CN103861463A

CN103861463A - 一种电化学辅助的源分离尿液生物脱氮的方法

Info

Publication number: CN103861463A
Application number: CN201210550133.7A
Authority: CN
Inventors: 范彬; 曲波; 朱仕坤; 刘英豪
Original assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Current assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明提出一种电化学辅助的源分离尿液生物脱氮的方法。利用单室型微生物电解池从自然界中筛选和富集一类可以在厌氧条件下氧化氨为硝酸盐、并能够同时进行产电呼吸的微生物。这类微生物附着在阳极表面，当向阳极室提供源分离尿液时，尿液中的氨被厌氧氧化为硝酸盐，产生的电子在外加电压的驱动下转移至阴极。在阴极，具有反硝化功能的微生物富集在阴极表面形成生物阴极，生物阴极接受阳极产生电子和质子，还原硝酸盐为氮气，从而实现从源分离尿液中的氨到氮气的全自养型生物脱氮。

Description

一种电化学辅助的源分离尿液生物脱氮的方法

一、技术领域

本发明属于环境生物技术领域，特别涉及一种利用微生物电解池技术进行源分离尿液脱氮的方法。

二、背景技术

尿液是生活污水的重要组成部分，尽管其体积不足全部生活污水1％，但却贡献了大约80％的氮和45％的磷，而这些污染元素必须在污水处理系统中得到有效的去除。如果能够将尿液从生活污水的源头分离出来，将大大减轻后续污水处理的压力。

源分离技术则是针对上述特点，采用特殊设计的卫生洁具在源头上将尿液单独进行分离和收集，从而形成不同于传统下水道系统的生活卫生系统，将生活污水中主要的污染元素以尿液这一载体进行分离。源分离技术因为其符合可持续发展的理念而逐渐得到国内外的广泛重视。欧盟在2000年由多个研究机构联合开展了尿液源分离技术的综合性研究，并进行了工程示范(Larsen TA，Alder AC，Eggen RIL，Maurer M，Lienert J.Source Separation：WillWe See a Paradigm Shift in Wastewater Handling？Environ.Sci.Technol.2009，43：6121-6125)。近年来我国也建设了一批包括奥运森林公园项目在内的源分离技术示范项目。

但目前，源分离技术的广泛应用仍面临着一些技术挑战，其中之一就是如何对源头分离的尿液进行就地处理或资源化。尿液的主要污染成分是尿素(CO(NH₂)₂)，而尿素会快速分解生成氨(NH₄ ⁺)，因此尿液处理的核心问题是高浓度氨氮废水的处理。目前，高浓度氨氮废水处理的物理化学方法主要有：吹脱法、离子交换法、折点加氯法等。这些方法要么不能彻底转化氨氮为氮气，容易造成二次污染；要么需要大量的化学试剂，运行成本高昂。生物处理技术是当前应用较广的氨氮废水处理方法，如传统的硝化-反硝化工艺和短程硝化-厌氧氨氧化工艺(何岩，赵由才，周恭明.高浓度氨氮废水脱氮技术研究进展.工业水处理，2008，28：1-4)。但对于含有高浓度氨氮的源分离尿液而言，目前的生物处理技术也有明显的不足。如传统的硝化-反硝化工艺需要在反硝化阶段补充大量的有机碳源，且硝化过程所需氧气量较大，能耗较高；最近兴起短程硝化-厌氧氨氧化工艺在一定程度上克服了传统硝化-反硝化工艺的确定，但是短程硝化工艺段和厌氧氨氧化工艺段的技术条件要求极为严格，精确控制非常困难(A Joss，D Salzgeber，J Eugster，et al.Full-Scale Nitrogen Removal fromDigester Liquid with Partial Nitritation and Anammox in One SBR.Envrion Sci Technol.2009，43：5301-5306)。此外，负责厌氧氨氧化的厌氧氨氧化菌增长速率极低，厌氧氨氧化反应器启动困难。这些不足严重的限制了短程硝化-厌氧氨氧化工艺的大范围应用。由此可见，研发一种低成本的、能够将源分离尿液中的氨氮直接转化为氮气的尿液处理技术对于推进源分离技术的广泛应用是非常必要的。

本发明基于利用微生物产电呼吸原理，提出一种电化学辅助的、全自养型的生物脱氮新技术，从而实现低成本、易操作的源分离尿液生物脱氮方法。

三、发明内容

1、本发明所指的源分离尿液，特指人类生活卫生系统中，通过特殊设计的卫生器具单独收集的尿液或含有冲洗水的水尿混合液，以及畜禽养殖过程中单独收集的畜禽尿液或含有冲洗水的水尿混合液。

2、本发明的方法是基于微生物电解池技术。所说的微生物电解池(MicrobialElectrolysis Cell，MEC)技术是近年来快速发展的一项微生物与电化学相结合的新技术。在MEC中，具有胞外电子传递能力的微生物(亦称产电微生物)附着在阳极表面，在厌氧条件下氧化有机物，并将获得的电子传递给固体阳极，在一定外加电压的驱动下，阳极获得的电子通过外电路转移至阴极；在阴极，溶液中质子接受电子被还原生成氢气，或者产电微生物附着在阴极表面接收电子和质子(即生物阴极)。MEC技术与纯电化学氧化技术相比，最大的优势在于氧化有机物所需的催化剂由微生物提供，这一过程产生的能量则被微生物用于自我复制和维持，因此无需额外提供昂贵的贵金属催化剂，并可显著降低外加电压(通常低于1V)。本发明是基于微生物电解池技术，但发明内容中不包含微生物电解池技术本身。

3、本发明的技术系统包括：单室型微生物电解池、直流稳压电源、电流表、磁力搅拌器、氮气收集系统，系统构成见附图。其中，微生物电解池为圆柱形玻璃瓶或其它惰性材质容器，电极采用惰性固体电极，电极材料要求有较大比表面积、较好的生物亲和性和环境友好性。电路连接方式由附图示明。

4、本发明的原理

氨分子中的氮元素处于其最低的氧化态，理论上氨的氧化将提供电子和质子。本发明的基本原理在于利用微生物电解池从自然界中筛选和富集一类可以在厌氧条件下氧化氨、并能够同时将产生的电子传递给固体电极的微生物。这类微生物附着在阳极表面，当向阳极室提供源分离尿液时，尿液中的氨被厌氧氧化为硝酸盐和质子，产生的电子在外加电压的驱动下转移至阴极。在阴极，具有反硝化功能的微生物附着在阴极表面，形成生物阴极，接收阳极产生的电子和质子，还原硝酸盐为氮气，同时生成水，从而实现从氨到氮气的全自养型生物脱氮。该原理要求单室型微生物燃料电池作为反应器，即阴极与阳极处于同一电解室中，不能用离子交换膜分隔。

5、本发明的实施步骤包括：

(1)微生物的筛选与富集：取适量自然水体底泥或污水处理厂活性污泥为菌种。将菌种接种入微生物电解池，同时注入源分离尿液，之后按附图连通电路，打开直流稳压电源，向电解池两极施加适当电压。微生物电解池用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌速度100～300转/分钟，控制微生物电解池适当温度，微生物的筛选和富集过程开始，记录电流表电流。

随着所筛选的微生物在电极表面富集，电流出现上升(相比较背景电流)，微生物电解池内氨氮浓度开始降低，阴极附近有氮气产生。当微生物电解池内氨全部耗尽，电流出现急剧下降，阴极产气停止，此时微生物筛选和富集过程完成。

(2)源分离尿液微生物电解脱氮：步骤(1)完成后，排出微生物电解池全部混合液，重新注入源分离尿液，其它条件保持不变，开始微生物电解源分离尿液脱氮过程。当重新向微生物电解池注入尿液，电流将迅速上升，随着反应的进行，阴极附件持续产生氮气；一旦电流开始下降至背景电流，更换微生物电解池中尿液，进行下一个处理周期。依此类推，实现电化学辅助的源分离尿液生物脱氮目的。

步骤(1)所述的施加适当电压是指施加电压在0.5V～1.6V范围内。

步骤(1)所述的控制适当温度是指微生物电解池控制温度在15℃～55℃范围内。

6、本发明的优点

(1)本发明的方法实现了硝化过程和反硝化过程中一个反应器中完成，是厌氧条件下、全自养的生物脱氮新方法。与传统的硝化-反硝化生物脱氮方法相比，无需提供大量氧气进行好养硝化，也无需提供有机碳源进行反硝化。技术流程简单，运行成本低；

(2)阳极表面微生物种群和阴极表面微生物种来源广泛，且相互无负面影响，一次接种即可长期使用；

(3)本发明的方法能耗低，只需要提供较小的外加电压，即可实现源分离尿液的全自养生物脱氮。

四、附图说明

附图为本发明技术系统构成图，其中1为微生物电解池，2为阳极，3为阴极，4为搅拌子，5为磁力搅拌器，6为氢气稳压收集系统，7为导线，8为直流稳压电源，9为电流表。

五、具体实施方式

实施例1

实施例1采用附图所示的技术系统，其中：微生物电解池为250mL圆柱形玻璃瓶；阴阳两极电极相同，为未剖光的平板石墨电极，电极尺寸5cm×4cm×0.5mm，两极间距2cm。源分离尿液为中国科学院生态环境研究中心环境技术楼卫生间收集的水尿混合液，经自来水稀释后混合液含氨300mg/L左右。实施过程如发明内容中所述，技术系统组装完成后，向微生物电解池注入180mL源分离尿液、某河流底泥20mL、形成工作容积200mL。按附图所示连通电路，施加电解电压0.8V，电极室搅拌速度200转/分钟，控制温度30℃，开始进行微生物的筛选和富集过程。启动5天后，电流开始上升，阴极附近有氮气发生，微生物电解池内氨氮浓度开始下降，14天后电流达到峰值0.7mA，之后开始迅速下降，阴极附近产气停止，表明微生物的筛选和富集步骤完成。之后，排出阳极室全部混合液，重新注入所述源分离尿液，其它条件保持不变，开始源分离尿液微生物电解脱氮处理过程。每个处理周期为10天左右，源分离尿液中氨氮的去除率95％以上。

实施例2

实施例2与实施例1的系统构成与工艺过程相同，但具体的运行参数有所不同，不同之处在于：

(1)源分离尿液取自江苏省常熟市某村级真空源分离系统，使用前未经任何预处理，氨的含量在800mg/L～1500mg/L范围内；

(2)微生物电解池未进行温度控制，实施过程为常熟市秋冬之交，源分离尿液温度在18℃～25℃范围内；

实施例2中，每个处理周期维持30天～55天，源分离尿液中氨氮的去除率92％以上。

Claims

1.一种电化学辅助的源分离尿液生物脱氮的方法，其特征是：本发明的基本原理在于利用微生物电解池从自然界中筛选和富集一类可以在厌氧条件下氧化氨、并能够同时将产生的电子传递给固体电极的微生物；这类微生物附着在阳极表面，当向阳极室提供源分离尿液时，尿液中的氨被厌氧氧化为硝酸盐和质子，产生的电子在外加电压的驱动下转移至阴极；在阴极，具有反硝化功能的微生物附着在阴极表面，形成生物阴极，接收阳极产生的电子和质子，还原硝酸盐为氮气，同时生成水，从而实现从氨到氮气的全自养型脱氮；该原理要求单室型微生物燃料电池作为反应器，即阴极与阳极处于同一电解室中，不能用离子交换膜分隔。

2.如权利要求1所述源分离尿液，其特征是：特指人类生活卫生系统中，通过特殊设计的卫生器具单独收集的尿液或含有冲洗水的水尿混合液，以及畜禽养殖过程中单独收集的畜禽尿液或含有冲洗水的水尿混合液。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)微生物的筛选与富集：取适量自然水体底泥或污水处理厂活性污泥为菌种，将菌种接种入微生物电解池，同时注入源分离尿液，之后连通电路，打开直流稳压电源，向电解池两极施加适当电压；微生物电解池用磁力搅拌器进行搅拌，搅拌速度100～300转/分钟，控制微生物电解池适当温度，微生物的筛选和富集过程开始，记录电流表电流；随着所筛选的微生物在电极表面富集，电流出现上升(相比较背景电流)，微生物电解池内氨氮浓度开始降低，阴极附近有氮气产生，当微生物电解池内氨全部耗尽，电流出现急剧下降，阴极产气停止，此时微生物筛选和富集过程完成；(2)源分离尿液微生物电解脱氮：步骤(1)完成后，排出微生物电解池全部混合液，重新注入源分离尿液，其它条件保持不变，开始微生物电解源分离尿液脱氮过程；当重新向微生物电解池注入尿液，电流将迅速上升，随着反应的进行，阴极附件持续产生氮气；一旦电流开始下降至背景电流，更换微生物电解池中尿液，进行下一个处理周期；依此类推，实现电化学辅助的源分离尿液生物脱氮目的。

4.如权利要求3所述的方法，其特征是：由直流稳压电源为微生物电解池提供电解电压，施加电压在0.5V～1.6V范围内。

5.如权利要求3所述的方法，其特征是：控制微生物电解池内温度在15℃～55℃范围内。