CN102336472B

CN102336472B - 一种电增强厌氧氨氧化反应装置

Info

Publication number: CN102336472B
Application number: CN2011102664766A
Authority: CN
Inventors: 全燮; 张耀斌; 张景新; 李杨; 陈硕
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: CN102336472A

Abstract

一种电增强-厌氧氨氧化反应装置，属于水处理技术领域。它包括一个圆柱型的厌氧氨氧化反应器，其内部安装有两枚电极，阳极为管状铁电极，阴极为圆柱型石墨电极，电极通过导线与外置直流稳压电源连接。电极长度为反应器有效高度的30%-40%，电极插入最低位置为反应器有效高度的1/2处。在外加电压的作用下（最优电压0.6V，电流小于5mA）阳极铁溶出得到有效调控，促进了厌氧氨氧化菌的生长。小试实验结果表明：电化学作用与生物处理过程的耦合强化了厌氧氨氧化菌的脱氮效率同时增强了对ANAMMOX过程副产物硝酸盐氮的去除，较参比反应器具有更高的总氮去除效率。实现了缩短ANAMMOX工艺的启动时间，有效提高了ANAMMOX过程的总氮去除能力。

Description

一种电增强厌氧氨氧化反应装置

技术领域

本发明涉及一种环保设备，特别是水处理环保设备。

背景技术

厌氧氨氧化技术是一种新颖高效的污水脱氮技术。在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体，直接将亚硝酸盐氮转化为氮气从而完成脱氮过程。与传统的脱氮工艺相比，它具有低能耗、不需外加碳源、剩余污泥产量少等特点。该工艺不仅对一般含氮废水具有较好的脱氮效果，而且在低碳氮比、高氨氮浓度的废水处理中(如：厌氧消化液、垃圾渗滤液等)也具有独特优势。尽管如此，厌氧氨氧化技术在实际废水处理中的应用仍然很少，主要原因是厌氧氨氧化菌的繁殖速率非常慢(一般为11天左右)，而且它对环境因素的变化极为敏感如溶解氧、温度、pH、有机物浓度等。因此厌氧氨氧化菌作为严格厌氧自养型微生物很难在工程化应用中被成功培养并富集。

近年来，很多方法被尝试用于富集培养厌氧氨氧化菌。例如：选取不同种类污泥作为接种对象来富集培养Anammox菌(厌氧污泥、好氧污泥、厌氧好氧混合污泥等)；设计不同形式的反应器用于富集Anammox菌并减少污泥流失如：序批式活性污泥反应器(SBR)、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧复合床(UBF)和膜生物反应器(MBR)等。由于不同地域不同环境的污泥性质差异较大，所以选取不同接种污泥富集Anammox菌具有随机性，很难有明确的选择标准。通过设计不同反应器类型对Anammox菌进行富集培养虽取得一定成效但其大都是通过提高污泥持留性能并不能从根本上加快Anammox菌的生长速率。而且针对现在已有的一些污水处理厂，污水处理工艺已固定，通过改变反应设备结构使其成为具有高效污泥持留能力的反应器较困难。

厌氧氨氧化菌富含大量血红素，赋予其明显的血红色外观。现在多以其鲜红色外观指标，来判断和筛选高效厌氧氨氧化菌。血红素C是多种参与厌氧氨氧化反应酶(如：羟胺氧环酶，联氨氧还酶等)的重要组成部分，它对厌氧氨氧化菌高的脱氮活性具有重要作用。其中铁是血红素C的重要组成部分，据报道，二价铁离子的加入可以明显提高厌氧氨氧化菌内血红素含量，加速了厌氧氨氧化菌的生长速率从而提高了厌氧氨氧化菌的生物富集效率。然而通过投加铁盐如：FeSO₄、FeCl₂等会引入一些不必要的阴离子，长期投加可能会对自身或后续处理工艺带来影响。我们在前期工作中，将零价铁置于厌氧反应器中，通过微电极作用零价铁可以缓慢释放出亚铁离子，其可以有效压缩胶体污泥的双电层，降低zeta电位，使微生物得到有效富集。同时，零价铁还可以显著降低体系氧化还原电位，为厌氧微生物的生长提供有利环境。然而，区别于一般的以去除有机物为主的厌氧产酸产甲烷体系，厌氧氨氧化过程是以去除氨氮为主要目的，其过程是个产碱反应，在中性或偏碱性的环境中铁离子释放受到一定程度的限制。随着反应器长时间的运行，微生物会附着在铁表面，还可能会进一步影响零价铁反应的发生甚至造成铁层堵塞。

针对以上问题，我们在本专利技术中直接将铁-石墨对电极插入到上流式厌氧氨氧化反应器中设置阳极为铁电极，阴极为石墨电极。一方面可以通过外加电场的作用(电压低于0.8V，电流小于5mA)有效加强和调控铁的释放，为厌氧氨氧化菌提供足够的铁基质，促进厌氧氨氧化菌的生长。另一个方面，微电流可以促进污染物的氧化还原过程，提高微生物的降解能力，同时在特定的电场中还会产生电催化作用，促进生物酶反应。除此之外，电极过程还能有效去除体系中可能存在的微量氧，降低氧化还原电位，提高厌氧氨氧化菌的生物活性，从而增加氮的去除效率。外电场还很有可能在提高厌氧氨氧化菌新陈代谢能力的同时还原厌氧氨氧化过程中产生的副产物硝酸盐氮，进而解决出水中硝酸盐氮存留的问题。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种电强化厌氧氨氧化反应器，在厌氧氨氧化反应器内直接加入铁-石墨电极，铁设置为阳极，石墨设置为阴极，在一定的外加电压作用下，铁电极发生阳极腐蚀作用释放出二价铁离子，维持了体系中充足的铁基质浓度，促进了厌氧氨氧化菌的生长。阴极表面包裹的一层石墨碳毡有助于微生物在其上的附着，其产生的电子可以被微生物用以还原水体中的污染物。将电极置于厌氧氨氧化反应器内可产生微电场作用，特定的电场可能激活或增强某些酶的活性，从而促进微生物对污染物的降解能力。同时，电化学反应过程可以降低氧化还原电位，促进污染物氧化还原过程，提高微生物的生物降解能力，从而实现厌氧氨氧化过程的快速启动。

本发明采用的技术方案是：一种电增强厌氧氨氧化反应装置，它包括一个圆柱形的上流式厌氧氨氧化反应器，这个反应器内底部设有布水器，上部设有微孔圆板，它的底部通过进水管道与进水泵连接，出水口通往沉淀池。该反应器外部设有保温层。水箱通过冷水泵与该反应器底部相连。加热器的一端反应器上部的接头相连，而另一端通过热水泵与所述反应器下部的接头相连。在出水口偏下位置连通管道经循环泵与反应器底部相连。在反应器的中部安置管状铁电极做为阴极，并安置圆柱棒状石墨电极做为阳极，二电极通过导线与外置直流稳压电源相连。两电极插入到所述反应器位置的最低处为该反应器有效高度H的1/2。电极长度为反应器有效高度H的30％-40％。圆管铁电极靠近反应器内壁，石墨棒电极与圆管铁电极同轴安装。石墨棒电极外包裹含有石墨成分的碳毡。外部直流稳压电源电压小于0.8V，最佳电压为0.6V，电流小于5mA。

通过采用以上技术方案，一方面可以通过外加电场的作用(电压低于0.8V，电流小于5mA)有效加强和调控铁的释放，为厌氧氨氧化菌提供足够的铁基质，促进厌氧氨氧化菌的生长。另一个方面，微电流可以促进污染物的氧化还原过程，提高微生物的降解能力，同时在特定的电场中还会产生电催化作用，促进生物酶反应。除此之外，电极过程还能有效去除体系中可能存在的微量氧，降低氧化还原电位，提高厌氧氨氧化菌的生物活性，从而增加氮的去除效率。外电场还很有可能在提高厌氧氨氧化菌新陈代谢能力的同时还原厌氧氨氧化过程中产生的副产物硝酸盐氮，进而解决出水中硝酸盐氮存留的问题。

本发明的有益效果是：在厌氧氨氧化反应器内部安置两枚电极，通过导线与外部直流电源相连接，通过电压的变化可以有效调控阳极铁的溶出量，促进厌氧氨氧化菌的生长。同时阴极产生的电子也可以被微生物利用用以还原 Anammox反应的副产物硝酸盐氮。该反应器结构简单，操作容易，置换方便，电极长度及形状可以根据原有的不同反应器类型进行设计，对目前已有的污水处理设备进行升级改造具有深远的意义。同时，以铁电极为阳极的双电极体系与厌氧氨氧化反应器的耦合促进了厌氧氨氧化菌的生长，加速了污染物中氮去除速率，实现了反应器的快速启动及稳定运行。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明一种电增强厌氧氨氧化反应装置结构示意图

具体实施方式

图1表示出一种电强化厌氧氨氧化反应装置结构示意图。该装置为一圆柱型上流式厌氧氨氧化反应器1，壳体部分由有机玻璃制造而成，其内径为6cm，高为26cm，有效容积为0.7L。反应器由下到上依次设置有布水器9、铁电极7做为阳极，石墨电极8做为阴极，微孔圆板11。外部具有控温用热水套3。圆管铁电极7靠近反应器1的内壁，石墨棒电极8与圆管铁电极7同轴安装。石墨棒电极外还包裹有一层具有良好导电能力和生物附着能力的含石墨成分的碳毡13。电极通过导线与外部直流稳压电源6相连接。水箱14中的污水通过冷水泵2由反应器1的底部进入，依次经过布水器9、铁-石墨电极7、8区域、微孔圆板11出水进入沉淀池12后排放，在沉淀池12中的污泥可以被重新回流到反应器内或直接排放。在在出水口偏下位置连通管道17经循环泵10与反应器1底部相连，具有稀释进水、促进污泥与污水之间的充分接触、使电极释放的铁离子与污泥充分混匀等作用。反应器外部设有保温层3，通过一个加热器5和热水循环泵4经管道与保温套的上下出口16与此15连接。整个反应器外部包裹有一层黑布，使整个反应体系处于无光的条件下，防止光对厌氧氨氧化菌产生负面作用。

将电极垂直插入到厌氧氨氧化反应器内，通过外置直流稳压电源调节电压。阴极包裹一层具有良好导电能力和生物附着能力的含石墨成分的碳毡，有助于微生物附着生长并直接利用阴极释放的电子，促进污染物的还原。在低电压下 (≤0.6V)，电流小于5mA，促进生物处理过程，同时加速了铁阳极腐蚀速率及铁释放量。两电极插入到位置的最低处为反应器1有效高度H的1/2处，电极长度为反应器1有效高度H的30％-40％，圆管铁电极靠近反应器内壁，石墨棒电极位于圆管的中央位置，使污水完全通过电极区域。

上述电强化厌氧氨氧化反应器的工作过程如下：污水通过进水泵2从底部进入厌氧氨氧化反应器1的布水器9，污水与污泥均匀混合，此时出水口下端的污水通过管道17，回流泵10回流到底部稀释进水提高了上升流速促进了泥水之间的传质效率。随后污水逐渐上升通过电极区域，在电场、阳极铁溶出及部分悬浮微生物的耦合作用下污染物进一步被降解最终到达出水口，而后进入沉淀池12。

上述技术方案的指导思想是：在厌氧氨氧化反应器的中部设置一段双电极区域，这不是厌氧氨氧化反应器和电极过程的简单加和，而是形成以下耦合作用：(1)阳极氧化作用和阴极还原作用可与生物降解过程耦合，加速污染物的氧化还原降解。(2)外加电压的作用可以有效加速阳极铁溶出，促进厌氧氨氧化菌的生长。(3)溶出的铁离子可以提高厌氧氨氧化污泥的沉降性能，增强污泥的持留时间，使厌氧氨氧化菌更有效的富集。(4)附着在阴极表面的微生物可以利用阴极产生的电子还原厌氧氨氧化过程产生的副产物硝酸盐氮，从而解决厌氧氨氧化工艺出水硝酸盐氮残留的问题。同时还解决了有氧条件下铁易生锈及中性偏碱条件下铁不易溶出等问题。

将上述电增强厌氧氨氧化反应器进行小试试验，采用以硫酸铵和亚硝酸钠为氮源的合成废水进行反应器的启动。当出水氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于20mg/L时提高进水氮负荷。在反应器启动的前13天，进水总氮由80mg N/l/day升高到150mg N/l/day，此时R1中的总氮去除量升高为106.9mg N/l/day，R2中的总氮去除率与R1相近。在随后的近四个月的运行中，R1中的氨氮和亚硝酸盐氮的去除速率明显高于R2，因此其进水氮负荷提升较快。在第125天时，R1的进水总氮负荷提升至1300mg N/l/day，其总氮去除量达到了1209.6mg N/l/day(氨氮609.9mg N/l/day，亚硝酸盐氮638.4mg N/l/day)，明显高于R2的进水总氮负荷(1100mg N/l/day)及总氮去除量973.3mg N/l/day(氨氮493.9mg N/l/day，亚硝酸盐氮524.2mg N/l/day)。显然，电增强厌氧氨氧化反应器具备更高的氮去除能力，铁-石墨电极的加入加速了反应器的启动过程。同时经过计算可得在R1反应器中厌氧氨氧化过程生成的硝酸盐氮量与反应过程去除的氨氮的量之摩尔比为0.08，明显低于R2的0.18，电极的加入使厌氧氨氧化过程产生的副产物得到了明显去除。反应器运行125天后，取出两反应器内的污泥进行扫描电镜观察，可见R1中厌氧氨氧化菌群聚集的较为致密，而R2反应器种菌群聚集的较为松散，两反应器中优势菌种均表现为球菌和椭球菌。同时，R1中的厌氧氨氧化菌所含的血红素含量明显高于R2。血红素含量的增高与厌氧氨氧化菌数量的增加有密切关系，它与R1中较高的氮去除表现相吻合。

Claims

1.一种电增强厌氧氨氧化反应装置，包括一个圆柱形的上流式厌氧氨氧化反应器（1），所述反应器（1）内底部设有布水器（9），上部设有微孔圆板（11），该反应器（1）底部通过进水管道与冷水泵（2）连接，而出水口通往沉淀池（12），该反应器外部设有保温层(3)，水箱（14）通过冷水泵（2）与所述反应器（1）底部相连；加热器（5）的一端与所述反应器（1）上部的接头（16）相连，而另一端通过热水泵（4）与所述反应器（1）下部的接头（15）相连，在出水口偏下位置连通管道（17）经循环泵（10）与反应器（1）底部相连，在所述反应器（1）中部安置管状铁电极(7)做为阳极，并安置圆柱石墨棒电极（8）做为阴极，两电极通过导线与外部直流稳压电源(6)相连，其特征在于：所述管状铁电极（7）靠近所述反应器（1）内壁，所述石墨棒电极（8）与所述管状铁电极（7）同轴安装，其特征在于：所述石墨棒电极（8）外部包裹含有石墨成分的碳毡（13）。

2.根据权利要求1所述的电增强厌氧氨氧化反应装置，其特征在于：两电极插入到所述反应器（1）位置的最低处为该反应器（1）有效高度H的1/2。

3.根据权利要求1或2所述的电增强厌氧氨氧化反应装置，其特征在于：两电极长度为所述反应器（1）有效高度H的30%-40%。

4.根据权利要求1所述的电增强厌氧氨氧化反应装置，其特征在于：所述外部直流稳压电源（6）电压小于0.8V。

5.根据权利要求4所述的电增强厌氧氨氧化反应装置，其特征在于：所述外部直流稳压电源（6）最佳电压为0.6V。

6.根据权利要求4或5所述的电增强厌氧氨氧化反应装置，其特征在于：所述外部直流稳压电源（6）电流小于5mA。