CN102381758B - 一种同步产电去除地下水硝酸盐的水处理工艺及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理工艺与装置。该装置由阳极室、阳离子交换膜、阴极室、阴离子交换膜、地下水室和外电路等6部分组成，阳极室和阴极室分别富集产电微生物和自养反硝化微生物；阳极室产电微生物分解污水中污染物产生的电子电子经阳极、外电路传递到阴极；地下水室中的硝酸根穿过阴离子交换膜进入阴极室，被自养反硝化微生物还原为氮气，地下水中的碳酸根等阴离子可作为自养反硝化微生物生长的碳源；离子交换膜孔隙极小，可防止微生物污染地下水。本发明所述工艺简单、易操作、能耗低、效率高、运行费用低、无二次污染；所述装置结构简单，便于扩大化工业生产与应用。

Description

一种同步产电去除地下水硝酸盐的水处理工艺及装置
技术领域
本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理工艺与装置。
背景技术
地下水是贮存于包气带以下地层空隙，包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水，是水资源的重要组成部分。由于地下水的水量稳定、水质好，它不仅是农业灌溉、工业生产的重要水源之一，更是人类的重要饮用水源，据统计，我国约有 70 %的人口以地下水为主要饮用水源。但是，大量含氮废水随着工农业的发展而被排入自然水体并进入地下水中，造成了地下水的硝酸盐污染。尽管硝酸盐本身对人体没有危害，但在人体内有可能经硝酸盐还原菌作用变成亚硝酸盐，从而引起高铁血红蛋白症，或形成致癌物质亚硝基胺或其化合物使消化器官致癌，对人体健康构成威胁。为了应对地下水的硝酸盐污染，研究者提出了生物法、化学催化还原法、物理化学分离法等工艺，但这些工艺会造成二次污染，或者成本较高。
微生物燃料电池是近年来发展迅速的一种污水处理新技术，由阳极室、分隔膜和阴极室组成。在阳极室中，生长于阳极材料上的产电微生物在分解污水中污染物的同时将其化学能转化成电能并将电子转移到电极上；在阴极室中，电子受体通过消耗阳极室产生的电子，常用的电子受体是氧气或铁氰化钾。硝酸盐的还原过程通常也被称为反硝化，是正5价的氮获得电子被还原的过程，这一过程在催化剂或微生物的作用下都可以进行。我们在阴极室的电极材料上驯化自养反硝化微生物，它们利用阳极室产生的电子将硝酸盐还原为氮气，且不需要额外提供有机碳源；此外，我们在阴极室的另一侧增加一个地下水室，并以阴离子交换膜将其与阴极室隔开，在这个地下水室内加入被硝酸盐污染的地下水，硝酸盐在离子梯度下会通过阴离子交换膜进入阴极室并在微生物的反硝化作用下被还原为氮气，同时地下水中的碳酸根和碳酸氢根离子也会通过阴离子交换膜进入阴极室，从而作为自养反硝化微生物生长的碳源，由于离子交换膜的分隔作用，自养反硝化微生物不会进入地下水中造成生物污染。利用该反应器，不仅实现了污水处理和产电，而且去除了地下水中的硝酸盐污染。
发明内容
本发明以微生物燃料电池和自养反硝化微生物为基础，目的在于利用微生物燃料电池同时实现处理污水、产电和去除硝酸盐。本发明提供了一种同步处理污水产电去除地下水硝酸盐的水处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（a）按照附图1安装设备；
（b）污水进入阳极室A，阳极2上的产电微生物1将污水中的污染物氧化并产生电子传递给阳极2，MFC外电路的电流方向为从阴极5流向阳极2；
（c）微生物燃料电池内电路的电流方向为从阳极2流向阴极5，阳极室A中的阳离子穿过阳离子交换膜3进入阴极室B；
（d）地下水室C中加入待处理的硝酸盐污染地下水，由于与阴极室B存在较大的离子梯度，硝酸根离子会穿过阴离子交换膜6进入阴极室B，而电子经由导线和外电阻7传递至阴极5并进一步传递给自养反硝化微生物4，使硝酸根离子在自养反硝化微生物4的作用下被还原为氮气，完成产电过程和硝酸盐的反硝化；
（e）由于硝酸根离子不断被还原，硝酸根离子在离子梯度的驱动下会不断由地下水室C进入阴极室B，此外，地下水中的碳酸根和碳酸氢根离子也会穿过阴离子交换膜6进入阴极室B作为自养反硝化微生物4生长的碳源。
所述污水为可生化处理的有机废水。
所述产电微生物为驯化的混合微生物菌群，其优化的产电条件为：温度25～40oC，pH值8～10，溶解氧浓度<0.2mg/L。
所述的自养反硝化微生物的优化生长条件为：温度25～35oC，pH值8～10，溶解氧浓度为0.1～0.5mg/L。
所述硝酸盐为电子受体，硝酸盐污染的地下水中硝酸盐态氮的浓度为20～100mg/L。
本发明还提供了一种同步处理污水产电去除地下水硝酸盐的水处理装置，其特征在于，阳离子交换膜3和阴离子交换膜6将处理装置分为阳极室A、阴极室B和地下水室C；在阳极室A内放置阳极2，在阴极室B内放置阴极5，并在阳极2和阴极5上分别驯化、富集产电微生物1和自养反硝化微生物4；阳极2和阴极5通过导线和外电阻7相连接。
所述阳离子交换膜3和阴离子交换膜6为透过率≥90%的无毒离子交换膜，膜厚度0.2～0.5mm，爆破强度≥0.3MPa。
所述阳极2上的产电微生物1和阴极5上的自养反硝化微生物4所形成的膜厚度为20～100μm。
所述阳极室A内阳极2和阴极室B内阳极5的材料包括：石墨粒，粒径1～5mm；或石墨毡，厚度5～10mm；或碳毡，厚度5～10mm；或碳布，厚度0.1～0.45mm。
本发明的有益效果为：利用微生物燃料电池阳极产电微生物产生的电子在处理污水、产电的同时净化硝酸盐污染的地下水，且地下水中的碳酸根和碳酸氢根离子为自养反硝化微生物提供碳源，无需外加碳源，适合以地下水为主要饮用水源的地区同步处理废水和去除地下水中的硝酸盐污染；本发明所述工艺简单、易操作、能耗低、效率高、运行费用低、无二次污染；所述处理装置结构简单，便于扩大化工业生产与使用。
附图说明
图1为本发明所述的同步处理污水产电去除地下水硝酸盐的微生物燃料电池原理示意图。
图中标示：
A—阳极室，B—阴极室，C—地下水室，1—产电微生物，2—阳极，3—阳离子交换膜，4—自养反硝化微生物，5—阴极，6—阴离子交换膜，7—导线和外电阻。
具体实施方式
本发明提供了一种用于同步处理污水产电去除地下水硝酸盐的水处理工艺及装置，以下结合附图对具体实施方式进行说明。
实施方式1：装置安装
装置按照图1所示的原理图进行安装：阳离子交换膜3和阴离子交换膜6将装置分为阳极室A、阴极室B和地下水室C，其中阳离子交换膜3和阴离子交换膜6采用透过率分别为96%和94%的无毒的离子交换膜，厚度均为0.3mm，爆破强度均≥0.5MPa；在阳极室A内放置厚度为0.2～0.3mm的碳布作为阳极2，在阴极室B内放置厚度为0.1～0.2mm的碳布作为阴极5，阳极2和阴极5分布富集厚度为40～60μm的产电微生物1和自养反硝化微生物4，产电微生物1和自养反硝化微生物4均从生活污水处理厂消化污泥驯化而来；以导线和100Ω的外电阻7连接阳极2和阴极5。
实施方式2：装置运行
装置安装完成后，在MFC阳极室A中加入可生化处理的有机废水并使其溶解氧浓度保持在0.2mg/L的厌氧状态，废水中的污染物在产电微生物1的作用下被分解，同时分解污染物释放出的电子被传递到阳极2并进一步通过导线和外电阻7传递到阴极5；地下水室C中连续加入硝酸盐态氮浓度为40～60mg/L的硝酸盐污染的地下水，由于与阴极室B存在离子梯度，地下水中的硝酸根离子以及碳酸根和碳酸氢根阴离子穿过阴离子交换膜6进入阴极室B，阴极5上的自养反硝化微生物4利用阳极2上传递过来的电子将硝酸盐还原为氮气，并以碳酸根或碳酸氢根离子为碳源生长；阴极室B中的硝酸根离子不断被还原为氮气，地下水室C中的硝酸盐会不断进入阴极室B，以上过程同步实现了有机废水的污染去除、产电和地下水中硝酸盐的去除，同时还直接由地下水为自养反硝化微生物4的生长提供了无机碳源，无需外加碳源，节省了大量的运行费用。
在实施过程中，MFC的输出功率为10W/m3，有机废水处理负荷为2kgCOD/( m3·d)；地下水的硝酸盐态氮浓度为40～60mg/L，在地下水室C中的停留时间为24h，处理后的地下水中硝酸盐态氮浓度低于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）所规定的20mg/L。 

Claims (2)

1.一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理装置，其特征在于阳离子交换膜(3)和阴离子交换膜(6)将处理装置分为阳极室(A)、阴极室(B)和地下水室(C）；在阳极室(A)内放置阳极(2)，在阴极室(B)内放置阴极(5)，并在阳极(2)和阴极(5)上分别驯化、富集产电微生物(1)和自养反硝化微生物(4)；阳极(2)和阴极(5)通过导线和外电阻(7)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理装置，其特征在于，所述阳离子交换膜(3)和阴离子交换膜(6)为透过率≥90%的无毒离子交换膜，膜厚度0.2～0.5mm，爆破强度≥0.3MPa。
3. 根据权利要求1所述的一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理装置，其特征在于，所述阳极(2)上的产电微生物(1)和阴极(5)上的自养反硝化微生物(4)所形成的膜厚度为20～100μm。
4. 根据权利要求1所述的一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理装置，其特征在于，所述阳极室(A)内阳极(2)和阴极室(B)内阴极(5)的材料包括：石墨粒，粒径1～5mm；或石墨毡，厚度5～10mm；或碳毡，厚度5～10mm；或碳布，厚度0.1～0.45mm。
5. 一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（a）安装如权利要求1所述的水处理装置；
（b）污水进入阳极室(A)，阳极(2)上的产电微生物(1)将污水中的污染物氧化并将产生电子传递给阳极(2)，微生物燃料电池外电路的电流方向为从阴极(5)流向阳极(2)；
（c）微生物燃料电池内电路的电流方向为从阳极(2)流向阴极(5)，阳极室(A)中的阳离子透过阳离子交换膜(3)进入阴极室(B)；
（d）地下水室(C)中加入待处理的硝酸盐污染地下水，由于与阴极室(B)存在较大的离子梯度，硝酸根离子会穿过阴离子交换膜(6)进入阴极室(B)，而电子经由导线和外电阻(7)传递至阴极(5)并进一步传递给自养反硝化微生物(4)，使硝酸根离子在自养反硝化微生物(4)的作用下被还原为氮气，完成产电过程和硝酸盐的反硝化；
（e）由于硝酸根离子持续被还原，硝酸根离子在离子梯度的驱动下会持续由地下水室(C)进入阴极室(B)，此外，地下水中的碳酸根和碳酸氢根离子也会穿过阴离子交换膜(6)进入阴极室(B)作为自养反硝化微生物(4)生长的碳源。
6. 根据权利要求5所述的一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理工艺，其特征在于，所述污水为可生化处理的有机废水。
7. 根据权利要求5所述的一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理工艺，其特征在于， 所述产电微生物为驯化的混合微生物菌群，其优化的产电条件为：温度25～40oC，pH值8～10，溶解氧浓度<0.2mg/L。
8. 根据权利要求5所述的一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理工艺，其特征在于，所述的自养反硝化微生物的优化生长条件为：温度25～35oC，pH值8～10，溶解氧浓度为0.1～0.5mg/L。
9. 根据权利要求5所述的一种同步处理污水、产电和去除地下水硝酸盐的水处理工艺，其特征在于，所述硝酸盐为电子受体，硝酸盐污染的地下水中硝酸盐态氮的浓度为20～100mg/L。
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