CN103086508B - 一种提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种废水处理系统。一种提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统。本发明的目的在于开发一种能低能耗、高效、稳定的废水处理系统，进一步提高微生物燃料电池废水处理系统的脱氮效果。其特征在于包括如下步骤：双室微生物燃料电池废水处理系统由阳极和阴极组成，阳极不做任何修饰，向微生物燃料电池的阴极室接种硝化污泥和投加包埋好氧反硝化细菌颗粒，以发挥硝化作用和反硝化在一个反应区协同发挥作用，充分利用阴极的DO和剩余碳源，达到脱氮和进一步去除COD目的。本发明的微生物燃料电池废水处理系统表现出良好的COD去除效果，高氨氮和总氮去除率，持续稳定的电压输出，无污泥废弃。
Description
技术领域
本发明属于环境保护技术领域的一种废水处理及微生物发电的新兴方法。具体结合微生物燃料电池、非贵金属作为催化剂及微生物固定化技术，达到有效去除有机碳、总氮及产电的方法。
背景技术
目前城市污水和工业废水中营养物多以氨氮(NH4 +)和硝酸盐氮(NO3 -)的形式存在 (Wastewater Engineering,
Treatment and Reuse. 2003)。脱氮的方法包括离子交换法，吸附法，化学法和生物法。生物脱氮以其低成本、低能耗、无二次污染得到广泛的应用(Applied Microbiology and
Biotechnology. 2009, 82:415–429) 。传统的脱氮多采用两阶段法：硝化和反硝化。硝化阶段，硝化细菌在好氧条件下将废水中的氨氮转化为硝酸盐氮；反硝化阶段，反硝化细菌以有机底物如乙酸、葡萄糖等为电子供体，硝酸盐作为电子受体，最终将硝酸盐转化为N2。
近几年来，微生物燃料电池(MFC)作为一种新兴的水处理技术,能够去除水中有机物并产电。最新研究提出并证实MFC不仅能去除有机物、生物产电且具有脱氮的能力(Environmental Science and
Technology. 2008, 41(9): 3354-3360; Water Research. 2008, 42(12): 3013-3024)。在双室MFC中，因NO3 -/N2具有更高的氧化还原电位(E=+0.74V，式1)，因此电路闭合电子通过外电路传至阴极，在生物作用下NO3 --N得到电子被还原成N2。但反硝化效果很不理想，平均反硝化速率只有3.77mg L-1 d-1(环境科学学报. 2011, 31(2): 254-259)。因此，若要提高MFC的脱氮效果，需对MFC系统进行改良以提高其脱氮效果。Virdis等人设计的MFC在传统双室MFC的基础上，耦合了一个外部的好氧硝化反应器。废水首先通过该外部装置将氨转化成硝酸盐，再循环至阴极室进行除氮(Water Research. 2008,
42(12): 3013-3024)。然而建立一个外加的反应器不仅大大限制了它在实际工程中的应用，还增加了成本。C. P. Yu等开发了薄膜曝气系统以改善脱氮效果，但氮去除率只有52% (Water Research. 2010,
45(3):1157-116)。到目前为止，操作简单、成本低且碳氮去除率高的MFC系统仍需进一步研究。
2NO3 - +10e-
+12 H+→N2 +6H2O (0.74V) (1)
本项发明的目的在于利用微生物固定化技术包埋好氧反硝化菌和两室微生物燃料电池反应过程相结合，以实现在一个两个反应室的生物燃料电池系统中同时实现硝化作用、反硝化作用和有机碳去除及产电。微生物燃料电池、硝化过程、好氧反硝化过程的结合，能充分利用溶解氧和碳源，节省能源消耗。此外，硝化过程能产生的额外质子，可有效避免了产电过程所造成的阴极pH值升高的情况，对系统有良好的缓冲作用。结果表明提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统污水处理效果稳定、高效，表现出较高的氮去除和产电能力。
发明内容
微生物燃料电池废水处理系统利用挡板从左右将反应槽分成三个反应室：一个进水厌氧的空间(阳极)、一个好氧的空间(阴极)和一个内部澄清区域。三部分由挡板隔开，垂直孔开在阴极和阳极的挡板上可以让污水流经系统。阳极和阴极材料均为12cm × 13 cm的碳布，利用含电阻的电路连接起来。此外，阳极未经任何修饰，阴极电极采用非贵金属-酞菁铁(FePc)作为催化剂修饰，有一层无纺布覆盖在阴极表面进而促进世代时间长的微生物附着，形成生物膜。向阴极室接种硝化污泥，使得系统具有硝化效果。阴极室内溶解氧由曝气泵提供，并向阴极室投加用三乙酸纤维素包埋菌(Paracoccus
denitrificans ATCC 35512)的颗粒，以达到好氧条件下脱氮的目的。
附图说明
图1是本发明提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统的基本设计图。
具体实施方式
实施例1：人工废水主要含有化学需氧量(COD)浓度为550 mg/L，氨氮30 mg/L，总磷量6 mg/L及微量元素。微生物燃料电池废水处理系统在水力停留时间为3 d和长污泥停留时间下运行的。电压通过数据采集系统定时采集（外电阻为1000 Ω），阳极和阴极用导线连接。在微生物燃料电池的阳极室接种培养2周的厌氧污泥，阴极室则接种来自市政污水处理厂的活性污泥经硝化富集培养的活性污泥。阳极室的溶解氧控制在0.1 mg/L以下，阴极室内的溶解氧维持在2.0~3.0mg/L。反应器运行近三个月，操作稳定后，COD和氨氮去除率几乎达到100%，总氮去除率60%~80%，并可输出0.18V稳定的电压，污泥产量少，无需废弃。
Claims (2)
1.一种提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统，该系统可实现污染控制和能量产生，其特征是：利用挡板从左至右将反应槽依次分成三个反应室：阳极室、阴极室和澄清室；在阳阴两室的挡板上开孔，使得污水依次流经三个反应区，从而达到连续进出水的目的；利用含电阻的电路连接阴阳两极形成外电路，电极材料选用碳布，其中阳极无任何修饰，阴极电极采用非贵金属酞菁铁（FePc）催化剂修饰，并用一层无纺布覆盖其表面；向阴极室接种硝化污泥，使得系统具有硝化效果；采用微生物固定化技术向阴极室投加包埋好氧反硝化细菌Paracoccus denitrificans
ATCC
35512的颗粒，使得阴极室在好氧条件下实现反硝化。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：微生物固定化技术所用包埋材料为三乙酸纤维素，可广泛持久应用于菌体包埋；该材料可代替常用包埋材料。
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