层区域、中间区域和底部区域，上层隔板和下层隔板上均开设有透气微孔；光催化剂填充在中间区域中；第一光源设置于上层隔板朝向光催化剂的一面，对光催化剂施加光照；曝气盘设置于反应罐体底部与外部氢气瓶管路连接。

4、进一步地，所述中间区域和底部区域的高度占反应罐体内部高度的1/3。

5、进一步地，所述中间区域的高度占反应罐体内部高度的1/10～1/5。

6、进一步地，所述上层隔板和下层隔板可拆卸的设置在反应罐体内。

7、进一步地，光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置还包括：第二光源；第二光源设置于下层隔板朝向光催化剂的一面，对光催化剂施加光照。

8、进一步地，所述第一光源和第二光源均为防水灯带。

9、进一步地，所述反应罐体侧壁为双层结构，内壁与外壁之间有空腔。

10、进一步地，所述光催化剂为光催化剂缓释小球，其中，光催化剂缓释小球通过海藻酸钠乳液与光催化材料混合而成，海藻酸钠乳液与光催化材料的体积比范围为1:10～1:5，海藻酸钠乳液中各组分质量百分比为：海藻酸钠8～15％、高岭土0.5％～1％及fe3o40.5％～1％。

11、进一步地，所述空腔作为水浴层或填充保温材料。

12、进一步地，所述反应罐体的材质为：透明亚克力材质。

13、本发明还提供了一种光催化协同氢自养反硝化处理污水的方法，使用上述光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，包括：

14、步骤1：将光催化剂缓释小球置于上层隔板与下层隔板之间，并在反应罐体内加入氢自养反硝化污泥，倒入待处理的污水，对反应罐体进行密闭；

15、步骤2：向反应罐体内通入氢气，排除溶解氧；

16、步骤3：开始进入反应周期：

17、当总氮去除率达到70％以上时，向反应罐体内添加光催化剂缓释小球，添加量为：在前一次添加总量基础上增加50-150mg/l，降低外部氢气供给量直至反应罐体内氢气总量达到反应氢气最低需求量；

18、步骤4：重复步骤3直至外部氢气供给量为零，完成光催化过程与氢自养反硝化生物过程的耦合，实现污水处理过程的氢气自给。

19、进一步地，所述步骤3中，在反应周期内，光源的光照强度为：200-800mw/cm2。

20、进一步地，所述步骤3中的光催化剂缓释小球的制备方法为：

21、将海藻酸钠、高岭土及fe3o4溶于去离子水，混合搅拌均匀后于90℃加热溶解2小时，冷却至室温得到sa胶状乳液；将光催化剂溶于去离子水中，以sa胶状乳液：光催化剂为1:10～1:5的体积比混合搅匀，利用蠕动泵慢速将光催化材料/sa混合液慢速滴入含5wt％氯化钙的饱和硼酸溶液中，交联反应3～4小时；利用去离子水反复冲洗掉未交联的单体，得到光催化剂缓释小球。

22、本发明的有益效果：

23、本发明利用光催化剂在光照条件下分解水产生的氢气可以供给氢自养反硝化菌，在提升氢自养菌代谢活性的同时，节约能源物质，避免了外界供给氢气的操作隐患，此外还可以通过控制光催化剂投加量及光照强度来控制产氢速率。同时，由光催化剂产生的光生电子可以作为生物可利用的还原等价物，以改善代谢，进一步提高硝酸盐的去除率。

技术特征：

1.一种光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，其特征在于，包括：反应罐体、上层隔板、下层隔板、光催化剂、第一光源、曝气盘和外部氢气瓶；

2.如权利要求1所述的光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，其特征在于，所述中间区域和底部区域的高度占反应罐体内部高度的1/3，和/或所述中间区域的高度占反应罐体内部高度的1/10～1/5。

3.如权利要求1或2中所述的光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，其特征在于，所述上层隔板和下层隔板可拆卸的设置在反应罐体内。

4.如权利要求1所述的光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，其特征在于，光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置还包括：第二光源；第二光源设置于下层隔板朝向光催化剂的一面，对光催化剂施加光照。

5.如权利要求1所述的光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，其特征在于，所述反应罐体侧壁为双层结构，内壁与外壁之间有空腔。

6.如权利要求5所述的光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，其特征在于，所述空腔作为水浴层或填充保温材料。

7.如权利要求1所述的光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，其特征在于，所述光催化剂为光催化剂缓释小球，其中，光催化剂缓释小球通过海藻酸钠乳液与光催化材料混合而成，海藻酸钠乳液与光催化材料的体积比范围为1:10～1:5，海藻酸钠乳液中各组分质量百分比为：海藻酸钠8～15％、高岭土0.5％～1％及fe3o4 0.5％～1％。

8.一种光催化协同氢自养反硝化处理污水的方法，使用如权利要求1-7中任一所述的光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的光催化协同氢自养反硝化处理污水的方法，其特征在于，所述步骤3中，在反应周期内，光源的光照强度为：200-800mw/cm2。

10.如权利要求8所述的光催化协同氢自养反硝化处理污水的方法，其特征在于，所述步骤3中的光催化剂缓释小球的制备方法为：

技术总结本发明公开了一种光催化协同氢自养反硝化处理污水的装置，包括：反应罐体、上层隔板、下层隔板、光催化剂、第一光源、曝气盘和外部氢气瓶；上层隔板和下层隔板沿着反应罐体轴向上下分开的设置在反应罐体内，将反应罐体从顶部至底部分割成三个区域：上层区域、中间区域和底部区域，上层隔板和下层隔板上均开设有透气微孔；光催化剂填充在中间区域中；第一光源设置于上层隔板朝向光催化剂的一面，对光催化剂施加光照；曝气盘设置于反应罐体底部与外部氢气瓶管路连接。本发明利用光催化剂在光照条件下分解水产生的氢气可以供给氢自养反硝化菌，在提升氢自养菌代谢活性的同时，节约能源物质，避免了外界供给氢气的操作隐患。技术研发人员：王秀杰,王乙舒,陈慧萱,杨统一,代洪亮,郭泽冲受保护的技术使用者：江苏科技大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2