[实用新型]一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种甲烷氧化-反硝化反应器，尤其涉及一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器及其方法。 

背景技术

甲烷（CH₄）是一种仅次于CO₂的重要温室气体，其全球增温潜能是CO₂的20~30倍，其对温室效应的综合贡献率高达22%。根据IPCC组织估计，2000年全球甲烷排放总量为3×10¹¹kg。令人警惕的是，甲烷的年均排放量有逐年增加的趋势。因此，有效削减甲烷排放量，对遏制全球变暖趋势有着举足轻重的作用。此外，甲烷是一种热值较高的清洁能源，也是一种新颖的气态碳源。所以，将全球变暖的第二大“罪魁祸首”甲烷，转化为清洁能源或新颖气态碳源加以利用，符合人类社会可持续发展的要求，具有光明的应用前景。 

随着人类社会的发展，地下水受到了较大规模、较大程度的污染，硝酸盐污染便是其中的一个重要方面。早在上世纪60年代，美国、欧洲、英国、法国、荷兰和俄罗斯等国家和地区便陆续出现了地下水硝酸盐污染的相关报道。自上世纪80年代开始，我国的成都、长春和西安等城市，也陆续出现了地下水硝酸盐含量大面积超标的报道。我国水资源公报2000年的统计显示，各地区地下水的主要超标组分是硝酸盐和亚硝酸盐；总的来看，“三北”地区地下水硝酸盐污染最为严重。由此可见，硝酸盐已成了世界范围内地下水最普遍的污染因子，且其污染程度在不断增加。因此，地下水硝酸盐污染的控制与治理已迫在眉睫。 

现有科学研究表明，生物反硝化是去除地下水硝酸污染的最经济、最有效的方法。生物反硝化是厌氧反硝化菌在厌氧或缺氧条件下，以各类有机物为电子供体，将硝酸盐或亚硝酸盐转化为N₂或N₂O，同时将有机物转化为CO₂的复杂生化过程。根据此原理，要驱使反硝化菌进行反硝化作用，必须向其提供有机物作为电子受体。但是，地下水的主要污染因子是硝酸盐，有机物含量很低，基本处于寡营养状态。因此，要完成地下水的反硝化脱氮过程，必须向地下水提供有机物等外加碳源。 

甲醇因其廉价易得且容易为微生物吸收利用，被广泛用作城市污水脱氮过程的外加碳源。但是，甲醇的投加量需要严格控制，除了成本因素以外，还要考虑其在高浓度甲醇对微生物的抑制作用，以及剩余甲醇造成水体的二次污染等问题。为此，科技工作者将目光投向了甲烷，并开展了大量的研究。甲烷是一种容易获得气态碳源，在垃圾填埋场、厌氧消化反应器以及沼气罐里均可获得，且其价格较为低廉。此外，甲烷在常温下是一种气体，未被利用的甲烷可直接从体系中溢出，不会造成水体的二次污染。 

早在上世纪70年代，国外就出现了以甲烷为碳源进行废水反硝化的相关研究。但是，该技术至今未能走向大规模应用。其主要原因有以下两点：1）甲烷在水体中的溶解度很低，供应的甲烷利用率很低，造成实际供应量远大于理论供应量。在降低此技术的经济性的同时，也向环境排放了大量的未利用的温室气体甲烷，降低了此技术的环境效益。2）甲烷不是被作为直接碳源利用，而是将其氧化为甲醇和甲酸等有机物后再利用。因此，除了要向体系供应甲烷气体外，还要向体系供应氧气或空气。甲烷和氧气的混合供应，则会带来爆炸的风险。未利用的甲烷在外溢的过程中，由于其甲烷含量较低，不能将其作为能源再利用，且伴随有爆炸的风险。 

本实用新型即是为解决上述问题而提出的。与现有甲烷氧化-反硝化反应器相比，一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器具有明显的优势：1）甲烷与氧气分别供应，消除了混合供应所带来的爆炸风险，提高了反应器运行的安全性。2）甲烷区域氧气区以隔板相对分割，有利于优化甲烷氧化菌和反硝化菌的空间分布，有利于实现甲烷氧化与反硝化两个过程的衔接与配合，提升系统的脱氮除碳性能。3）甲烷区出气中甲烷的体积分数不低于75%，可直接燃烧以获取能源，实现了资源的最大化利用；4）氧气区出气中甲烷体积分数低于爆炸限，且对大气造成的温室效应极弱，可以直接排放至周围环境。 

发明内容

本实用新型目的是克服现有反应器的缺陷，提供一种分割式甲烷氧化-反硝化反应器及其方法，以避免混合供应甲烷和氧气带来的爆炸风险，并将未被微生物利用的甲烷作为燃料再利用。