CN110002578A - 一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，涉及生物电化学领域和污水处理领域。利用的生物电化学系统为双极室构型，阳极室接种混合污泥，并提供乙酸钠或其它有机物为碳源，定向驯化电活性生物膜，其中，阳极室中的碳作为电子供体被电活性微生物氧化，将电子传递给阳极电极，产生电流；以序批式或连续流的方式运行反应装置，阳极室进水中具有碳源和氮源，氮源为硝态氮NO3 ‑‑N，且碳氮比大于0.5，同时阳极室内为厌氧环境，发生碳源氧化和反硝化反应；阳极电位恒定在‑0.2V～‑0.4V vs.Ag/AgCl之间的某一电位条件下；阴极上进行的反应为任意的还原反应。使得脱氮率可以达到99％以上。

Description

一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的 方法
技术领域
本发明涉及生物电化学领域和污水处理领域，具体涉及一种强化污水脱碳脱氮同步产生电能的方法。
背景技术
随着人口的增长和经济的快速发展，我国的废水排放量逐年增多，水污染现象日益严峻，不仅造成水资源短缺，而且严重威胁水安全。其中，含氮废水的排放是引发水环境问题的重要原因之一。一方面，氮作为主要的营养元素，与磷共存于自然水体时会引发水体富营养化，使水生生物大量死亡，水质恶化，饮用水源地受到严重污染；另一方面，现有的水处理工艺不能充分实现反硝化，导致硝酸盐和亚硝酸盐在出水中积累，诱发水中致癌物质的生成，威胁人类的生命健康。因此，废水脱氮是保障水环境和水生态安全的重要前提。此外，随着我国城镇化进程的不断加快，水资源短缺状况日益严重，尤其是京津冀地区，承载全国10％的人口、粮食产量和GDP，而水资源总和不足全国的1.3％，属于严重缺水地区，废水循环再生利用无疑是缓解水资源危机的重要途径，这为废水的深度处理提出了更高的要求，尤其是对于氮素的控制，各项废水回用标准均将其列为重点管控指标，对其排放浓度控制的标准越来越严格，也为污水的深度处理带来了更大的挑战，因此，重视污水脱氮，推动相关技术的研发具有重要的前瞻性和战略性。
生物电化学系统(BESs)是近三十年发展起来的一项突破性的技术，该技术的核心是在电极表面形成电活性生物膜，它结合了生物处理和电化学方法的优势，能够对水中污染物去除和转化的同时，回收资源和能源。2005年，Park等人在生物电化学系统的生物阴极实现了反硝化，并发现这种反硝化途径不依赖氢气作为电子中介体，这样大大降低了硝酸盐还原的能量损失。2010年，昆士兰大学Yurg Keller团队在生物电化学系统中实现了同步硝化反硝化，进一步证明了生物电化学系统脱氮的可行性。当碳源和氮源共存时，电活性微生物在利用碳源产电的同时，还可以还原硝酸盐脱氮。因此，利用生物电化学系统处理含氮污水，对电子供体的需求较低，减少了外碳源投加的需求，具有安全、无二次污染的优势；其次，通过电流和电位的实时反馈，可监测微生物的活性，使该系统的可控性更强；更为重要的是，微生物作为催化剂具有的低成本、可自我更新、抗污染能力强的特点，比传统电催化技术具有更好的经济性和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于利用生物电化学系统进一步强化污水脱碳和脱氮，并且同步产生电能。
本发明提供了一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，其特征在于，利用的生物电化学系统为双极室构型，采用恒电位的方法富集电极生物膜，构建生物电极，具体包括：
(1)双极室生物电化学系统
阳极：以碳基材料作为阳极电极材料，选自碳纤维刷或其它碳基
材料如：碳布、石墨等；
阴极：以碳基材料或金属材料为阴极电极材料；
隔膜：阴极室和阳极室之间以阳离子交换膜或质子交换膜隔开；
(2)启动过程：恒电位构建电活性生物膜
利用恒电位仪，将阳极电位恒定在-0.2V～-0.4V vs.Ag/AgCl之间的某一电位条件下，阳极室接种混合污泥(如采用污泥厂二沉池的污泥)，并提供乙酸钠或其它有机物(如：葡萄糖、淀粉、乙醇等)为碳源，进行定向驯化电活性生物膜，其中，阳极室中的碳作为电子供体被电活性微生物氧化，将电子传递给阳极电极，产生电流；阴极上进行的反应可以为但不限于氧还原、铁还原、产氢、产甲烷、硫还原等任意的还原反应；
(3)稳定运行过程
以序批式或连续流的方式进行稳定反应，阳极室进水中具有碳源和氮源(氮源为硝态氮NO3 --N)，且碳氮比(C/N)大于0.5(即本发明适用于实际中的高碳氮比及低碳氮比污水的处理)，同时阳极室内为厌氧环境，发生碳源氧化和反硝化反应，即：同时发生有机物降解、脱氮和产电过程；阳极电位恒定在-0.2V～-0.4V vs.Ag/AgCl之间的某一电位条件下；阴极上进行的反应可以为但不限于氧还原、铁还原、产氢、产甲烷、硫还原等任意的还原反应；
步骤(2)采用序批式进行反应，当各周期电流变化相同，并且稳定运行3个周期以上时，表明装置启动完成，电活性微生物富集成功。
步骤(2)中构建的电活性生物膜组成即生物电化学系统定向富集的生物膜中包括电活性微生物和反硝化微生物；电活性微生物包括但不限于产电假单胞菌属/和地杆菌；反硝化微生物包括但不限于反硝化假单胞菌属/和食酸反硝化菌属/和黄金杆菌属/和紫细菌。
碳源的浓度可以根据实际任意选择，如0.2-10g/L。
本发明所提供的技术方法可用于城市污水处理厂或工业废水处理厂反硝化单元，强化污水脱氮。
与其它污水处理方法相比，该方法具有以下特点：
·在去除有机物和氮的同时，能够产生电能，可以进行回收和利用；
·氮在生物阳极去除，利用电极生物膜反硝化，效率更高，速度更快，并且脱氮过程同时促进了COD的去除，使得脱氮率可以达到99％以上；
·相比传统厌氧反硝化工艺，该生物电化学系统启动速度快，启动时间短；
·通过电流和电位的实时反馈，可监测微生物的活性，使该系统的可控性更强。
附图说明
图1一种双极室生物电化学系统装置构型示意图；
图2生物电化学系统氮源加入前后产电效能变化(A)电位恒定在-0.2V vs Ag/AgCl条件下；(B)电位恒定在-0.3V vs Ag/AgCl条件下；
图3硝氮浓度随时间变化(A)电位恒定在-0.2V vs Ag/AgCl条件下；(B)电位恒定在-0.3V vs Ag/AgCl条件下。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
(1)电活性微生物的富集及生物电极的构建
利用本发明所述方法，以序批式启动双极室单生物电化学装置，如图1所示，装置阳极以碳纤维为电极材料，阴极以石墨棒为电极材料，阴极和阳极之间以阳离子交换膜隔开，以Ag/AgCl为参比电极，参比电极置于阳极室中。阳极和阴极的工作体积均为80mL，阳极接种混合活性污泥(采用污泥厂二沉池的污泥)，以乙酸钠(2g/L)为碳源，将工作电位分别恒定在-0.2V或-0.3V vs Ag/AgCl条件下，定向富集电活性微生物膜。如图2所示，运行48小时后，观察到各装置有电流产生，表明微生物在电极表面生长，并能以有机质(乙酸钠)作为电子供体，与电极之间进行电子传递，进而产生电流。当各装置周期电流变化相同，并且稳定运行3个周期以上时，表明装置启动完成，电活性微生物富集成功。其中，以-0.2V和-0.3V电位运行的装置，稳定平均峰电流分别对应为3.1mA和5.4mA。
(2)生物电化学系统处理含氮污水时的产电及脱氮效能
保持其它条件不变，阳极进水中加入硝态氮，NO3 --N浓度为140mg/L，C/N比为10.7，稳定运行6个周期以上。
如图2所示，加入硝氮后，周期峰值电流显著增大，以-0.2V和-0.3V电位运行的装置，最大周期峰值电流分别增大到和10.4mA和9.8mA，并且运行周期明显缩短。这表明，在这一运行条件下，硝氮的存在会强化产电过程。
如图3所示，以-0.2V和-0.3V电位运行的装置，硝氮在12h内浓度均由140mg/L降低到0.5mg/L以下，去除效率达到99.6％，去除速率达到0.267kg N/m3·d，这表明该方法可以高效的实现反硝化，去除水中的硝氮。
利用Illumina 16Sr RNA高通量测序对电极生物膜上的微生物群落结构进行检测，结果表明在阳极生物膜上，具有反硝化功能的简单螺旋形菌属(Simplicispira)、金黄杆菌(Chryseobacterium)、食酸菌属(Acidovorax)和生丝微菌属(Hyphomicrobiaceae)为主要功能菌，同时，具有产电能力的假单胞菌属Pseudomonas也具有较大的丰度。以-0.2V和-0.3V电位运行的装置，二者的阳极微生物群落组成差异较小。

Claims (7)

1.一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，其特征在于，利用的生物电化学系统为双极室构型，采用恒电位的方法富集电极生物膜，构建生物电极，具体包括：
(1)双极室生物电化学系统
阳极：以碳基材料作为阳极电极材料；
阴极：以碳基材料或金属材料为阴极电极材料；
隔膜：阴极室和阳极室之间以阳离子交换膜或质子交换膜隔开；
(2)启动过程：恒电位构建电活性生物膜
利用恒电位仪，将阳极电位恒定在-0.2V～-0.4V vs.Ag/AgCl之间的某一电位条件下，阳极室接种混合污泥，并提供乙酸钠或其它有机物为碳源，进行定向驯化电活性生物膜，其中，阳极室中的碳作为电子供体被电活性微生物氧化，将电子传递给阳极电极，产生电流；阴极上进行的反应为任意的还原反应；
(3)稳定运行过程
以序批式或连续流的方式进行稳定反应，阳极室进水中具有碳源和氮源，氮源为硝态氮NO3 --N，且碳氮比(C/N)大于0.5，同时阳极室内为厌氧环境，发生碳源氧化和反硝化反应，即：同时发生有机物降解、脱氮和产电过程；阳极电位恒定在-0.2V～-0.4V vs.Ag/AgCl之间的某一电位条件下；阴极上进行的反应为任意的还原反应。
2.按照权利要求1所述的一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，其特征在于，阳极电极材料选自碳纤维刷、碳布、石墨中的任意一种。
3.按照权利要求1所述的一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，其特征在于，混合污泥采用污泥厂二沉池的污泥。
4.按照权利要求1所述的一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，其特征在于，阴极上的任意的还原反应选自氧还原、铁还原、产氢、产甲烷、硫还原。
5.按照权利要求1所述的一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，其特征在于，有机物碳源选自葡萄糖、淀粉、乙醇中的一种或几种。
6.按照权利要求1所述的一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，其特征在于，步骤(2)采用序批式进行反应，当各周期电流变化相同，并且稳定运行3个周期以上时，表明装置启动完成，电活性微生物富集成功。
7.按照权利要求1所述的一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，其特征在于，步骤(2)中构建的电活性生物膜组成即生物电化学系统定向富集的生物膜中包括电活性微生物和反硝化微生物；电活性微生物包括但不限于产电假单胞菌属/和地杆菌；反硝化微生物包括但不限于反硝化假单胞菌属/和食酸反硝化菌属/和黄金杆菌属/和紫细菌。
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