CN112028223A - 耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理系统及方法 - Google Patents

耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理系统及方法，该系统包括依次连通的苯胺降解室、硝化室、反硝化室和直流电源；所述苯胺降解室内设置有阳极，所述阳极与直流电源的正极电连接；所述反硝化室内设置有阴极，所述阴极与直流电源的负极电连接；所述硝化室内设置有生物膜组件。该方法包括如下步骤：1)苯胺废水进入苯胺降解室，在苯胺降解菌和电流的作用下，生成NH4 +‑N；2)NH4 +‑N进入硝化室，发生硝化作用，生成NO3 ‑‑N；3)NO3 ‑‑N进入反硝化室，在反硝化菌和电流作用下，NO3 ‑‑N被还原为N2。本发明将阳极氧化‑中间硝化‑阴极反硝化进行有效耦合，使多个反应联合起来，加快了反应发生速率。

Description

耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理系统 及方法
技术领域
本发明涉及一种废水生物处理技术，特别是指一种耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理系统及方法。
背景技术
苯胺是一种重要的化工材料，随着工业的发展，大量的苯胺排放到水环境中。苯胺同时是一种强烈的致癌物质，由于其毒性及难降解性，导致苯胺长时间在水环境中存留，对水环境和人类健康都会带来巨大的危害。也因为苯胺强大的毒性，其被列为环境优先控制污染物。
目前，常见的苯胺废水处理工艺包括物理法、化学法、生物法和生物电化学。
物理法大部分可作为难处理的苯胺废水的预处理技术，一般包括吸附法、膜分离法和萃取法等，吸附法具有吸附快、效果好的优点，可达到排放要求，但吸附饱和后效果会下降。萃取法处理苯胺废水可以有效地缩短运行周期，提高处理量，然而萃取剂回收以及二次污染的问题不能得到有效的处理。膜分离法具有操作简单灵活能耗低的优点，然而膜十分容易堵塞，频繁更换膜组件会提高成本。
化学法就是在化学反应以及传质同时作用的条件下，将苯胺废水氧化还原为没有危害的物质，一般包括化学沉淀法、电化学氧化法、芬顿氧化法、臭氧氧化法等。总体来说，化学法可大大提高苯胺废水的处理效率，减少造成二次污染的风险，并且处理量可以很大，然而化学试剂的投加量大导致成本大的问题使得其不能成为实际工程中的主流方法。
生物法，顾名思义就是就是利用微生物来降解苯胺废水，使微生物利用苯胺来增长。生物法具有很强的适应性，相比于物理法与化学法，生物法可大批次处理苯胺废水，不用担心处理效果的问题，而且因为微生物的不断衰落与增长，大可不必担心其运行成本，但是微生物由于增长缓慢，且对于苯胺的耐毒性有限，所以效率成为一个待解决的问题。
生物电化学法是将电化学过程和生物膜降解过程相结合，利用电化学的产物为生物膜提供碳源和能源，如在地下水除硝酸过程中，电极反应产生的氢可以为自养型反硝化菌提供电子供体，从而实现反硝化去除硝酸盐氮的目的。与传统方法相比，这种技术没有外加氢源的系统，并且不需要补充有机碳源，因此减少了产生二次污染的机会，提高了反应器的效率和安全性，降低了处理成本。目前，大部分报道都指向阴极反硝化，阳极一般不参与降解过程，例如，当采用石墨作为阳极材料时，石墨失去电子生成CO2，作为氢型自养菌的无机碳源被消耗掉，因此需补充石墨，导致处理成本偏高，而且由于阳极不参与降解，导致处理效率较低。而采用阳极污染物氧化降解、生物膜强化硝化、反硝化的废水处理、生物脱氮系统尚未见到报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种苯胺废水处理效率高的耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理系统及方法。
为实现上述目的，本发明所设计的耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理系统，包括依次连通的苯胺降解室、硝化室、反硝化室和直流电源；所述苯胺降解室内设置有阳极，所述阳极与直流电源的正极电连接；所述反硝化室内设置有阴极，所述阴极与直流电源的负极电连接；所述硝化室采用膜生物反应器，其内设置有生物膜组件。
优选地，所述苯胺降解室的阳极上富集有驯化好的苯胺降解菌，所述硝化室的生物膜组件上富集有驯化好的硝化菌，所述反硝化室的阴极上富集有驯化好的反硝化菌。所述苯胺降解室主要通过苯胺降解菌将苯胺降解为NH4 +-N，阳极通电后对该过程起到促进作用；所述硝化室是硝化的主要场所，将NH4 +-N氧化为NO3 --N；所述反硝化室内发生反硝化反应，将NO3 --N还原为N2，阴极通电后对该过程起到促进作用极。进一步地，所述苯胺降解室内还富集有驯化好的硝化菌，可在苯胺降解室内将少部分NH4 +-N氧化为NO3 --N，降低硝化室负荷。
在上述方案的基础上，该苯胺废水处理系统优选采用如下配置：
所述苯胺降解室、硝化室和反硝化室是由一个反应器通过两个隔墙分隔而成的三个反应器室；所述苯胺降解室与硝化室之间的隔墙上部设置有上出水通道，所述硝化室与反硝化室之间的隔墙下部设置有下出水通道，分成三室的反应器，可以让苯胺降解、硝化、反硝化在各自最适宜的条件下进行反应，提高反应速率，节约反应所需资源；
所述苯胺降解室的下部设置有苯胺废水进口，所述苯胺废水进口上连接管道并在管道上设置有进水泵；所述反硝化室的上部设置有碳源投加口和净化水出口，其中碳源投加口用于投加外加碳源(一般为葡萄糖)；所述苯胺降解室、硝化室和反硝化室的下部设置有排泥口，通过排泥口可排出部分污泥，防止污泥淤积、膨胀，影响反应出水水质；可单独排泥，实时调节各个室内部的微生物组成结构；
所述苯胺降解室与硝化室的侧壁上设置有曝气装置，侧壁曝气，不仅可以提供溶解氧，还可以产生旋流来起到搅拌的作用；
所述反硝化室内设置有搅拌器；
所述反硝化室的净化水出口与苯胺降解室之间设置有回流管，并在回流管上设置有单向阀和循环泵，可将反硝化室出水按一定比例回流到苯胺降解室可有效补充碱度，补充活性污泥流失量，加速微生物繁殖。
优选地，所述苯胺降解室、硝化室和反硝化室上均设置有监测口，其上安装有温度测量装置、pH测量装置和溶解氧监测装置，分别对温度、pH和溶解氧进行监测，其中溶解氧监测装置还可与曝气装置连锁，实时调节曝气量大小；所述反硝化室上还设置有气体收集口，用于采集反应产生的气体以进行检测分析，进而根据分析结果调整反硝化的所处环境。
优选地，该系统还设置有水温调节装置，用于对苯胺降解室、硝化室和反硝化室中的水温进行独立或共同调节，将反应温度控制在设定范围内。以下给出了水温调节装置的一种具体结构：所述水温调节装置包括设置在反应器外侧的热水隔层以及用于向热水隔层内通入热水的循环热水系统，循环热水系统可与温度测量装置连锁，通过控制热水温度和/或流量来实现反应温度的调节，以防止冬天反应器温度下降。
优选地，所述直流电源采用太阳能供电，采用太阳能发电，可节约资源，降低成本；所述生物膜组件采用多孔的聚氨酯海绵，其具有多孔通透结构，可大大提高表面积，并且挂膜量大、时间短；所述阳极和阴极均采用石墨板，并在石墨板上涂抹蚁粉高温下制成的分级多孔碳，阴阳极材料均涂抹由蚁粉制成的分级多孔碳，其导电效果良好，比表面积发达，孔隙率高，利于微生物的富集并且具有一定的吸附能力。进一步地，所述分级多孔碳的制备步骤如下：将1质量份洗涤干燥后的蚂蚁粉和0.8～1.2质量份的KOH混合均匀，加热到700～900℃并在该温度下碳化1～3h，所得粉末用稀盐酸溶液和蒸馏水洗涤，然后在90～110℃下干燥，从而得到分级多孔碳。
本发明还提供了一种采用前述苯胺废水处理系统进行苯胺废水处理的方法，包括如下步骤：
1)苯胺废水进入苯胺降解室，在富集于阳极上的苯胺降解菌的作用下发生降解，苯胺中的C作为碳源被利用，而N则转变为NH4 +-N，直流电源通过阳极吸收电子，促进降解过程中的氧化反应高效进行；
2)NH4 +-N进入硝化室，通过富集于生物膜组件上的硝化菌的硝化作用，生成NO3 --N；
3)NO3 --N进入反硝化室，在富集于阴极上的反硝化菌(包括氢自养反硝化菌和异养反硝化菌)的作用下发生氢自养反硝化反应与异养反硝化反应，NO3 --N被还原为N2，直流电源通过阴极提供电子，促进反硝化反应中的还原过程，实现了苯胺废水的处理与脱氮。
优选地，所述步骤1)中，苯胺降解室的DO值(溶解氧含量，下同)控制在1～1.5mg/L，pH值控制在7.0～8.0；所述步骤2)中，硝化室的DO值控制在2～3mg/L，pH值控制在7.5～8.0；所述步骤3)中，反硝化室的DO值控制在0.5mg/L以下，pH值控制在7.0～7.5。
优选地，该方法还包括苯胺降解菌驯化步骤、硝化室生物膜挂膜步骤和反硝化菌驯化步骤；
所述苯胺降解菌驯化步骤包括如下三个阶段：
第一阶段：将苯胺降解菌于无菌条件下接种到苯胺浓度为200～400mg/L的无机盐培养液中，放置于26～28℃摇床中富集培养36～48小时；
第二阶段：采集污水厂回流活性污泥为接种物投加入容器中，并向其中接种第一阶段培养的OD600处于0.6～0.8的苯胺降解菌菌液，接种比例保持在容器总体积的15％～20％，控制溶解氧在1～1.5mg/L的情况下，向其中投入人工配制的苯胺浓度为200～400mg/L的苯胺废水，定期测定NH4 +-N与苯胺的浓度，当检测到稳定的NH4 +-N生成与苯胺去除时，则得到初步驯化好的活性污泥；
第三阶段：将阳极和辅助阴极放置于装有人工配制的苯胺废水和初步驯化好的活性污泥的上述的容器中，阳极与辅助阴极分别与直流电源的正极、负极相连并且通过亲水离子交换膜隔开，容器的出水通过循环泵回流至进水，循环往复；控制初始电压在0.5V，每当得到稳定的NH4 +-N生成与苯胺去除后，上升电压0.1V，直到1.2V时，监测到电流稳定后，且具备稳定的NH4 +-N生成与苯胺去除时，则苯胺降解菌驯化成功；
所述硝化室生物膜挂膜步骤包括如下两个阶段：
第一阶段：将实验室筛选出来的耐受苯胺毒性的硝化菌接种到NH4 +浓度为30～60mg/L的无机盐培养液中，在26～28℃摇床中富集培养36～48小时；
第二阶段：取第一阶段富集培养后OD600处于0.6～0.8的菌液，接种至容器中，接种菌液比例为容器的10％～15％，将生物膜组件置于容器中，投加人工配制的NH4 +浓度为30～60mg/L的NH4 +废水，控制溶解氧浓度在2～3mg/l，容器的出水通过循环泵回流至进水，循环往复，定期监测NH4 +、NO3 -、NO2 -浓度，来判断生物膜组件上的硝化生物膜是否成熟(成熟的标准是上述几种物质保持稳定的高去除率)；
所述反硝化菌驯化步骤包括如下三个阶段：
第一阶段：将保存在实验室的氢自养反硝化菌于无菌条件下接种到NO3 -浓度为50～100mg/L的无机盐培养液中，放置于26～28℃摇床中富集培养36～48小时；
第二阶段：采集污水厂缺氧池污泥为接种物投加入容器中，并向其中接种第一阶段富集培养后OD600处于0.6～0.8的菌液，接种菌液比例为容器的10％～15％，控制溶解氧在0.5mg/L以下，并向容器中投入人工配制的NO3 -浓度为50～100mg/L的NO3 -废水，出水回流至进水，循环往复；定期测定NO3 --N与TN-N的浓度，当检测到的稳定NO3 --N去除时，则得到初步驯化好的污泥；
第三阶段：将阴极与辅助阳极放置于装有人工配制的NO3 -废水和初步驯化好的活性污泥的上述容器中，阴极与辅助阳极分别与直流电源的负极、正极相连并且通过亲水离子交换膜隔开，容器的出水通过循环泵回流至进水，循环往复；控制初始电压在0.5V，每当得到稳定的NO3 --N去除时上升电压0.1V，直到1.2V时，检测到电流稳定且具备稳定的NO3 --N去除时，则反硝化菌驯化成功。
优选地，所述苯胺降解菌采用命名为代尔夫特菌属(Delftiasp.)AD2的高效苯胺降解菌，其NCBI号为：MK336719；或者采用命名为代尔夫特菌属(Delftiasp.)AD1的高效苯胺降解菌，其保藏编号为：CCTCCNO：M2019285。其中，AD1已申请中国发明专利，申请号为201910655655.5，公布号：CN110373352A；AD2是在AD1的基础上筛选得到的，具有更好的电化学反应效率。上述两种苯胺降解菌具有降解效率高、苯胺耐受性好的优点，可处理苯胺废水的浓度范围在200mg/L～1200mg/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明将阳极氧化-中间硝化-阴极反硝化进行有效耦合，使多个反应联合起来，加快了反应发生速率。
2)本发明通过外加电流，为微生物生长提供舒适条件，并促进微生物胞内/胞外电子传递速率，从而高效处理苯胺废水。
3)本发明阴极产生H2，易于氢自养反硝化细菌发生反应，在一定程度上相对于单一异养反硝化，更加节省碳源。
4)本发明可通过简单的电压变化来控制复杂的微生物系统，操作灵活。
5)苯胺降解室电解产生O2为氧化与硝化提供好氧环境，反硝化室产生H2来提供缺氧环境。
6)本发明所提供的废水处理系统结构简单，操作灵活，提高了苯胺废水处理效率。
附图说明
图1为本发明所提供的耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理系统的结构示意图。
其中：苯胺降解室1、硝化室2、反硝化室3、直流电源4、阳极5、阴极6、生物膜组件7、苯胺废水进口8、净化水出口9、碳源投加口10、排泥口11、监测口12、气体收集口13、曝气装置14、进水泵15、循环泵16、搅拌器17、回流管18、单向阀19、隔墙20、上出水通道21、下出水通道22。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例所提供的耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理系统，包括依次连通的苯胺降解室1、硝化室2、反硝化室3和直流电源4；其中：
苯胺降解室1、硝化室2和反硝化室3是由一个长方体反应器通过两个隔墙20分隔而成的三个反应器室。反应器上部设置有法兰扣盖，法兰扣盖贴合反应器上端，防止苯胺挥发，造成污染。苯胺降解室1与硝化室2之间的隔墙20上部设置有上出水通道21，硝化室2与反硝化室3之间的隔墙20下部设置有下出水通道22。
苯胺降解室1内设置有阳极5，阳极5与直流电源4的正极电连接；反硝化室3内设置有阴极6，阴极6与直流电源4的负极电连接。阳极5和阴极6均采用石墨板，并在石墨板上涂抹蚁粉高温下制成的分级多孔碳。阴阳极5材料均涂抹由蚁粉制成的分级多孔碳，其导电效果良好，比表面积发达，孔隙率高，利于微生物的富集并且具有一定的吸附能力。
本实施例中，前述分级多孔碳按下述方法制备：用蒸馏水和乙醇洗涤蚂蚁粉，并在70℃下干燥12小时；将2.0克蚂蚁粉和2.0克KOH在研钵中混合在一起，然后将混合物转移到位于管式炉中的瓷舟中，在Ar气下于800℃碳化2小时。将所得粉末用稀HCl溶液(10％)和蒸馏水洗涤，然后在100℃下干燥12小时，从而得到蚂蚁衍生的样品
硝化室2采用膜生物反应器，其内设置有生物膜组件7，生物膜组件7采用多孔的聚氨酯海绵。
苯胺降解室1的下部设置有苯胺废水进口8，苯胺废水进口8上连接管道并在管道上设置有进水泵15(本实施例采用蠕动泵)。
苯胺降解室1、硝化室2和反硝化室3在反应器1/5高度处均设置有排泥口11，可通过排泥口11排出部分污泥，防止污泥淤积、膨胀，影响反应出水水质；并可单独排泥，实时调节各个室内部的微生物组成结构。
苯胺降解室1与硝化室2的侧壁上设置有曝气装置14，采用侧壁曝气方式，不仅可以提供溶解氧，还可以产生旋流来起到搅拌的作用。
反硝化室3的上部设置有碳源投加口10和净化水出口9，下部设置有搅拌器17。
反硝化室3的净化水出口9与苯胺降解室1之间设置有回流管18，并在回流管18上设置有单向阀19和循环泵16(本实施例采用蠕动泵)，可将反硝化室3出水回流到苯胺降解室1，从而有效补充碱度和活性污泥流失量，加速微生物繁殖。
苯胺降解室1、硝化室2和反硝化室3上的法兰扣盖上分别设置有监测口12，其上均安装有温度测量装置、pH测量装置和溶解氧监测装置，分别对温度、pH和溶解氧进行监测。其中，溶解氧监测装置可进行溶解氧的监测并且与曝气装置14连锁，实时调节曝气量大小。反硝化室3上设置有气体收集口13，可采集反应产生的气体以进行检测分析，根据分析结果调整反硝化的所处环境。
该系统还设置有水温调节装置，水温调节装置包括设置在三个反应器室外侧的热水隔层以及用于向热水隔层内通入热水的循环热水系统，循环热水系统可与温度测量装置连锁，通过控制热水流量来实现反应温度的调节，以防止冬天反应器温度下降。
直流电源4采用太阳能供电，并配有备用电源，同时还设置有三电极系统以监测电流电压情况，用以分析。
该苯胺废水处理系统是一个活性污泥法与生物膜法耦合微生物电化学法的工艺系统。其处理苯胺废水的工作原理简述如下：苯胺降解室1内具有活性污泥和驯化好的生物阳极5，在此苯胺被氧化，失去电子，电子通过外电路转移至反硝化室3，而氧化后产生的NH4 +-N流向硝化室2，通过硝化室2已经驯化好的的硝化生物膜，来发生常规的硝化反应，随后流向反硝化室3，反硝化室3设有驯化好的生物阴极6，接受外电路传递的电子促进自养硝化和异养硝化，有效处理苯胺废水。苯胺降解室1电解产生O2为氧化与硝化提供好氧环境，反硝化室3产生H2来提供缺氧环境。
实施例2
本实施例提供了一种耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理方法，包括如下步骤：
1)快速启动
1.1)驯化准备
驯化准备过程包括苯胺降解菌驯化步骤、硝化室生物膜挂膜步骤和反硝化菌驯化步骤；其中：
a)苯胺降解菌驯化步骤包括如下三个阶段：
第一阶段：将苯胺降解菌于无菌条件下接种到苯胺浓度为400mg/L的无机盐培养液中，放置于28℃摇床中富集培养36小时；
第二阶段：采集污水厂回流活性污泥为接种物投加入容器中，并向其中接种第一阶段培养的OD600处于0.6～0.8的苯胺降解菌菌液，接种比例保持在容器总体积的15％～20％，控制溶解氧在1～1.5mg/L的情况下，向其中投入人工配制的苯胺浓度为400mg/L的苯胺废水，定期测定NH4 +-N与苯胺的浓度，当检测到稳定的NH4 +-N生成与苯胺去除时，则得到初步驯化好的活性污泥；
第三阶段：将阳极5和辅助阴极放置于装有人工配制的苯胺废水和初步驯化好的活性污泥的上述容器(指第二阶段的容器)中，阳极5与辅助阴极分别与直流电源4的正极、负极相连并且通过亲水离子交换膜隔开，容器的出水通过循环泵回流至进水，循环往复；控制初始电压在0.5V，每当得到稳定的NH4 +-N生成与苯胺去除后，上升电压0.1V，直到1.2V时，监测到电流稳定后，且具备稳定的NH4 +-N生成与苯胺去除时，则苯胺降解菌驯化成功。
b)硝化室生物膜挂膜步骤包括如下两个阶段：
第一阶段：将实验室筛选出来的耐受苯胺毒性的硝化菌接种到NH4 +浓度为60mg/L的无机盐培养液中(NH4 +采用硫酸铵)，在28℃摇床中富集培养48小时；
第二阶段：取第一阶段富集培养后OD600处于0.6～0.8的菌液，接种至容器中，接种菌液比例为容器的10％～15％，将生物膜组件7置于容器中，投加人工配制的NH4 +浓度为60mg/L的NH4 +废水，控制溶解氧浓度在2～3mg/l，容器的出水通过循环泵回流至进水，循环往复，定期监测NH4 +、NO3 -、NO2 -浓度，来判断生物膜组件7上的硝化生物膜是否成熟。
c)反硝化菌驯化步骤包括如下三个阶段：
第一阶段：将保存在实验室的氢自养反硝化菌于无菌条件下接种到NO3 -浓度为100mg/L的无机盐培养液(NO3 -采用硝酸钾)中，放置于28℃摇床中富集培养36小时；
第二阶段：采集污水厂缺氧池污泥为接种物投加入容器中，并向其中接种第一阶段富集培养后OD600处于0.6～0.8的菌液，接种菌液比例为容器的10％～15％，控制溶解氧在0.5mg/L以下，并控制各类工况符合反硝化所需条件，向容器中投入人工配制的NO3 -浓度为100mg/L的NO3 -废水，出水回流至进水，循环往复；定期测定NO3 --N与TN-N的浓度，当检测到的稳定NO3 --N去除时，则得到初步驯化好的污泥；
第三阶段：将阴极6与辅助阳极放置于装有人工配制的NO3 -废水和初步驯化好的活性污泥的上述容器(指第二阶段的容器)中，阴极6与辅助阳极分别与直流电源4的负极、正极相连并且通过亲水离子交换膜隔开，容器的出水通过循环泵回流至进水，循环往复；控制初始电压在0.5V，每当得到稳定的NO3 --N去除时上升电压0.1V，直到1.2V时，检测到电流稳定且具备稳定的NO3 --N去除时，则反硝化菌驯化成功。
驯化成功后向苯胺降解室1内安装驯化好的微生物阳极5，向阴极6反应器内安装驯化好的微生物阴极6，向硝化室2内安装驯化好的生物膜。
以下步骤在实施例1所提供的苯胺废水处理系统中进行。
1.2)投加活性污泥
采集某城镇污水处理厂A2O工艺(厌氧-缺氧-好氧法)中好氧段与缺氧段的活性污泥，将好氧段污泥投入至苯胺降解室1与硝化室2中，将缺氧段污泥投入反硝化室3中。投入污泥的浓度为6500～7000mg/L，投加量为对应反应器室体积的四分之一。
1.3)配制人工模拟的苯胺废水
配制要求：苯胺浓度400mg/L，TP为0mg/L，TN为60mg/L，氨氮为0mg/L，总COD为1164mg/L，PH为7.5。
1.4)启动步骤
打开进水泵15，关闭上出水通道21和下出水通道22，向苯胺降解室1内注满模拟苯胺废水，水满后关闭进水泵15；待4小时后，打开上出水通道21，苯胺降解室1处理水缓缓流进硝化室2，再次打开进水泵15使苯胺降解室1内重新注满模拟苯胺废水，水满后关闭进水泵15；再待4个小时后，打开下出水通道22，硝化室2处理水流入反硝化室3，再次打开进水泵15使苯胺降解室1内重新注满苯胺废水，过四小时后，打开出水口，并且通过直流电源4外加电压，此时整个反应器相当于电解池，调整直流电源4输出到阴阳极5的电压，使电压从0.4V逐渐增加到0.8V，反应器启动成功。由于是连续流的进水方式，因此初步设置之后水力停留时间为6h。反应器经过7天运行，对出水水质分析，发现苯胺废水中苯胺浓度由400mg/L降低至5mg/L，TN平均浓度降低至15mg/L，苯胺降解率98.75％，TN去除率75％，出水指标符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准。
2)稳定运行阶段
本阶段需严格控制工况条件，故需要监测反应体系内的温度、溶解氧、pH值等。
保持水力停留时间为6小时，电压为0.8V，检测到苯胺降解室1溶解氧在1.5mg/L左右波动，硝化室2溶解氧在3mg/L左右波动，反硝化室3溶解氧在0.2mg/L左右波动。苯胺降解室1与硝化室2的pH在7.7左右波动，反硝化室3的pH在7.2左右波动。
苯胺废水连续流入反应器内，启动循环泵16使40％的出水从反硝化室3回流至苯胺降解室1，来补充碱度与活性污泥量。
每隔12小时对出水水质进行一次常规指标监测。
将配置的模拟苯氨废水的浓度改为800mg/L，进水水质指标：苯胺浓度800mg/L，TP为0mg/L,TN为120mg/L，氨氮为0mg/L，总COD1913mg/L。设置水力停留时间8小时，其中苯胺降解室1每小时曝气15min，硝化室2每小时曝气20min，反硝化室3持续进行微搅拌，稳定运行后对出水水质进行分析，发现苯胺废水中苯胺浓度由800mg/L降低至0.5mg/L，TN平均浓度降低至15mg/L，苯胺降解率99.9％，TN去除率87.5％，出水指标符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准。
将配置的模拟苯胺废水浓度改为1200mg/L。进水水质指标：苯胺浓度1200mg/L，TP为0mg/L，TN为180mg/L，氨氮为0mg/L，总COD为3077mg/L。设置水力停留时间8小时，其中苯胺降解室1每小时曝气15min，硝化室2每小时曝气20min，反硝化室3持续进行微搅拌，测得苯胺降解室1溶解氧1.3mg/L，硝化室2溶解氧2.8mg/L，反硝化室3溶解氧0.2mg/L。并且设置50％的出水回流至苯胺降解室1。处理后的废水的苯胺降至1.47mg/L，TN平均浓度降至13.7mg/L，苯胺去除率达到99.8％，TN去除率达到92％，出水指标符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准。
本实施例中苯胺降解菌采用命名为代尔夫特菌属(Delftiasp.)AD2的高效苯胺降解菌，其NCBI号为：MK336719；也可以采用命名为代尔夫特菌属(Delftiasp.)AD1的高效苯胺降解菌，其保藏编号为：CCTCCNO：M2019285。

Claims (10)

1.一种耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理系统，其特征在于：
包括依次连通的苯胺降解室(1)、硝化室(2)、反硝化室(3)和直流电源(4)；
所述苯胺降解室(1)内设置有阳极(5)，所述阳极(5)与直流电源(4)的正极电连接；所述反硝化室(3)内设置有阴极(6)，所述阴极(6)与直流电源(4)的负极电连接；
所述硝化室(2)采用膜生物反应器，其内设置有生物膜组件(7)。
2.根据权利要求1所述的苯胺废水处理系统，其特征在于：所述苯胺降解室(1)的阳极(5)上富集有驯化好的苯胺降解菌，所述硝化室(2)的生物膜组件(7)上富集有驯化好的硝化菌，所述反硝化室(3)的阴极(6)上富集有驯化好的反硝化菌。
3.根据权利要求1或2所述的苯胺废水处理系统，其特征在于：所述苯胺降解室(1)、硝化室(2)和反硝化室(3)是由一个反应器通过两个隔墙(20)分隔而成的三个反应器室；所述苯胺降解室(1)与硝化室(2)之间的隔墙(20)上部设置有上出水通道(21)，所述硝化室(2)与反硝化室(3)之间的隔墙(20)下部设置有下出水通道(22)；
所述苯胺降解室(1)的下部设置有苯胺废水进口(8)，所述苯胺废水进口(8)上连接管道并在管道上设置有进水泵(15)；所述反硝化室(3)的上部设置有碳源投加口(10)和净化水出口(9)；所述苯胺降解室(1)、硝化室(2)和反硝化室(3)的下部设置有排泥口(11)；
所述苯胺降解室(1)与硝化室(2)的侧壁上设置有曝气装置(14)；
所述反硝化室(3)内设置有搅拌器(17)；
所述反硝化室(3)的净化水出口(9)与苯胺降解室(1)之间设置有回流管(18)，并在回流管(18)上设置有单向阀(19)和循环泵(16)。
4.根据权利要求1或2所述的苯胺废水处理系统，其特征在于：所述苯胺降解室(1)、硝化室(2)和反硝化室(3)上均设置有监测口(12)，其上安装有温度测量装置、pH测量装置和溶解氧监测装置，分别对温度、pH和溶解氧进行监测；所述反硝化室(3)上还设置有气体收集口(13)，用于采集反应产生的气体以进行检测分析。
5.根据权利要求1或2所述的苯胺废水处理系统，其特征在于：该系统还设置有水温调节装置，用于对苯胺降解室(1)、硝化室(2)和反硝化室(3)中的水温进行调节。
6.根据权利要求1或2所述的苯胺废水处理系统，其特征在于：
所述直流电源(4)采用太阳能供电；
所述生物膜组件(7)采用多孔的聚氨酯海绵；
所述阳极(5)和阴极(6)均采用石墨板，并在石墨板上涂抹蚁粉高温下制成的分级多孔碳，所述分级多孔碳的制备步骤如下：将1质量份洗涤干燥后的蚂蚁粉和0.8～1.2质量份的KOH混合均匀，加热到700～900℃并在该温度下碳化1～3h，所得粉末用稀盐酸溶液和蒸馏水洗涤，然后在90～110℃下干燥，从而得到分级多孔碳。
7.一种耦合活性污泥与生物膜法的微生物电化学苯胺废水处理方法，其特征在于：
采用如权利要求1～6中任一项所述的苯胺废水处理系统；
并且包括如下步骤：
1)苯胺废水进入苯胺降解室(1)，在富集于阳极(5)上的苯胺降解菌的作用下发生降解，苯胺中的C作为碳源被利用，而N则转变为NH4 +-N，直流电源(4)通过阳极(5)吸收电子，促进降解过程中的氧化反应高效进行；
2)NH4 +-N进入硝化室(2)，通过富集于生物膜组件(7)上的硝化菌的硝化作用，生成NO3 --N；
3)NO3 --N进入反硝化室(3)，在富集于阴极(6)上的反硝化菌的作用下发生氢自养反硝化反应与异养反硝化反应，NO3 --N被还原为N2，直流电源(4)通过阴极(6)提供电子，促进反硝化反应中的还原过程，实现了苯胺废水的处理与脱氮。
8.根据权利要求7所述的苯胺废水处理方法，其特征在于：所述步骤1)中，苯胺降解室(1)的DO值控制在1～1.5mg/L，pH值控制在7.0～8.0；所述步骤2)中，硝化室(2)的DO值控制在2～3mg/L，pH值控制在7.5～8.0；所述步骤3)中，反硝化室(3)的DO值控制在0.5mg/L以下，pH值控制在7.0～7.5。
9.根据权利要求7或8所述的苯胺废水处理方法，其特征在于：
该方法还包括在首次运行前进行的苯胺降解菌驯化步骤、硝化室生物膜挂膜步骤和反硝化菌驯化步骤；
所述苯胺降解菌驯化步骤包括如下三个阶段：
第一阶段：将苯胺降解菌于无菌条件下接种到苯胺浓度为200～400mg/L的无机盐培养液中，放置于26～28℃摇床中富集培养36～48小时；
第二阶段：采集污水厂回流活性污泥为接种物投加入容器中，并向其中接种第一阶段培养的OD600处于0.6～0.8的苯胺降解菌菌液，接种比例保持在容器总体积的15％～20％，控制溶解氧在1～1.5mg/L的情况下，向其中投入人工配制的苯胺浓度为200～400mg/L的苯胺废水，定期测定NH4 +-N与苯胺的浓度，当检测到稳定的NH4 +-N生成与苯胺去除时，则得到初步驯化好的活性污泥；
第三阶段：将阳极(5)和辅助阴极放置于装有人工配制的苯胺废水和初步驯化好的活性污泥的上述容器中，阳极(5)与辅助阴极分别与直流电源(4)的正极、负极相连并且通过亲水离子交换膜隔开，容器的出水通过循环泵回流至进水，循环往复；控制初始电压在0.5V，每当得到稳定的NH4 +-N生成与苯胺去除后，上升电压0.1V，直到1.2V时，监测到电流稳定后，且具备稳定的NH4 +-N生成与苯胺去除时，则苯胺降解菌驯化成功；
所述硝化室生物膜挂膜步骤包括如下两个阶段：
第一阶段：将实验室筛选出来的耐受苯胺毒性的硝化菌接种到NH4 +浓度为30～60mg/L的无机盐培养液中，在26～28℃摇床中富集培养36～48小时；
第二阶段：取第一阶段富集培养后OD600处于0.6～0.8的菌液，接种至容器中，接种菌液比例为容器的10％～15％，将生物膜组件(7)置于容器中，投加人工配制的NH4 +浓度为30～60mg/L的NH4 +废水，控制溶解氧浓度在2～3mg/L，容器的出水通过循环泵回流至进水，循环往复，定期监测NH4 +、NO3 -、NO2 -浓度，来判断生物膜组件(7)上的硝化生物膜是否成熟；
所述反硝化菌驯化步骤包括如下三个阶段：
第一阶段：将保存在实验室的氢自养反硝化菌于无菌条件下接种到NO3 -浓度为50～100mg/L的无机盐培养液中，放置于26～28℃摇床中富集培养36～48小时；
第二阶段：采集污水厂缺氧池污泥为接种物投加入容器中，并向其中接种第一阶段富集培养后OD600处于0.6～0.8的菌液，接种菌液比例为容器的10％～15％，控制溶解氧在0.5mg/L以下，并向容器中投入人工配制的NO3 -浓度为50～100mg/L的NO3 -废水，出水回流至进水，循环往复；定期测定NO3 --N与TN-N的浓度，当检测到的稳定NO3 --N去除时，则得到初步驯化好的污泥；
第三阶段：将阴极(6)与辅助阳极放置于装有人工配制的NO3 -废水和初步驯化好的活性污泥的上述容器中，阴极(6)与辅助阳极分别与直流电源(4)的负极、正极相连并且通过亲水离子交换膜隔开，容器的出水通过循环泵回流至进水，循环往复；控制初始电压在0.5V，每当得到稳定的NO3 --N去除时上升电压0.1V，直到1.2V时，检测到电流稳定且具备稳定的NO3 --N去除时，则反硝化菌驯化成功。
10.根据权利要求7或8所述的苯胺废水处理方法，其特征在于：所述苯胺降解菌采用命名为代尔夫特菌属(Delftia sp.)AD2的高效苯胺降解菌，其NCBI号为：MK336719；或者采用命名为代尔夫特菌属(Delftia sp.)AD1的高效苯胺降解菌，其保藏编号为：CCTCC NO：M2019285。
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