CN109292959B - 一种强化低cn比废水阴极反硝化的方法 - Google Patents

一种强化低cn比废水阴极反硝化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强化低CN比废水阴极反硝化的方法，本发明针对阴极反硝化在处理低C/N比废水时面临的去除率和催化活性不高等问题，提供一种强化低C/N比废水阴极反硝化的方法，以好氧硝化‑异养反硝化菌陶厄氏菌属(Thauera sp)为菌源(丰度含量72％)，通过工作电极接受电子和释放电子的电极逆转的方式驯化高活性的电极生物膜，强化电极生物膜的反硝化催化活性，解决低C/N废水生物脱氮过程中的碳源不足问题。

Description

一种强化低CN比废水阴极反硝化的方法
技术领域
本发明涉及一种方法，特别涉及一种强化低CN比废水阴极反硝化的方法，属于废水处理应用技术领域。
背景技术
在废水处理领域，低C/N比废水十分常见(如生活黑水、沼液以及老龄垃圾渗滤液等)，这类水质由于C/N比例失调，导致反硝化过程碳源严重不足，脱氮效果受限，常规的解决方法就是外加碳源(如甲醇、乙醇、乙酸等)，但是药品的外加量一般难以控制，甚至导致二次污染，运行费用大大增加，此外，内源性碳源(如污泥裂解等)可以补充反硝化碳源，但是会带来氨氮和磷的积累，为后续处理增大难度，在工艺改进方面，有研究报道采用多点进水或调节回流比的方式减少碳源损失，虽然节约了部分碳源，但实质上，低C/N 比废水严重缺失的碳源问题没有得到根本性的解决，在解决这类废水反硝化碳源不足时，必须满足补给能源的可控性并且不会带来二次污染，坚决杜绝为了满足反硝化的高C/N 比，过量加入有机物。
微生物电化学技术(MET)主要包括微生物燃料电池(MFC)、微生物电解池(MEC)，其阴极反硝化是利用阴极作为电子供体，即阴极还原所需的电子可以从外界电极中获得，使反硝化处理低C/N比废水不再依赖有机碳源，弥补了生物脱氮中碳源不足的劣势，Clauwaert等报道了MFC中以生物阴极为直接电子供体用于还原硝酸盐为氮气的研究，其阴极反硝化效率达到0.146kgNO3 --N/m3.d(Environmental science&technology，2007， 41，(9)，3354-3360.)，低于异养反硝化速率，专利(申请号201110373581.X)公开了一种三维电极生物膜系统用于处理低C/N比废水的方法，通过填充颗粒状导电粒子提高微生物数量以及传质效率，虽然不用外加有机碳源，但是其阴极反硝化主要是通过电解产物氢作为电子供体，实现的氢自养反硝化，专利(申请号201711434786.8)公开了一种处理低C/N比污废水的生物阴极电化学系统及处理废水的方法，阴极通过驯化不动杆菌属Acinetobactersp.Y1实现培养液在阴极C/N分别为8、2、0时，硝酸盐去除率分别为98.77％、83.12％、45.34％，自养条件下的阴极反硝化去除率远低于异养反硝化，说明在没有碳源时，反硝化进程不彻底，其脱氮系统仍然受到有机碳源供给的限制。
迄今为止，生物阴极反硝化的电子传递机制仍不清晰，阴极电化学活性微生物如何从电极上获得电子以及电子流的调控有待进一步研究，从现有的研究中可以发现，阴极自养生物膜生长缓慢，其菌群密度明显低于异养生物膜，催化活性也低于阳极生物膜。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种强化低CN比废水阴极反硝化的方法，使用方便，节约了大量的成本。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种强化低CN比废水阴极反硝化的方法，所述方法以好氧硝化-异养反硝化菌陶厄氏菌属为菌源，通过工作电极接受电子和释放电子的电极逆转的方式驯化高活性的电极生物膜，强化电极生物膜的反硝化催化活性，包括以下步骤：
步骤一、微生物电化学体系的构建
以恒电位仪为电源调控电极电势，碳毡为电极材料，构建三电极微生物电化学体系，该系统由工作电极、对电极和参比电极构成；
步骤二、电极生物膜的驯化
设定工作电极的电势为0.05～0.2V，当氧化电流升高然后降低到恒定水平时，调节工作电极的电势为-0.1～-0.6V，更换工作电极室的营养液，分别以乙酸钠、氯化铵为碳源、氮源来配制低C/N比废水，COD为200～300mg/L；硝态氮浓度在100mg/L，其组成及含量为：0.6～1.2g/L乙酸钠，0.72g/L KNO3，0.10g/L MgSO4·7H2O，0.5g/L KCl，2.0g/LNaHCO3，16.0g/L Na2HPO4·12H2O及0.31g/L KH2PO4，当硝酸盐的浓度不再降低时，调回电极电势为0.05～0.2V，通过正负电势的更替，实现工作电极接受电子和释放电子的过程逆转，从而刺激电极生物膜的催化活性，即完成电极逆转的一个周期，循环此周期 6～10次，直到循环伏安法扫描时，电极生物膜出现多组氧化还原峰，说明电化学活性生物膜驯化成功；
步骤三、阴极反硝化的启动与运行
驯化稳定以后的电极生物膜，在处理低C/N比废水时，调控电极电势-0.1～-0.6V，该电势条件下阴极无析氢反应，所发生的电化学反应为电极直接提供电子，不会形成中间产物氢自养反硝化。
作为本发明的一种实现方案，所述步骤一的微生物电化学体系的构建包括：在工作电极室内注入培养液，以乙酸钠为碳源、氯化铵为氮源来配制废水，其COD为1000～2000mg/L，氨氮浓度在120～160mg/L，接种实验室内反硝化罐中的好氧硝化-异养反硝化污泥，其中陶厄氏菌属(Thauera sp.)含量达到72％，所述工作电极室内培养液成分为3～6g/L乙酸钠，0.5～0.7g/L NH4Cl，0.10g/L MgSO4·7H2O，0.5g/L KCl，2.0g/L NaHCO3，16.0g/LNa2HPO4·12H2O及0.31g/L KH2PO4，对电极室内配置100mM的磷酸盐缓冲液(100mM PBS)，以Ag/AgCl作为参比电极，构建三电极体系。
作为本发明的一种实现方案，在处理低C/N比废水时，所述C/N比小于等于3。
本发明所达到的有益效果是：1)在处理低C/N比废水时，反硝化不足的电子可以由电极直接提供，避免了反硝化对有机碳源的依赖；2)本发明通过工作电极的逆转，驯化出电化学活性稳定的阴极反硝化生物膜，反硝化催化活性高；3)阴极反硝化在没有碳源时(C/N比为0)仍然维持较高的水平，去除总氮67.5％，有良好的经济效益和社会效益，适合推广使用。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：本发明提供一种强化低CN比废水阴极反硝化的方法，以好氧硝化-异养反硝化菌陶厄氏菌属(Thauera sp.)为菌源(丰度含量72％)，通过工作电极接受电子和释放电子的电极逆转的方式驯化高活性的电极生物膜，强化电极生物膜的反硝化催化活性，解决低C/N废水生物脱氮过程中的碳源不足问题。
步骤一、微生物电化学体系的构建
以恒电位仪为电源调控电极电势，碳毡为电极材料，构建三电极微生物电化学体系，该系统由工作电极、对电极和参比电极构成，在工作电极室内注入培养液，以乙酸钠为碳源、氯化铵为氮源来配制废水，其COD为1000～2000mg/L，氨氮浓度在120～160mg/L，接种实验室内反硝化罐中的好氧硝化-异养反硝化污泥，其中陶厄氏菌属(Thauera sp.)含量达到72％，所述工作电极室内培养液成分为3～6g/L乙酸钠，0.5～0.7g/L NH4Cl，0.10g/LMgSO4·7H2O，0.5g/L KCl，2.0g/L NaHCO3，16.0g/L Na2HPO4·12H2O及0.31g/L KH2PO4，对电极室内配置100mM的磷酸盐缓冲液(100mM PBS)，以Ag/AgCl作为参比电极，构建三电极体系。
步骤二、电极生物膜的驯化
设定工作电极的电势为0.05～0.2V(相对Ag/AgCl电极)，当氧化电流升高然后降低到恒定水平时，调节工作电极的电势为-0.1～-0.6V(相对Ag/AgCl电极)，此时，工作电极室的营养液需要更换，分别以乙酸钠、氯化铵为碳源、氮源来配制低C/N比废水，COD 为200～300mg/L，硝态氮浓度在100mg/L，其组成及含量为：0.6～1.2g/L乙酸钠，0.72g/L KNO3，0.10g/L MgSO4·7H2O，0.5g/L KCl，2.0g/L NaHCO3，16.0g/L Na2HPO4·12H2O 及0.31g/LKH2PO4，当硝酸盐的浓度不再降低时，调回电极电势为0.05～0.2V(相对 Ag/AgCl电极)，通过正负电势的更替，实现工作电极接受电子和释放电子的过程逆转，从而刺激电极生物膜的催化活性，即完成电极逆转的一个周期，循环此周期6～10次，直到循环伏安法扫描时(扫描区间在-06V～0.6V)电极生物膜出现多组氧化还原峰，说明电化学活性生物膜驯化成功。
步骤三、阴极反硝化的启动与运行
驯化稳定以后的电极生物膜，在处理低C/N比废水时(一般COD/N小于3)，调控电极电势-0.1～-0.6V(相对Ag/AgCl电极)，该电势条件下阴极无析氢反应，所发生的电化学反应为电极直接提供电子，不会形成中间产物氢自养反硝化。
在使用时，通过五种不同情况下的条件，对方法进行测量使用：
条件1：
(1)微生物电化学体系的构建
以恒电位仪为电源调控电极电势，碳毡为电极材料，构建三电极微生物电化学体系，该系统由工作电极、对电极和参比电极构成，在工作电极室内注入培养液，以乙酸钠为碳源、氯化铵为氮源来配制废水，COD为1000mg/L，氨氮浓度在120mg/L，接种实验室内反硝化罐中的好氧硝化-异养反硝化污泥，其中陶厄氏菌属(Thauera sp.)含量72％，所述阳极培养液成分为3g/L乙酸钠，0.5g/L NH4Cl，0.10g/L MgSO4·7H2O，0.5g/L KCl，2.0g/LNaHCO3，16.0g/L Na2HPO4·12H2O及0.31g/L KH2PO4，对电极室内配置100mM的磷酸盐缓冲液(100mM PBS)，以Ag/AgCl作为参比电极，构建三电极体系。
(2)电极生物膜的驯化
设定工作电极的电势为0.05V(相对Ag/AgCl电极)，当氧化电流升高然后降低到恒定水平时，调节工作电极的电势为-0.3V(相对Ag/AgCl电极)，此时，工作电极的营养液需要更换，分别以乙酸钠、氯化铵为碳源、氮源来配制，COD为200mg/L，硝态氮浓度在100mg/L的低C/N废水，其组成及含量为：0.6g/L乙酸钠，0.72g/L KNO3，0.10g/L MgSO4·7H2O，0.5g/LKCl，2.0g/L NaHCO3，16.0g/L Na2HPO4·12H2O及0.31g/L KH2PO4，当硝酸盐的浓度不再降低时，调回电极电势，完成电极逆转的一个周期，循环此周期10次，直到循环伏安法扫描时(扫描区间在-06V～0.6V)电极生物膜出现乙酸盐氧化峰以及硝酸盐或亚硝酸盐还原峰等多对氧化还原峰，说明电化学活性生物膜驯化成功。
(3)阴极反硝化的启动与运行
驯化稳定以后的生物膜，处理低C/N比(COD/N等于1)的废水，调控电极电势-0.3V(相对Ag/AgCl电极)，该电势条件下阴极无析氢反应，所发生的电化学反应为电极直接提供电子，不会形成中间产物氢自养反硝化，测得阴极反硝化可以去除总氮86.9％。
条件2：
本条件的方法与实例1相同，不同的是处理低C/N比(COD/N等于2)的废水，测得阴极反硝化可以去除总氮95.3％。
条件3
本条件的方法与实例1相同，不同的是处理低C/N比(COD/N等于3)的废水，测得阴极反硝化可以去除总氮99％，基本实现完全反硝化。
条件4
本条件的方法与实例1相同，不同的是处理低C/N比(COD/N等于0)的废水，测得阴极反硝化可以去除总氮67.5％，该结果明显高于专利(申请号201711434786.8)报道的45.34％。
条件5
本条件不采用电极逆转的方式，同样接种实验室内反硝化罐中的好氧硝化-异养反硝化污泥，其中陶厄氏菌属(Thauera sp.)含量72％，微生物电化学体系的构建和电势控制与实例1相同，不同的是阴极生物膜的驯化只用负电势，即：工作电极的电势为 -0.1～-0.6V(相对Ag/AgCl电极)，工作电极室内的营养液，分别以乙酸钠、氯化铵为碳源、氮源来配制废水COD为200～300mg/L，硝态氮浓度在100mg/L的低C/N废水，其组成及含量为：0.6～1.2g/L乙酸钠，0.72g/L KNO3，0.10g/L MgSO4·7H2O，0.5g/L KCl， 2.0g/L NaHCO3，16.0g/L Na2HPO4·12H2O及0.31g/L KH2PO4，当硝酸盐的浓度不再降低时，一个周期结束，循环此周期6～10次，阴极同样出现显著的硝酸盐还原峰，但是在处理低C/N比(COD/N等于0)的废水，调控电极电势-0.3V(相对Ag/AgCl电极)，该电势条件下阴极无析氢反应，所发生的电化学反应为电极直接提供电子，同样不会形成中间产物氢自养反硝化，测得阴极反硝化可以去除总氮35.7％，该驯化的阴极反硝化结果明显低于实例4中的电极逆转的驯化方式。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种强化低CN比废水阴极反硝化的方法，所述方法以好氧硝化-异养反硝化菌陶厄氏菌属为菌源，通过工作电极接受电子和释放电子的电极逆转的方式驯化高活性的电极生物膜，强化电极生物膜的反硝化催化活性，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、微生物电化学体系的构建
以恒电位仪为电源调控电极电势，碳毡为电极材料，构建三电极微生物电化学体系，该系统由工作电极、对电极和参比电极构成；
步骤二、电极生物膜的驯化
设定工作电极的电势为0.05～0.2V，当氧化电流升高然后降低到恒定水平时，调节工作电极的电势为-0.1～-0.6V，更换工作电极室的营养液，分别以乙酸钠、氯化铵为碳源、氮源来配制低C/N比废水，COD为200～300mg/L；硝态氮浓度在100mg/L，其组成及含量为：0.6～1.2g/L乙酸钠，0.72g/L KNO3，0.10g/L MgSO4·7H2O，0.5g/L KCl，2.0g/L NaHCO3，16.0g/L Na2HPO4·12H2O及0.31g/L KH2PO4，当硝酸盐的浓度不再降低时，调回电极电势为0.05～0.2V，通过正负电势的更替，实现工作电极接受电子和释放电子的过程逆转，从而刺激电极生物膜的催化活性，即完成电极逆转的一个周期，循环此周期6～10次，直到循环伏安法扫描时，电极生物膜出现多组氧化还原峰，说明电化学活性生物膜驯化成功；
步骤三、阴极反硝化的启动与运行
驯化稳定以后的电极生物膜，在处理低C/N比废水时，调控电极电势-0.1～-0.6V，该电势条件下阴极无析氢反应，所发生的电化学反应为电极直接提供电子，不会形成中间产物氢自养反硝化。
2.根据权利要求1所述的一种强化低CN比废水阴极反硝化的方法，其特征在于，所述步骤一的微生物电化学体系的构建包括：在工作电极室内注入培养液，以乙酸钠为碳源、氯化铵为氮源来配制废水，其COD为1000～2000mg/L，氨氮浓度在120～160mg/L，接种实验室内反硝化罐中的好氧硝化-异养反硝化污泥，其中陶厄氏菌属(Thauera sp.)含量达到72％，所述工作电极室内培养液成分为3～6g/L乙酸钠，0.5～0.7g/L NH4Cl，0.10g/L MgSO4·7H2O，0.5g/L KCl，2.0g/L NaHCO3，16.0g/L Na2HPO4·12H2O及0.31g/L KH2PO4，对电极室内配置100mM的磷酸盐缓冲液(100mM PBS)，以Ag/AgCl作为参比电极，构建三电极体系。
3.根据权利要求1所述的一种强化低CN比废水阴极反硝化的方法，其特征在于，在处理低C/N比废水时，所述C/N比小于等于3。
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