CN102491515B

CN102491515B - 一种适用于处理低碳氮比高氨氮废水的三维电极生物膜系统

Info

Publication number: CN102491515B
Application number: CN 201110373581
Authority: CN
Inventors: 陈猷鹏; 方芳; 唐金晶; 郭劲松; 张鹏; 杨琳; 郭东茹; 雷礼婧; 何萍; 龚本洲
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: CN102491515A

Abstract

本发明公开了一种适用于处理低碳氮比高氨氮废水的三维电极生物膜系统，在反应器本体中设有与反应器本体同心的隔膜，隔膜将反应器分隔为圆形的阳极区域和环形的阴极区域；在阳极区域填充有微生物载体填料，并在中心设有正电极；在阴极区域设有负电极，并在阴极区域填充导电粒子作为第三电极，负电极和导电粒子同时作为微生物载体；阳极区域底部设有进水管，阴极区域设有出水管，出水管设于反应器本体上端外壁。本发明在同一电极生物膜反应器中，利用电化学作用创造微生物适宜的环境，并提供电子受体和电子供体分别进行硝化和反硝化作用，达到有效处理氨氮废水的目的，能耗低、效率高、结构简单，操作容易。

Description

一种适用于处理低碳氮比高氨氮废水的三维电极生物膜系统

技术领域

本发明涉及废水处理系统，具体指一种适用于处理低碳氮比高氨氮废水的三维电极生物膜系统，属于水处理技术领域。本系统在同一反应器中将生物膜法与电化学法相结合，完成硝化和反硝化处理低碳氮比高氨氮废水的全过程。

背景技术

随着我国工农业生产发展和城市化水平的提高，城市污水排水量迅速增加，大量未经处理或经过处理但出水氮磷仍然难以达标的城市污水排入城市湖泊、河流，使水体中氮磷污染日趋严重，其直接后果为水体富营养化。

水体中的氮主要以有机氮和无机氮的形式存在。有机氮包括蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等，有机氮经过微生物的分解转化为无机氮，主要为氨氮、亚硝态氮和硝态氮。废水中氮素的去除主要通过硝化和反硝化工艺，使各种形态的氮转化为气态氮(N₂、N₂O等)逸出水体而使水体得到净化。针对低碳氮比高氨氮废水处理，在传统生物硝化和反硝化过程中存在碱度和碳源不足等问题，有必要开发新的脱氮途径。

传统生物脱氮过程即是利用废水中的有机物，或者通过投加有机物甲醇、乙醇等，作为电子供体来进行反硝化，将硝酸盐氮转化为无毒的氮气。通过投加有机物，可以获得较高的反硝化速率，但出水中会有残余有机物，既影响了出水水质又增加了运行费用。对于氨氮含量高的废水，如污水处理厂的污泥析出液和垃圾渗滤液等，采用传统生物脱氮方法处理时，需投加有机碳源以满足异养反硝化的需要，能耗大、处理费用高。

近年来，在传统的硝化-反硝化工艺基础上发展出一系列高效、节能的脱氮技术，如SHARON、ANAMMOX以及二者组合的CANON等。这些工艺利用亚硝酸型反硝化和厌氧氨氧化来缩短氮的转化过程，达到能量和电子供体的节省。与之不同，电极生物膜法是另一种极具潜力的脱氮方法。该技术利用氢自养菌进行反硝化，在少量或无有机碳源的条件下，能够实现对NO_x ^-的去除。由于产物清洁，不会增加出水负担；更重要的是，它克服了外部直接供氢气造成的剩余气体流失和不易操作等弱点，将复杂的生物化学反应过程用简单的电流调节进行控制，能耗低，操作方便。

目前，电极生物膜法多针对水中硝酸盐的去除，将该方法应用于低碳氮比高氨氮废水的处理还很鲜见。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种能耗低、效率高、结构简单的用于处理低碳氮比高氨氮废水的三维电极生物膜系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种适用于处理低碳氮比高氨氮废水的三维电极生物膜系统，它包括反应器本体，所述反应器本体为带底的圆筒结构，在反应器本体中设有与反应器本体同心的隔膜，隔膜将反应器内区域分为两部分，隔膜内的圆形区域为阳极区域，隔膜外与反应器本体内壁之间的环形区域为阴极区域；在阳极区域填充有微生物载体填料，并在中心设有正电极；在阴极区域设有负电极，负电极紧贴于反应器本体内壁，并在阴极区域填充导电粒子作为第三电极，负电极和导电粒子同时作为微生物载体；阳极区域底部设有进水管，阴极区域设有出水管，出水管设于反应器本体上端外壁。

进一步地，在反应器本体外壁中部设有回流管，回流管与进水管连通，回流管用于将阴极区域的水部分回流至阳极区域。

所述正电极为惰性金属材料；所述负电极为石墨、碳棒、活性炭纤维毡或不锈钢网；所述导电粒子为活性碳颗粒或无烟煤。

所述隔膜为醋酸纤维素、芳香族聚酰胺或聚偏氟乙烯等亲水性膜。

阳极区域填充的微生物载体填料为弹性填料、软性填料或悬浮填料等绝缘材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）电解作用为微生物生长繁殖提供适宜的环境，即阳极区好氧，而阴极区缺氧，同时微生物利用电解产物作为代谢底物，电极电解与微生物脱氮之间存在良好的协同作用。

2）正电极（阳极）为惰性金属材料时，电极反应以析氧为主，节省曝气所需要的能量，降低能耗。

3）负电极（阴极）电解水原位产氢，氢从生物膜内向外扩散，与外界提供氢气相比在传质方向上和传质动力上都得到增强。

4）阴极区微生物反硝化脱氮利用电解产物氢作为电子供体，不需要外加有机碳源，同时产物清洁。

5）阴极区域填充颗粒状导电粒子，一方面填充粒子作为微生物附着载体，提高了反应器中的微生物量；另一方面增大了比表面积，传质效果改善，提高了电流效率和处理效能。

6）本反应器将复杂的生物系统应用简单的电流进行调控，操作简单。

本发明可实现在同一电极生物膜反应器中，利用电化学作用创造微生物适宜的环境，并提供电子受体和电子供体分别进行硝化和反硝化作用，达到有效处理氨氮废水的目的。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中，1-反应器本体； 2-正电极； 3-负电极；4-导电粒子；5-隔膜；6-进水管；7-出水管；8-回流管；9-微生物载体填料；10-直流稳压电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明三维电极生物膜系统，主要用于处理低碳氮比高氨氮废水，参见图1，其结构主体为反应器本体1，所述反应器本体1采用圆筒结构，在反应器本体1中设有与反应器本体同心的隔膜5，由隔膜将反应器内区域分为阳极区域和阴极区域两部分，隔膜内的圆形区域为阳极区域，隔膜外与反应器本体内壁之间的环形区域为阴极区域。在阳极区域填充有微生物载体填料9，并在中心设有正电极2；在阴极区域设有负电极3，负电极紧贴于反应器本体内壁，并在阴极区域填充导电粒子4作为第三电极，负电极3和导电粒子4同时作为微生物载体。微生物附着在阳极区和阴极区的载体表面形成生物膜。正电极2（阳极）和负电极3（阴极）分别通过导线接直流稳压电源10的正极和负极。正电极2、负电极3和导电粒子4共同构成三维电极。在阳极区域底部设有进水管6，阴极区域设有出水管7，处理后的水通过出水管排出系统，出水管7设于反应器本体上端外壁。

本发明反应器水流采用上升流式，底部进水，顶端出水。在反应器本体外壁中部设有回流管8，回流管8与进水管6连通，用于将阴极区域的水部分回流至阳极区域。由于阳极电解产H⁺，阴极区反硝化过程产碱，阴极区的水回流至阳极区可起到调节pH值作用。

所述正电极材料选择导电性能良好、电极电位高于水电解析氧电位，又不易被氧化的惰性物质，如镍、铜、钛等惰性金属材料。所述负电极材料选择性能稳定、表面粗糙的碳质或其它材料，如石墨、碳棒、活性炭纤维毡或不锈钢网。所述的第三电极，即阴极区域内填充的导电粒子选择电阻较小、机械强度高、理化性能稳定的材料，如活性碳颗粒、无烟煤等。

阳极区和阴极区分隔膜材料采用可阻隔气体传递、具有一定透水性和离子通过能力的亲水性膜材料，如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺或聚偏氟乙烯等。

极间距为1~8cm。极间距太大，反应器的电流效率会降低，增加能耗。

电极生物膜法是一个电化学作用和生物作用相耦合的过程，反应原理如下：

在电极生物膜反应器内，阳极电解水产生O₂，在阳极区域形成好氧环境，并为生物硝化作用提供电子受体，供阳极区的硝化细菌生长，以CO₂、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-作为碳源，进行硝化反应：

55NH₄ ⁺+76O₂+109HCO₃ ^-→C₅H₇O₂N+54NO₂-+57H₂O+104H₂CO₃

400NO₂ ^-+NH₄ ⁺+4H₂CO₃+195O₂+HCO₃ ^-→C₅H₇O₂N+400NO₃ ^-+3H₂O

在电极生物膜反应器内，阴极电解水产生H₂，在阴极区域形成缺氧/厌氧环境，并为生物反硝化作用提供电子供体，供固定在阴极表面和第三电极表面的反硝化菌利用，进行反硝化脱氮：

NO₃ ^-+3[H]→0.5N₂+0H^-+H₂O

NO₂ ^-+5[H]→0.5N₂+0H^-+2H₂O

这样反应器中微生物就可充分利用电解产物进行硝化和反硝化脱氮。本发明可用于低碳氮比高氨氮废水的脱氮处理，在存在少量或无有机碳源的条件下，即可实现对氨氮的去除，将复杂的生物化学反应过程用简单的电流调节进行控制，产物清洁，能耗低，结构简单，操作方便，制造成本低廉。

本废水处理系统以低碳氮比高氨氮废水为处理对象，采用三维电极生物膜反应器，阳极区进水，阴极区出水，在同一反应器中，将生物硝化反硝化与电化学氧化法相结合。阳极区域主要发生硝化作用，阴极区域主要发生反硝化作用。在如下控制条件下：进水氨氮容积负荷小于1.5kgN/(m³·d)，C/N为0~3，温度控制在25~35℃，进水pH值为6.5~8.0，水力停留时间大于12h，电流密度小于0.021mA/cm²时，可较好地实现电极生物膜脱氮工艺，出水总氮去除率在70%以上。

以下给出一个具体实施例对本发明进行说明以帮助理解。

以人工配制的模拟氨氮废水（NH₄ ⁺-N浓度为100mg/L）为研究对象，采用容积为12.7L的有机玻璃圆筒为反应器。采用醋酸纤维膜分隔出阳极区和阴极区。阳极为一根长55cm，直径1cm的钛棒，置于阳极区（也即）反应器中央，有效面积157.1cm²。阳极区填充普通滤棉作为微生物载体。阴极采用活性炭纤维毡，紧贴于反应器内壁，有效面积2513cm²。阴极区填充活性炭颗粒和玻璃珠，填充比例8:2（体积比），其中活性炭为煤质柱状颗粒，柱长2~7mm，粒径2~3mm，玻璃珠粒径2~3mm，填充高度30cm。电极间距为8cm。

人工配水中以K₂HPO₄和KH₂PO₄为缓冲剂，C/N为0.5，以乙酸钠作为有机碳源，温度维持在30℃左右，进水pH在7.8左右，并适当补充微量元素。在直流稳压电源输出电压10V，电流密度为0.013mA/cm²，水力停留时间为24h的条件下进行低碳氮比高氨氮废水的处理。处理后的水质NH₄ ⁺-N去除率在90%以上，TN去除率70%以上。

Claims

1.一种适用于处理碳氮比为0~3、NH₄ ⁺-N浓度可达100mg/L的高氨氮废水的三维电极生物膜系统，它包括反应器本体（1），其特征在于：所述反应器本体（1）为带底的圆筒结构，在反应器本体（1）中设有与反应器本体同心的隔膜（5），隔膜将反应器内区域分为两部分，隔膜内的圆形区域为阳极区域，隔膜外与反应器本体内壁之间的环形区域为阴极区域；在阳极区域填充有微生物载体填料（9），微生物载体填料为滤棉，并在中心设有正电极（2），所述正电极（2）为惰性金属材料；惰性金属材料为一根长55cm，直径1cm的钛棒；在阴极区域设有负电极（3），负电极紧贴于反应器本体内壁，所述负电极（3）为活性炭纤维毡；在阴极区域填充导电粒子（4）作为第三电极，所述导电粒子（4）为活性碳颗粒；负电极（3）和导电粒子（4）同时作为微生物载体；阴极区域同时填充有玻璃珠，活性炭颗粒和玻璃珠的体积填充比为8:2，其中活性炭颗粒为煤质柱状颗粒，柱长2~7mm，粒径2~3mm，玻璃珠粒径2~3mm，填充高度30cm；电极间距为8cm；

阳极区域底部设有进水管（6），阴极区域设有出水管（7），出水管设于反应器本体上端外壁；在反应器本体（1）外壁中部设有回流管（8），回流管（8）与进水管（6）连通，回流管用于将阴极区域的水部分回流至阳极区域；

所述隔膜（5）为亲水性膜，且具有阻隔气体能力，该亲水性膜为醋酸纤维素、芳香族聚酰胺或聚偏氟乙烯。