一種電化學微生物自養(yǎng)脫氮污水處理方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電化學微生物自養(yǎng)脫氮污水處理方法及系統(tǒng)，包括微生物電解池殼體、密封罩、微生物陽極、微生物陰極和電源，其中，密封罩蓋合在微生物電解池殼體上，構成密閉的空間；微生物陽極和微生物陰極分別與電源的負極和正極連接，所述微生物陽極上富集有短程硝化微生物，所述微生物陰極上富集有反硝化甲烷厭氧氧化微生物；所述微生物電解池殼體的靠近所述微生物陽極的一側設置有進水口，靠近微生物陰極的一側設置有出水口，在微生物陽極和微生物陰極之間且靠近微生物陰極的位置設置有無機碳源投加口。用一個電解池實現(xiàn)了短程硝化?電化學產(chǎn)甲烷?甲烷厭氧氧化的有效耦合，加快了反應傳質效率，占地面積小且基建投資小。
【專利說明】
一種電化學微生物自養(yǎng)脫氮污水處理方法及系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于廢水生物處理領域，具體涉及一種電化學微生物自養(yǎng)脫氮污水處理方法及系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了短程硝化-電化學產(chǎn)甲烷-甲烷厭氧氧化的有效耦合。
【背景技術】
[0002]目前，氨氮廢水處理的主要方法是傳統(tǒng)的硝化-反硝化生物脫氮工藝，但是由于其在反硝化階段需要外加有機碳源并且會產(chǎn)生溫室氣體N2O,因此受到廣泛關注。為了解決這些問題，實現(xiàn)節(jié)能高效的污水處理，近年來出現(xiàn)了許多污水生物脫氮革新工藝。但現(xiàn)有工藝大多致力于工藝參數(shù)優(yōu)化，不僅不能解決溫室氣體排放的問題，同時將不同階段的反應分開進行，占地面積大，增加了投資成本并且會導致反應效率低等問題。
[0003]反硝化型甲烷厭氧氧化(DAMO)工藝消耗了 CH4且沒有N2O的產(chǎn)生，既降低了能耗，又能減少溫室氣體(GHGs)排放，具有顯著環(huán)保優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。但現(xiàn)有工藝多將其和短程硝化分開進行，依舊會導致投資成本高反應效率低的問題。微生物電解池(MicrobialElectrolysis cell，MEC)是近年迅速發(fā)展起來的一種融合了污水處理和產(chǎn)生能源的新技術。近年來，多位研究者報道氨氧化菌(AOB)可以以電極為電子受體完成NH4+的氧化，并生成N02—。此外，集CO2轉化和污水處理于一體的微生物電解池裝置也有報道，其能夠在陰極實現(xiàn)CO2的捕集以及向CH4轉化。但目前MEC在污水處理方面的應用大多集中于陰極產(chǎn)能，采用陰陽極聯(lián)合作用耦合整個生物脫氮過程的系統(tǒng)尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種電化學微生物自養(yǎng)脫氮污水處理方法及系統(tǒng)。該污水處理系統(tǒng)能夠有效耦合短程硝化、電化學產(chǎn)甲烷和反硝化型甲烷厭氧氧化過程，實現(xiàn)了高效經(jīng)濟地生物脫氮。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0006]—種電化學微生物自養(yǎng)脫氮污水處理系統(tǒng)，包括微生物電解池殼體、微生物陽極、微生物陰極和電源，其中，微生物陽極和微生物陰極分別與電源的負極和正極連接，所述微生物陽極上富集有短程硝化微生物，所述微生物陰極上富集有反硝化甲烷厭氧氧化微生物;所述微生物電解池殼體的靠近所述微生物陽極的一側設置有進水口，靠近微生物陰極的一側設置有出水口，在微生物陽極和微生物陰極之間且靠近微生物陰極的位置設置有無機碳源投加口。
[0007]短程硝化是利用硝酸菌和亞硝酸菌的差異、控制硝化反應只進行到NOS—階段，也就是造成大量的N02的累積。
[0008]反硝化甲烷厭氧氧化是以甲烷為電子供體進行反硝化作用，生成氮氣，實現(xiàn)廢水脫氮。
[0009]污水從進水口進入后，在陽極上發(fā)生短程硝化反應，生成大量的N02—，并產(chǎn)生電子，在靠近陰極的位置投加無機碳，無機碳在陰極上接受電子，被還原成甲烷;生成的甲烷和污水中的N02—，在陰極上的反硝化甲烷厭氧氧化微生物的作用下，進行反硝化型甲烷厭氧氧化反應，生成氮氣，進而實現(xiàn)了脫氮。
[0010]優(yōu)選的，所述污水處理系統(tǒng)還包括密封罩，密封罩蓋合在微生物電解池殼體上，構成密閉的空間。
[0011]優(yōu)選的，所述無機碳源為二氧化碳、碳酸氫鹽或碳酸鹽。
[0012]優(yōu)選的，所述進水口和出水口分別設置有用于控制水流量和/或通斷的第一控制閥和第二控制閥。
[0013]優(yōu)選的，所述密封罩上靠近陰極的位置設置有采氣口，采氣口通過氣體收集管與監(jiān)測裝置連接。
[0014]監(jiān)測裝置可以監(jiān)測陰極是否已經(jīng)馴化好。
[0015]優(yōu)選的，所述無機碳源投加口位于所述微生物電解池殼的底部或位于密封罩的頂部。
[0016]當無機碳為二氧化碳時，無機碳投加口位于微生物電解池的底部，當無機碳為固體時，無機碳投加口位于密封罩的頂部。
[0017]優(yōu)選的，所述微生物陰極和無機碳源投加口之間還設置有陰離子交換膜，陰離子交換膜將電解池分割為陽極室和陰極室。
[0018]陰離子交換膜可以使產(chǎn)生的NO〗—順利地轉移到陰極室，同時能將無機碳(如CO2)固定在陰極室，保證了陰極室中0)2的濃度，使CO2充分反應。
[0019]優(yōu)選的，所述微生物電解池殼體上還設置有pH值監(jiān)測探頭。
[0020]優(yōu)選的，所述密封罩上還設置有pH值調節(jié)口，pH值調節(jié)口上設置有調節(jié)管。
[0021 ]優(yōu)選的，所述微生物電解池殼體和密封罩均由透明材質制備而成。
[0022]進一步優(yōu)選的，所述微生物電解池殼體和密封罩均由有機玻璃制備而成。
[0023]優(yōu)選的，所述電源為直流穩(wěn)壓電源。
[0024]優(yōu)選的，所述微生物陽極和微生物陰極分別選自碳布、碳刷、石墨顆粒、石墨棒以及不銹鋼絲網(wǎng)中的一種。
[0025]進一步優(yōu)選的，所述微生物陽極和微生物陰極的表面均分布有導電材料，導電材料分別選自石墨顆粒、碳顆粒和活性炭纖維中的一種或多種。
[0026]進一步優(yōu)選的，所述直流穩(wěn)壓電源為太陽能電源。
[0027]一種電化學微生物自養(yǎng)脫氮污水處理方法，包括如下步驟:
[0028]氨氮廢水在進入電解池后，在微生物陽極的作用下發(fā)生短程硝化作用，生成NO2-;無機碳在微生物陰極的作用下發(fā)生還原反應，生成CH4;N02—和CH4在反硝化甲烷厭氧氧化微生物作用下生成他，實現(xiàn)了氨氮廢水的脫氮。
[0029]優(yōu)選的，陽極室的pH值為7.0?8.0，陰極室的pH值為7.0?7.5。
[0030]優(yōu)選的，所述污水處理方法，還包括陽極微生物的馴化和陰極微生物的馴化。
[0031 ]進一步優(yōu)選的，陽極微生物的馴化方法，包括如下步驟:以污水處理廠活性污泥為接種物，以NH4Cl溶液為培養(yǎng)基，在限氧條件下進行培養(yǎng)馴化，測量NH4+的去除率和NO2-生成量，待檢測到穩(wěn)定的NH4+去除和NO2-生成時，則得到馴化好的短程硝化污泥，將已馴化的短程硝化污泥接種到碳布上，利用計時電流法馴化培養(yǎng)電活性微生物，待檢測到穩(wěn)定的電流產(chǎn)生，并實現(xiàn)穩(wěn)定的NH4+去除和NO2-生成時，陽極微生物馴化成功。
[0032]進一步優(yōu)選的，陰極微生物的馴化方法，包括如下步驟:以污水處理廠厭氧污泥為接種物，以NaNO2溶液為培養(yǎng)基，以CH4為碳源，在厭氧條件下進行培養(yǎng)馴化，以得到馴化好的反硝化型甲烷厭氧氧化污泥，將已馴化的反硝化型甲烷厭氧氧化污泥接種到碳布上，利用計時電流法馴化培養(yǎng)電活性微生物，此時將碳源換為CO2，當檢測到CH4與N2可重復產(chǎn)生，并且NO2-可穩(wěn)定去除時，陰極微生物馴化成功。
[0033]本發(fā)明的有益技術效果為:
[0034](I)本發(fā)明用一個電解池成功實現(xiàn)了短程硝化-電化學產(chǎn)甲烷-甲烷厭氧氧化的有效耦合，將不同的反應過程耦合起來，加快了反應傳質效率，占地面積小且基建投資小。
[0035](2)外加碳源采用無機碳源，減少了有機碳的消耗，降低了成本。
[0036](3)本發(fā)明的污水處理系統(tǒng)避免了N2O的產(chǎn)生，減少了污水處理過程中GHGs的排放。
[0037](4)DAM0微生物具有進行胞外電子傳遞的潛能，MEC系統(tǒng)中外加電壓的存在能夠促進DAMO反應速率。
【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明所述的一種一體化電化學生物膜自養(yǎng)脫氮污水處理系統(tǒng)示意圖；
[0039]圖2為本發(fā)明添加陰離子交換膜的自養(yǎng)脫氮污水處理系統(tǒng)示意圖。
[0040]其中，1、微生物電解池殼體，2、密封罩，3、法蘭，4、橡膠墊，5、進水口，6、微生物陽極，7、導線，8、直流穩(wěn)壓電源，9、微生物陰極，10、無機碳源投加口，11、加料管，12、出水口，13、采氣口，14、陰離子交換膜，15、⑶2曝氣頭，16、第一pH值監(jiān)測探頭，17、第二pH值監(jiān)測探頭，18、第一 pH值調節(jié)口，19、第二 pH值調節(jié)口。
【具體實施方式】
[0041 ] 實施例1
[0042]結合附圖對本系統(tǒng)進行更詳盡的說明:
[0043]參見附圖1，本發(fā)明系統(tǒng)包括微生物密閉厭氧電解殼體I，殼體材料可采用有機玻璃或者聚氯乙烯(PVC)等。電解池靠近陽極的一側具有進水口 5，包括設置于進水口 5處的進水管和用于控制污水進水流量和/或通斷的進水控制閥。待處理污水由進水口5進入電解池內(nèi)，電解池內(nèi)設置有微生物陽極6和微生物陰極9，微生物陽極6所富集的微生物為短程硝化微生物，微生物陰極9所富集的微生物為反硝化型甲烷厭氧氧化微生物，微生物陽極6和微生物陰極9所用材料均可選用碳氈、碳刷、石墨顆粒、石墨棒和不銹鋼絲網(wǎng)中的任意一種。在微生物陽極6處，污水中的冊4+以微生物陽極6為電子受體失電子轉化為N02—并產(chǎn)生質子。微生物陽極6和微生物陰極9通過導線7分別與外接直流穩(wěn)壓電源8的高電位端和低電位端相連。直流穩(wěn)壓電源8為太陽能發(fā)電和輔助電源相結合，平時以太陽能發(fā)電作為直流穩(wěn)壓電源，當太陽能發(fā)電所產(chǎn)生的電能不足以維持微生物電解池運行時，開啟輔助電源。陰陽極之間設有無機碳源投加口 10及其加料管11，該實例以Na2CO3為碳源，從無機碳源投加口 10通過加料管11向電解池中通入Na2CO3溶液，在微生物陰極9的作用下，質子和電子還原C032—合成CH4。微生物陰極9上富集的N-DAMO菌利用產(chǎn)生的NO2-和CH4進行反硝化型甲烷厭氧氧化反應。處理后的污水經(jīng)出水口 12流出，包括設置于出水口 12處的排水管和用于控制排水流量和/或通斷的排水控制閥。反應產(chǎn)生的氣體通過采氣口 13進行收集和分析，包括設置于采氣口 13處的氣體收集管和用于檢測氣體成分和流量的氣體收集裝置和監(jiān)測裝置。
[0044]本發(fā)明所述的一種生物電化學強化反硝化型甲烷厭氧氧化的污水處理系統(tǒng)啟動過程如下:
[0045]生物陽極馴化:以污水處理廠活性污泥為接種物，以NH4Cl溶液為培養(yǎng)基，在限氧條件下進行培養(yǎng)馴化，測量順4+的去除率和NO2-生成量，待檢測到穩(wěn)定的NH4+去除和NO2-生成時，則得到馴化好的短程硝化污泥。將已馴化的短程硝化污泥接種到碳布上，利用計時電流法馴化培養(yǎng)電活性微生物。待檢測到穩(wěn)定的電流產(chǎn)生，并實現(xiàn)穩(wěn)定的NH4+去除和NO2-生成時，標志著生物陽極馴化成功。
[0046]生物陰極馴化:以污水處理廠厭氧污泥為接種物，以NaNO2溶液為培養(yǎng)基，以CH4為碳源，在厭氧條件下進行培養(yǎng)馴化，以得到馴化好的反硝化型甲烷厭氧氧化污泥。將已馴化的反硝化型甲烷厭氧氧化污泥接種到碳布上，利用計時電流法馴化培養(yǎng)電活性微生物。此時將碳源換為CO2，當檢測到014與犯可重復產(chǎn)生，并且NO2-可穩(wěn)定去除時，說明功能微生物篩選成功，生物陰極已經(jīng)形成。
[0047]待生物陽極和生物陰極馴化成功后，即可構建生物電解池，實現(xiàn)短程硝化、電化學產(chǎn)甲烷與反硝化型甲烷厭氧氧化之間的有效耦合。待處理的污水除氧后通過進水口進入電解池中，依次經(jīng)過短程硝化陽極和甲烷厭氧氧化陰極，處理后從出水口流出電解池。陽極表面附著的微生物氧化NH4+產(chǎn)生Ν02—、Η+和電子，產(chǎn)生的H+和電子在陰極處還原無機碳源并產(chǎn)生CH4,陰極表面附著的微生物利用產(chǎn)生的CH4和NO2-進行反硝化型甲烷厭氧氧化反應。
[0048]實施例2
[0049]參見附圖2，與實例I相同，所不同的是該實例以CO2為碳源，因此無機碳源投加口10設置于電解池底部，并在無機碳源投加口 10處設置CO2曝氣頭15。在陰陽極之間設置有陰離子交換膜13，將電解池分割為陽極室和陰極室，以使陽極產(chǎn)生的NO2-順利轉移到陰極進行后續(xù)反應，同時能將CO2固定在陰極室保證其充分反應。在陽極室和陰極室分別設置有第一pH值監(jiān)測探頭16、第二pH值監(jiān)測探頭17、第一pH值調節(jié)口 18和第二pH值調節(jié)口 19，以調節(jié)由于添加陰離子交換膜所造成的陽極室和陰極室PH的變化。電解池采用有機玻璃作為殼體，密封罩2也采用相同的有機玻璃，殼體I和密封罩2通過法蘭3連接，連接處采用橡膠墊4進行密封。待處理的污水經(jīng)除氧后由進水口 5進入電解池，先后經(jīng)過微生物陽極6、陰離子交換膜14和微生物陰極9，經(jīng)出水口 12及設置于出水口處的排水管和用于控制排水流量和/或通斷的排水控制閥流出電解池。反應過程中所產(chǎn)生的氣體經(jīng)由密封罩2上面的采氣口 13及設置于采氣口 13處的氣體收集管和用于檢測氣體成分和流量的氣體收集裝置和監(jiān)測裝置進行收集和分析。微生物陽極6和微生物陰極9的材料均選用不銹鋼絲網(wǎng)，表面導電材料選用活性碳纖維。微生物陽極6和微生物陰極9分別通過導線7與外接直流穩(wěn)壓電源8的高電位端和低電位端相連接，導線7選擇鈦絲做材料，直流穩(wěn)壓電源8為太陽能發(fā)電和輔助電源相結合，平時以太陽能發(fā)電作為直流穩(wěn)壓電源，當太陽能發(fā)電所產(chǎn)生的電能不足以維持微生物電解池運行時，開啟輔助電源。
[0050]實例運行時，待處理污水經(jīng)婦動栗通過進水管由進水口進入陽極室，污水中的NH4+首先以陽極為電子受體失電子轉化為NO〗—并產(chǎn)生H+和電子，反應產(chǎn)生的NO〗—通過陰離子交換膜進入陰極室。在陰極室底部通入CO2進行曝氣，在電壓的作用下CO2被還原合成CH4。陰極上富集的N-DAMO菌利用產(chǎn)生的N02—和CH4進行反硝化型甲烷厭氧氧化。實施例運行過程中，通過PH監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)對陽極室和陰極室的污水pH進行監(jiān)測，并及時通過pH調節(jié)口進行調節(jié)，使陽極室pH始終保持在7.0?8.0，陰極室pH保持在7.0?7.5。
[0051]上述雖然結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1.一種電化學微生物自養(yǎng)脫氮污水處理系統(tǒng)，其特征在于:包括微生物電解池殼體、微生物陽極、微生物陰極和電源，其中，微生物陽極和微生物陰極分別與電源的負極和正極連接，所述微生物陽極上富集有短程硝化微生物，所述微生物陰極上富集有反硝化甲烷厭氧氧化微生物;所述微生物電解池殼體的靠近所述微生物陽極的一側設置有進水口，靠近微生物陰極的一側設置有出水口，在微生物陽極和微生物陰極之間且靠近微生物陰極的位置設置有無機碳源投加口。2.根據(jù)權利要求1所述的污水處理系統(tǒng)，其特征在于:所述污水處理系統(tǒng)還包括密封罩，密封罩蓋合在微生物電解池殼體上，構成密閉的空間。3.根據(jù)權利要求2所述的污水處理系統(tǒng)，其特征在于:所述密封罩上靠近陰極的位置設置有采氣口，采氣口通過氣體收集管與監(jiān)測裝置連接。4.根據(jù)權利要求1所述的污水處理系統(tǒng)，其特征在于:所述微生物陰極和無機碳源投加口之間還設置有陰離子交換膜，陰離子交換膜將電解池分割為陽極室和陰極室。5.根據(jù)權利要求1所述的污水處理系統(tǒng)，其特征在于:所述微生物電解池殼體上還設置有pH值監(jiān)測探頭。6.根據(jù)權利要求2所述的污水處理系統(tǒng)，其特征在于:所述密封罩上還設置有pH值調節(jié)口，PH值調節(jié)口上設置有調節(jié)管。7.根據(jù)權利要求1所述的污水處理系統(tǒng)，其特征在于:所述微生物陽極和微生物陰極分別選自碳布、碳刷、石墨顆粒、石墨棒以及不銹鋼絲網(wǎng)中的一種； 優(yōu)選的，所述微生物陽極和微生物陰極的表面均分布有導電材料，導電材料分別選自石墨顆粒、碳顆粒和活性炭纖維中的一種或多種。8.一種電化學微生物自養(yǎng)脫氮污水處理方法，其特征在于:包括如下步驟: 氨氮廢水在進入電解池后，在微生物陽極的作用下發(fā)生短程硝化作用，生成NO2-;無機碳在微生物陰極的作用下發(fā)生還原反應，生成CH4;N02—和CH4在反硝化甲烷厭氧氧化微生物作用下生成N2,實現(xiàn)了氨氮廢水的脫氮。9.根據(jù)權利要求8所述的污水處理方法，其特征在于:陽極室的pH值為7.0?8.0，陰極室的pH值為7.0?7.5。10.根據(jù)權利要求8所述的污水處理方法，其特征在于:還包括陽極微生物的馴化和陰極微生物的馴化； 優(yōu)選的，陽極微生物的馴化方法，包括如下步驟:以污水處理廠活性污泥為接種物，以NH4Cl溶液為培養(yǎng)基，在限氧條件下進行培養(yǎng)馴化，測量NH4+的去除率和NO2-生成量，待檢測到穩(wěn)定的NH4+去除和NO2-生成時，則得到馴化好的短程硝化污泥，將已馴化的短程硝化污泥接種到碳布上，利用計時電流法馴化培養(yǎng)電活性微生物，待檢測到穩(wěn)定的電流產(chǎn)生，并實現(xiàn)穩(wěn)定的NH4+去除和NO2-生成時，陽極微生物馴化成功； 優(yōu)選的，陰極微生物的馴化方法，包括如下步驟:以污水處理廠厭氧污泥為接種物，以NaNO2溶液為培養(yǎng)基，以CH4為碳源，在厭氧條件下進行培養(yǎng)馴化，以得到馴化好的反硝化型甲烷厭氧氧化污泥，將已馴化的反硝化型甲烷厭氧氧化污泥接種到碳布上，利用計時電流法馴化培養(yǎng)電活性微生物，此時將碳源換為CO2，當檢測到CH4與N2可重復產(chǎn)生，并且N02—可穩(wěn)定去除時，陰極微生物馴化成功。
【文檔編號】C02F3/30GK105906051SQ201610406734
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】胡振, 茹東云, 馬茹, 姜麗萍
【申請人】山東大學