CN102351312B

CN102351312B - 一种生物电化学脱氮反应器及其使用方法

Info

Publication number: CN102351312B
Application number: CN 201110271646
Authority: CN
Inventors: 李大平; 占国强; 陶勇; 张礼霞
Original assignee: Chengdu Institute of Biology of CAS
Current assignee: Chengdu Institute of Biology of CAS
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: CN102351312A

Abstract

本发明属于废水生物处理技术领域，具体涉及一种生物电化学同步硝化反硝化脱氮的反应器及其使用方法。反应器由床体、生物阳极、生物阴极、填料、气体流量计、曝气器、曝气头、循环泵、直流稳压电源构成；生物阴极和生物阳极分别置于反应器内两侧，分别与直流电源的负极和正极连接；填料填充于床体中；曝气头置于床体中上部；床体两端分别设有进水口和出水口，通过循环泵连接循环管路用于内循环；反应器顶部设有排气口，与外界相通。反应器的使用方法为：首先进行阳极氨氧化生物膜挂膜和阴极反硝化生物膜挂膜，挂膜成功后启动反应器；硝化反应与反硝化反应均在溶解氧为0.2mg/L~1.0mg/L条件下完成；外加0.2V-0.5V微电压，维持阴极电势为-100mV~-250mV时进行脱氮反应。本发明具有处理效果好，节能环保，启动快，操作简便等优点。

Description

一种生物电化学脱氮反应器及其使用方法

技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，具体涉及一种生物电化学同步硝化反硝化脱氮的反应器及其使用方法。

技术背景

工农业的迅速发展带来经济增长的同时也导致环境污染，其中氮素污染日趋凸显。传统的生物脱氮技术包含硝化反应和反硝化反应两个阶段。在硝化阶段氨氮在好氧条件下被自养(亚)硝化细菌氧化为(亚)硝态氮；在反硝化阶段，亚硝态氮和硝态氮在厌氧条件下再由异养反硝化细菌还原为氮气，从而实现脱氮。由于自养菌和异养菌的特异性(自养菌在好氧无有机碳条件下生长，异养菌在厌氧有机碳条件下生长)，决定了硝化阶段和反硝化阶段需要分开进行，硝化过程需要脱除大部分有机物后才能实施，而反硝化过程又需要外加有机碳源(甲酸盐、乙酸盐)，这必定会增加实际运行成本。而且，对高C/N的废水而言，由于硝化细菌生长速率较慢，异养菌的大量繁殖抑制了硝化作用；而低C/N废水的脱氮处理中，虽然低有机物浓度有利于硝化作用的进行，但是后期反硝化作用的碳源缺乏严重制约反硝化的进程。

针对低C/N的废水脱氮，一些改进的处理工艺已被提出，如：厌氧氨氧化(ANAMMOX)、短程硝化反硝化(SHARON)、基于亚硝酸盐全自养型脱氮工艺(CANON)、氧限制自养硝化反硝化(OLAND)等，但均存在启动慢、运行条件苛刻等不利因素。自养反硝化是解决碳源不足的有效途径之一，一般分为氢自养和硫自养两类，在无机碳源的条件下将硝态氮脱除，虽然避免了大量污泥的产生，但细菌增殖速率慢，反应启动耗时长。此外，氢自养反硝化存在氢气的溶解度有限、不好运输、易爆炸等问题；而硫自养反硝化会导致出水酸化，需要补充石灰石调节碱度，增加了出水的水质硬度。

随着生物电化学技术的兴起，电极生物膜反应不仅能利用电能，同时还通过电流刺激菌体繁殖，增强某些生理代谢活性，并且易控制，不形成二次污染。专利号为201010201140.7的发明专利公开了一种电化学生物联合脱氮反应器，虽然该装置可以同时去除有机物、氨氮等多种污染，但是仍然是在高电压条件下产生原子态氢和氧，处理较低浓度的氨氮废水。专利号为200510085544.3的发明专利提供了一种处理低碳氮比氨氮类废水的新方法和反应器，在完全自养的条件下，阴极添加硫颗粒，转化98％以上的氨氮为氮气，该发明装置实质上还是限氧亚硝化和硫自养反硝化的串联工艺，操作条件仍很复杂，尤其是硫自养阶段的出水水质难以保证。

发明内容

本发明克服现有氨氮生物脱除过程中需要多反应器串联、启动慢、耗能大、操作条件严格以及反硝化过程中需要添加碳源等缺点，综合利用生物氨氧化和电极生物膜反硝化的优点，通过生物电化学途径，建立一种全自养高效处理低碳氮比氨氮废水的生物电化学同步硝化反硝化脱氮的反应器及其使用方法。

本发明提供的一种生物电化学同步硝化反硝化脱氮的反应器，由床体(12)、生物阳极(2)、生物阴极(3)、填料(4)、气体流量计(5)、曝气器(1)、曝气头(11)、循环泵(6)、直流稳压电源(7)构成；生物阴极和生物阳极分别置于反应器内两侧，分别与直流稳压电源的负极和正极连接；填料填充于床体中；曝气头置于床体中上部；床体两端分别设有进水口(8)和出水口(9)，通过循环泵连接循环管路用于内循环；反应器顶部设有排气口(10)，与外界相通。

反应器床体可由玻璃、陶瓷、塑料、混泥土等绝缘材料制成。

所述阳极可采用碳毡、石墨棒、碳纸、碳刷、钛网等材料。

所述阴极可采用碳毡、石墨棒、碳纸、碳刷、钛网、不锈钢网等材料，优选碳毡。

所述填料包括但不限于活性炭颗粒、玻璃珠、石英砂、陶粒、沸石和无烟煤等。

本发明还提供一种生物电化学同步硝化反硝化脱氮的方法，主要利用生物电化学途径，通过电子传递方式将氨氧化与反硝化进行偶联。在阳极，氨态氮在氨氧化菌群的作用下被氧化为亚硝态氮和硝态氮，同时向电路中提供电子；在阴极，亚硝态氮和硝态氮在反硝化菌群的作用下利用外电路提供的电子被还原成氮气。生物硝化反硝化在同一反应器中进行，实现完全自养同步脱氮。

本发明提供的生物电化学脱氮反应器的使用方法包括以下三个步骤：

(1)电极生物膜驯化

氨氧化生物膜挂膜：将阳极材料放入一个独立的反应器中，接种好氧硝化污泥，维持较低溶解氧，处理稀释一定浓度的垃圾渗滤液，初始氨氮浓度控制在100～120mg/L，并添加适量的NaHCO₃，每天检测三氮(氨氮、亚硝态氮、硝态氮)浓度变化。当氨氮消耗至5～10mg/L时，换液，重新配置氨氮废水，并添加NaHCO₃，连续运行4个星期，直到亚硝化率达到90％，氨氧化处理负荷稳定在0.1～0.12kg/(m³·d)时，说明优势氨氧化菌群已形成，氨氧化生物膜挂好。

反硝化生物膜挂膜：将阴极放入一个独立的反应器中，接种垃圾填埋场厌氧污泥，首先异养富集大量的反硝化细菌，然后逐渐减少有机碳源的量，形成稳定的反硝化生物膜。将反硝化生物膜和上面富集好的氨氧化生物膜同时转入到本发明的反应器中，并且分别连接到直流稳压电源的阴极和阳极，通过外加0.2V的微电压，在反应器启动阶段完成两极生物膜对微电压条件的适应，驯化稳定的电极生物膜。

(2)反应器构建

采用玻璃、陶瓷、塑料、混泥土等绝缘材料制成反应器床体，其两端分别设置进水口和出水口，并设置内循环管路；顶部设有排气口，与外界相通。分别将挂好生物膜的阳极和阴极置入反应器内两侧，并且阳极靠近上层内壁，阴极靠近下层内壁。再在阴阳两极间填入导电-绝缘混合载体材料，此材料一方面有利于微生物的附着生长，另一方面可减小传质阻力而又避免短路。最后，将阳极和阴极分别用导线接入直流稳压电源的正极和负极；将反应器的进水口和出水口通过循环管路接入循环泵。

(3)反应器的启动与运行

向反应器中注入氨氮废水后，通过曝气器向反应器中曝入一定空气，调节气体流量计维持溶解氧在0.2mg/L～1.0mg/L，调节直流稳压电源使得输出电压恒定，调节循环泵控制内循环流速，定时检测出水口氨态氮、亚硝态氮、硝态氮以及总氮的变化。

所述废水氨氮含量为20mg/L～2000mg/L。

所述脱氮过程中通过直流稳压电源提供电压为0.1V～0.5V，此时阴极电势维持在-100mV～-250mV。

所述脱氮反应器中硝化反应与反硝化反应均在溶解氧为0.2mg/L～1.0mg/L条件下完成。

与传统脱氮技术以及已有改进的脱氮工艺相比，本发明具有如下优点：

(1)将生物氨氧化和电极生物膜反硝化脱氮偶联，完全实现氨氮污染的自养脱去；

(2)整个反应过程无需添加有机碳源物质；

(3)将硝化消耗碱度和反硝化提供碱度有机结合，体系pH波动不大。

(4)采用微曝气，维持溶解氧≤1.0mg/L，确保氨氧化顺利进行；

(5)外加电压小(≤0.5V)，通过三维体系可以实现较大电流；

附图说明

附图为生物电化学脱氮反应器的示意图；其中(1)为曝气器；(2)为生物阳极；(3)为生物阴极；(4)为混合填料；(5)为气体流量计；(6)为循环泵；(7)为直流稳压电源；(8)为进水口；(9)为出水口；(10)为排气口；(11)为曝气头；(12)为床体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步详细说明本发明。

实施例1：

(1)电极生物膜驯化

氨氧化生物膜挂膜：将一块8cmx15cm的碳毡电极放入一个独立的反应器中，接种好氧硝化污泥，维持较低溶解氧，处理稀释一定浓度的垃圾渗滤液，初始氨氮浓度为105mg/L，并添加2.0g/L的NaHCO₃，每天检测三氮(氨态氮、亚硝态氮、硝态氮)浓度变化。当氨氮消耗至5～10mg/L时，换液，重新配置氨氮废水，并添加NaHCO₃，连续运行4个星期，直到亚硝化率达到90％，氨氧化处理负荷稳定在0.1～0.12kg/(m³·d)时，说明优势氨氧化菌群已形成，氨氧化生物膜挂好。

反硝化生物膜挂膜：将一块8cmx15cm的碳毡电极放入一个独立的反应器中，接种垃圾填埋场厌氧污泥，首先异养富集大量的反硝化细菌，然后逐渐减少有机碳源的量，形成稳定的反硝化生物膜。将反硝化生物膜和上面富集好的氨氧化生物膜同时转入到本发明的反应器中，并且分别连接到直流稳压电源的阴极和阳极，通过外加0.2V的微电压，在反应器启动阶段完成两极生物膜对微电压条件的适应，驯化稳定的电极生物膜。

(2)反应器构建

本实施例构建的生物电化学同步硝化反硝化脱氮反应器如图1所示，主要包括床体(12)、曝气器1、生物阳极2、生物阴极3、混合填料4、气体流量计5、循环泵6、直流稳压电源7。反应器床体由一个长宽高分别为15cm x 5.5cm x 17cm的有机玻璃长方体构成，其两端分别设有进水口8和出水口9，通过循环泵6连接循环管路用于内循环；反应器顶部设有排气口10，与外界相通。分别将挂好氨氧化生物膜的生物阳极2和挂好反硝化生物膜的生物阴极3置入反应器内两侧，并将生物阳极和生物阴极分别用导线接入直流稳压电源7的正极和负极。再在阴阳两极间填充由活性炭颗粒和玻璃珠组成的混合填料4，活性炭颗粒和玻璃珠体积比例为1∶3，填上填料后反应器实际有效容积为0.5L。

(3)反应器的启动与运行

向反应器中注入51mg/L氨氮废水后，通过曝气器向反应器中曝入一定空气，调节气体流量计维持溶解氧在0.2mg/L～1.0mg/L，调节直流稳压电源使得输出电压恒定0.2V，调节恒流泵控制内循环流速为500ml/d，定时检测出水口氨态氮、亚硝态氮、硝态氮以及总氮的变化。经过3天的处理后水质如表1所示。

表1实施例1处理后的水质

实施例2：本实施例构建的反应器及脱氮方法与实例1基本相同，不同的是废水中初始氨氮浓度为100mg/L，经过3天处理后水质如表2所示。

表2实施例2处理后的水质

实施例3：本实施例构建的反应器及脱氮方法同实例1基本相同，不同的是废水中初始氨氮浓度为150mg/L，通过5天处理后水质如表3所示。

表3实施例3处理后的水质

实施例4：本实施例构建的反应器及脱氮方法同实例1基本相同，不同的是废水中初始氨氮浓度为200mg/L，通过5天处理后水质如表4所示。

表4实施例4处理后的水质

实施例5：本实施例构建的反应器及脱氮方法同实例4基本相同，不同的是外加恒定电压为0.3V，通过5天处理后水质如表5所示。

表5实施例5处理后的水质

实施例6：本实施例构建的反应器及脱氮方法同实例4基本相同，不同的是外加恒定电压为0.4V，通过5天处理后水质如表6所示。

表6实施例6处理后的水质

实施例7：本实施例构建的反应器及脱氮方法同实例4基本相同，不同的是当氨氮转化50％～60％以后，立即停止微曝气，并且关闭反应器顶部的排气口，以减少氧气对反硝化的干扰，通过7天内循环，处理后水质如表7所示。

表7实施例7处理后的水质

Claims

1.一种生物电化学脱氮反应器，其特征在于反应器由床体（12）、生物阳极（2）、生物阴极（3）、填料（4）、气体流量计（5）、曝气器（1）、曝气头（11）、循环泵（6）、直流稳压电源（7）构成；生物阴极和生物阳极分别置于反应器内两侧，分别与直流电源的负极和正极连接；填料填充于床体中；曝气头置于床体中上部；床体两端分别设有进水口（8）和出水口（9），通过循环泵连接循环管路用于内循环；反应器顶部设有排气口（10），与外界相通。

2.根据权利要求1所述的生物电化学脱氮反应器，其特征是：所述反应器床体由绝缘材料有机玻璃或塑料或陶瓷或混凝土制成；阳极由碳毡或石墨棒或碳纸或碳刷或钛网制成；阴极由碳毡或石墨棒或碳纸或碳刷或钛网或不锈钢网材料制成；填料由活性炭颗粒和绝缘粒子组成，活性炭颗粒和绝缘粒子的体积比为1:1～1:5。

3.根据权利要求2所述的生物电化学脱氮反应器，其特征是：所述绝缘粒子为玻璃珠或沸石或石英砂或陶粒或无烟煤。

4.权利要求1所述的生物电化学脱氮反应器的使用方法，其特征是包括以下步骤：

（1）电极生物膜驯化：

氨氧化生物膜挂膜：将阳极材料放入一个独立的反应器中，接种好氧硝化污泥，维持较低溶解氧，处理稀释一定浓度的垃圾渗滤液，初始氨氮浓度控制在100～120mg/L,并添加适量的NaHCO₃，每天检测氨氮、亚硝态氮、硝态氮的浓度变化，当氨氮消耗至5～10mg/L时，换液，重新配置氨氮废水，并添加NaHCO₃,连续运行4个星期，直到亚硝化率达到90%，氨氧化处理负荷稳定在0.1～0.12kg/m³·d时，说明优势氨氧化菌群已形成，氨氧化生物膜挂好；

反硝化生物膜挂膜：将阴极放入一个独立的反应器中，接种垃圾填埋场厌氧污泥，首先异养富集大量的反硝化细菌，然后逐渐减少有机碳源的量，形成稳定的反硝化生物膜；将反硝化生物膜和上面富集好的氨氧化生物膜同时转入到所述生物电化学脱氮反应器中，并且分别连接到直流稳压电源的阴极和阳极，通过外加0.1-0.5V的微电压，在反应器启动阶段完成两极生物膜对微电压条件的适应，驯化稳定的电极生物膜；

（2）反应器构建：采用绝缘材料玻璃、陶瓷、塑料、混泥土制作反应器床体，其两端分别设置进水口和出水口，并设置内循环管路；顶部设置排气口，与外界相通；分别将挂好生物膜的阳极和阴极置入反应器内两侧，并且阳极靠近上层内壁，阴极靠近下层内壁；再在阴阳两极间填入导电-绝缘混合载体材料；最后，将阳极和阴极分别用导线接入直流稳压电源的正极和负极；将反应器的进水口和出水口通过循环管路接入循环泵；

（3）反应器的启动与运行：向反应器中注入氨氮含量为20mg/L～2000mg/L的氨氮废水后，通过曝气器向反应器中曝入一定空气，调节气体流量计维持溶解氧在0.2mg/L～1.0mg/L,调节直流稳压电源使得输出电压恒定，调节循环泵控制内循环流速，定时检测出水口氨态氮、亚硝态氮、硝态氮以及总氮的变化；脱氮过程中通过直流稳压电源提供电压为0.1V～0.5V，此时阴极电势维持在-100mV～-250mV。

5.权利要求1所述生物电化学脱氮反应器在低碳氮比氨氮废水生物脱氮中的用途。