CN111573834A - 一种基于短程反硝化电极协同厌氧氨氧化脱氮的反应器 - Google Patents

一种基于短程反硝化电极协同厌氧氨氧化脱氮的反应器 Download PDF

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殷万欣
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丁成
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Abstract

本发明公开了一种基于短程反硝化电极协同厌氧氨氧化脱氮的反应器，属于污水处理技术领域。该反应器包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间通过质子膜隔离，构成两个独立的反应室；所述阴极室内设有至少一根阴极电极，在阴极电极表面附着有氢自养反硝化菌，阴极室内分布有经过驯化的厌氧氨氧化菌颗粒污泥；所述阳极室内设有至少一根阳极电极；所述阴极电极和阳极电极之间通过外加电路进行连接。本发明的反应器通过短程反硝化电极作用，在厌氧氨氧化反应器内原位实现调控NO3 ‑生成NO2 ‑的过程，解决了厌氧氨氧化反应器内的NO3 ‑积累和其他菌种引起的底物竞争问题。

Description

一种基于短程反硝化电极协同厌氧氨氧化脱氮的反应器
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种基于微生物电极短程反硝化作用的厌氧氨氧化高效脱氮反应器。
背景技术
厌氧氨氧化脱氮（Anammox）是目前最捷径的脱氮方式之一，但实际应用存在硝酸盐（NO3 -）积累和总氮去除率低的问题（<60%），过量的NO3 -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。过量的NO3 -有两个来源，一是厌氧氨氧化副产物，二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 -。现阶段，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和溶解氧有着较为严格的限值，COD和溶解氧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）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。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于短程反硝化电极协同厌氧氨氧化脱氮的反应器，通过短程反硝化电极作用，在厌氧氨氧化反应器内原位实现调控NO3 -生成NO2 -的过程，解决了厌氧氨氧化反应器内的NO3 -积累和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手段：
一种基于短程反硝化电极协同厌氧氨氧化脱氮反应器，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间通过质子膜隔离，构成两个独立的反应室；
所述阴极室内设有至少一根阴极电极，在阴极电极表面附着有氢自养反硝化菌，阴极室内分布有经过驯化的厌氧氨氧化菌颗粒污泥；
所述阳极室内设有至少一根阳极电极；
所述阴极电极和阳极电极之间通过外加电路进行连接。
进一步地，在所述阴极室内设有搅拌装置。
进一步地，所述阴极室由底部进水、顶部出水。
进一步地，所述阳极室由底部进水、顶部出水。
一种利用上述反应器进行污水脱氮处理的工艺，阳极室内的COD在阳极电极发生氧化产生电子和H+，电子经过外加电路传递至阴极电极，H+透过质子膜传递至阴极室；待处理污水经阴极室底端进水口进入阴极室，阴极室内的NO3 -在附着有氢自养反硝化菌阴极电极的作用下，接受COD阳极氧化产生的电子和H+，原位短程反硝化生成NO2-，生成的NO2-即可作为厌氧氨氧化脱氮底物原位实现脱氮；经过阴极室脱氮的污水由阴极室顶端出水，传质至阳极室底端进水口进入阳极室，进行氧化，出水经阳极室顶端出水口流出。
有益效果：
1、直接解决因NO3 -积累导致的厌氧氨氧化脱氮反应活性下降问题，实现系统内的NO3 -循环利用并脱氮，其产物作为厌氧氨氧化脱氮反应底物在系统内继续脱氮；
2、通过质子膜的隔离，解决了因添加COD导致短程反硝化和厌氧氨氧化脱氮过程的受限问题，降低COD对AnAOB的影响。
附图说明
图1为本发明反应器的结构示意图；
图2为实施例1反应器的俯视图；
图3为实施例1反应器的侧视图；
其中：1为阳极室、2为阴极室、3为质子膜、4为搅拌装置、5为阴极电极、6为阳极电极、7为集气检测装置、8为ORP/pH探头。
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。实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照本领域常规条件。
实施例1
本发明提供了一种基于微生物电极短程反硝化作用的厌氧氨氧化高效脱氮反应器，如图1所示，该反应器为厌氧氨氧化(Anammox)-上流式厌氧污泥床(Upflow AnaerobicSludge Blanket，UASB)反应器，中间通过质子膜3构成两个独立的反应室；左侧为阳极室1，右侧为阴极室2。总进水为阴极室2底端经蠕动泵进水，经过布水器后进入反应器内，设置搅拌装置4，保证底物在反应器内的均匀分布，保证厌氧氨氧化菌（AnAOB）在反应器内处在悬浮生长过程，可以接受足够的底物。阴极室2顶端出水，经由蠕动泵传质至阳极室1底端，上流经阳极氧化作用，于阳极室1顶端侧面出水，出水经过处理后排出。
阴极电极5经过驯化，表面附着氢自养反硝化菌(HADB)；阴极室内添加经过长期驯化的AnAOB颗粒污泥；阳极室没有污泥，底物在阳极点击的氧化过程不受微生物影响。阴极电极表面附着和阴极室的污泥经过高通量检测，确定菌群种类。
阳极电极6按照需求，采用多级线性排列分布固定在阳极室内，实现阳极电极6与阳极室液面的有效接触。如图2和图3所示，阴极电极5经微生物驯化后按照需求采用一定的排列分布悬挂在阴极室内，阴极电极5数量、大小、结构、材质根据实际运行情况进行筛选。阴极电极5和阳极电极6通过三电极系统连接构成，提供稳定的电势。阴极电极和阳极电极分别接入电化学工作站，实时监测电势变化。阴极电极和阳极电极的数量按照实验需求进行分布排列，不一定按照本实施例的布置排列。
在本实施例中，阴极室根据需要，设置4个出水检测口，以检测阴极室内各区域底物的反应情况，及时做出调整。
阴极室和阳极室分别设置有集气检测装置7和ORP/pH探头8，检测反应器产生的气体量、气体物质种类和浓度，和系统内氧化还原电位变化。
采用该反应器进行脱氮的反应流程包括：1）阳极室内的COD在阳极氧化产生电子和H+，电子经过外加电路传递至阴极，H+透过质子膜传递至阴极室；2）阴极室内的NO3 -在HADB微生物阴极的作用下，接受COD阳极氧化产生的电子和H+，原位短程反硝化生成NO2 -；3）生成的NO2 -作为Anammox底物原位实现脱氮。
本发明的反应器具有以下特点：1、直接解决因NO3 -积累导致的Anammox反应活性下降问题，实现系统内的NO3 -循环利用并脱氮，其产物作为Anammox反应底物在系统内继续脱氮；2、同时通过质子膜的隔离，解决了因添加COD导致短程反硝化和Anammox过程的受限问题，降低COD对AnAOB的影响。

Claims (5)

1.一种基于短程反硝化电极协同厌氧氨氧化脱氮的反应器，其特征在于：包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间通过质子膜隔离，构成两个独立的反应室；
所述阴极室内设有至少一根阴极电极，在阴极电极表面附着有氢自养反硝化菌，阴极室内分布有经过驯化的厌氧氨氧化菌颗粒污泥；
所述阳极室内设有至少一根阳极电极；
所述阴极电极和阳极电极之间通过外加电路进行连接。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：在所述阴极室内还设有搅拌装置。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述阴极室由底部进水、顶部出水。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述阳极室由底部进水、顶部出水。
5.一种利用权利要求1所述反应器进行污水脱氮处理的工艺，其特征在于：阳极室内的COD在阳极电极发生氧化产生电子和H+，电子经过外加电路传递至阴极电极，H+透过质子膜传递至阴极室；待处理污水经阴极室底端进水口进入阴极室，阴极室内的NO3 -在附着有氢自养反硝化菌阴极电极的作用下，接受COD阳极氧化产生的电子和H+，原位短程反硝化生成NO2 -，生成的NO2 -即可作为厌氧氨氧化脱氮底物原位实现脱氮；经过阴极室脱氮的污水由阴极室顶端出水，传质至阳极室底端进水口进入阳极室，进行氧化，出水经阳极室顶端出水口流出。
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