CN112250162A - 微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置和脱氮方法 - Google Patents

Abstract

微生物电解池耦合BAF‑MBfR的低C/N污水深度脱氮装置和脱氮方法，涉及一种深度脱氮装置和脱氮方法。目的是解决现有污水处理工艺污水碳源提取不充分、处理成本高和脱氮效果差的问题。装置由微生物电解池、硝化池和反硝化池构成。方法：向微生物电解池注入电解液，微生物电解池中阴极发生析氢的反应产生氢气；微生物电解池的出水进入硝化池，氢气通过中空纤维膜扩散至反硝化池中，反硝化池内处理后的污水排出。本发明无需外加碳源的投入，减少运行成本，并规避了二次污染风险，实现污泥减量化，总氮去除率显著提高。本发明适用于污水脱氮。

Description

微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置和脱 氮方法

技术领域

本发明涉及一种深度脱氮装置和脱氮方法。

背景技术

城市化进程加快的同时，大量污染物进入生态系统，大量农业氮肥的使用、畜牧业的发展以及工业制造业的扩张使得氮素污染十分严重。我国城镇污水呈现低碳氮比(C/N)的特征，导致生物脱氮过程常常受到限制。现污水处理厂多通过额外投加有机碳源进行电子供体的补充，然而这一过程无疑增加了处理成本且出水中残余有机碳源还有可能引发二次污染。在传统脱氮工艺中，以AO为例，现污水处理厂并未实现对污水中碳源的充分利用，且硝化液回流比常需控制在200％～300％，造成运行过程中的能量损失。在反硝化阶段，面临碳源不足的问题，常出现脱氮效果差等现象。

一般的双室脱氮生物电化学系统中，阳极进行有机物的降解，而受硝酸盐污染水体直接作为阴极液，以阴极为电子供体，实现硝酸盐的还原。此时阳极与阴极之间间距需固定在厘米级或更小的范围内，否则由于内阻过大反应将无法进行。这一特殊的阴阳极间距限制了双室生物电化学脱氮的实际应用。其次，在双室脱氮生物电化学系统中，由于阴极为直接电子供体，受限于有限的电极面积及生物膜的电活性，常常发生亚硝酸盐的累积、或电子供体不足，最终总氮去除速率低等问题。

发明内容

本发明为了解决现有污水处理工艺对污水中碳源提取不充分易造成二次污染、处理成本高和电子供体不足而引起的脱氮效果差的问题，提出一种微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置和脱氮方法。

本发明微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置由微生物电解池、硝化池和反硝化池构成；

微生物电解池内设置有阳极和阴极，阳极和阴极分别与设置在微生物电解池外部的直流电源的正极和负极连接；硝化池为硝化曝气生物滤池，硝化池内填充有填料；反硝化池为膜生物膜反应器，反硝化池内设置有中空纤维膜，中空纤维膜的进气口与微生物电解池上部设置的排气口通过气体输送管道连通，微生物电解池的出水口与硝化池的进水口连通，硝化池的出水口与反硝化池的进水口连通，反硝化池污泥排放口与微生物电解池的底部的回流污泥进口连通；

利用微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置进行污水脱氮的方法按照以下步骤进行：

向微生物电解池注入电解液，微生物电解池的运行方式为连续流，电解液从阳极侧进入，电解液作为电子供体，阳极作为电子受体，电解液中有机物在阳极电化学活性菌催化作用下降解、并释放电子获得电子流，微生物电解池中阴极发生析氢的反应，产生氢气；

微生物电解池的出水进入硝化池，硝化池的运行方式为连续流，硝化池为硝化曝气生物滤池(BAF)，硝化池在曝气作用下氧化污水中氨氮为硝态氮或亚硝态氮，硝化池的出水进入反硝化池；

反硝化池为膜生物膜反应器(MBfR)；反硝化池运行方式为连续流，反硝化池中，微生物电解池输送的氢气通过中空纤维膜扩散至反硝化池中作为电子供体，中空纤维膜表面作为氢自养反硝化微生物的载体，氢气供给反硝化菌，反硝化菌主要为氢自养脱氮微生物，在反硝化菌作用下还原硝酸盐；反硝化池内处理后的污水排出，即完成。

本发明中，阳极和阴极和直流电源形成闭合回路，为了减小内阻，因此阳极和阴极3尽量紧密排布以减少两电极之间间距，且要保证阳极和阴极不能短路接触。

本发明有益效果为：

1、本发明在微生物电解池的作用下，污水中所含碳源被充分提取，并以氢气形式供给反硝化过程，使得整个处理流程无需外加碳源的投入，减少运行成本，并规避了由于外加碳源的不完全消耗而引起的二次污染风险；污水中大部分的有机物在微生物电解池中转化为氢能，仅有少量有机物进入硝化池，从而减少了有机物与氧气的接触，减少曝气能耗；而在传统活性污泥法脱氮过程中，大量有机物与氧气接触，在曝气过程中先进行有机物的氧化再进行氨氮的硝化，增加了曝气量，增加了运行费用。

2、本发明产生的剩余污泥回流至微生物电解池中进一步进行能量提取，使得最终的污泥处理处置减少，实现污泥减量化；

3、本发明为微生物电解池耦合曝气生物滤池和膜生物膜反应器的系统，充分提取原污水及剩余污泥中能量，并以氢气形式回收，以氢气为电子中介体，为反硝化过程补充电子供体，从而实现深度脱氮，与传统AO工艺相比，总氮去除率显著提高。

4、本发明的反硝化过程独立地在另一场地发生，氢气通过管道运输或扩散方式供给反硝化菌，实现对低碳氮比污水的高效脱氮。相比于双室生物电化学脱氮系统，打破了直接阴极脱氮的电子供体氧化及电子受体还原反应位点间距限制，扩展了应用灵活性和应用潜力。

5、本发明采用中空纤维膜扩散的方式有助于氢气向水环境扩散，过程较为温和、均匀，增大氢气溶解度同时提高氢气利用率。

附图说明

图1为实施例1中微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置的示意图；

图2为实施例1的对照组AO(缺氧-好氧)反应器，图中：21为缺氧池，22为好氧池，23为进水口，24为出水口，25为污泥回流管道，26为曝气泵；

图3为不同C/N下的出水COD浓度和总氮浓度，图中A对应实施例1的出水COD浓度，B对应对照组的出水COD浓度，C对应实施例1的出水总氮浓度，D对应对照组的出水总氮浓度；

图4为不同气水比下氨氮的硝化率，图中○为实施例1的氨氮的硝化率，□为对照组的氨氮的硝化率；

图5为进水C/N为6且气水比为15时的污泥产率。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：本实施方式微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置，其特征在于：装置由微生物电解池1、硝化池7和反硝化池10构成；

微生物电解池1内设置有阳极2和阴极3，阳极2和阴极3分别与设置在微生物电解池1外部的直流电源4的正极和负极连接；硝化池7为硝化曝气生物滤池，硝化池7内填充有填料8；反硝化池10为膜生物膜反应器，反硝化池10内设置有中空纤维膜9，中空纤维膜9的进气口与微生物电解池1上部设置的排气口通过气体输送管道5连通，微生物电解池1的出水口与硝化池7的进水口连通，硝化池7的出水口与反硝化池10的进水口连通，反硝化池10污泥排放口与微生物电解池1的底部的回流污泥进口连通。

1、本实施方式在微生物电解池的作用下，污水中所含碳源被充分提取，并以氢气形式供给反硝化过程，使得整个处理流程无需外加碳源的投入，减少运行成本，并规避了由于外加碳源的不完全消耗而引起的二次污染风险；污水中大部分的有机物在微生物电解池中转化为氢能，仅有少量有机物进入硝化池，从而减少了有机物与氧气的接触，减少曝气能耗；而在传统活性污泥法脱氮过程中，大量有机物与氧气接触，在曝气过程中先进行有机物的氧化再进行氨氮的硝化，增加了曝气量，增加了运行费用。

2、本实施方式产生的剩余污泥回流至微生物电解池中进一步进行能量提取，使得最终的污泥处理处置减少，实现污泥减量化；

3、本实施方式为微生物电解池耦合曝气生物滤池和膜生物膜反应器的系统，充分提取原污水及剩余污泥中能量，并以氢气形式回收，以氢气为电子中介体，为反硝化过程补充电子供体，从而实现深度脱氮，与传统AO工艺相比，总氮去除率显著提高。

4、本实施方式的反硝化过程独立地在另一场地发生，氢气通过管道运输或扩散方式供给反硝化菌，实现对低碳氮比污水的高效脱氮。相比于双室生物电化学脱氮系统，打破了直接阴极脱氮的电子供体氧化与电子受体还原的反应位点的间距限制，扩展了应用灵活性和应用潜力。

5、本实施方式采用中空纤维膜9扩散的方式有助于氢气向水环境扩散，过程较为温和、均匀，增大氢气溶解度同时提高氢气利用率。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述硝化池7底部设置有进气口12，进气口12与曝气泵11排气管道连通。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述阳极2材质为具有生物相容性的导体电极；所述具有生物相容性的导体电极为碳刷、碳布、碳纤维布、钛网、不锈钢网、碳毡、碳纤维刷、颗粒活性炭或生物炭。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述阴极3材质为碳布、碳纤维布、柱状石墨、板状石墨、不锈钢网、镍网或钛网。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述填料8为陶粒、轻质塑料、生物炭等弹性填料。填料8填料需预先进行挂膜驯化，以附着硝化功能微生物。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述直流电源4为可调节直流电源；直流电源4能够控制系统的产氢速率。直流电源4为电池、太阳能电池板、风力发电机等。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述气体输送管道5中部设置有气体增压泵6。

具体实施方式八：本实施方式利用微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置进行污水脱氮的方法按照以下步骤进行：

向微生物电解池1注入电解液，微生物电解池1的运行方式为连续流，电解液从阳极2侧进入，电解液作为电子供体，阳极2作为电子受体，电解液中有机物在阳极电化学活性菌催化作用下降解、并释放电子获得电子流，微生物电解池1中阴极3发生析氢的反应，产生氢气；

微生物电解池1的出水进入硝化池7，硝化池7的运行方式为连续流，硝化池7为硝化曝气生物滤池(BAF)，硝化池7在曝气作用下氧化污水中氨氮为硝态氮或亚硝态氮，硝化池7的出水进入反硝化池10；

反硝化池10为膜生物膜反应器(MBfR)；反硝化池10运行方式为连续流，反硝化池10中，微生物电解池1输送的氢气通过中空纤维膜9扩散至反硝化池10中作为电子供体，中空纤维膜9表面作为氢自养反硝化微生物的载体，氢气供给反硝化菌，反硝化菌主要为氢自养脱氮微生物，在反硝化菌作用下还原硝酸盐；反硝化池10内处理后的污水排出，即完成。

1、本实施方式在微生物电解池的作用下，污水中所含碳源被充分提取，并以氢气形式供给反硝化过程，使得整个处理流程无需外加碳源的投入，减少运行成本，并规避了由于外加碳源的不完全消耗而引起的二次污染风险；污水中大部分的有机物在微生物电解池中转化为氢能，仅有少量有机物进入硝化池，从而减少了有机物与氧气的接触，减少曝气能耗；而在传统活性污泥法脱氮过程中，大量有机物与氧气接触，在曝气过程中先进行有机物的氧化再进行氨氮的硝化，增加了曝气量，增加了运行费用。

2、本实施方式产生的剩余污泥回流至微生物电解池中进一步进行能量提取，使得最终的污泥处理处置减少，实现污泥减量化；

3、本实施方式为微生物电解池耦合曝气生物滤池和膜生物膜反应器的系统，充分提取原污水及剩余污泥中能量，并以氢气形式回收，以氢气为电子中介体，为反硝化过程补充电子供体，从而实现深度脱氮，与传统AO工艺相比，总氮去除率显著提高。

4、本实施方式的反硝化过程独立地在另一场地发生，氢气通过管道运输或扩散方式供给反硝化菌，实现对低碳氮比污水的高效脱氮。相比于双室生物电化学脱氮系统，打破了直接阴极脱氮的电子供体氧化与电子受体还原的反应位点的间距限制，扩展了应用灵活性和应用潜力。

5、本实施方式采用中空纤维膜9扩散的方式有助于氢气向水环境扩散，过程较为温和、均匀，增大氢气溶解度同时提高氢气利用率。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述电解液为市政污水、污水厂污泥、污泥消化液或回流污泥。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是：所述硝化池7为一级硝化池或多级硝化池，多级硝化池以串联方式运行，通过对水力停留时间及曝气量的调控实现氮转化形态的控制。

实施例1：

本发明微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置由微生物电解池1、硝化池7和反硝化池10构成；

微生物电解池1内设置有阳极2和阴极3，阳极2和阴极3分别与设置在微生物电解池1外部的直流电源4的正极和负极连接；硝化池7为硝化曝气生物滤池，硝化池7内填充有填料8；反硝化池10为膜生物膜反应器，反硝化池10内设置有中空纤维膜9，中空纤维膜9的进气口与微生物电解池1上部设置的排气口通过气体输送管道5连通，微生物电解池1的出水口与硝化池7的进水口连通，硝化池7的出水口与反硝化池10的进水口连通，反硝化池10污泥排放口与微生物电解池1的底部的回流污泥进口连通；

所述硝化池7底部设置有进气口12，进气口12与曝气泵11排气管道连通；填料8为生物炭弹性填料；填料8填料需预先进行挂膜驯化，以附着硝化功能微生物。所述直流电源4为电池；气体输送管道5中部设置有气体增压泵6；阳极2为串联在一起的五根直径3cm、长10cm的碳纤维刷，阴极3为截面尺寸15×10cm的不锈钢网，阳极2与阴极3的外电路中接入直流电源及10Ω的电阻，且直流电源4电压为0.8V，微生物电解池1的体积为960mL，水力停留时间设置为6h，BAF体积为250mL，水力停留时间为1h，MBfR体积为420mL，水力停留时间设置为1.75h。本实施例中，阳极2和阴极3和直流电源4形成闭合回路，为了减小内阻，因此阳极2和阴极3尽量紧密排布以减少两电极之间间距，且要保证阳极2和阴极3不能短路接触。

利用微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置进行污水脱氮的方法按照以下步骤进行：

向微生物电解池1注入电解液，微生物电解池1的运行方式为连续流，电解液从阳极2侧进入，电解液作为电子供体，阳极2作为电子受体，电解液中有机物在阳极电化学活性菌催化作用下降解、并释放电子获得电子流，微生物电解池1中阴极3发生析氢的反应，产生氢气；所述电解液为市政污水、污水厂污泥、污泥消化液或回流污泥；

微生物电解池1的出水进入硝化池7，硝化池7的运行方式为连续流，硝化池7为硝化曝气生物滤池(BAF)，硝化池7在曝气作用下氧化污水中氨氮为硝态氮或亚硝态氮，硝化池7的出水进入反硝化池10；所述硝化池7为一级硝化池；反硝化池10为膜生物膜反应器(MBfR)；反硝化池10运行方式为连续流，反硝化池10中，微生物电解池1输送的氢气通过中空纤维膜9扩散至反硝化池10中作为电子供体，中空纤维膜9表面作为氢自养反硝化微生物的载体，氢气供给反硝化菌，反硝化菌主要为氢自养脱氮微生物，在反硝化菌作用下还原硝酸盐；反硝化池10内处理后的污水排出，即完成。

对照组：对照组装置为典型的AO工艺，其中好氧池体积为250mL，缺氧池体积为960mL。进水COD浓度在500mg/L左右，氨氮在70-80mg/L间变动，总氮浓度在70-80mg/L间变动。在进行不同碳氮比处理效能测试时，气水比设置为1:60，进水氨氮浓度分别为250mg/L，125mg/L，83mg/L以及60mg/L。

经过一段时间的驯化后进行了长期稳定的运行测试，并探究了不同进水C/N下实施例1装置和对照组装置脱氮性能，不同气水比(单位时间内曝气量与污水量的体积比)对BAF硝化池及AO好氧池的氨氮硝化率的影响，以及最终污泥产率的差异。在不同C/N条件下，实施例1取得了优于对照组的脱氮效果，如图3所示，且当进水C/N为4时，实施例1出水总氮仅5mg/L；对照组对进水C/N需求较高，且呈现随C/N增加总氮去除效果增强的现象，当C/N为4时，出水总氮为26mg/L，而当C/N为8时，AO出水总氮达到9m/L。因此，实施例1可充分提取污水中能量，并在C/N为4时即可达到良好的处理效果，实现了对低C/N污水的深度脱氮的目的。当C/N固定为6时，在实施例1工艺中气水比仅需6即可达到完全的硝化，而在对照组AO工艺中，气水比则需继续提升至13.5才可实现完全的硝化(如图4所示)。在硝化阶段，进水中仍含有少量COD，会增加氧气的消耗，而在实施例1工艺中，MEC段高效回收污水中能量，使得在BAF曝气阶段COD量较低，故减少了部分氧气消耗。而在对照组AO工艺中，好氧池中仍然存在大量COD，增加了曝气能耗。实施例1工艺显著减少了曝气能耗，氧气消耗量仅为AO工艺的44.4％。当C/N为6时，且固定气水比为15的条件下，实施例1工艺污泥产率仅为0.24kg污泥/kg COD，如图5所示，相比于对照组AO工艺减少了51％。这主要是由于在实施例1中，MEC阶段增加了对剩余活性污泥的二次消解，深度提取污泥中能量，实现污泥减量化。实施例1所适用C/N可低至4，当进水C/N为6时，该工艺曝气量相较于对照组AO工艺减少53％，污泥产量减少51％，充分提取了污水中能量，实现了对低C/N污水的深度脱氮，减少了污泥的二次处置。

Claims (10)

1.一种微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置，其特征在于：装置由微生物电解池(1)、硝化池(7)和反硝化池(10)构成；

微生物电解池(1)内设置有阳极(2)和阴极(3)，阳极(2)和阴极(3)分别与设置在微生物电解池(1)外部的直流电源(4)的正极和负极连接；硝化池(7)为硝化曝气生物滤池，硝化池(7)内填充有填料(8)；反硝化池(10)为膜生物膜反应器，反硝化池(10)内设置有中空纤维膜(9)，中空纤维膜(9)的进气口与微生物电解池(1)上部设置的排气口通过气体输送管道(5)连通，微生物电解池(1)的出水口与硝化池(7)的进水口连通，硝化池(7)的出水口与反硝化池(10)的进水口连通，反硝化池(10)污泥排放口与微生物电解池(1)的底部的回流污泥进口连通。

2.根据权利要求1所述的微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置，其特征在于：所述硝化池(7)底部设置有进气口(12)，进气口(12)与曝气泵(11)排气管道连通。

3.根据权利要求1所述的微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置，其特征在于：所述阳极(2)材质为具有生物相容性的导体电极；所述具有生物相容性的导体电极为碳刷、碳布、碳纤维布、钛网、不锈钢网、碳毡、碳纤维刷、颗粒活性炭或生物炭。

4.根据权利要求1所述的微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置，其特征在于：所述阴极(3)材质为碳布、碳纤维布、柱状石墨、板状石墨、不锈钢网、镍网或钛网。

5.根据权利要求1所述的微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置，其特征在于：所述填料(8)为弹性填料，弹性填料为陶粒、轻质塑料或生物炭。

6.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述直流电源(4)为可调节直流电源。

7.根据权利要求1所述的微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置，其特征在于：所述气体输送管道(5)中部设置有气体增压泵(6)。

8.根据权利要求1所述的，利用如权利要求1所述的微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置进行污水脱氮的方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：

向微生物电解池(1)注入电解液，微生物电解池(1)的运行方式为连续流，电解液从阳极(2)侧进入，电解液作为电子供体，阳极(2)作为电子受体，电解液中有机物在阳极电化学活性菌催化作用下降解、并释放电子获得电子流，微生物电解池(1)中阴极(3)发生析氢的反应，产生氢气；

微生物电解池(1)的出水进入硝化池(7)，硝化池(7)的运行方式为连续流，硝化池(7)为硝化曝气生物滤池，硝化池(7)在曝气作用下氧化污水中氨氮为硝态氮或亚硝态氮，硝化池(7)的出水进入反硝化池(10)；

反硝化池(10)为膜生物膜反应器；反硝化池(10)运行方式为连续流，反硝化池(10)中，微生物电解池(1)输送的氢气通过中空纤维膜(9)扩散至反硝化池(10)中作为电子供体，中空纤维膜(9)表面作为氢自养反硝化微生物的载体，氢气供给反硝化菌，反硝化菌主要为氢自养脱氮微生物，在反硝化菌作用下还原硝酸盐；反硝化池(10)内处理后的污水排出，即完成。

9.根据权利要求8所述的利用微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置进行污水脱氮的方法，其特征在于：所述电解液为市政污水、污水厂污泥、污泥消化液或回流污泥。

10.根据权利要求8所述的利用微生物电解池耦合BAF-MBfR的低C/N污水深度脱氮装置进行污水脱氮的方法，其特征在于：所述硝化池(7)为一级硝化池或多级硝化池。

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