CN109638327B - 一种用单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池装置进行脱氮产电的工艺 - Google Patents

一种用单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池装置进行脱氮产电的工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用单室厌氧氨氧化污泥‑微生物燃料电池装置进行脱氮产电的工艺，属于环境工程技术领域。其特征是阳极区厌氧氨氧化污泥以氨氮等为燃料产生电子，传至阳极表面，通过外电路及电阻传至阴极，形成电流，驱动阴极催化还原硝酸盐。阳极材料为碳毡，阴极材料为SnCu‑Pd/碳纤维布。从装置底部连续进水，上向流，顶部溢流出水。单室结构简单，操作方便。本发明的效果和益处是单室厌氧氨氧化污泥‑微生物燃料电池装置可在阴极将厌氧氨氧化副产物硝酸盐高选择性地还原为氮气，总氮去除效率相比于常规厌氧氨氧化工艺提高10％～20％；同时输出电压；还可利用所产生电场提高厌氧氨氧化菌的代谢活性。

Description

一种用单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池装置进行脱氮 产电的工艺
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，涉及厌氧氨氧化自养脱氮工艺和微生物燃料电池产能技术的研究，特别涉及在单室微生物燃料电池阳极区中引入厌氧氨氧化污泥驱动阴极还原硝酸盐同步脱氮产电的研究。
背景技术
水是生命之源，是人类赖以生存发展的必需物质资源之一。随着全球工农业的发展和经济的增长，大量含氮废水排入水体，破坏生态系统的平衡并对人体的健康产生严重危害，水体氮素污染问题日趋严峻。同时，我国的能源短缺问题已成为经济可持续发展的阻碍，因此水处理工艺中利用污染物进行产能是极具社会意义的。
厌氧氨氧化菌在厌氧或兼氧条件下，能够以氨氮为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，生成氮气。相比于硝化、反硝化等传统脱氮工艺，厌氧氨氧化技术具有以下优点:1.脱氮效率高；2.不需要外加有机碳源；3.无需曝气，减少能耗；4.污泥产量低。目前，厌氧氨氧化技术已在实际工程中得到应用，首座厌氧氨氧化反应器在荷兰Dokhaven市政污水处理厂成功启动。然而，厌氧氨氧化过程中，每1摩尔氨氮和1.32摩尔亚硝酸盐参与反应，会产生0.26摩尔的副产物硝酸盐，使总氮去除率仅能达到80％左右，成为了制约此工艺发展的瓶颈。对于该问题，Xie等人将其与反硝化型甲烷厌氧氧化耦合得到了较高的总氮去除率，Uzun等人采用膜电容去离子技术去除了98％的硝酸盐。但以上方法流程复杂，操作难度大。寻找一种简便、经济的原位脱除硝酸盐副产物，提高厌氧氨氧化工艺总氮去除效率的方法成为了目前该领域急需解决的关键问题之一。
微生物燃料电池以微生物为催化剂降解污染物，可将生物能转化为电能。基本原理为燃料在阳极微生物的作用下产生电子、质子和其他代谢产物，电子通过中介体由微生物传递至阳极，经外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，而质子随基质到达阴极，参与还原反应。贵金属掺杂过渡金属作为催化剂负载在阴极，可以在阴极实现硝酸盐高选择性还原为氮气。
现已证实厌氧氨氧化菌具有多种代谢途径，如：Strous等人证明Candidatus_Kuenenia stuttgartiensis种的厌氧氨氧化菌能以甲酸盐为电子供体还原柠檬酸铁。而厌氧氨氧化菌的厌氧氨氧化体中富含大量血红素C的细胞色素，细胞色素已被证实是胞外电子传递链重要的一部分。工程中，厌氧氨氧化菌无法纯化，常与反硝化菌、氨氧化菌等混合，只能取其驯化后的厌氧氨氧化污泥作为接种污泥。
因此，将厌氧氨氧化与微生物燃料电池技术进行耦合，以厌氧氨氧化污泥作为阳极微生物，阴极区域通过电催化将硝酸盐高选择性还原为氮气，进而形成厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池，可在无需碳源能源、外源中介体和外加阴极氧化剂的情况下，达到经济、高效除氮的目的。
发明内容
本发明目的是提供一种提高厌氧氨氧化工艺总氮去除效率的方法。使用该方法设计构建的单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池装置，有效地解决了厌氧氨氧化工艺出水中含硝酸盐的问题，并获得电能输出，同时产生的电流也可以辅助强化厌氧氨氧化的脱氮效果。此发明有利于低成本地促进水污染控制技术的节能降耗，实现可持续发展。
本发明的技术方案：
一种用单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池装置进行脱氮产电的工艺，所述的单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池装置，主体为外部包裹遮光布的上流式反应器；进水口1和溢流出水口9分别设置在上流式反应器的底部和顶部；多孔隔板2固定在上流式反应器底部，无纺布3铺放在多孔隔板2上；负载于活性炭颗粒的厌氧氨氧化污泥4装于上流式反应器内，碳毡阳极5插于负载于活性炭颗粒的厌氧氨氧化污泥4内；负载于活性炭颗粒的厌氧氨氧化污泥4上部通过固定在上流式反应器上的不锈钢网6限制在上流式反应器下部；不锈钢网6上部固定开有卡槽的固定板，催化阴极7嵌入固定板的卡槽内；控制碳毡阳极5与催化阴极7对称布置于不锈钢网6的两侧，碳毡阳极5与催化阴极7通过导线12，过上流式反应器壁引出，并通过密封垫圈10实现密封；碳毡阳极5与催化阴极7引出的导线12连接电阻11，数据采集器13通过导线并联在电阻两端；数据采集器13与电脑14相连；
通过在上流式反应器底部设有多孔隔板2和无纺布3保证进水的均匀性；溢流出水口9设置在上流式反应器底部顶部，实现溢流出水；
运行过程中，控制体系的温度为30～35℃，pH＝7-8，总氮负荷为0.23～1.74Kg·N/m3·d、进水中亚硝酸盐和氨氮浓度比为1.3～1.4。
氨氮作为阳极燃料氧化产生电子，电子经由污泥传至碳毡阳极5表面，通过外电路及电阻进而传至催化阴极，形成回路产生电流；同时碳毡阳极厌氧氨氧化所产生的副产物硝酸盐随溶液到达催化阴极区，具有催化还原功能的阴极接收电子将硝酸盐高选择性还原为氮气，降低出水硝酸盐浓度，提高出水总氮去除效率。
催化阴极以预处理后的碳纤维布为基底，采用电沉积法负载SnCu-Pd催化剂，形成复合催化还原电极，连接到外电路与碳毡阳极接通，再连至数据采集器进行数据采集。整个过程无需外加碳源和能源，最终完成氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐的高效率去除并获得电能。反应器采用连续运行模式，单室型微生物燃料电池操作简捷，可控性较高。
本发明的效果与益处是：在耦合体系的阳极区域，可利用厌氧氨氧化污泥将氨氮等氧化，所产生的电子传递至阳极表面，由外电路到达阴极，催化还原由厌氧氨氧化工艺产生并随溶液移动至阴极区的硝酸盐。进水方式为连续进水，保证整个过程可以持续同步地完成高效脱氮和产电。反应器构型为单室，在节省质子交换膜成本的同时，相比于常规厌氧氨氧化工艺可提升10％～20％的总氮去除率。另外，所使用的SnCu-Pd/碳纤维布催化电极可高选择性地将硝酸盐还原为氮气。这种掺杂负载的电极制备方式也是核心之一，相比于单一贵金属电极，可以极大程度保证经济成本和运行结果的高效性。该方法有利于促进含氮污水处理技术的节能降耗、实现可持续发展。
单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池装置占地面积小、构造成本低、操作简单便捷，适用于模块化和一体化反应器设计，在城市污水处理和中水回用中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池反应器示意图。
图中：1进水口；2多孔隔板；3无纺布；4负载于活性炭颗粒的厌氧氨氧化污泥；5碳毡阳极；6不锈钢网；7催化阴极；8液位；9溢流出水口；10密封垫圈；11电阻；12导线；13数据采集器；14电脑。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例
一种单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池装置，总氮负荷为0.23～1.74Kg·N/m3·d。下部阳极区填充厌氧氨氧化污泥负载于活性炭颗粒，以不锈钢网与上部阴极区隔开，不锈钢网与装置底部垂直间距为9cm。阳极碳毡置于污泥中，阴极催化电极利用板框固定并与阳极碳毡平行放置，垂直间距为1.5cm，长宽均与阳极碳毡相同。
阴极催化电极制备方法：(1)将碳纤维布在真空管式炉氮气流中550℃高温灼烧3h，在浓硫酸：浓盐酸＝3:1中浸泡18h，活化碳布表面，并分别在乙醇、去离子水中超声30min三次，以去除其表面杂质；(2)采用三电极体系，以铂片为对电极、饱和甘汞为参比电极、碳布为工作电极在-0.7V的电压下于10mM PdCl2溶液中沉积20min；(3)在50mA的恒电流下，将沉积Pd后的碳布先后在10mM CuSO4溶液和0.5M SnCl2+0.2M HCl中沉积5min，得到SnCu-Pd/碳纤维布电极。
主要基质浓度：进水中亚硝酸盐和氨氮浓度比为1.3～1.4。
模拟废水由进水口1从底部进入反应器，经多孔隔板2和无纺布3实现均匀进水，在阳极区中负载于活性炭颗粒的厌氧氨氧化污泥4的作用下利用氨氮等氧化产生电子，传递至阳极碳毡5表面并经由导线和外电阻11转移到阴极催化电极7，形成回路产生电流。随着连续进水，阳极区经过厌氧氨氧化污泥处理后的低氨氮、低亚硝酸盐溶液中含有新生成的副产物硝酸盐，上行流至阴极区域，接受成功转移的电子，将硝酸盐高选择性还原为氮气，之后，由出水口9实现溢流出水。

Claims (2)

1.一种用单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池装置进行脱氮产电的工艺，其特征在于，所述的单室厌氧氨氧化污泥-微生物燃料电池装置，主体为外部包裹遮光布的上流式反应器；进水口(1)和溢流出水口(9)分别设置在上流式反应器的底部和顶部；多孔隔板(2)固定在上流式反应器底部，无纺布(3)铺放在多孔隔板(2)上；负载于活性炭颗粒的厌氧氨氧化污泥(4)装于上流式反应器内，碳毡阳极(5)插于负载于活性炭颗粒的厌氧氨氧化污泥(4)内；负载于活性炭颗粒的厌氧氨氧化污泥(4)上部通过固定在上流式反应器上的不锈钢网(6)限制在上流式反应器下部；不锈钢网(6)上部固定开有卡槽的固定板，催化阴极(7)嵌入固定板的卡槽内；控制碳毡阳极(5)与催化阴极(7)对称布置于不锈钢网(6)的两侧，碳毡阳极(5)与催化阴极(7)通过导线(12)，过上流式反应器壁引出，并通过密封垫圈(10)实现密封；碳毡阳极(5)与催化阴极(7)引出的导线(12)连接电阻(11)，数据采集器(13)通过导线并联在电阻两端；数据采集器(13)与电脑(14)相连；
通过在上流式反应器底部设有多孔隔板(2)和无纺布(3)保证进水的均匀性；溢流出水口(9)设置在上流式反应器底部顶部，实现溢流出水；
运行过程中，控制体系的温度为30～35℃，pH＝7-8，总氮负荷为0.23～1.74Kg·N/m3·d、进水中氨氮和亚硝酸盐浓度比为1.3～1.4；
氨氮作为阳极燃料氧化产生电子，电子经由污泥传至碳毡阳极(5)表面，通过外电路及电阻(11)进而传至催化阴极(7)，形成回路产生电流；同时碳毡阳极(5)厌氧氨氧化所产生的副产物硝酸盐随溶液到达催化阴极区，具有催化还原功能的阴极接收电子将硝酸盐高选择性还原为氮气，降低出水硝酸盐浓度，提高出水总氮去除效率。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述的催化阴极(7)以预处理后的碳纤维布为基底，采用电沉积法负载SnCu-Pd催化剂，形成复合催化还原电极，连接到外电路与碳毡阳极接通，再连至数据采集器(13)进行数据采集。
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