CN108183251B - 一种处理低c/n废水的微生物燃料电池bcs1-mfc系统及其处理废水的方法 - Google Patents

一种处理低c/n废水的微生物燃料电池bcs1-mfc系统及其处理废水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属微生物燃料电池与水处理技术领域，为解决现有生物脱氮技术的诸多缺陷，提供一种处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1‑MFC系统及其处理废水的方法，阳极室放置附着有厌氧活性污泥的颗粒活性炭，石墨板为阳极导电电极；阴极室内设置的阴极导电电极为经过离线挂膜且附着异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1的碳毡，阴极室设饱和甘汞电极为第三电极；阳极和阴极导电电极由外接电阻连接成完整电路，外接电阻上并联电压数据采集器。构建微生物燃料电池BCS1‑MFC系统，用所构建的BCS1‑MFC系统处理低C/N污废水，实现同步脱氮、除碳以及产电，从而扩展了该种高效脱氮菌的应用领域。

Description

一种处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1-MFC系统及其处 理废水的方法
技术领域
本发明属于微生物燃料电池与水处理技术领域，具体涉及一种处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1-MFC系统及其处理废水的方法，以异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1为生物阴极构建微生物燃料电池BCS1-MFC系统。
背景技术
人类生产生活中过量氮元素的排放，导致河流、湖泊等水体富营养化严重，引起生态系统服务功能退化，甚至完全丧失，并呈进一步恶化趋势，因此含氮废水污染成为目前主要环境污染问题之一，控制氮素污染迫在眉睫。
生物脱氮作为最经济有效的脱氮技术，引起更多的关注。针对传统生物脱氮中硝化菌生长缓慢、硝化菌和反硝化菌对外界环境敏感度的差异等缺陷，研究人员开发了多种新型生物脱氮工艺，如短程硝化反硝化、同时硝化反硝化、厌氧氨氧化等工艺。对于目前的新型生物脱氮技术中，异养硝化好氧反硝化脱氮因具有脱氮除碳、异养硝化和好氧反硝化的稳定和高效等特性而受到重视。
文献《Removal of nitrogen by heterotrophic nitrification-aerobicdenitrification of a novel metal resistant bacteriumCupriavidus sp. S1》（ZhiyiSun，Bioresource Technology 220 (2016) 142–150）公开了一种异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1，其同步脱氮除碳效果很好，在好氧条件下，C/N为12~28时，脱氮率均在95%以上。然而我国多数污废水属于低碳氮废水，碳氮比约为3.3~8.5；对于贪铜菌属Cupriavidus sp.S1在C/N为8、4时，其脱氮效率仅有75%与55%左右，主要原因是其由于碳源不足导致微生物生长受限以及反硝化电子供体缺乏而使脱氮效果下降，这是低碳氮污废水处理中主要的问题。因此在低碳氮污废水处理过程中由于碳源的限制，氮氧化物的去除面临巨大挑战。那么如何使用异养硝化好氧反硝化高效优势脱氮菌处理低碳氮比废水也是值得思考的问题。
目前很多污水处理厂最常用的解决方案是额外添加碳源（如乙酸钠、甲醇等），费用增加以及不可持续的资源消耗限制其实际应用。另外碳源添加过多或过少会引起反硝化过量或不彻底而影响有机物和TN的去除。因此，针对低碳氮比污废水寻求经济有效的处理技术具有重要意义。
微生物燃料电池（Microbial Fuel cells，MFC）是一种以微生物作为生物催化剂，将污废水中的化学能转化为电能的装置。利用微生物燃料电池处理城市污废水，不仅可以去除水体中污染物质，同时还可以回收电能，是一种清洁高效的水处理技术，成为目前环境工程水处理领域的热点。MFC的基本原理：（1）阳极物质微生物氧化：有机物或者NH+ 4在微生物作用下被氧化，产生电子、质子及其他代谢产物；（2）电子传递：微生物细胞→阳极电极→外电路→阴极电极；（3）质子迁移：阳极产生的质子经阳离子交换膜到达阴极；（4）阴极物质还原：阴极室的氧化态物质与阳极传递过来的电子和质子发生还原反应。这样就完成了物质降解及产电过程。
MFC在有机废水以及脱氮废水处理方面均有研究，在脱氮废水处理方面有研究阳极脱氮，也有研究阴极脱氮。在阴极生物脱氮中，均采用城市污水处理厂活性污泥进行脱氮研究，有关异养硝化好氧反硝化纯菌阴极处理低C/N废水的研究几乎没有。若将MFC与高效脱氮异养硝化好氧反硝化菌相结合处理低C/N废水，既能解决低C/N废水处理困难，又能回收能源，从而扩展了该种高效脱氮菌的应用领域。
发明内容
本发明为了解决现有生物脱氮技术的诸多缺陷，提供了一种处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1-MFC系统及其处理废水的方法，以异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1为生物阴极构建微生物燃料电池BCS1-MFC系统，用所构建的微生物燃料电池BCS1-MFC系统处理低C/N污废水，实现同步脱氮、除碳以及产电。
本发明由如下技术方案实现的：一种处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1-MFC系统，包括底部设有阳极出水口、顶部设有阳极进水口的阳极室，底部设有阴极出水口、顶部设有阴极进水口的阴极室，阳极室和阴极室固定连接，阳极室和阴极室之间由离子交换膜分隔，所述阳极室内放置附着有厌氧活性污泥的颗粒活性炭，石墨板为阳极导电电极；所述阴极室内设置的阴极导电电极为经过离线挂膜且附着异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1的碳毡；阴极室设置饱和甘汞电极作为第三电极；所述阳极导电电极和阴极导电电极由外接电阻连接成完整电路，外接电阻上并联电压数据采集器。
所述离子交换膜为阳离子交换膜。所述阳极室内和阴极室为有机玻璃的立方体，阳极室底部放置厚度为阳极室高度1/6的柱状颗粒活性炭。所述石墨板为4*4cm；所述碳毡为4*4cm。
利用所述的处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1-MFC系统处理废水的方法，具体步骤如下：
（1）反应器预处理：清洗反应器并在超净工作台中紫外灭菌30min后再用酒精擦拭反应器，依次重复处理3次；电极材料先用高纯水浸泡并煮沸30min，然后100KHz超声处理3h；0.5mol/L的HCl与0.5mol/L的NaOH分别浸泡48h，并煮沸30min后，高纯水清洗至中性，置于高纯水中待用；阳离子交换膜依次用3%的双氧水煮30min，高纯水煮30min，0.5mol/L的H2SO4煮30min，高纯水煮30min，然后置于高纯水中备用；
（2）电极挂膜：离线驯化挂膜：阳极采用厌氧活性污泥为接种污泥，将阳极电极材料置于锥形瓶中，加入200ml培养液1及40ml沉淀之后的厌氧活性污泥，，进行离线挂膜；阴极采用异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1为接种菌属，将碳毡置于200ml培养液3中进行121℃，灭菌20min,高温灭菌之后，加入1ml活化S1菌液，处理好的阳极和阴极电极材料置于30℃，120r/min摇床中挂膜20d；然后接入BCS1-MFC系统中在线驯化；
（3）在线驯化：将离线挂膜的电极材料置于反应器内，两极之间采用铜线与1000Ω外电阻相连接；阴阳两室加盖密封；在自然状态下，不使用氮气吹脱；电压数据采集器在线监测电压；BCS1-MFC系统采用30℃恒温不曝气序批式运行方式；BCS1-MFC系统循环运行，输出电压稳定3个周期以上，启动过程完成；
（4）启动过程完成后，变换外接电阻及C/N运行反应器，试验过程中定期取样进行测试OD、pH、COD、TN、NH+ 4-N、NO- 3-N、NO- 2-N；
所述阳极室加入200ml培养液1；阴极室加入200ml培养液2，具体培养液成分为：
培养液1：CH3COONa、（NH4)2SO4为碳源和氮源，C:N:P=200:5:1,其中每L培养液中含有4.103gCH3COONa、0.12gNaCl、0.01gFeSO4۰7H2O、0.01gMnSO4۰H2O、0.05gMgSO4۰7H2O、0.2gK2HPO4۰3H2O；
培养液2：CH3COONa、NaNO3为碳源和氮源，C:N=2:1,其中每L培养液中含有4.103gCH3COONa、0.607gNaNO3、0.12gNaCl、0.01gFeSO4۰7H2O、0.01gMnSO4۰H2O、0.05gMgSO4۰7H2O、0.2gK2HPO4۰3H2O；
培养液3：CH3COONa、NaNO3为碳源和氮源，C:N=14:1,其中每L培养液中含有4.103gCH3COONa、0.607gNaNO3、0.12gNaCl、0.01gFeSO4۰7H2O、0.01gMnSO4۰H2O、0.05gMgSO4۰7H2O、0.2gK2HPO4۰3H2O；所述培养液1、培养液2和培养液3调节pH值为7.0。
本发明所采用的异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1为文献《Removal of nitrogen by heterotrophic nitrification-aerobic denitrificationof a novel metal resistant bacteriumCupriavidussp. S1》（Zhiyi Sun，BioresourceTechnology 220 (2016) 142–150）报道的一种异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidussp.S1，该菌株已于2016年7月1日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏号为CGMCC NO.12731，地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所。
废水中的NO- 3去除机理为：硝态氮在反硝化菌的作用下，发生如下反应，转化为N2：NO- 3+e-→NO- 2（1）； NO- 2+e-→N2（2）；总：
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（3）；其中非常重要的是需要有机碳源来提供电子，完成反硝化过程。
从理论上分析，1mgNO- 3需要8.67mgCOD才能完成反硝化过程，即理论C/N为4；而实际废水处理过程中，C/N=4并不能进行彻底反硝化，一般需要C/N在4~15之间才可顺利完成。所以说低C/N废水处理困难。
本发明处理低C/N废水的原理为：阳极微生物在厌氧条件下，氧化有机物产生电子；电子传递到阳极电极，再通过外电路，将阳极室的电子传递到阴极碳毡电极上；阴极碳毡上贪铜菌属Cupriavidus sp.S1从电极获得电子，发生电化学反硝化；从而将阴极室中NO- 3一步步转化为N2得以去除。阳极：有机物→CO2+e-+H+；阴极：NO- 3+e-→NO- 2 ；NO- 2+e-→N2；O2+4H++e-→2H2O。
本发明首次证明了异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1可以从外电路获得电子进行电化学反硝化，完成了低C/N废水的处理；BCS1-MFC系统不同的外接电阻，其产电性能和低C/N废水脱氮效果差异较大。
附图说明
图1为本发明所述系统结构简图；图2为不同条件下TN的去除效果图（C/N=2）。
图中：1-阳极导电电极；2-阴极导电电极；3-第三电极；4-阳极进水口；5-阳极出水口；6-阴极进水口；7-阴极出水口；8-颗粒活性炭；9-离子交换膜；10-外接电阻；11-电压数据采集器。
具体实施方式
下面将结合实施例及附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1-MFC系统，包括底部设有阳极出水口5、顶部设有阳极进水口4的阳极室，底部设有阴极出水口7、顶部设有阴极进水口6的阴极室，阳极室和阴极室固定连接，阳极室和阴极室之间由离子交换膜9分隔，所述阳极室内放置附着有厌氧活性污泥的颗粒活性炭8，石墨板为阳极导电电极1；所述阴极室内设置的阴极导电电极2为经过离线挂膜且附着异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1的碳毡；阴极室设置饱和甘汞电极作为第三电极3；所述阳极导电电极1和阴极导电电极2由外接电阻10连接成完整电路，外接电阻上并联电压数据采集器11。
所述离子交换膜为阳离子交换膜。所述阳极室内和阴极室为有机玻璃的立方体，阳极室底部放置厚度为阳极室高度1/6的柱状颗粒活性炭。所述石墨板为4*4cm；所述碳毡为4*4cm。
所采用的异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1为文献《Removal ofnitrogen by heterotrophic nitrification-aerobic denitrification of a novelmetal resistant bacteriumCupriavidussp. S1》（Zhiyi Sun，Bioresource Technology220 (2016) 142–150）报道的一种异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1，该菌株已于2016年7月1日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏号为CGMCC NO.12731，地址为：北京市朝阳区北辰西路1号院3号中国科学院微生物研究所。
利用所述的处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1-MFC系统处理废水的方法，具体步骤如下：
（1）反应器预处理：清洗反应器并在超净工作台中紫外灭菌30min后再用酒精擦拭反应器，依次重复处理3次；电极材料先用高纯水浸泡并煮沸30min，然后100KHz超声处理3h；0.5mol/L的HCl与0.5mol/LNaOH分别浸泡48h，并煮沸30min后，高纯水清洗至中性，置于高纯水中待用；阳离子交换膜依次用3%的双氧水煮30min，高纯水煮30min，0.5mol/L的H2SO4煮30min，高纯水煮30min，然后置于高纯水中备用；
（2）电极挂膜：离线驯化挂膜：阳极采用厌氧活性污泥为接种污泥，将阳极电极材料置于锥形瓶中，加入200ml培养液1及40ml沉淀之后的厌氧活性污泥，进行离线挂膜；阴极采用异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1为接种菌属，将碳毡置于200ml培养液3中进行121℃高温灭菌20min之后，加入1ml活化S1菌液，处理好的阳极和阴极电极材料置于30℃，120r/min摇床中挂膜20d；然后接入BCS1-MFC系统中在线驯化；
（3）在线驯化：将离线挂膜的电极材料置于反应器内，两极之间采用铜线与1000Ω外电阻相连接；阴阳两室加盖密封；在自然状态下，不使用氮气吹脱；电压数据采集器在线监测电压；BCS1-MFC系统采用30℃恒温不曝气序批式运行方式；BCS1-MFC系统循环运行，输出电压稳定3个周期以上，启动过程完成；
（4）启动过程完成后，变换外接电阻，R=500、200、100Ω进行变化；周期结束阴极仍有少量的亚硝态氮积累；R=100Ω时，运行48h后，无亚硝态氮积累，阴极TN去除率达90%~98%；试验过程中定期取样进行测试OD、pH、COD、TN、NH+ 4-N、NO- 3-N、NO- 2-N。
所述阳极室采用培养液1；阴极室采用培养液2，具体培养液成分为：
培养液1：CH3COONa、（NH4)2SO4为碳源和氮源，C:N:P=200:5:1,其中每L培养液中含有4.103gCH3COONa、0.12gNaCl、0.01gFeSO4۰7H2O、0.01gMnSO4۰H2O、0.05gMgSO4۰7H2O、0.2gK2HPO4۰3H2O；
培养液2：CH3COONa、NaNO3为碳源和氮源，C:N=2:1,其中每L培养液中含有4.103gCH3COONa、0.607gNaNO3、0.12gNaCl、0.01gFeSO4۰7H2O、0.01gMnSO4۰H2O、0.05gMgSO4۰7H2O、0.2gK2HPO4۰3H2O；
培养液3：CH3COONa、NaNO3为碳源和氮源，C:N=14:1,其中每L培养液中含有4.103gCH3COONa、0.607gNaNO3、0.12gNaCl、0.01gFeSO4۰7H2O、0.01gMnSO4۰H2O、0.05gMgSO4۰7H2O、0.2gK2HPO4۰3H2O。
如图2所示，阴极室培养液在C/N=2的情况下，当R=500、200Ω时：周期结束，阴极仍有部分亚硝态氮积累，其TN去除率均达到80~88%；比不在电池中提高了20~30%。R=100Ω时，阴极没有亚硝态氮积累，其TN去除率达到90%~98%；几乎全部去除，比不在电池中提高了40~45%。不同的外接电阻，使得从阳极到阴极传递电子的速率以及电子数量不同，从而使得阴极发生电化学反硝化的速率不同，而导致不同的阴极脱氮效果。
从上述实验数据可知，异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1经过电化学驯化之后可以从外电路获得电子进行电化学反硝化，完成了低C/N废水的处理；BCS1-MFC系统不同的外接电阻，其产电性能和低C/N废水脱氮效果差异较大。
测定显示：使用BCS1-MFC系统处理低C/N（C/N=2）废水时，由于低有机碳废水，其OD值与同条件下摇瓶中（未在MFC中）基本保持一致，最高达到0.07-0.08；而pH差异较大，在摇瓶中，其pH基本保持在7~8之间，在BCS1-MFC系统中，无论在何种电阻下，其周期结束，pH都9~10之间。造成pH较大差异的原因，主要是因为在摇瓶中反硝化不完全，产生碱度较少；而在BCS1-MFC系统中,阴极的自身反硝化以及电化学反硝化的双重作用，使得阴极反硝化相对比较彻底，产生较多的碱度，从而pH上升较大。
在BCS1-MFC系统中，阴极室培养液在C/N=2，R=500，200和100Ω三种情况下，表现出不同的脱氮效果。1d之后，其NO- 3-N的去除率分别达到60-70%，90-99%和90-99%之间，比在摇瓶中分别提高了60%~70%，1-1.5倍和1-1.5倍；周期过程中其NO- 2-N出现不同的积累量分别为4~6mg/L，40~50mg/L和10~15mg/L；周期结束后，对于R=500Ω仍有少量的NO- 3-N和NO- 2-N存在；R=200Ω和100Ω，NO- 3-N几乎没有残留，而R=200Ω，NO- 2-N有少量积累，R=100Ω，NO- 2-N几乎不存在。所以说不同外电阻情况下，其脱氮效果不同，当R=500、200Ω时：周期结束，阴极仍有部分亚硝态氮积累，其TN去除率均达到80~88%；比不在电池中提高了20~30%。R=100Ω时，阴极没有亚硝态氮积累，其TN去除率达到90%~98%；几乎全部去除，比不在电池中提高了40~45%。不同的外接电阻，使得从阳极到阴极传递电子的速率以及电子数量不同，从而使得阴极发生电化学反硝化的速率不同，而导致不同的阴极脱氮效果。
此系统中，在C/N=1，0.5时，其TN脱除效率分别高达90%~93%和68%~72%。另外，不同外电阻情况下，产电性能有所差异，阴极室培养液在C/N=2，R=500，200和100Ω三种情况下，其阳极电势相对稳定，阴极电势波动较大，导致电压有所波动。其最大功率密度分别达1012.42±125mw/m3，1079±98mw/m3，932±77mw/m3。其产电性能差异主要是由于外电阻的不同导致阴极电位损失以及电子受体浓度和种类的变化等综合因素造成的。

Claims (2)

1.利用处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1-MFC系统处理废水的方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）反应器预处理：清洗反应器并在超净工作台中紫外灭菌30min后再用酒精擦拭反应器，依次重复处理3次；电极材料先用高纯水浸泡并煮沸30min，然后100KHz超声处理3h；0.5mol/L的HCl与0.5mol/L的NaOH分别浸泡48h，并煮沸30min后，高纯水清洗至中性，置于高纯水中待用；阳离子交换膜依次用3%的双氧水煮30min，高纯水煮30min，0.5mol/L的H2SO4煮30min，高纯水煮30min，然后置于高纯水中备用；
（2）电极挂膜：离线驯化挂膜：阳极采用厌氧活性污泥为接种污泥，将阳极电极材料置于锥形瓶中，加入200ml培养液1及40ml沉淀之后的厌氧活性污泥，进行离线挂膜；阴极采用异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1为接种菌属，将碳毡置于200ml培养液3中进行121℃高温灭菌20min之后，加入1ml活化S1菌液，处理好的阳极和阴极电极材料置于30℃，120r/min摇床中挂膜20d；然后接入BCS1-MFC系统中在线驯化；
（3）在线驯化：将离线挂膜的电极材料置于反应器内，两极之间采用铜线与1000Ω外电阻相连接；阴阳两室加盖密封；在自然状态下，不使用氮气吹脱；电压数据采集器在线监测电压；BCS1-MFC系统采用30℃恒温不曝气序批式运行方式；BCS1-MFC系统循环运行，输出电压稳定3个周期以上，启动过程完成；
（4）启动过程完成后，变换外接电阻及C/N运行反应器，试验过程中定期取样进行测试OD、pH、COD、TN、NH+ 4-N、NO- 3-N、NO- 2-N；
阳极室采用培养液1；阴极室采用培养液2，具体培养液成分为：
培养液1：CH3COONa、（NH4)2SO4为碳源和氮源，C:N:P=200:5:1,其中每L培养液中含有4.103gCH3COONa、0.12gNaCl、0.01gFeSO4۰7H2O、0.01gMnSO4۰H2O、0.05gMgSO4۰7H2O、0.2gK2HPO4۰3H2O；
培养液2：CH3COONa、NaNO3为碳源和氮源，C:N=2:1,其中每L培养液中含有4.103gCH3COONa、0.607gNaNO3、0.12gNaCl、0.01gFeSO4۰7H2O、0.01gMnSO4۰H2O、0.05gMgSO4۰7H2O、0.2gK2HPO4۰3H2O；
培养液3：CH3COONa、NaNO3为碳源和氮源，C:N=14:1,其中每L培养液中含有4.103gCH3COONa、0.607gNaNO3、0.12gNaCl、0.01gFeSO4۰7H2O、0.01gMnSO4۰H2O、0.05gMgSO4۰7H2O、0.2gK2HPO4۰3H2O；
所述培养液1、培养液2和培养液3的pH值为7.0；
所述处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1-MFC系统，包括底部设有阳极出水口（5）、顶部设有阳极进水口（4）的阳极室，底部设有阴极出水口（7）、顶部设有阴极进水口（6）的阴极室，阳极室和阴极室固定连接，阳极室和阴极室之间由离子交换膜（9）分隔，所述阳极室内放置附着有厌氧活性污泥的颗粒活性炭（8），石墨板为阳极导电电极（1）；所述阴极室内设置的阴极导电电极（2）为经过离线挂膜且附着异养硝化好氧反硝化贪铜菌属Cupriavidus sp.S1的碳毡；阴极室设置饱和甘汞电极作为第三电极（3）；所述阳极导电电极（1）和阴极导电电极（2）由外接电阻（10）连接成完整电路，外接电阻上并联电压数据采集器（11）；所述离子交换膜为阳离子交换膜；所述阳极室内和阴极室为有机玻璃的立方体，阳极室底部放置厚度为阳极室高度1/6的柱状颗粒活性炭。
2.根据权利要求1所述的利用处理低C/N废水的微生物燃料电池BCS1-MFC系统处理废水的方法，其特征在于：所述石墨板为4*4cm；所述碳毡为4*4cm。
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