CN105753152A - 一种电化学辅助的生物脱氮反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境微生物技术领域，具体涉及一种对氨氮废水进行脱氮处理的电化学辅助生物脱氮反应器。通过将阳极置于反应器中央,阴极紧贴于反应器两侧壁安装,阴阳极间距为1-3cm，保证离子在电极间的传递且最大程度减小内阻；阴阳电极组采用从上到下并联布置，可根据需要灵活控制各反应段所需的电压，且提供了大的比表面积，提高了脱氮效率及处理负荷。以阳极为直接电子受体，阴极为直接电子供体，无需补充有机物在阳极提供电子，也无需外加独立的好氧硝化反应器，最大程度简化脱氮装置，技术流程简单，运行成本低，实现氨到氮气的全自养型生物脱氮。

Description

一种电化学辅助的生物脱氮反应器

一、技术领域

本发明属于环境微生物技术领域，具体涉及一种对氨氮废水进行脱氮处理的电化学辅助生物脱氮反应器。

二、背景技术

生物电化学作为全新的技术，可同时实现污水中有机物的去除与产电(MFCs)或低电压(0.25-0.85V)下产氢(MECs)，被认为是一种极具应用前景的新技术。

目前，生物电化学脱氮大致分为两类：1，借助外加的独立好氧生化反应系统或好氧阴极室，经传统的硝化反应后再在阴极实现厌氧反硝化；2，在MFC的生物阴极，通过控制溶解氧浓度实现同步硝化反硝化。上述反应均依赖阳极氧化有机物释放的电子，实现阴极硝酸盐的还原，且硝酸盐源自外加的氨氧化过程(非生物电化学反应)。即阳极需补充有机物提供电子实现反硝化过程，且需借助外加独立的好氧硝化反应器，无疑增加了系统操作的复杂性，不利于推广应用。

三、发明内容

1.本发明提出一种新型的电化学辅助生物脱氮反应器，将阳极置于反应器中央,阴极紧贴于反应器两侧壁安装,阴阳极间距为1-3cm；阴阳电极组采用从上到下并联布置，根据需要灵活控制各反应段所需的电压。无需在阳极补充有机物提供电子，也无需外加独立的好氧硝化反应器，技术流程简单，运行成本低。

2.本发明的实施步骤包括：

(1)微生物的筛选与富集：取适量河流底泥或污水处理厂活性污泥对反应器进行接种，同时注入源分离尿液，之后按附图1连通电路，打开直流稳压电源，向反应器两极施加小额度电压(通常低于1V)，并控制温度，且通过内循环对反应起到一定搅拌作用，进行微生物的筛选和富集，同时用万用表记录电流。

随着筛选的微生物在电极表面富集，电流出现上升(相对于背景电流)，反应器内氨氮浓度开始降低，阴极附近有氮气产生。当反应器内氨氧化完全时，电流出现急剧下降，阴极停止产气，此时微生物的筛选和富集过程完成。

(2)电化学辅助生物脱氮：步骤(1)完成后，可采用两种方式实现脱氮：a,序批式：即排出反应器内全部混合液，重新注入氨氮废水，保持其它条件不变，开始电化学辅助生物脱氮过程。b,连续流：通过进水槽向反应器以一定流量连续注入氨氮废水，并将出水以一定流速排出，保持其它条件不变，开始电化学辅助生物脱氮过程。当重新注入氨氮废水时，电流将迅速上升，随着反应的进行，阴极附件持续产生氮气；一旦电流下降至背景值，更换反应器中全部混合液，进行下一个处理周期。依此类推，达到脱氮目的。

步骤(1)所述的施加适当电压是指施加电压在0.3V-1.2V范围内。

步骤(1)所述的控制温度是指控制反应器温度在15℃-45℃范围内。

3.本发明的优点：

(1)反应器的阴极与阳极均采用惰性电极如石墨，无需金属催化剂及离子交换膜，节省了建设成本；

(2)反应器采用从上到下并联的电极组，可根据需要灵活控制各反应段所需的电压，且提供了大的比表面积，提高了脱氮效率及处理负荷；

(3)将阳极置于反应器中央,阴极紧贴于反应器两侧壁安装,阴阳极间距为1-3cm，保证离子在电极间的传递且最大程度减小内阻；

(4)本发明的方法实现了硝化过程与反硝化过程在同一个反应器中完成，以阳极为直接电子受体完成氨的氧化，无需外加独立的好氧硝化反应器，阴极为直接电子供体，无需在阳极补充有机物提供电子实现反硝化过程，技术流程简单，运行成本低；

(5)本发明的方法能耗低，只需提供较小的外加电压(0.3V-1.2V)，即可实现氨氮废水的全自养生物脱氮。

四、附图说明

图1为本发明技术系统构成图，其中1为电化学辅助生物脱氮反应器，2为阳极，3为阴极，4为导线，5为内循环通路，6为氢气收集系统，7为进样口，8为取样口，9为蠕动泵。

五、具体实施方式

实施例1

实施例采用附图1所示的技术系统，其中：电化学辅助生物脱氮反应器为2L(35mm×100mm×990mm)方形有机玻璃容器；阴阳两极电极相同，为未剖光的平板石墨电极，电极尺寸5mm×100mm×300mm，其中阳极置于反应器中央,阴极紧贴于反应器两侧壁,阴阳极间距为1cm,从下到上三段式并联布置。氨氮废水由实验室用氯化铵配置，含氨200mg/L左右。系统组装完成后，向反应器注入1800mL氨氮废水、某河流底泥200mL、形成工作容积2000mL。按图1所示连通电路，由直流稳压电源提供电解电压0.8V，反应器通过内循环加速反应，控制温度30℃，进行微生物的筛选与富集。启动10天后，电流开始上升，阴极附近有氮气产生，反应器内氨氮浓度开始下降，15天后电流达到峰值18.61mA，之后开始迅速下降，阴极附近产气停止，表明微生物的筛选与富集完成。之后，排出反应器内全部混合液，重新注入所述氨氮废水，其它条件保持不变，开始电化学辅助生物脱氮过程。每个处理周期为8天左右，废水中氨氮的去除率达99％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)氨氮废水为源分离尿液，取自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)反应器未进行温度控制，源分离尿液温度在15℃-25℃范围内；

实施例2中，每个处理周期维持25天-50天，源分离尿液中氨氮的去除率达95％以上。

Claims (6)

1.一种电化学辅助的生物脱氮反应器，包括：将阳极置于反应器中央,阴极紧贴于反应器两侧壁安装；阴阳电极组采用从上到下并联布置，其特征在于：以阳极为直接电子受体，阴极为直接电子供体，最大程度简化脱氮装置，技术流程简单，运行成本低，实现氨到氮气的全自养型生物脱氮。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征是：阳极置于反应器中央,阴极紧贴于反应器两侧壁安装,阴阳极间距为1-3cm，保证离子在电极间的传递且最大程度减小内阻。

3.如权利要求1所述的反应器，其特征是：阴阳电极组采用从上到下并联布置，根据需要灵活控制各反应段制所需的电压，且提供了大的比表面积，提高了反应效率与处理负荷。

4.如权利要求1所述的反应器，其特征是：以阳极为直接电子受体完成氨的氧化，无需外加独立的好氧硝化反应器；阴极为直接电子供体，无需在阳极补充有机物提供电子实现反硝化过程；阴阳极间无离子交换膜阻隔；阴极与阳极均采用惰性电极如石墨，无需任何金属催化剂。

5.如权利要求1所述的反应器所需的操作技术，包括以下步骤：

(1)微生物的筛选与富集：取适量河流底泥或污水处理厂活性污泥对反应器进行接种，同时注入氨氮废水，之后按附图1连通电路，打开直流稳压电源，向反应器两极施加小额度电压，并控制温度，且通过内循环对反应起到一定搅拌作用，进行微生物的筛选与富集，同时用万用表记录电流；

随着筛选的微生物在电极表面富集，电流出现上升(相对于背景电流)，反应器内氨氮浓度开始降低，阴极附近有氮气产生；当反应器内氨氧化完全时，电流出现下降，阴极停止产气，此时微生物的筛选与富集完成；

(2)电化学辅助生物脱氮：步骤(1)完成后，可采用两种方式实现脱氮：a,序批式：即排出反应器内全部混合液，重新注入氨氮废水，保持其它条件不变，开始电化学辅助生物脱氮过程，b,连续流：通过蠕动泵与进水槽向反应器以一定流速连续注入氨氮废水，并将出水以一定流速排出，保持其它条件不变，开始电化学辅助生物脱氮过程，当重新注入氨氮废水时，电流将迅速上升，随着反应的进行，阴极附近持续产生氮气，一旦电流下降至背景值，更换反应器中全部混合液，进行下一个处理周期；依此类推，达到脱氮目的。

6.如权利要求5所述的操作技术，其特征是：由直流稳压电源为反应器提供电解电压，施加电压在0.3V-1.2V之间，控制反应温度在15℃-45℃之间。