CN105906051B - 一种电化学微生物自养脱氮污水处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电化学微生物自养脱氮污水处理方法及系统，包括微生物电解池壳体、密封罩、微生物阳极、微生物阴极和电源，其中，密封罩盖合在微生物电解池壳体上，构成密闭的空间；微生物阳极和微生物阴极分别与电源的负极和正极连接，所述微生物阳极上富集有短程硝化微生物，所述微生物阴极上富集有反硝化甲烷厌氧氧化微生物；所述微生物电解池壳体的靠近所述微生物阳极的一侧设置有进水口，靠近微生物阴极的一侧设置有出水口，在微生物阳极和微生物阴极之间且靠近微生物阴极的位置设置有无机碳源投加口。用一个电解池实现了短程硝化‑电化学产甲烷‑甲烷厌氧氧化的有效耦合，加快了反应传质效率，占地面积小且基建投资小。

Description

一种电化学微生物自养脱氮污水处理方法及系统
技术领域
本发明属于废水生物处理领域，具体涉及一种电化学微生物自养脱氮污水处理方法及系统，该系统实现了短程硝化-电化学产甲烷-甲烷厌氧氧化的有效耦合。
背景技术
目前，氨氮废水处理的主要方法是传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺，但是由于其在反硝化阶段需要外加有机碳源并且会产生温室气体N2O，因此受到广泛关注。为了解决这些问题，实现节能高效的污水处理，近年来出现了许多污水生物脱氮革新工艺。但现有工艺大多致力于工艺参数优化，不仅不能解决温室气体排放的问题，同时将不同阶段的反应分开进行，占地面积大，增加了投资成本并且会导致反应效率低等问题。
反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO)工艺消耗了CH4且没有N2O的产生，既降低了能耗，又能减少温室气体(GHGs)排放，具有显著环保优势和经济效益。但现有工艺多将其和短程硝化分开进行，依旧会导致投资成本高反应效率低的问题。微生物电解池(MicrobialElectrolysis cell，MEC)是近年迅速发展起来的一种融合了污水处理和产生能源的新技术。近年来，多位研究者报道氨氧化菌(AOB)可以以电极为电子受体完成NH4 +的氧化，并生成NO2 -。此外，集CO2转化和污水处理于一体的微生物电解池装置也有报道，其能够在阴极实现CO2的捕集以及向CH4转化。但目前MEC在污水处理方面的应用大多集中于阴极产能，采用阴阳极联合作用耦合整个生物脱氮过程的系统尚未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种电化学微生物自养脱氮污水处理方法及系统。该污水处理系统能够有效耦合短程硝化、电化学产甲烷和反硝化型甲烷厌氧氧化过程，实现了高效经济地生物脱氮。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电化学微生物自养脱氮污水处理系统，包括微生物电解池壳体、微生物阳极、微生物阴极和电源，其中，微生物阳极和微生物阴极分别与电源的正极和负极连接，所述微生物阳极上富集有短程硝化微生物，所述微生物阴极上富集有反硝化甲烷厌氧氧化微生物；所述微生物电解池壳体的靠近所述微生物阳极的一侧设置有进水口，靠近微生物阴极的一侧设置有出水口，在微生物阳极和微生物阴极之间且靠近微生物阴极的位置设置有无机碳源投加口。
短程硝化是利用硝酸菌和亚硝酸菌的差异、控制硝化反应只进行到NO2 -阶段，也就是造成大量的NO2 -的累积。
反硝化甲烷厌氧氧化是以甲烷为电子供体进行反硝化作用，生成氮气，实现废水脱氮。
污水从进水口进入后，在阳极上发生短程硝化反应，生成大量的NO2 -，并产生电子，在靠近阴极的位置投加无机碳，无机碳在阴极上接受电子，被还原成甲烷；生成的甲烷和污水中的NO2 -，在阴极上的反硝化甲烷厌氧氧化微生物的作用下，进行反硝化型甲烷厌氧氧化反应，生成氮气，进而实现了脱氮。
优选的，所述污水处理系统还包括密封罩，密封罩盖合在微生物电解池壳体上，构成密闭的空间。
优选的，所述无机碳源为二氧化碳、碳酸氢盐或碳酸盐。
优选的，所述进水口和出水口分别设置有用于控制水流量和/或通断的第一控制阀和第二控制阀。
优选的，所述密封罩上靠近阴极的位置设置有采气口，采气口通过气体收集管与监测装置连接。
监测装置可以监测阴极是否已经驯化好。
优选的，所述无机碳源投加口位于所述微生物电解池壳的底部或位于密封罩的顶部。
当无机碳为二氧化碳时，无机碳投加口位于微生物电解池的底部，当无机碳为固体时，无机碳投加口位于密封罩的顶部。
优选的，所述微生物阴极和无机碳源投加口之间还设置有阴离子交换膜，阴离子交换膜将电解池分割为阳极室和阴极室。
阴离子交换膜可以使产生的NO2 -顺利地转移到阴极室，同时能将无机碳(如CO2)固定在阴极室，保证了阴极室中CO2的浓度，使CO2充分反应。
优选的，所述微生物电解池壳体上还设置有pH值监测探头。
优选的，所述密封罩上还设置有pH值调节口，pH值调节口上设置有调节管。
优选的，所述微生物电解池壳体和密封罩均由透明材质制备而成。
进一步优选的，所述微生物电解池壳体和密封罩均由有机玻璃制备而成。
优选的，所述电源为直流稳压电源。
优选的，所述微生物阳极和微生物阴极分别选自碳布、碳刷、石墨颗粒、石墨棒以及不锈钢丝网中的一种。
进一步优选的，所述微生物阳极和微生物阴极的表面均分布有导电材料，导电材料分别选自石墨颗粒、碳颗粒和活性炭纤维中的一种或多种。
进一步优选的，所述直流稳压电源为太阳能电源。
一种电化学微生物自养脱氮污水处理方法，包括如下步骤：
氨氮废水在进入电解池后，在微生物阳极的作用下发生短程硝化作用，生成NO2 -；无机碳在微生物阴极的作用下发生还原反应，生成CH4；NO2 -和CH4在反硝化甲烷厌氧氧化微生物作用下生成N2，实现了氨氮废水的脱氮。
优选的，阳极室的pH值为7.0～8.0，阴极室的pH值为7.0～7.5。
优选的，所述污水处理方法，还包括阳极微生物的驯化和阴极微生物的驯化。
进一步优选的，阳极微生物的驯化方法，包括如下步骤：以污水处理厂活性污泥为接种物，以NH4Cl溶液为培养基，在限氧条件下进行培养驯化，测量NH4 +的去除率和NO2 -生成量，待检测到稳定的NH4 +去除和NO2 -生成时，则得到驯化好的短程硝化污泥，将已驯化的短程硝化污泥接种到碳布上，利用计时电流法驯化培养电活性微生物，待检测到稳定的电流产生，并实现稳定的NH4 +去除和NO2 -生成时，阳极微生物驯化成功。
进一步优选的，阴极微生物的驯化方法，包括如下步骤：以污水处理厂厌氧污泥为接种物，以NaNO2溶液为培养基，以CH4为碳源，在厌氧条件下进行培养驯化，以得到驯化好的反硝化型甲烷厌氧氧化污泥，将已驯化的反硝化型甲烷厌氧氧化污泥接种到碳布上，利用计时电流法驯化培养电活性微生物，此时将碳源换为CO2，当检测到CH4与N2可重复产生，并且NO2 -可稳定去除时，阴极微生物驯化成功。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明用一个电解池成功实现了短程硝化-电化学产甲烷-甲烷厌氧氧化的有效耦合，将不同的反应过程耦合起来，加快了反应传质效率，占地面积小且基建投资小。
(2)外加碳源采用无机碳源，减少了有机碳的消耗，降低了成本。
(3)本发明的污水处理系统避免了N2O的产生，减少了污水处理过程中GHGs的排放。
(4)DAMO微生物具有进行胞外电子传递的潜能，MEC系统中外加电压的存在能够促进DAMO反应速率。
附图说明
图1为本发明所述的一种一体化电化学生物膜自养脱氮污水处理系统示意图；
图2为本发明添加阴离子交换膜的自养脱氮污水处理系统示意图。
其中，1、微生物电解池壳体，2、密封罩，3、法兰，4、橡胶垫，5、进水口，6、微生物阳极，7、导线，8、直流稳压电源，9、微生物阴极，10、无机碳源投加口，11、加料管，12、出水口，13、采气口，14、阴离子交换膜，15、CO2曝气头，16、第一pH值监测探头，17、第二pH值监测探头，18、第一pH值调节口，19、第二pH值调节口。
具体实施方式
实施例1
结合附图对本系统进行更详尽的说明：
参见附图1，本发明系统包括微生物密闭厌氧电解壳体1，壳体材料可采用有机玻璃或者聚氯乙烯(PVC)等。电解池靠近阳极的一侧具有进水口5，包括设置于进水口5处的进水管和用于控制污水进水流量和/或通断的进水控制阀。待处理污水由进水口5进入电解池内，电解池内设置有微生物阳极6和微生物阴极9，微生物阳极6所富集的微生物为短程硝化微生物，微生物阴极9所富集的微生物为反硝化型甲烷厌氧氧化微生物，微生物阳极6和微生物阴极9所用材料均可选用碳毡、碳刷、石墨颗粒、石墨棒和不锈钢丝网中的任意一种。在微生物阳极6处，污水中的NH4 +以微生物阳极6为电子受体失电子转化为NO2 -并产生质子。微生物阳极6和微生物阴极9通过导线7分别与外接直流稳压电源8的高电位端和低电位端相连。直流稳压电源8为太阳能发电和辅助电源相结合，平时以太阳能发电作为直流稳压电源，当太阳能发电所产生的电能不足以维持微生物电解池运行时，开启辅助电源。阴阳极之间设有无机碳源投加口10及其加料管11，该实例以Na2CO3为碳源，从无机碳源投加口10通过加料管11向电解池中通入Na2CO3溶液，在微生物阴极9的作用下，质子和电子还原CO3 2-合成CH4。微生物阴极9上富集的N-DAMO菌利用产生的NO2 -和CH4进行反硝化型甲烷厌氧氧化反应。处理后的污水经出水口12流出，包括设置于出水口12处的排水管和用于控制排水流量和/或通断的排水控制阀。反应产生的气体通过采气口13进行收集和分析，包括设置于采气口13处的气体收集管和用于检测气体成分和流量的气体收集装置和监测装置。
本发明所述的一种生物电化学强化反硝化型甲烷厌氧氧化的污水处理系统启动过程如下：
生物阳极驯化：以污水处理厂活性污泥为接种物，以NH4Cl溶液为培养基，在限氧条件下进行培养驯化，测量NH4 +的去除率和NO2 -生成量，待检测到稳定的NH4 +去除和NO2 -生成时，则得到驯化好的短程硝化污泥。将已驯化的短程硝化污泥接种到碳布上，利用计时电流法驯化培养电活性微生物。待检测到稳定的电流产生，并实现稳定的NH4 +去除和NO2 -生成时，标志着生物阳极驯化成功。
生物阴极驯化：以污水处理厂厌氧污泥为接种物，以NaNO2溶液为培养基，以CH4为碳源，在厌氧条件下进行培养驯化，以得到驯化好的反硝化型甲烷厌氧氧化污泥。将已驯化的反硝化型甲烷厌氧氧化污泥接种到碳布上，利用计时电流法驯化培养电活性微生物。此时将碳源换为CO2，当检测到CH4与N2可重复产生，并且NO2 -可稳定去除时，说明功能微生物筛选成功，生物阴极已经形成。
待生物阳极和生物阴极驯化成功后，即可构建生物电解池，实现短程硝化、电化学产甲烷与反硝化型甲烷厌氧氧化之间的有效耦合。待处理的污水除氧后通过进水口进入电解池中，依次经过短程硝化阳极和甲烷厌氧氧化阴极，处理后从出水口流出电解池。阳极表面附着的微生物氧化NH4 +产生NO2 -、H+和电子，产生的H+和电子在阴极处还原无机碳源并产生CH4，阴极表面附着的微生物利用产生的CH4和NO2 -进行反硝化型甲烷厌氧氧化反应。
实施例2
参见附图2，与实例1相同，所不同的是该实例以CO2为碳源，因此无机碳源投加口10设置于电解池底部，并在无机碳源投加口10处设置CO2曝气头15。在阴阳极之间设置有阴离子交换膜13，将电解池分割为阳极室和阴极室，以使阳极产生的NO2 -顺利转移到阴极进行后续反应，同时能将CO2固定在阴极室保证其充分反应。在阳极室和阴极室分别设置有第一pH值监测探头16、第二pH值监测探头17、第一pH值调节口18和第二pH值调节口19，以调节由于添加阴离子交换膜所造成的阳极室和阴极室pH的变化。电解池采用有机玻璃作为壳体，密封罩2也采用相同的有机玻璃，壳体1和密封罩2通过法兰3连接，连接处采用橡胶垫4进行密封。待处理的污水经除氧后由进水口5进入电解池，先后经过微生物阳极6、阴离子交换膜14和微生物阴极9，经出水口12及设置于出水口处的排水管和用于控制排水流量和/或通断的排水控制阀流出电解池。反应过程中所产生的气体经由密封罩2上面的采气口13及设置于采气口13处的气体收集管和用于检测气体成分和流量的气体收集装置和监测装置进行收集和分析。微生物阳极6和微生物阴极9的材料均选用不锈钢丝网，表面导电材料选用活性碳纤维。微生物阳极6和微生物阴极9分别通过导线7与外接直流稳压电源8的高电位端和低电位端相连接，导线7选择钛丝做材料，直流稳压电源8为太阳能发电和辅助电源相结合，平时以太阳能发电作为直流稳压电源，当太阳能发电所产生的电能不足以维持微生物电解池运行时，开启辅助电源。
实例运行时，待处理污水经蠕动泵通过进水管由进水口进入阳极室，污水中的NH4 +首先以阳极为电子受体失电子转化为NO2 -并产生H+和电子，反应产生的NO2 -通过阴离子交换膜进入阴极室。在阴极室底部通入CO2进行曝气，在电压的作用下CO2被还原合成CH4。阴极上富集的N-DAMO菌利用产生的NO2 -和CH4进行反硝化型甲烷厌氧氧化。实施例运行过程中，通过pH监测系统持续对阳极室和阴极室的污水pH进行监测，并及时通过pH调节口进行调节，使阳极室pH始终保持在7.0～8.0，阴极室pH保持在7.0～7.5。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电化学微生物自养脱氮污水处理系统，其特征在于：包括微生物电解池壳体、微生物阳极、微生物阴极和电源，其中，微生物阳极和微生物阴极分别与电源的正极和负极连接，所述微生物阳极上富集有短程硝化微生物，所述微生物阴极上富集有反硝化甲烷厌氧氧化微生物；所述微生物电解池壳体的靠近所述微生物阳极的一侧设置有进水口，靠近微生物阴极的一侧设置有出水口，在微生物阳极和微生物阴极之间且靠近微生物阴极的位置设置有无机碳源投加口；
所述污水处理系统还包括密封罩，密封罩盖合在微生物电解池壳体上，构成密闭的空间；
所述微生物阴极和无机碳源投加口之间还设置有阴离子交换膜，阴离子交换膜将电解池分割为阳极室和阴极室；
所述密封罩上靠近阴极的位置设置有采气口，采气口通过气体收集管与监测装置连接。
2.根据权利要求1所述的污水处理系统，其特征在于：所述微生物电解池壳体上还设置有pH值监测探头。
3.根据权利要求1所述的污水处理系统，其特征在于：所述密封罩上还设置有pH值调节口，pH值调节口上设置有调节管。
4.根据权利要求1所述的污水处理系统，其特征在于：所述微生物阳极和微生物阴极分别选自碳布、碳刷、石墨颗粒、石墨棒以及不锈钢丝网中的一种。
5.根据权利要求4所述的污水处理系统，其特征在于：所述微生物阳极和微生物阴极的表面均分布有导电材料，导电材料分别选自碳颗粒和活性炭纤维中的一种或多种。
6.权利要求1-5任一项所述的污水处理系统的进行电化学微生物自养脱氮污水处理的方法，其特征在于：包括如下步骤：氨氮废水在进入电解池后，在微生物阳极的作用下发生短程硝化作用，生成NO2 -；无机碳在微生物阴极的作用下发生还原反应，生成CH4；NO2 -和CH4在反硝化甲烷厌氧氧化微生物作用下生成N2，实现了氨氮废水的脱氮；
还包括阳极微生物的驯化和阴极微生物的驯化；
阳极微生物的驯化方法，包括如下步骤：以污水处理厂活性污泥为接种物，以NH4Cl溶液为培养基，在限氧条件下进行培养驯化，测量NH4 +的去除率和NO2 -生成量，待检测到稳定的NH4 +去除和NO2 -生成时，则得到驯化好的短程硝化污泥，将已驯化的短程硝化污泥接种到碳布上，利用计时电流法驯化培养电活性微生物，待检测到稳定的电流产生，并实现稳定的NH4 +去除和NO2 -生成时，阳极微生物驯化成功；
阴极微生物的驯化方法，包括如下步骤：以污水处理厂厌氧污泥为接种物，以NaNO2溶液为培养基，以CH4为碳源，在厌氧条件下进行培养驯化，以得到驯化好的反硝化型甲烷厌氧氧化污泥，将已驯化的反硝化型甲烷厌氧氧化污泥接种到碳布上，利用计时电流法驯化培养电活性微生物，此时将碳源换为CO2，当检测到CH4与N2可重复产生，并且NO2 -可稳定去除时，阴极微生物驯化成功。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：阳极室的pH值为7.0～8.0，阴极室的pH值为7.0～7.5。
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