CN113666501A - 电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置及其启动和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及污水处理领域，公开了一种藻菌共生降解苯胺脱氮装置，包括反应器箱体，进水口连有进水箱，出水口连有出水箱，进水管上设有进水泵，反应器箱体内设置有无泡曝气阳极、石墨烯泡沫钛阴极及搅拌桨，无泡曝气阳极与直流电源的正极电连，石墨烯泡沫钛阴极与直流电源的负极电连，无泡曝气阳极还连有为其供气的曝气泵，曝气泵设有流量控制器系统。本发明还公开了一种藻菌共生降解苯胺脱氮装置的污泥驯化方法和使用方法。本发明一种藻菌共生降解苯胺脱氮装置及其污泥驯化方法和使用方法，实现降解过程中减少曝气能耗，且可以在一个反应室内耦合缺氧和好氧环境，使得苯胺降解、硝化反应、反硝化反应能够在一个反应室内同时进行。

Description

电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置及其启动和使用方法
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置及其启动和使用方法。
背景技术
苯胺及其中间产物在制革、印染、橡胶等化工产业的生产活动中作为原材料而广泛应用，这类工业工艺中产生的高毒性废水如果不经有效处理，就会对人类生存环境带来严重的威胁。并且苯胺在降解过程中，氨氮作为其降解中间产物大量脱出的现象也值得注意。生物法相比于物理法和化学法，是实现苯胺和氨氮高效同步脱除最经济、应用也最广泛的方法之一。
目前常规的生物法处理苯胺废水存在着较多短板，例如为了刺激苯胺降解和硝化等功能菌群的活性，通常会往反应器中大量曝气，大量曝气会带来较大的能耗浪费；并且传统生物法的运行过程将苯胺降解和硝化在时间上分开进行，反应器中先实现完全的苯胺降解再开始硝化，从而使得整个反应过程的效率较低，水力停留时间较长。长时间的高强度曝气也进一步推高了成本。
另外，传统反应器的脱氮性能较差，如果反应器受到水量、水质突变等冲击，其出水效果也会受到很大的影响。传统反应器较差的脱氮能力会增加下游工艺的脱氮负荷，容易引起出水氨氮、总氮含量超标。
藻菌共生系统能有效强化苯胺降解和同步脱氮的过程。藻本身可以吸收利用一部分苯胺降解过程中脱出的氨氮、硝氮和亚硝氮，降低出水中的氮含量。并且在在光照/黑暗的循环条件下，藻菌共生系统可以有效地发挥藻和菌的协同作用。藻类可通过光合作用，吸收利用细菌代谢时产生的CO2，达到碳减排的同时，还会产生O2和分泌少量乙酸、丙酸等有机质和一些胞外聚合物，为细菌代谢活动提供O2和碳源，不仅降低了反应器所需曝气量，有效解决共生系统好氧曝气能耗较高的难题，还达到了碳减排的目标。
基于电刺激的生物强化技术是电化学和生物化学相结合的一种新型污水处理技术，主要是利用弱电场来刺激微生物的生长和代谢。阳极附近苯胺等有机质降解后产生的电子通过电路被输送至阴极附近，为反硝化反应提供电子。通过将阴极和阳极分室的方法，可以将苯胺降解过程中的苯胺降解、硝化反应、反硝化反应分开进行，能大大提高苯胺降解以及脱氮效率。但相应成本就会增高，如何将三者耦合在一个反应室中进行则成为目前电刺激生物强化技术的一个难点。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置及其启动和使用方法，实现降解过程中减少曝气能耗，提高苯胺降解和脱氮效率，在藻菌之间互相利用代谢产物的同时能有效降低系统的碳排放，且可以在一个反应室内耦合缺氧和好氧环境，使得苯胺降解、硝化反应、反硝化反应能够在一个反应室内同时进行，达到节省反应器建设和管理运营成本的目的。
为实现上述目的，本发明所设计的电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置包括反应器箱体，设在所述反应器箱体底部的进水口通过进水管连有进水箱，设在所述反应器箱体中部的出水口通过出水管连有出水箱，所述进水管上设有进水泵，所述反应器箱体内设置有无泡曝气阳极、石墨烯泡沫钛阴极及通过驱动电机驱动的搅拌桨，所述无泡曝气阳极与直流电源的正极电连，所述石墨烯泡沫钛阴极与所述直流电源的负极电连，所述无泡曝气阳极还连有为其供气的曝气泵，所述曝气泵设有流量控制器系统。
优选的，所述无泡曝气阳极包括由金属镍制成的泡沫金属曝气头，所述泡沫金属曝气头内部设有空腔，所述泡沫金属曝气头的外面包裹有无泡曝气膜束，所述泡沫金属曝气头的顶部焊接有金属铜导电通气接头，所述金属铜导电通气接头通过导电线与所述直流电源的正极电连，所述金属铜导电通气接头内部设有与所述空腔连通的通气腔道，所述通气腔道通过曝气导管与所述曝气泵连通，所述空腔与所述通气腔道通过第一焊接点位焊接在一起，所述第一焊接点位和所述金属铜导电通气接头的外露部分均涂覆有环氧树脂。
优选的，所述无泡曝气膜束为多孔αAl2O3陶瓷膜，该材料能为附着在上面的藻菌共生生物膜提供附着位点，并作为氧传递介质为生物膜传递氧气，所述多孔αAl2O3陶瓷膜的孔径为0.1～0.2μm，陶瓷膜较强的疏水性使得膜表面液膜层薄，气体扩散受液膜的阻力也较小，同样的曝气强度下，多孔α-Al2O3陶瓷膜的传氧更高效，附着在上面的苯胺降解菌和硝化菌所吸收的氧气更多，高传氧效率的膜材料和藻菌互利共生的特性使得该系统能进行高效的苯胺降解和硝化反应，所述泡沫金属曝气头的通孔率为95～99％，其孔隙率为55～96％，是一种良好的均匀曝气材料，泡沫镍材料作为一种不溶性阳极，其本身就不易将镍离子释放出来，并且电刺激生物系统极低的电压电流使得泡沫镍在该反应器中作为阳极有着安全且高效的特征。
优选的，所述石墨烯泡沫钛阴极包括微米级的实心泡沫钛，所述实心泡沫钛顶部通过第二焊接点位焊接有铜导电接头，所述铜导电接头通过导电线与所述直流电源的负极电连，所述第二焊接点位和所述铜导电接头上均涂覆有环氧树脂，所述实心泡沫钛的外表面涂覆有氧化石墨烯，该阴极表面具有较大的比表面积，易于被菌胶团附着等优点，并且钛电极较好的导电能力使该电极能够较好地发挥电刺激作用，充分改变反硝化菌细胞膜的渗透性及其生长代谢活性和群落结构等特性，进而提升系统整体的脱氮性能。
优选的，所述氧化石墨烯通过改良hammers法制备，所述氧化石墨烯涂覆完成后，将涂覆完成的所述石墨烯泡沫钛阴极置入0.7～1g/L的苯酚溶液中还原1.5～3h，然后使用蒸馏水冲洗10～20min后，置于阴凉干燥处风干即可使用。
优选的，所述反应器箱体的底部设有排泥口，所述反应器箱体底部有0.002～0.004的坡度。
优选的，所述反应器箱体的顶部设有取样和检查口。
一种所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置的启动方法，包括如下步骤：
A)阳极和阴极的挂膜准备：
在完成装置无泡曝气阳极和石墨烯泡沫钛阴极的反应器箱体内，注入淘洗过的藻菌共生活性污泥，所述藻菌共生活性污泥的浓度为3～4g/L，溶解氧控制为相对缺氧环境，注入的所述藻菌共生活性污泥的体积为所述反应器箱体池容的40～50％，同时往池内注入人工配置低浓度苯胺废水，所述人工配置低浓度苯胺废水的苯胺浓度为150～200mg/L，注入的所述人工配置低浓度苯胺废水的体积为所述反应器箱体池容的40～50％，并将所述反应器箱体置于光源下，以供藻类进行光合作用，启动所述曝气泵向所述无泡曝气阳极供气，使其曝气强度为0.05～0.25mPa，所述藻菌共生活性污泥的溶解氧控制为相对缺氧环境，持续曝气；
B)藻菌共生生物膜挂膜：
设置所述反应器箱体为序批式运行，每个运行周期包括：进水3～5min，曝气搅拌250～350min，静置沉淀40～60min，出水3～5min，其中进水为所述人工配置低浓度苯胺废水，出水为上清液，每个周期切换时的换水比为50％，所述无泡曝气阳极和石墨烯泡沫钛阴极的外表面逐渐形成藻菌共生生物膜，定期测定所述反应器箱体内的氨氮、硝氮、亚硝氮、叶绿素a和苯胺的浓度，当检测到各氮素指标和苯胺被有效降解，游离电极外的所述藻菌共生活性污泥和藻菌共生生物膜中的叶绿素a含量为2000～5000μg/L左右，并且看到藻菌共生生物膜在所述无泡曝气阳极和石墨烯泡沫钛阴极上附着均匀时，对藻菌共生生物膜进行取样镜检，当发现小球藻、轮虫、钟虫出现在样品中，表明藻菌共生生物膜挂膜成功；
C)驯化生物膜和活性污泥使其降解高浓度苯胺并脱氮：
在所述进水箱内通入人工配置中浓度苯胺废水，所述人工配置中浓度苯胺废水的苯胺浓度为350～400mg/L，其余成分与所述人工配置低浓度苯胺废水相同，使所述反应器箱体按照所述步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为所述人工配置中浓度苯胺废水，当所述反应器箱体内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定时，在所述进水箱内继续通入人工配置高浓度苯胺废水，所述人工配置高浓度苯胺废水的苯胺浓度为550～600mg/L，其余成分与所述人工配置低浓度苯胺废水相同，继续使所述反应器箱体按照所述步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为所述人工配置高浓度苯胺废水，至所述反应器箱体内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定；
D)反应器箱体电刺激启动：
使所述反应器箱体持续运行，并使所述直流电源的阳极和阴极通电，设定初始电压不大于0.5V，所述反应器箱体按照所述步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为所述人工配置高浓度苯胺废水，定期进行所述反应器箱体内的水质检查，当所述反应器箱体内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定时，将电压提升0.1V，继续循环以上过程，直到定期水质检测时发现，在一个运行电压下的运行周期内出水水质能稳定达到预设要求，说明所述反应器箱体在该电压条件下达到带电运行的标准。
一种所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置的使用方法，将所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置按照所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置的启动方法进行启动，启动完成后，进入正常运行阶段，将待处理苯胺废水从所述进水箱通过所述进水泵和进水管进入所述反应器箱体，所述直流电源持续供电，所述搅拌桨持续搅拌，所述反应器箱体按照所述步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为所述待处理苯胺废水，在所述藻菌共生活性污泥和藻菌共生生物膜的共同作用下，所述待处理苯胺废水被降解。
优选的，在正常运行过程中，所述反应器箱体的水力停留时间控制在7～9h，污泥停留时间为20～22d，pH控制在7～8.5之间，所述无泡曝气阳极上外层的多孔αAl2O3陶瓷膜所受曝气强度为0.05～0.25mPa，藻菌共生活性污泥的溶解氧控制为相对缺氧环境。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、在藻菌共生系统处理苯胺废水，能克服传统生物法的短板，藻为菌供氧，菌为藻供CO2，从而大大减少曝气量，降低了运行成本，形成藻菌活性污泥和生物膜的复合系统，提高系统对苯胺和氮的降解效率；
2、藻类可以吸收利用部分氨氮，降低系统出水中的氨氮浓度，强化提高系统的脱氮效率；
3、电刺激生物强化技术促进微生物胞内外电子传递速率，有效提升了苯胺的去除和脱氮性能，使本反应器能够取得比传统生物处理技术或者电化学技术更高效率的处理能力；
4、电刺激生物强化技术上使用无泡曝气法，令一个反应室耦合缺氧和好氧环境，使得苯胺降解、硝化反应、反硝化反应能够在一个反应室内同时进行，有效节省反应器建设成本；
5、本反应器在启动之后极为简单的运行方式能大大降低运营管理成本；
6、在反应器中微藻对氮素污染物和苯胺的同化吸收，不仅节省了碳源的消耗，还实现了苯胺废水处理过程中的废物资源化；
7、藻菌共生条件下，菌和藻之间以互惠互利的生存方式进行生命活动，互相吸收在代谢过程中分泌的胞外聚合物等，使得反应器运行过程中排泥量小，抗冲击性强。
附图说明
图1为本发明藻菌共生降解苯胺脱氮装置的结构示意图；
图2为图1中无泡曝气阳极的结构示意图；
图3为图2的剖视图；
图4为图1中石墨烯泡沫钛阴极的结构示意图；
图5为图4的剖视图。
图中各部件标号如下：
反应器箱体1、进水口2、进水管3、进水箱4、出水口5、出水管6、出水箱7、进水泵8、无泡曝气阳极9、石墨烯泡沫钛阴极10、驱动电机11、搅拌桨12、直流电源13、曝气泵14、泡沫金属曝气头15、空腔16、无泡曝气膜束17、金属铜导电通气接头18、导电线19、通气腔道20、曝气导管21、第一焊接点位22、实心泡沫钛23、第二焊接点位24、铜导电接头25、氧化石墨烯26、排泥口27、藻菌共生活性污泥28、光源29、取样和检查口30。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置，包括反应器箱体1，设在反应器箱体1底部的进水口2通过进水管3连有进水箱4，设在反应器箱体1中部的出水口5通过出水管6连有出水箱7，进水管3上设有进水泵8，反应器箱体1内设置有无泡曝气阳极9、石墨烯泡沫钛阴极10及通过驱动电机11驱动的搅拌桨12，无泡曝气阳极9与直流电源13的正极电连，石墨烯泡沫钛阴极10与直流电源13的负极电连，无泡曝气阳极9还连有为其供气的曝气泵14，曝气泵14设有流量控制器系统。
如图2及图3所示，无泡曝气阳极9包括由金属镍制成的泡沫金属曝气头15，泡沫金属曝气头15内部设有空腔16，泡沫金属曝气头15的外面包裹有无泡曝气膜束17，泡沫金属曝气头15的顶部焊接有金属铜导电通气接头18，金属铜导电通气接头18通过导电线19与直流电源13的正极电连，金属铜导电通气接头18内部设有与空腔16连通的通气腔道20，通气腔道20通过曝气导管21与曝气泵14连通，空腔16与通气腔道20通过第一焊接点22位焊接在一起，第一焊接点位22和金属铜导电通气接头18的外露部分均涂覆有环氧树脂。
本实施例中，无泡曝气膜束17为多孔αAl2O3陶瓷膜，多孔αAl2O3陶瓷膜的孔径为0.1μm，泡沫金属曝气头15的通孔率为95％，其孔隙率为55％。在其它实施例中，多孔αAl2O3陶瓷膜的孔径还可以为0.2μm，泡沫金属曝气头15的通孔率为99％，其孔隙率为96％。
如图4及图5所示，本实施例中，石墨烯泡沫钛阴极10包括微米级的实心泡沫钛23，实心泡沫钛23顶部通过第二焊接点位24焊接有铜导电接头25，铜导电接头25通过导电线19与直流电源13的负极电连，第二焊接点位24和铜导电接头25上均涂覆有环氧树脂，实心泡沫钛23的外表面涂覆有氧化石墨烯26。
本实施例中，氧化石墨烯26通过改良hammers法制备，氧化石墨烯26涂覆完成后，将涂覆完成的石墨烯泡沫钛阴极10置入0.7g/L的苯酚溶液中还原1.5h，然后使用蒸馏水冲洗10min后，置于阴凉干燥处风干即可使用。在其它实施例中，还可以将涂覆完成的石墨烯泡沫钛阴极10置入1g/L的苯酚溶液中还原3h，然后使用蒸馏水冲洗20min后，置于阴凉干燥处风干即可使用。
另外，本实施例中，反应器箱体1的底部设有排泥口27，如果藻菌共生活性污泥28发生淤积、膨胀、缺氧黑化等现象，进而影响到出水水质时，可打开排泥口27进行排泥，使反应器箱体1内藻菌共生污泥28的微生物组成结构得到调整。反应器箱体1底部有0.002～0.004的坡度，以便排泥。反应器箱体1的顶部设有取样和检查口30。
本实施例电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置的启动方法，包括如下步骤：
A)阳极和阴极的挂膜准备：
在完成装置无泡曝气阳极9和石墨烯泡沫钛阴极10的反应器箱体1内，注入淘洗过的藻菌共生活性污泥28，藻菌共生活性污泥28的浓度为4g/L，溶解氧控制为相对缺氧环境，注入的藻菌共生活性污泥28的体积为反应器箱体1池容的50％，同时往池内注入人工配置苯胺废水，人工配置低浓度苯胺废水的苯胺浓度为200mg/L，其它成分为：NaH2PO4为0.26mg/L，Na2HPO4为1.01mg/L，MgSO4为0.20mg/L，KCl为0.2mg/L，Fe(NO3)3为0.01mg/L，注入的人工配置苯胺废水的体积为反应器箱体1池容的50％，并将反应器箱体1置于光源29下，启动曝气泵14向无泡曝气阳极9供气，使其曝气强度为0.25mPa，藻菌共生活性污泥28的溶解氧控制为相对缺氧环境，持续曝气；
B)藻菌共生生物膜挂膜：
设置反应器箱体1为序批式运行，每个运行周期包括：进水5min，曝气搅拌350min，静置沉淀60min，出水5min，其中进水为人工配置低浓度苯胺废水，出水为上清液，每个周期切换时的换水比为50％，无泡曝气阳极9和石墨烯泡沫钛阴极10的外表面逐渐形成藻菌共生生物膜，定期测定反应器箱体1内的氨氮、硝氮、亚硝氮、叶绿素a和苯胺的浓度，当检测到各氮素指标和苯胺被有效降解，游离电极外的藻菌共生活性污泥28和藻菌共生生物膜中的叶绿素a含量为2000～5000μg/L左右，并且看到藻菌共生生物膜在无泡曝气阳极9和石墨烯泡沫钛阴极10上附着均匀时，对藻菌共生生物膜进行取样镜检，当发现小球藻、轮虫、钟虫出现在样品中，表明藻菌共生生物膜挂膜成功；
C)驯化生物膜和活性污泥使其降解高浓度苯胺并脱氮：
在进水箱3内通入人工配置中浓度苯胺废水，人工配置中浓度苯胺废水的苯胺浓度为400mg/L，其余成分与人工配置低浓度苯胺废水相同，使反应器箱体1按照步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为人工配置中浓度苯胺废水，当反应器箱体1内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定时，在进水箱4内继续通入人工配置高浓度苯胺废水，人工配置高浓度苯胺废水的苯胺浓度为600mg/L，其余成分与人工配置低浓度苯胺废水相同，继续使反应器箱体1按照步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为人工配置高浓度苯胺废水，至反应器箱体1内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定；
D)反应器箱体电刺激启动：
使反应器箱体1持续运行，并使直流电源13的阳极和阴极通电，设定初始电压为0.5V，反应器箱体1按照步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为人工配置高浓度苯胺废水，定期进行反应器箱体1内的水质检查，当反应器箱体1内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定时，将电压提升0.1V，继续循环以上过程，直到定期水质检测时发现，在一个运行电压下的运行周期内出水水质能稳定达到预设要求，说明反应器箱体1在该电压条件下达到带电运行的标准，本实施例中，该运行电压为1.2V，水质的预设要求为水质能稳定达到《纺织染整工业水污染物排放标准》GB 4287-2012，即COD在80mg/L以下、BOD5在20mg/L以下、SS在50mg/L以下、总氮在15mg/L以下、氨氮在10mg/L以下、pH处于6～9之间。
本实施例电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置的使用方法如下：将电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置按照启动方法进行启动，启动完成后，进入正常运行阶段，将待处理苯胺废水从进水箱4通过进水泵8和进水管6进入反应器箱体1，直流电源13持续供电，搅拌桨12持续搅拌，反应器箱体按照步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为待处理苯胺废水，在藻菌共生活性污泥28和藻菌共生生物膜的共同作用下，待处理苯胺废水被降解。
其中，反应器箱体1的水力停留时间控制在9h，污泥停留时间为22d，pH控制在7～8.5之间，无泡曝气阳极9上外层的多孔αAl2O3陶瓷膜所受曝气强度为0.25mPa，藻菌共生活性污泥28的溶解氧控制为相对缺氧环境。
本实施例在运行过程中，无泡曝气阳极9与直流电源13的正极电连接，石墨烯泡沫钛阴极10与直流电源13的负极电连接从而形成电刺激；另外，使用带流量控制器系统的曝气泵14为无泡曝气阳极9供气，而游离在电极外的藻菌共生活性污泥28则处于缺氧状态下。
另外，无泡曝气阳极9表面的藻菌共生生物膜上附着有大量已驯化好的苯胺降解菌、硝化菌等功能菌群与微藻的共生生物膜，该生物膜上主要发生苯胺降解反应和硝化反应，在此期间，微藻与细菌之间互相吸收代谢产物，互利共生，减少反应器运行所需能耗。并且微藻自身还能同化氨氮、硝氮和亚硝氮等氮素物质，将氮素转化为自身的生物质成分。通电后，微生物电化学系统改变了细胞膜的渗透性及微生物生长代谢活性和微生物群落结构等特性，对以上微生物代谢过程起到促进作用。
石墨烯泡沫钛阴极10表面的藻菌共生生物膜含有大量已驯化好的反硝化功能菌群与微藻。在缺氧条件下，主要发生反硝化反应。在此期间，微藻在自然光照射下，通过光合作用吸收CO2，并释放出氧气和一些小分子物质(乙酸、丙酸等)。反硝化菌利用微藻光合作用产生的氧气和碳源进行增殖，并利用缺氧环境和硝氮底物进行反硝化反应，生成N2。通电后，微生物电化学系统改变了细胞膜的渗透性及微生物生长代谢活性和微生物群落结构等特性，对以上微生物代谢过程起到促进作用。
而藻菌共生活性污泥28在缺氧和自然光的照射环境下，其藻类通过光合作用吸收CO2，并释放出氧气和一些小分子物质(乙酸、丙酸等)。游离在电极外的藻菌共生活性污泥28中的反硝化菌利用光合作用产生的氧气和碳源进行增殖，并利用缺氧环境和硝氮底物进行反硝化反应，生成N2。若反硝化反应所需碳源不足，则在反应器箱体1中适量投入葡萄糖或乙酸钠。
总是，本装置运行时：在无泡曝气阳极9的藻菌共生生物膜上，受到电流的强化作用，苯胺被好氧的苯胺降解菌快速降解并释放出氨氮，而氨氮被阳极生物膜上的硝化菌在无泡曝气作用下氧化为亚硝氮和硝氮；通过石墨烯泡沫钛阴极10的电流强化作用，阴极生物膜上的反硝化菌将亚硝氮和硝氮还原为N2。另外，游离于电极生物膜外的藻菌共生活性污泥28中，反硝化菌的作用也强化了系统的脱氮能力。同时，反应器箱体1内含有大量微藻，体系中部分苯胺、氨氮、硝氮和亚硝氮都会被微藻所同化吸收，达到去除目的。
在另一个实施例中，电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置的启动方法，包括如下步骤：
A)阳极和阴极的挂膜准备：
在完成装置无泡曝气阳极9和石墨烯泡沫钛阴极10的反应器箱体1内，注入淘洗过的藻菌共生活性污泥28，藻菌共生活性污泥28的浓度为3g/L，溶解氧控制为相对缺氧环境，注入的藻菌共生活性污泥28的体积为反应器箱体1池容的40％，同时往池内注入人工配置苯胺废水，人工配置低浓度苯胺废水的苯胺浓度为150mg/L，其它成分为：NaH2PO4为0.26mg/L，Na2HPO4为1.01mg/L，MgSO4为0.20mg/L，KCl为0.2mg/L，Fe(NO3)3为0.01mg/L，注入的人工配置苯胺废水的体积为反应器箱体1池容的40％，并将反应器箱体1置于光源29下，启动曝气泵14向无泡曝气阳极9供气，使其曝气强度为0.05mPa，藻菌共生活性污泥28的溶解氧控制为相对缺氧环境，持续曝气；
B)藻菌共生生物膜挂膜：
设置反应器箱体1为序批式运行，每个运行周期包括：进水3min，曝气搅拌250min，静置沉淀40min，出水3min，其中进水为人工配置低浓度苯胺废水，出水为上清液，每个周期切换时的换水比为50％，无泡曝气阳极9和石墨烯泡沫钛阴极10的外表面逐渐形成藻菌共生生物膜，定期测定反应器箱体1内的氨氮、硝氮、亚硝氮、叶绿素a和苯胺的浓度，当检测到各氮素指标和苯胺被有效降解，游离电极外的藻菌共生活性污泥28和藻菌共生生物膜中的叶绿素a含量为2000～5000μg/L左右，并且看到藻菌共生生物膜在无泡曝气阳极9和石墨烯泡沫钛阴极10上附着均匀时，对藻菌共生生物膜进行取样镜检，当发现小球藻、轮虫、钟虫出现在样品中，表明藻菌共生生物膜挂膜成功；
C)驯化生物膜和活性污泥使其降解高浓度苯胺并脱氮：
在进水箱3内通入人工配置中浓度苯胺废水，人工配置中浓度苯胺废水的苯胺浓度为350mg/L，其余成分与人工配置低浓度苯胺废水相同，使反应器箱体1按照步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为人工配置中浓度苯胺废水，当反应器箱体1内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定时，在进水箱4内继续通入人工配置高浓度苯胺废水，人工配置高浓度苯胺废水的苯胺浓度为550mg/L，其余成分与人工配置低浓度苯胺废水相同，继续使反应器箱体1按照步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为人工配置高浓度苯胺废水，至反应器箱体1内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定；
D)反应器箱体电刺激启动：
使反应器箱体1持续运行，并使直流电源13的阳极和阴极通电，设定初始电压为0.5V，反应器箱体1按照步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为人工配置高浓度苯胺废水，定期进行反应器箱体1内的水质检查，当反应器箱体1内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定时，将电压提升0.1V，继续循环以上过程，直到定期水质检测时发现，在一个运行电压下的运行周期内出水水质能稳定达到预设要求，说明反应器箱体1在该电压条件下达到带电运行的标准，本实施例中，该运行电压为1.3V，水质的预设要求为水质能稳定达到《纺织染整工业水污染物排放标准》GB 4287-2012，即COD在80mg/L以下、BOD5在20mg/L以下、SS在50mg/L以下、总氮在15mg/L以下、氨氮在10mg/L以下、pH处于6～9之间。
本实施例电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置的使用方法如下：将电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置按照启动方法进行启动，启动完成后，进入正常运行阶段，将待处理苯胺废水从进水箱4通过进水泵8和进水管6进入反应器箱体1，直流电源13持续供电，搅拌桨12持续搅拌，反应器箱体按照步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为待处理苯胺废水，在藻菌共生活性污泥28和藻菌共生生物膜的共同作用下，待处理苯胺废水被降解。
其中，反应器箱体1的水力停留时间控制在7h，污泥停留时间为20d，pH控制在7～8.5之间，无泡曝气阳极9上外层的多孔αAl2O3陶瓷膜所受曝气强度为00.05mPa，藻菌共生活性污泥28的溶解氧控制为相对缺氧环境。
本发明中，主要依靠单室反应器箱体1内阳极和阴极上的藻菌共生生物膜，以及游离在电极外的藻菌共生活性污泥28复合系统发挥苯胺降解和脱氮的功能。阳极和阴极分别与直流电源13的正负极电相连形成电刺激；另外，阳极还具备无泡曝气功能，苯胺废水进入反应器箱体1后，受电刺激作用，在阳极，苯胺被苯胺降解菌降解并释放氨氮，氨氮被硝化菌氧化为硝氮或亚硝氮；在阴极，反硝化菌将硝氮还原为N2；同时，微藻自身也能同化一部分氮素物质。
本发明用藻菌共生系统处理苯胺废水，利用藻菌相结合为共生体的特点，藻的光合作用为菌提供氧气，能有效减少苯胺废水降解过程中系统的曝气能耗；而菌在苯胺代谢过程中又可以为藻的光合作用贡献二氧化碳，藻对氮素较强的同化作用又进一步强化了系统的脱氮能力。在藻菌共生系统上使用电刺激的生物强化技术处理苯胺废水，能克服传统生物法的短板，藻为菌供氧，菌为藻供CO2，从而实现以较低能耗达到苯胺降解和氮素脱除；而在电刺激生物强化技术上使用无泡曝气法，可以在一个反应室内耦合缺氧和好氧环境，使得苯胺降解、硝化反应、反硝化反应能够在一个反应室内同时进行，达到节省反应器建设和管理运营成本的目的。

Claims (10)

1.一种电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置，包括反应器箱体(1)，其特征在于：设在所述反应器箱体(1)底部的进水口(2)通过进水管(3)连有进水箱(4)，设在所述反应器箱体(1)中部的出水口(5)通过出水管(6)连有出水箱(7)，所述进水管(3)上设有进水泵(8)，所述反应器箱体(1)内设置有无泡曝气阳极(9)、石墨烯泡沫钛阴极(10)及通过驱动电机(11)驱动的搅拌桨(12)，所述无泡曝气阳极(9)与直流电源(13)的正极电连，所述石墨烯泡沫钛阴极(10)与所述直流电源(13)的负极电连，所述无泡曝气阳极(9)还连有为其供气的曝气泵(14)，所述曝气泵(14)设有流量控制器系统。
2.如权利要求1所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置，其特征在于：所述无泡曝气阳极(9)包括由金属镍制成的泡沫金属曝气头(15)，所述泡沫金属曝气头(15)内部设有空腔(16)，所述泡沫金属曝气头(15)的外面包裹有无泡曝气膜束(17)，所述泡沫金属曝气头(15)的顶部焊接有金属铜导电通气接头(18)，所述金属铜导电通气接头(18)通过导电线(19)与所述直流电源(13)的正极电连，所述金属铜导电通气接头(18)内部设有与所述空腔(16)连通的通气腔道(20)，所述通气腔道(20)通过曝气导管(21)与所述曝气泵(14)连通，所述空腔(16)与所述通气腔道(20)通过第一焊接点(22)位焊接在一起，所述第一焊接点位(22)和所述金属铜导电通气接头(18)的外露部分均涂覆有环氧树脂。
3.如权利要求2所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置，其特征在于：所述无泡曝气膜束(17)为多孔αAl2O3陶瓷膜，所述多孔αAl2O3陶瓷膜的孔径为0.1～0.2μm，所述泡沫金属曝气头(15)的通孔率为95～99％，其孔隙率为55～96％。
4.如权利要求1所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置，其特征在于：所述石墨烯泡沫钛阴极(10)包括微米级的实心泡沫钛(23)，所述实心泡沫钛(23)顶部通过第二焊接点位(24)焊接有铜导电接头(25)，所述铜导电接头(25)通过导电线(19)与所述直流电源(13)的负极电连，所述第二焊接点位(24)和所述铜导电接头(25)上均涂覆有环氧树脂，所述实心泡沫钛(23)的外表面涂覆有氧化石墨烯(26)。
5.如权利要求3所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置，其特征在于：所述氧化石墨烯(26)通过改良hammers法制备，所述氧化石墨烯(26)涂覆完成后，将涂覆完成的所述石墨烯泡沫钛阴极(10)置入0.7～1g/L的苯酚溶液中还原1.5～3h，然后使用蒸馏水冲洗10～20min后，置于阴凉干燥处风干即可使用。
6.如权利要求1所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置，其特征在于：所述反应器箱体(1)的底部设有排泥口(27)，所述反应器箱体(1)底部有0.002～0.004的坡度。
7.如权利要求1所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置，其特征在于：所述反应器箱体(1)的顶部设有取样和检查口(30)。
8.一种如权利要求1所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置的启动方法，其特征在于：包括如下步骤：
A)阳极和阴极的挂膜准备：
在完成装置无泡曝气阳极(9)和石墨烯泡沫钛阴极(10)的反应器箱体(1)内，注入淘洗过的藻菌共生活性污泥(28)，所述藻菌共生活性污泥(28)的浓度为3～4g/L，溶解氧控制为相对缺氧环境，注入的所述藻菌共生活性污泥(28)的体积为所述反应器箱体(1)池容的40～50％，同时往池内注入人工配置苯胺废水，所述人工配置低浓度苯胺废水的苯胺浓度为150～200mg/L，注入的所述人工配置苯胺废水的体积为所述反应器箱体(1)池容的40～50％，并将所述反应器箱体(1)置于光源(29)下，启动所述曝气泵(14)向所述无泡曝气阳极(9)供气，使其曝气强度为0.05～0.25mPa，所述藻菌共生活性污泥(28)的溶解氧控制为相对缺氧环境，持续曝气；
B)藻菌共生生物膜挂膜：
设置所述反应器箱体(1)为序批式运行，每个运行周期包括：进水3～5min，曝气搅拌250～350min，静置沉淀40～60min，出水3～5min，其中进水为所述人工配置低浓度苯胺废水，出水为上清液，每个周期切换时的换水比为50％，所述无泡曝气阳极(9)和石墨烯泡沫钛阴极(10)的外表面逐渐形成藻菌共生生物膜，定期测定所述反应器箱体(1)内的氨氮、硝氮、亚硝氮、叶绿素a和苯胺的浓度，当检测到各氮素指标和苯胺被有效降解，游离电极外的所述藻菌共生活性污泥(28)和藻菌共生生物膜中的叶绿素a含量为2000～5000μg/L左右，并且看到藻菌共生生物膜在所述无泡曝气阳极(9)和石墨烯泡沫钛阴极(10)上附着均匀时，对藻菌共生生物膜进行取样镜检，当发现小球藻、轮虫、钟虫出现在样品中，表明藻菌共生生物膜挂膜成功；
C)驯化生物膜和活性污泥使其降解高浓度苯胺并脱氮：
在所述进水箱(3)内通入人工配置中浓度苯胺废水，所述人工配置中浓度苯胺废水的苯胺浓度为350～400mg/L，其余成分与所述人工配置低浓度苯胺废水相同，使所述反应器箱体(1)按照所述步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为所述人工配置中浓度苯胺废水，当所述反应器箱体(1)内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定时，在所述进水箱(4)内继续通入人工配置高浓度苯胺废水，所述人工配置高浓度苯胺废水的苯胺浓度为550～600mg/L，其余成分与所述人工配置低浓度苯胺废水相同，继续使所述反应器箱体(1)按照所述步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为所述人工配置高浓度苯胺废水，至所述反应器箱体(1)内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定；
D)反应器箱体电刺激启动：
使所述反应器箱体(1)持续运行，并使所述直流电源(13)的阳极和阴极通电，设定初始电压不大于0.5V，所述反应器箱体(1)按照所述步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为所述人工配置高浓度苯胺废水，定期进行所述反应器箱体(1)内的水质检查，当所述反应器箱体(1)内的氨氮、硝氮、亚硝氮和苯胺的浓度能在6～8天内保持稳定时，将电压提升0.1V，继续循环以上过程，直到定期水质检测时发现，在一个运行电压下的运行周期内出水水质能稳定达到预设要求，说明所述反应器箱体(1)在该电压条件下达到带电运行的标准。
9.一种如权利要求1所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置的使用方法，其特征在于：将所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置按照所述权利要求8的启动方法进行启动，启动完成后，进入正常运行阶段，将待处理苯胺废水从所述进水箱(4)通过所述进水泵(8)和进水管(6)进入所述反应器箱体(1)，所述直流电源(13)持续供电，所述搅拌桨(12)持续搅拌，所述反应器箱体按照所述步骤B)中的序批式运行方式运行，其中进水为所述待处理苯胺废水，在所述藻菌共生活性污泥(28)和藻菌共生生物膜的共同作用下，所述待处理苯胺废水被降解。
10.如权利要求9所述电刺激藻菌共生降解苯胺并脱氮装置的使用方法，其特征在于：所述反应器箱体(1)的水力停留时间控制在7～9h，污泥停留时间为20～22d，pH控制在7～8.5之间，所述无泡曝气阳极(9)上外层的多孔αAl2O3陶瓷膜所受曝气强度为00.05～0.25mPa，藻菌共生活性污泥(28)的溶解氧控制为相对缺氧环境。
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