CN111573821A - 一种基于自养短程反硝化-厌氧氨氧化模块电极脱氮系统 - Google Patents

一种基于自养短程反硝化-厌氧氨氧化模块电极脱氮系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自养短程反硝化‑厌氧氨氧化模块电极脱氮系统，该系统包括至少一个阳极区和至少一个阴极区，阳极区和阴极区之间通过质子膜隔离，构成独立的反应区；所述阴极区内设有至少一层阴极电极模块，阳极区内设有至少一层阳极电极模块，所述阴极电极模块和阳极电极模块均为同心网状结构，在同心网的中心为碳棒电极，同心网与碳棒电极之间通过金属丝连接；所述阴极电极模块和阳极电极模块之间通过外加电路进行连接。本发明的系统通过调整运动电极模块与阴阳极运动方式及时调控反应进行，通过阴阳极运动加速底物的传质，通过构建多套电极系统实现污水的高效处理，保证厌氧氨氧化处理池脱氮效率并缓解底物竞争。

Description

一种基于自养短程反硝化-厌氧氨氧化模块电极脱氮系统
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种基于自养短程反硝化-厌氧氨氧化模块电极脱氮系统。
背景技术
厌氧氨氧化脱氮是目前最捷径的脱氮方式之一，但在处理生活污水与工业污水组成的混合污水的应用中存在硝酸盐（NO3 -）积累和总氮去除率低的问题（<60%）。一般采用短程硝化-厌氧氨氧化方式处理生活污水和工业废水组成的混合污水。先将约一半的NH4 +经短程硝化反应生成NO2 -，同时去除COD，再将剩余的NH4 +与NO2 -经厌氧氨氧化脱氮。
混合污水经过曝气后存在一定量溶解氧、COD、过量的NO3 -均会影响厌氧氨氧化反应进而导致系统整体脱氮效能下降，成为厌氧氨氧化实际应用不可忽视的问题。对COD的前处理一般采用好氧曝气利用生物氧化作用将其转化为CO2和H2O，为保证处理效果采用过度曝气的方式，这造成进入厌氧氨氧化池的曝气池出水存在一定量的溶解氧。COD主要来源包括曝气池反应剩余的COD和进入厌氧氨氧化池的絮状污泥组成。过量的NO3 -有三个来源，一是因短程硝化曝气控制不当所生成的，二是厌氧氨氧化副产物，三是亚硝酸盐氧化菌对厌氧氨氧化菌的底物竞争，将亚硝酸盐(NO2 -)氧化为NO3 -。
体系内COD、NO3 -、NO2 -、NH4 +含量及溶解氧之间存在一定的矛盾。若加长曝气时间可以降低COD浓度，但NH4 +会过度生成NO3 -，不仅造成NH4 +与NO2 -比例不协调，也产生NO3 -积累；若降低曝气时间，可以实现NO3 -少量或者不生成，NO2 -可以产生积累，氮素组成满足厌氧氨氧化反应，但污水中依然留有COD残余，反而不利于厌氧氨氧化脱氮。需要针对底物组成调控曝气与生物反应，具有一定难度。
常采用反硝化途径解决厌氧氨氧化系统中NO3 -的积累，常用的电子供体包括小分子含碳有机物(葡萄糖、乙醇等)、金属(Zn等)。但厌氧氨氧化反应对有机物有着较为严格的限值，有机物的控制不当易造成厌氧氨氧化反应下降、异养反硝化反应不连续，甚至运行失稳。金属制氢作为电子供体能迅速实现反硝化，但金属离子如Zn2+通过降低肼氧利用活性的方式部分降低厌氧氨氧化代谢活性，反而导致厌氧氨氧化脱氮效果下降，而且对金属离子的后端处理过程会增加污水处理成本。生物电化学系统(Bio-electrochemical system,BES)阴极可向NO3 -直接提供电子将其还原为氮气(N2)，提高总氮去除率的同时避免了有机物及金属离子的抑制。但是还原产物为N2不能缓解底物竞争，通过调控使电极反应以短程反硝化反应为主，将NO3 -还原为NO2 -，通过二次厌氧氨氧化作用可提高总氮去除率，在产生电能的同时为厌氧氨氧化补充底物，有效缓解底物竞争。另外，COD在阳极被氧化，生成CO2和H+，H+可补充阴极的消耗，维持体系酸碱度平衡，保证反应的持续性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自养短程反硝化-厌氧氨氧化模块电极脱氮系统，通过短程反硝化电极作用，在厌氧氨氧化处理池内原位实现调控NO3 -生成NO2 -的过程，通过电极模块组成与电极模块在污水池的运动，加速底物的反应与传质过程，解决了厌氧氨氧化处理池中NO3 -积累、进水剩余COD及其他菌种引起的底物竞争问题。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于自养短程反硝化-厌氧氨氧化模块电极脱氮系统，
包括至少一个阳极区和至少一个阴极区，阳极区和阴极区之间通过质子膜隔离，构成独立的反应区；
所述阴极区内设有至少一层阴极电极模块，所述阴极电极模块为同心网状结构，在同心网的中心为碳棒电极，同心网与碳棒电极之间通过金属丝连接，在同心网上附着有自养反硝化和厌氧氨氧化菌；
所述阳极区内设有至少一层阳极电极模块，所述阳极电极模块为同心网状结构，在同心网的中心为碳棒电极，同心网与碳棒电极之间通过金属丝连接，在同心网上附着有产电生物膜；
所述阴极电极模块和阳极电极模块之间通过外加电路进行连接。
进一步地，所述同心网采用钢丝制成。
进一步地，所述金属丝为钛丝。
进一步地，所述系统包括至少两个阳极区和至少两个阴极区，一个阳极区和一个阴极区组成一个处理单元，两个处理单元之间通过质子膜隔离。
进一步地，一个处理单元内的阴极电极模块和阳极电极模块之间采用传动装置连接，可控制电极模块进行往复传动。
本发明的核心在于需结合厌氧氨氧化运行、电极参数的变化和电极系统的运行，通过调整运动电极模块与阴阳极运动方式及时调控NO3 -→NO2 -反应和COD→H+稳定性，通过阴阳极运动加速底物的传质，通过构建多套电极系统实现污水的高效处理，保证厌氧氨氧化处理池脱氮效率并缓解底物竞争。
与现有技术相比，本发明的系统具有以下特点：
1）原位解决NO3 -积累导致的Anammox反应活性下降问题，在阴极实现NO3 -原位转化为NO2 -并直接系统内的NO3 -循环脱氮；2）COD先经过阳极转化为H+，同时通过质子膜的分隔作用，解决了因COD导致Anammox反应受限问题，降低COD对AnAOB的影响；3）通过阳极区和阴极区的不同反应，实现污染物的依次处理，并解决污染物对生物膜的影响；4）电极模块易调控，可实时根据污水指标进行调整，如拆卸部分或全部电极模块，或增加电极模块等，以保证反应器有效菌种和电极的种类与数量，实现污染物的高效脱除。
附图说明
图1为实施例1系统的结构示意图。
图2为实施例1系统的俯视示意图。
图3为阳极与阴极单层网状结构示意图。
图4为电极系统单层模块及反应原理示意图。
其中，1为阳极区、2为阴极区、3为质子膜、4为传动装置、5为阴极电极模块、6为阳极电极模块。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
实施例1
一种基于自养短程反硝化-厌氧氨氧化模块电极脱氮系统，如图1所示，包括2个阳极区和2个阴极区，阳极区1和阴极区2之间通过质子膜3隔离，构成独立的反应区。
所述阴极区内设有多层阴极电极模块5，所述阴极电极模块为同心网状结构，在同心网的中心为碳棒电极，同心网与碳棒电极之间通过金属丝连接，在同心网上附着有自养反硝化和厌氧氨氧化菌；
所述阳极区内设有多层阳极电极模块6，所述阳极电极模块为同心网状结构，在同心网的中心为碳棒电极，同心网与碳棒电极之间通过金属丝连接，在同心网上附着有产电生物膜；
所述阴极电极模块和阳极电极模块之间通过外加电路进行连接。
如图2所示，阳极电极模块与阴极电极模块的传动装置4安置在污水池顶端，固定电极模块并进行往复传动。每套电极系统的传动相互独立，根据实际需求调整每套电极系统运动模式。
如图3所示，单层电极模块由钢丝网同心性状组成（如圆环或方形，根据需要进行调整），阳极产电生物膜、阴极自养反硝化和厌氧氨氧化菌可在钢丝网上生长。中心为碳棒电极，电极与外侧钢丝网由钛丝链接，组成一个电极系统单一模块。所用钢丝网长度根据需要污水处理装置的深度进行调整，保证钢丝网附着的微生物可以接触到足够底物，也可作为搅拌装置不会出去污泥死区或区域静流。模块电极可以进行拼装、拆卸，根据污水池结构和反应器运行情况进行调整。
阳极模块经过驯化，附着污泥主要由产电生物膜组成；阴极模块置于厌氧活性污泥和厌氧氨氧化污泥进行驯化，以NO3 -为电子受体，提供NO3 -还原为NO2 -的还原电位，提供NO3 -的还原条件。阴极模块生物膜层由自养反硝化菌层和厌氧氨氧化菌层组成，自养反硝化菌层和厌氧氨氧化菌层混合生长。尽管阳极模块与阴极模块在污泥与污水混合物中运行，主要工作污泥为阴极模块与阳极模块表面附着污泥，所有采用钢丝网装结构保证模块表面附着足够量的污泥。
如图4所示，阳极和阴极中间由质子膜分隔，有机物在阳极经产电生物膜作用氧化生成CO2和H+，完成COD的脱除，H+透过质子膜传递至阴极；NO3 -在阴极经自养反硝化菌作用还原生成NO2 -，与NH4 +经由厌氧氨氧化菌作用生成N2和副产物NO3 -，副产物NO3 -再经过自养反硝化菌还原，实现电子循环与高效脱氮。
阴极区生物膜由自养反硝化菌与厌氧氨氧化菌组成，NO3 -、NO2 -、NH4 +、N2经污水向生物膜内及在生物膜内传质。
使用上述系统进行污水处理时，污水经过前期短程硝化曝气后，污水成分有NO3 -、NO2 -、NH4 +、COD、溶解氧：1）污水经过阳极区的阳极模块，COD在产电生物菌和阳极作用下被氧化生成CO2和H+，CO2排放，H+通过质子膜进入阴极区；2）无论NO3 -的来源，NO3 -在阴极接收阳极区生成的H+，在自养反硝化菌和阴极作用下生成NO2 -；3）NO2 -与NH4+经厌氧氨氧化菌作用生成N2和少量NO3 -，出水传递至下一套电极系统；4）上一套电极系统产生的少量COD（厌氧氨氧化EPS、死亡细胞等）和少量NO3 -再分别经过阳极与阴极的作用进行后续反应，保证系统COD脱除与氮素的脱除。

Claims (5)

1.一种基于自养短程反硝化-厌氧氨氧化模块电极脱氮系统，其特征在于：
包括至少一个阳极区和至少一个阴极区，阳极区和阴极区之间通过质子膜隔离，构成独立的反应区；
所述阴极区内设有至少一层阴极电极模块，所述阴极电极模块为同心网状结构，在同心网的中心为碳棒电极，同心网与碳棒电极之间通过金属丝连接，在同心网上附着有自养反硝化和厌氧氨氧化菌；
所述阳极区内设有至少一层阳极电极模块，所述阳极电极模块为同心网状结构，在同心网的中心为碳棒电极，同心网与碳棒电极之间通过金属丝连接，在同心网上附着有产电生物膜；
所述阴极电极模块和阳极电极模块之间通过外加电路进行连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述同心网采用钢丝制成。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述金属丝为钛丝。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包括至少两个阳极区和至少两个阴极区，一个阳极区和一个阴极区组成一个处理单元，两个处理单元之间通过质子膜隔离。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：一个处理单元内的阴极电极模块和阳极电极模块之间采用传动装置连接，可控制电极模块进行往复传动。
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