CN109607944A - 升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法 - Google Patents

升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，涉及废水处理方法，包括以下步骤：1)搭建升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合系统；2)启动步骤1)所搭建的系统；3)利用步骤2)完成启动的系统处理废水，收集出水。本发明将升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池两者耦合，在深度脱氮过程中，保证COD含量较低的前提下，用经济的能耗成本有效的强化废水中氮的去除，节省了人工外加投入碳源，实现了NO2 ‑和NO3 ‑的低成本降解和能源回收利用。

Description

升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮 量的方法
技术领域
本发明涉及废水处理方法，具体涉及通过将传统的升流式厌氧生物滤池(AF)与微生物燃料电池(MFC)相耦合强化废水中氮的去除同时提高能源的回收利用率的方法。
技术背景
随着人们日常生活水平的提高，大量的含氮物质直接或间接的应用到人们的生活中，造成大量的氮排放。大量的含氮物质流入水体之中会引起水体富营养化，破坏水体生态环境。生物脱氮因经济节能、有效、无二次污染而备受青睐，成为了绝大多数污水处理厂的选择。生物脱氮是利用微生物的呼吸代谢作用，将有机氮转变为亚硝酸盐和硝酸盐等无机氮，无机氮进一步通过反硝化反应转化为氮气，从而达到生物脱氮的过程。在反硝化反应中，反硝化细菌需要利用有机碳源作为电子供体来进行对硝酸盐的脱氮去除，而有机碳源作为污染物已经在反硝化反应之前被大量去除，所以传统的生物脱氮工艺不可避免的存在着无机氮去除效率的问题。升流式厌氧生物滤池(AF)就是是典型的生物深度脱氮工艺。近年来，越来越多的研究利用微生物燃料电池(MFC)进行废水脱氮，取得令人满意的效果，但是传统厌氧生物滤池在反硝化反应阶段由于有机碳源不足，会导致对废水中NO2 -和NO3 -等无机氮的处理效果不佳。MFC具有效率高、速度快、环境友好的特点，有效的克服了厌氧生物脱氮方法的弊端，同时MFC还可以将生物质能转化为电能。但MFC还存在构型不成熟、难以规模化放大等困难。
发明内容
本发明的目的在于克服传统厌氧生物滤池在反硝化反应阶段由于有机碳源不足导致的对废水中NO2 -和NO3 -等无机氮的处理效果不佳，而微生物燃料电池构型不成熟、难以规模化放大的困难，提供一种升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法。
本发明的目的通过以下措施来达到：
一种升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，包括以下步骤：
1)搭建升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合系统(在本发明中简称升流式MFC-AF或MFC-AF)：流式厌氧生物滤池包括填料、进水管、出水管和回流管；将铜线匝绕的石墨棒插入填料之中，作为微生物燃料电池的阳极，将不锈钢网依次内衬碳基质层、PTFE层、Pt/C与PTFE混合层制成微生物燃料电池的阴极，取钛丝连接阴极与阳极上的石墨棒；
2)启动步骤1)所搭建的系统：向阳极接种如反硝化细菌培养液，从进水管连续通入经过闷曝的、含有稳定浓度NO3--N和乙酸钠的水溶液，开启回流管，测定出水中NO2 -和NO3 -的浓度，待出水中NO2 -和NO3 -的浓度达到稳定时系统启动完成；
3)利用步骤2)完成启动的系统处理废水：在待处理废水中加入乙酸钠，调节pH后闷曝，将闷曝后的废水经进水管连续通入步骤2)启动的系统中，收集出水。
步骤1)所述填料为石墨颗粒，粒径为3-8mm；所述填料厚180mm，孔隙率0.44；填料包括承托层和滤层：承托层厚40mm，滤层厚140mm，承托层位于滤层上方，且承托层中的石墨颗粒粒径大于滤层。
步骤1)所述填料下方有进水位置，连接进水管；填料上方有出水位置，连接出水管；回流管连接进水位置与出水位置，回流管开启时，使出水位置的出水回流至进水位置，重新进入填料。
步骤1)所述铜线匝绕的石墨棒贯穿承托层和滤层。
步骤1)所述钛丝贯穿阴极中的不锈钢网、碳基质层、PTFE层和Pt/C与PTFE混合层。
步骤1)所述Pt/C中Pt质量分数为10％，所述Pt/C与PTFE混合层中，Pt/C占质量分数98％，PTFE占质量分数2％。
步骤2)所述反硝化细菌培养液接种入阳极的体积为填料体积的25％。
步骤2)所述闷曝时间为24h。
步骤2)所述水溶液用5mM的PBS调节pH至7.5-8.5。
步骤2)所述水溶液中，NO3--N的浓度为100mg/L。
步骤2)所述水溶液中，乙酸钠中的碳元素和NO3--N中的氮元素的质量比为2:1。
步骤2)所述连续通入水溶液，进水速率为1.18mL/min，HRT为24h，回流比为1:1，所述回流比为出水速率与回流速率度之间的比例。
步骤3)所述乙酸钠加入废水中的终浓度为0.15-0.3g/L。
步骤3)所述调节pH使用5mM的PBS调节pH至7.5-8.5。
步骤3)所述闷曝时间为24h。
步骤3)中系统的进水速率为1.18mL/min，HRT为24h，回流比为1:1，所述回流比为出水速率与回流速率度之间的比例。
有益效果
本发明是一种在传统厌氧生物滤池的基础上耦合微生物燃料电池提高废水中无机氮去除率的生物学方法。本发明在生物还原方法的基础上，通过加入一个生物燃料电池，一方面为微生物提供额外还原力，刺激微生物的胞外电子传递效率，来达到在较少的碳源存在下提高降解水中无机氮的目的。本发明采用传统厌氧生物滤池工艺与微生物燃料电池耦合促进在低碳源浓度下废水中无机氮的处理效果，需要两个过程：(1)微生物培养驯化；(2)提供外加乙酸钠。在0.6/0.3/0.15g/L的乙酸钠碳源条件下，MFC-AF反应器的TN的平均去除效果优于AF反应器，尤其在低浓度碳源0.15g/L的条件下，脱氮率为75.67％，比AF反应器脱氮率高出16.05％，同时产生0.10V左右的输出电压。由此可见MFC与厌氧生物滤池的耦合即可以提高单一厌氧生物滤池的脱氮效率，同时可以将生物质能回收为电能。为解决传统废水处理反硝化过程中碳源不足导致脱氮率低得问题提供了一种方法。
附图说明
图1为0.6g/L乙酸钠条件下MFC-AF与AF(升流式厌氧生物滤池)脱氮效果对比；其中(a)为AF，(b)为MFC-AF；
图2为0.3g/L乙酸钠条件下MFC-AF与AF(升流式厌氧生物滤池)脱氮效果对比；其中(a)为AF，(b)为MFC-AF；
图3为0.15g/L乙酸钠条件下MFC-AF与AF(升流式厌氧生物滤池)脱氮效果对比；其中(a)为AF，(b)为MFC-AF。
具体实施方式
实施例
一种升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，包括以下步骤：
1)搭建升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合系统(简称升流式MFC-AF)：流式厌氧生物滤池包括填料、进水管、出水管和回流管；将铜线匝绕的石墨棒插入填料之中，作为微生物燃料电池的阳极，将不锈钢网依次内衬碳基质层、PTFE层、Pt/C与PTFE混合层制成微生物燃料电池的阴极，取钛丝连接阴极与阳极上的石墨棒；
2)启动步骤1)所搭建的系统：向阳极接种如反硝化细菌培养液，从进水管连续通入经过闷曝的、含有稳定浓度NO3--N和乙酸钠的水溶液，开启回流管，测定出水中NO2 -和NO3 -的浓度，待出水中NO2 -和NO3 -的浓度达到稳定时系统启动完成；
3)利用步骤2)完成启动的系统处理废水：在待处理废水中加入乙酸钠，调节pH后闷曝，将闷曝后的废水经进水管连续通入步骤2)启动的系统中，收集出水。
步骤1)所述填料为石墨颗粒；所述填料厚180mm，孔隙率0.44；填料包括承托层和滤层：承托层厚40mm，滤层厚140mm，承托层位于滤层上方，且承托层中的石墨颗粒粒径大于滤层，承托层石墨颗粒粒径为6-8mm，滤层石墨颗粒粒径为3-5mm。
步骤1)所述填料下方有进水位置，连接进水管；填料上方有出水位置，连接出水管；回流管连接进水位置与出水位置，回流管开启时，使出水位置的出水回流至进水位置，重新进入填料。
步骤1)所述铜线匝绕的石墨棒贯穿承托层和滤层。
步骤1)所述钛丝贯穿阴极中的不锈钢网、碳基质层、PTFE层和Pt/C与PTFE混合层。
步骤1)所述Pt/C中Pt质量分数为10％，所述Pt/C与PTFE混合层中，Pt/C占质量分数98％，PTFE占质量分数2％。
步骤2)所述反硝化细菌培养液接种入阳极的体积为填料体积的25％，填料体积1.87L。
步骤2)所述闷曝时间为24h。
步骤2)所述水溶液用5mM的PBS调节pH至8。
步骤2)所述水溶液中，NO3--N的浓度为100mg/L。
步骤2)所述水溶液中，乙酸钠中的碳元素和NO3--N中的氮元素的质量比为2:1。
步骤2)所述连续通入水溶液，进水速率为1.18mL/min，HRT为24h，回流比为1:1，所述回流比为出水速率与回流速率度之间的比例。
步骤3)所述乙酸钠加入废水中的终浓度分别为0.15、0.3、0.6g/L进行三组实验。
步骤3)所述调节pH使用5mM的PBS调节pH至8。
步骤3)所述闷曝时间为24h。
步骤3)中系统的进水速率为1.18mL/min，HRT为24h，回流比为1:1，所述回流比为出水速率与回流速率度之间的比例。
对比例：
构建所有参数条件与升流式MFC-AF反应器相同的AF反应器(升流式厌氧生物滤池)，即所搭建的AF反应器与升流式MFC-AF反应器中的“AF”部分参数条件相同。在相同的乙酸钠碳源等条件下，长期运行两组反应器。对比两组反应器对废水中氮的去除率。
经检测出水，结果见图1-3，从图中可以看出：在0.6/0.3/0.15g/L的乙酸钠碳源条件下，MFC-AF反应器的TN的平均去除效果优于AF反应器，尤其在低浓度碳源0.15g/L的条件下，脱氮率为75.67％，比AF反应器脱氮率高出16.05％，同时产生0.10V左右的输出电压。由此可见MFC与厌氧生物滤池的耦合即可以提高单一厌氧生物滤池的脱氮效率，同时可以将生物质能回收为电能。

Claims (10)

1.一种升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)搭建升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合系统：流式厌氧生物滤池包括填料、进水管、出水管和回流管；将铜线匝绕的石墨棒插入填料之中，作为微生物燃料电池的阳极，将不锈钢网依次内衬碳基质层、PTFE层、Pt/C与PTFE混合层制成微生物燃料电池的阴极，取钛丝连接阴极与阳极上的石墨棒；
2)启动步骤1)所搭建的系统：向阳极接种如反硝化细菌培养液，从进水管连续通入调节pH至7.5-8.5后经过闷曝的、含有稳定浓度NO3--N和乙酸钠的水溶液，开启回流管，测定出水中NO2 -和NO3 -的浓度，待出水中NO2 -和NO3 -的浓度达到稳定时系统启动完成；
3)利用步骤2)完成启动的系统处理废水：在待处理废水中加入乙酸钠，调节pH至7.5-8.5后闷曝，将闷曝后的废水经进水管连续通入步骤2)启动的系统中，收集出水。
2.根据权利要求1所述的升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，其特征在于：步骤1)所述填料为石墨颗粒，粒径为3-8mm；所述填料厚180mm，孔隙率0.44；填料包括承托层和滤层：承托层厚40mm，滤层厚140mm，承托层位于滤层上方，且承托层中的石墨颗粒粒径大于滤层。
3.根据权利要求1所述的升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，其特征在于：步骤1)所述填料下方有进水位置，连接进水管；填料上方有出水位置，连接出水管；回流管连接进水位置与出水位置，回流管开启时，使出水位置的出水回流至进水位置，重新进入填料。
4.根据权利要求1所述的升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，其特征在于：步骤1)所述铜线匝绕的石墨棒贯穿承托层和滤层；步骤1)所述钛丝贯穿阴极中的不锈钢网、碳基质层、PTFE层和Pt/C与PTFE混合层。
5.根据权利要求1所述的升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，其特征在于：步骤1)所述Pt/C中Pt质量分数为10％，所述Pt/C与PTFE混合层中，Pt/C占质量分数98％，PTFE占质量分数2％。
6.根据权利要求1所述的升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，其特征在于：步骤2)所述反硝化细菌培养液接种入阳极的体积为填料体积的25％。
7.根据权利要求1所述的升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，其特征在于：步骤2)所述水溶液中，NO3--N的浓度为100mg/L，乙酸钠中的碳元素和NO3--N中的氮元素的质量比为2:1。
8.根据权利要求1所述的升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，其特征在于：步骤2)所述连续通入水溶液，进水速率为1.18mL/min，HRT为24h，回流比为1:1，所述回流比为出水速率与回流速率度之间的比例。
9.根据权利要求1所述的升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，其特征在于：步骤3)所述乙酸钠加入废水中的终浓度为0.15-0.3g/L。
10.根据权利要求1所述的升流式厌氧生物滤池与微生物燃料电池耦合降低废水中含氮量的方法，其特征在于：步骤3)中系统的进水速率为1.18mL/min，HRT为24h，回流比为1:1，所述回流比为出水速率与回流速率度之间的比例。
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