CN105948222B - 厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统及方法。系统由三室微生物电化学反应器与外电路两部分组成。三室微生物电化学反应器包括三个独立的反应室，每个反应室设置惰性电极，分别接种厌氧消化污泥、短程反硝化污泥与厌氧氨氧化污泥，反应室之间通过离子交换膜相隔。惰性电极与外电路相连。外电路串联两个开关和一个电源，用于控制电路的通断。本发明通过反硝化燃料电池与厌氧氨氧化电解池的切换，可实现高COD、高硝氮和高氨氮废水的联合处理，且具有高效处理污染物，回收能源的显著优点。
Description
技术领域
本发明归属废水生物处理领域，具体涉及一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统及方法。
背景技术
目前，常采用厌氧消化技术将高COD废水中的有机物转化成甲烷与二氧化碳，以实现废水除碳；分别采用反硝化与厌氧氨氧化技术将废水中的高硝氮与高氨氮的转化为氮气，以实现废水脱氮。随着微生物燃料电池(MFC)与微生物电解池(MEC)的研发，将微生物电化学技术与生物除碳和生物脱氮技术相结合的组合工艺应运而生。
由于生物除碳和脱氮技术对废水基质的要求各不相同，对组合微生物电化学技术的新工艺研究，目前主要集中在生物电化学技术分别与生物除碳技术和生物脱氮技术的组合上，主要目的是在治污的同时回收能源。以同时处理多种污染物为目的的复合工艺迄今罕见报道。本发明以生物电化学系统为中介，将生物除碳技术和生物脱氮技术进行有机耦合，开发了一种新型生物电化学系统。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的功能单一问题，提供一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统及其污染物处理方法。
一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统，其主体装置为三室微生物电化学反应器，其中包括厌氧消化反应室、反硝化反应室与厌氧氨氧化反应室三个独立的反应区；厌氧消化反应室与反硝化反应室之间通过阳离子交换膜分隔，反硝化反应室与厌氧氨氧化反应室之间通过阴离子交换膜分隔；厌氧消化反应室、反硝化反应室、厌氧氨氧化反应室分别插有惰性电极、惰性电极Ⅱ、惰性电极Ⅲ；惰性电极Ⅰ、惰性电极Ⅱ、惰性电极Ⅲ上分别富集厌氧消化污泥、短程反硝化污泥与厌氧氨氧化污泥；所述的惰性电极Ⅰ与惰性电极Ⅱ通过导线相连，所述的惰性电极Ⅱ、惰性电极Ⅲ分别通过导线连接稳压电源的负极和正极。
作为优选，所述的惰性电极Ⅰ和惰性电极Ⅱ之间的导线上设有开关Ⅰ，开关Ⅰ与惰性电极Ⅱ之间的导线通过开关Ⅱ连接至稳压电源的负极。
作为优选，位于三室微生物电化学反应器的各反应区内的导线均采用钛丝。
进一步的，厌氧消化反应室和反硝化反应室可组成反硝化燃料电池，反硝化反应室与厌氧氨氧化反应室可组成厌氧氨氧化电解池，三室微生物电化学反应器是微生物燃料电池与微生物电解池的集成，通过开关Ⅰ和开关Ⅱ可进行反硝化燃料电池与厌氧氨氧化电解池之间的切换。
作为优选，厌氧消化反应室、反硝化反应室与厌氧氨氧化反应室三室的体积之比为1:1:1，分别用于进行有机物氧化、硝酸盐还原和氨氧化反应。
作为优选，厌氧消化反应室、反硝化反应室与厌氧氨氧化反应室在底部各设进水口，顶部各设出水口。
进一步的，反硝化燃料电池与厌氧氨氧化电解池通过开关Ⅰ和开关Ⅱ的切换共用反硝化反应室；在反硝化燃料电池中，反硝化反应室作为阴极接收厌氧消化反应室输送的电子而进行短程反硝化反应(硝酸盐还原成亚硝酸盐)；在厌氧氨氧化电解池中，厌氧氨氧化反应室作为阳极发生氨的氧化反应，反硝化反应室作为阴极接收厌氧氨氧化反应室输送的电子而进行亚硝酸盐的还原反应。
作为优选，所述的惰性电极Ⅰ、惰性电极Ⅱ、惰性电极Ⅲ均采用碳毡电极。
基于上述装置的污染物处理方法，在反硝化燃料电池中，反硝化反应室受控进行短程反硝化(硝酸盐还原成亚硝酸盐)；在厌氧氨氧化电解池中，厌氧氨氧化反应室进行氨氧化，反硝化反应室进行亚硝酸盐还原反应，在外电源作用下厌氧氨氧化反应室和反硝化反应室协同完成厌氧氨氧化，具体步骤如下：
首先，组装好电化学系统，通过厌氧消化反应室的进水口加入含COD废水，通过反硝化反应室的进水口加入含硝氮废水，通过厌氧氨氧化反应室的进水口加入含氨氮废水，保证附着厌氧消化、短程反硝化、厌氧氨氧化污泥的三个电极分别对应含COD、硝氮、氨氮的三种废水；
然后，闭合开关Ⅰ，打开开关Ⅱ，厌氧消化反应室与反硝化反应室组成反硝化燃料电池，厌氧消化反应室作为阳极进行有机物的氧化反应，反硝化反应室作为阴极进行硝酸盐的还原反应，阳极反应产生的电子通过外电路输送至阴极，同时提高厌氧消化与短程反硝化的效率，并产生电流回收能源；
再然后，打开开关Ⅰ，闭合开关Ⅱ，调节稳压电源，反硝化反应室与厌氧氨氧化反应室组成厌氧氨氧化电解池，反硝化反应室作为阴极进行亚硝酸盐的还原反应，厌氧氨氧化反应室作为阳极进行氨的氧化反应，在反硝化反应室上步硝酸盐还原产生的亚硝酸盐，受稳压电源的作用通过阴离子交换膜移向厌氧氨氧化反应室，并在厌氧氨氧化反应室与高浓度氨氮发生厌氧氨氧化，生成氮气；
最后，经过处理的废水通过厌氧消化反应室、反硝化反应室与厌氧氨氧化反应室各自的出水口排出系统，实现对COD与氮素污染物的联合去除。
本发明的有益效果是：
(1)通过微生物燃料电池与微生物电解池的切换，可以同时处理高COD、高硝氮以及高氨氮三种污染物。
(2)将微生物燃料电池与微生物电解池整合在同一个系统中，可以有效减少占地面积与处理成本。
(3)在废水处理过程中可以回收能源。
附图说明
图1为厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统示意图；
图中：三室微生物电化学反应器1，外电路2，厌氧消化反应室3，反硝化反应室4，厌氧氨氧化反应室5，惰性电极Ⅰ6，惰性电极Ⅱ7，惰性电极Ⅲ8，阳离子交换膜9，阴离子交换膜10，开关Ⅰ11，开关Ⅱ12，稳压电源13，厌氧消化进水口14，反硝化进水口15，厌氧氨氧化进水口16，出水口17，钛丝18。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。本发明中的技术特征，除有冲突之外，均可进行相互组合，不构成限制。
如图1所示，一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统，其主体装置由三室微生物电化学反应器1与外电路2组成(以图中虚线框划分)。三室微生物电化学反应器1由有机玻璃或其他耐腐蚀材料制作，内部包括厌氧消化反应室3、反硝化反应室4与厌氧氨氧化反应室5三个独立的反应区。厌氧消化反应室3与反硝化反应室4之间通过阳离子交换膜9分隔，反硝化反应室4与厌氧氨氧化反应室5之间通过阴离子交换膜10分隔。厌氧消化反应室3、反硝化反应室4、厌氧氨氧化反应室5中依次插有惰性电极Ⅰ6、惰性电极Ⅱ7、惰性电极Ⅲ8(三个电极可采用不参与反应的惰性电极，优选为碳毡电极)。惰性电极Ⅰ6、惰性电极Ⅱ7、惰性电极Ⅲ8上分别事先富集厌氧消化污泥、短程反硝化污泥与厌氧氨氧化污泥。外电路2中设有一个稳压电源13、开关Ⅰ11和开关Ⅱ12。为了防止反应区内液体环境对导线造成腐蚀，三个电极通过钛丝18与外电路2相连，钛丝末端位于反应区外。惰性电极Ⅰ6与惰性电极Ⅱ7的钛丝18通过导线电连接，且该导线段上设置开关Ⅰ11进行开断控制。开关Ⅰ11与惰性电极Ⅱ7之间的导线通过开关Ⅱ12连接至稳压电源13的负极。惰性电极Ⅲ8连接至稳压电源13的正极，由电源进行供电。
厌氧消化反应室3和反硝化反应室4可组成反硝化燃料电池，反硝化反应室4与厌氧氨氧化反应室5可组成厌氧氨氧化电解池。由此可见，本发明的三室微生物电化学反应器1是微生物燃料电池与微生物电解池的集成，并可通过开关Ⅰ11和开关Ⅱ12进行反硝化燃料电池与厌氧氨氧化电解池之间的切换。
厌氧消化反应室3、反硝化反应室4与厌氧氨氧化反应室5的体积之比为1:1:1，可分别进行有机物氧化、硝酸盐还原和氨氧化反应，该体积比例下适合高COD、高硝氮以及高氨氮的去除。
厌氧消化反应室3、反硝化反应室4与厌氧氨氧化反应室5在底部各设进水口14、进水口15、进水口16，顶部各设出水口17，厌氧消化反应室3与反硝化反应室4之间通过阳离子交换膜9分隔，反硝化反应室4与厌氧氨氧化反应室5之间通过阴离子交换膜10进行分隔。
反硝化燃料电池与厌氧氨氧化电解池通过开关Ⅰ和开关Ⅱ的切换共用反硝化反应室；在反硝化燃料电池中，反硝化反应室作为阴极接收厌氧消化反应室输送的电子而进行短程反硝化反应(硝酸盐还原成亚硝酸盐)；在厌氧氨氧化电解池中，厌氧氨氧化反应室5作为阳极发生氨的氧化反应，反硝化反应室4作为阴极接收厌氧氨氧化反应室5输送的电子而进行亚硝酸盐的还原反应。
在反硝化燃料电池中，反硝化反应室受控进行短程反硝化(硝酸盐还原成亚硝酸盐)；在厌氧氨氧化电解池中，厌氧氨氧化反应室进行氨氧化，反硝化反应室4进行亚硝酸盐还原反应，在外电源作用下厌氧氨氧化反应室和反硝化反应室协同完成厌氧氨氧化。具体步骤如下：
首先，按照图1所示，组装好电化学系统，通过厌氧消化反应室3的进水口14加入高COD废水，通过反硝化反应室4的进水口15加入高硝氮废水，通过厌氧氨氧化反应室5的进水口16加入高氨氮废水，保证附着厌氧消化、短程反硝化、厌氧氨氧化污泥的三个电极分别对应高COD、高硝氮、高氨氮的三种废水。该步骤中各反应室对应的污染物浓度应尽量高，以更有利于反应进行。
其次，闭合开关Ⅰ11，打开开关Ⅱ12，厌氧消化反应室3与反硝化反应室4组成反硝化燃料电池，厌氧消化反应室3作为阳极进行有机物的氧化反应，反硝化反应室4作为阴极进行硝酸盐的还原反应，阳极反应产生的电子通过外电路输送至阴极，同时提高厌氧消化与短程反硝化的效率，并产生电流。通过电流回收利用装置即可对产生的电流进行能源回收利用。
再次，打开开关Ⅰ11，闭合开关Ⅱ12，调节稳压电源至合适的电压，反硝化反应室4与厌氧氨氧化反应室5组成厌氧氨氧化电解池，反硝化反应室4作为阴极进行亚硝酸盐的还原反应，厌氧氨氧化反应室5作为阳极进行氨的氧化反应。在反硝化反应室4中由上一步的硝酸盐还原产生的亚硝酸盐，受稳压电源的作用通过阴离子交换膜9移向厌氧氨氧化反应室5，并在厌氧氨氧化反应室5与高浓度氨氮发生厌氧氨氧化，生成氮气；
最后，经过处理的废水通过厌氧消化反应室3、反硝化反应室4与厌氧氨氧化反应室5各自的出水口17排出系统。整个过程可同步实现对COD与氮素污染物的联合去除，同时又回收了能源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统，其特征在于：主体装置为三室微生物电化学反应器(1)，其中包括厌氧消化反应室(3)、反硝化反应室(4)与厌氧氨氧化反应室(5)三个独立的反应区；厌氧消化反应室(3)与反硝化反应室(4)之间通过阳离子交换膜(9)分隔，反硝化反应室(4)与厌氧氨氧化反应室(5)之间通过阴离子交换膜(10)分隔；厌氧消化反应室(3)、反硝化反应室(4)、厌氧氨氧化反应室(5)分别插有惰性电极(6)、惰性电极Ⅱ(7)、惰性电极Ⅲ(8)；惰性电极Ⅰ(6)、惰性电极Ⅱ(7)、惰性电极Ⅲ(8)上分别富集厌氧消化污泥、短程反硝化污泥与厌氧氨氧化污泥；所述的惰性电极Ⅰ(6)与惰性电极Ⅱ(7)通过导线相连，所述的惰性电极Ⅱ(7)、惰性电极Ⅲ(8)分别通过导线连接稳压电源(13)的负极和正极。
2.根据权利要求1所述的一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统，其特征在于：所述的惰性电极Ⅰ(6)和惰性电极Ⅱ(7)之间的导线上设有开关Ⅰ(11)，开关Ⅰ(11)与惰性电极Ⅱ(7)之间的导线通过开关Ⅱ(12)连接至稳压电源(13)的负极。
3.如权利要求2所述的一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统，其特征在于：位于三室微生物电化学反应器(1)的各反应区内的导线均采用钛丝。
4.根据权利要求2所述的一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统，其特征在于：厌氧消化反应室(3)和反硝化反应室(4)可组成反硝化燃料电池，反硝化反应室(4)与厌氧氨氧化反应室(5)可组成厌氧氨氧化电解池，三室微生物电化学反应器(1)是微生物燃料电池与微生物电解池的集成，通过开关Ⅰ(11)和开关Ⅱ(12)可进行反硝化燃料电池与厌氧氨氧化电解池之间的切换。
5.根据权利要求1所述的一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统，其特征在于：厌氧消化反应室(3)、反硝化反应室(4)与厌氧氨氧化反应室(5)三室的体积之比为1:1:1，分别用于进行有机物氧化、硝酸盐还原和氨氧化反应。
6.根据权利要求1所述的一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统，其特征在于：厌氧消化反应室(3)、反硝化反应室(4)与厌氧氨氧化反应室(5)在底部各设进水口，顶部各设出水口。
7.根据权利要求2所述的一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统，其特征在于：反硝化燃料电池与厌氧氨氧化电解池通过开关Ⅰ(11)和开关Ⅱ(12)的切换共用反硝化反应室(4)；在反硝化燃料电池中，反硝化反应室(4)作为阴极接收厌氧消化反应室(3)输送的电子而进行短程反硝化反应；在厌氧氨氧化电解池中，厌氧氨氧化反应室(5)作为阳极发生氨的氧化反应，反硝化反应室(4)作为阴极接收厌氧氨氧化反应室(5)输送的电子而进行亚硝酸盐的还原反应。
8.根据权利要求1所述的一种厌氧消化反硝化厌氧氨氧化生物电化学系统，其特征在于：所述的惰性电极Ⅰ(6)、惰性电极Ⅱ(7)、惰性电极Ⅲ(8)均采用碳毡电极。
9.一种利用权利要求2所述的系统的污染物处理方法，其特征在于：在反硝化燃料电池中，反硝化反应室(4)受控进行短程反硝化；在厌氧氨氧化电解池中，厌氧氨氧化反应室(5)进行氨氧化，反硝化反应室(4)进行亚硝酸盐还原反应，在外电源作用下厌氧氨氧化反应室(5)和反硝化反应室(4)协同完成厌氧氨氧化，具体步骤如下：
首先，组装好电化学系统，通过厌氧消化反应室(3)的进水口(14)加入含COD废水，通过反硝化反应室(4)的进水口(15)加入含硝氮废水，通过厌氧氨氧化反应室(5)的进水口(16)加入含氨氮废水，保证附着厌氧消化、短程反硝化、厌氧氨氧化污泥的三个电极分别对应含COD、硝氮、氨氮的三种废水；
然后，闭合开关Ⅰ(11)，打开开关Ⅱ(12)，厌氧消化反应室(3)与反硝化反应室(4)组成反硝化燃料电池，厌氧消化反应室(3)作为阳极进行有机物的氧化反应，反硝化反应室(4)作为阴极进行硝酸盐的还原反应，阳极反应产生的电子通过外电路输送至阴极，同时提高厌氧消化与短程反硝化的效率，并产生电流回收能源；
再然后，打开开关Ⅰ(11)，闭合开关Ⅱ(12)，调节稳压电源，反硝化反应室(4)与厌氧氨氧化反应室(5)组成厌氧氨氧化电解池，反硝化反应室(4)作为阴极进行亚硝酸盐的还原反应，厌氧氨氧化反应室(5)作为阳极进行氨的氧化反应，反硝化反应室(4)中上一步硝酸盐还原产生的亚硝酸盐，受稳压电源的作用通过阴离子交换膜(9)移向厌氧氨氧化反应室(5)，并在厌氧氨氧化反应室(5)与高浓度氨氮发生厌氧氨氧化，生成氮气；
最后，经过处理的废水通过厌氧消化反应室(3)、反硝化反应室(4)与厌氧氨氧化反应室(5)各自的出水口(17)排出系统，实现对COD与氮素污染物的联合去除。
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