CN114195266A - 一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统及其运行方法 - Google Patents
一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统及其运行方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114195266A CN114195266A CN202111515990.9A CN202111515990A CN114195266A CN 114195266 A CN114195266 A CN 114195266A CN 202111515990 A CN202111515990 A CN 202111515990A CN 114195266 A CN114195266 A CN 114195266A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bioelectrode
- low
- electrode
- denitrification
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims abstract description 25
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 50
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 43
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 30
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 28
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 24
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 239000010865 sewage Substances 0.000 claims description 24
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 22
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 claims description 21
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 15
- MMDJDBSEMBIJBB-UHFFFAOYSA-N [O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[NH6+3] Chemical compound [O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[NH6+3] MMDJDBSEMBIJBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 10
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 10
- 230000001651 autotrophic effect Effects 0.000 claims description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N ammonia nh3 Chemical compound N.N XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 8
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims description 6
- 241001249784 Thermomonas Species 0.000 claims description 6
- 239000008239 natural water Substances 0.000 claims description 6
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 claims description 5
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 claims description 4
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 claims description 4
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims description 4
- 239000008107 starch Substances 0.000 claims description 4
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 claims description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 4
- 235000014676 Phragmites communis Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 claims description 3
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims description 3
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 claims description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 3
- 239000010802 sludge Substances 0.000 claims description 3
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 3
- 244000205574 Acorus calamus Species 0.000 claims description 2
- 235000011996 Calamus deerratus Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000005273 Canna coccinea Nutrition 0.000 claims description 2
- 240000008555 Canna flaccida Species 0.000 claims description 2
- 244000211187 Lepidium sativum Species 0.000 claims description 2
- 235000007849 Lepidium sativum Nutrition 0.000 claims description 2
- 240000001398 Typha domingensis Species 0.000 claims description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 2
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 claims description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 18
- GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N Nitrous Oxide Chemical compound [O-][N+]#N GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000001272 nitrous oxide Substances 0.000 description 6
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000605118 Thiobacillus Species 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 2
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 2
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 description 1
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 description 1
- CKUAXEQHGKSLHN-UHFFFAOYSA-N [C].[N] Chemical compound [C].[N] CKUAXEQHGKSLHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012824 chemical production Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000010793 electronic waste Substances 0.000 description 1
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/32—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the animals or plants used, e.g. algae
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/005—Combined electrochemical biological processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/28—Anaerobic digestion processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/28—Anaerobic digestion processes
- C02F3/2806—Anaerobic processes using solid supports for microorganisms
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/10—Inorganic compounds
- C02F2101/16—Nitrogen compounds, e.g. ammonia
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/10—Inorganic compounds
- C02F2101/16—Nitrogen compounds, e.g. ammonia
- C02F2101/163—Nitrates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2203/00—Apparatus and plants for the biological treatment of water, waste water or sewage
- C02F2203/006—Apparatus and plants for the biological treatment of water, waste water or sewage details of construction, e.g. specially adapted seals, modules, connections
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Botany (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
本发明提供了一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，包括人工湿地、生物电极、电控系统和监控系统，所述监控系统与所述电控系统连接，所述电控系统与所述生物电极连接。本发明还提供了一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的运行方法。本发明的有益效果是：所述生物电极植入所述人工湿地中，并在所述人工湿地中形成弱电场，充分利用所述生物电极快速的电子转移及电选择快速富集微生物的特性，达到提高人工湿地脱氮速率、保证低温条件下人工湿地脱氮性能的效果。
Description
技术领域
本发明涉及人工湿地系统，尤其涉及一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统及其运行方法。
背景技术
人工湿地是根据植物、基质和微生物组合所涉及的各种自然过程而设计、建造，用于污水的深度处理。长期以来，它都被认为是一种很有发展前景的生态技术，并且，由于其低成本和易维护的优点，被认为是城市或生活污水处理的首选技术。
然而，人工湿地对污染物（如氮、磷）的去除效率普遍受到湿地类型、pH、溶解氧和温度等诸多因素的限制，其中，低温被认为是影响人工湿地稳定运行的最大限制因素。在低温条件下，由于植物和微生物活性较低，人工湿地性能急剧下降，出水水质恶化，养分去除效率降低，植物枯萎等。特别地，人工湿地中参与氮转化的生物硝化和反硝化作用明显受到温度降低的限制。因此，有必要对人工湿地进行改进，使其更加高效、且耐受低温的不利影响。
由于生物电化学系统在能源和化学生产方面的可持续性以及在水处理方面的高效率而受到广泛关注。因此，近年来，生物电化学系统与人工湿地耦合形成弱电介入人工湿地被认为是一种极有前景的可持续生态技术。该集成系统的高去除效率表明，将弱电介入人工湿地中具有解决上述问题的潜力。其结合的可行性是基于人工湿地（特别是潜流类型）垂直方向的氧化还原电位梯度。 由于人工湿地中氧化或还原污染物的过程通常依赖于在基质填料或污水中可用的电子受体或供体的多寡，而即使在C/N比较低的污水处理过程中，弱电介入人工湿地可以通过安装电极为该过程提供足够的电子受体/供体，从而获得较高的污染物去除效率。与此同时，可以减少温室气体(N2O和CH4)的排放。
但是，如何解决传统湿地低温条件下脱氮效率低下，仍然是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统及其运行方法。
本发明提供了一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，用于处理污水及受污染水体中的氮元素，包括人工湿地、生物电极、电控系统和监控系统；
所述监控系统与所述电控系统连接，所述电控系统与所述生物电极连接；
所述生物电极至少有两片，分别作为生物电极阳极和生物电极阴极；
保持所述生物电极一直处于水淹没状态；
所述生物电极植入所述人工湿地的基质填料中，并在所述人工湿地中形成弱电场，充分利用所述生物电极快速的电子转移及电选择快速富集微生物的特性，达到提高人工湿地脱氮速率、保证低温条件下人工湿地脱氮性能的效果。
作为本发明的进一步改进，所述生物电极包括不锈钢网和石墨碳毡，其中，不锈钢网起到骨架定型及电子收集的作用，石墨碳毡为主要的反应热区，起富集微生物、脱氮、减碳的作用；将一片石墨碳毡作为夹层固定于两片相同形状的不锈钢网中，石墨碳毡为电极主体，两块相同形状的生物电极分别作为生物电极阳极和生物电极阴极，并平行安置于人工湿地的主反应层的基质填料中。
作为本发明的进一步改进，不锈钢网采用冲孔网以避免编织网中点接触造成的内阻增大问题，孔径为0.3 cm，孔间距为0.1 cm。
作为本发明的进一步改进，生物电极阳极和生物电极阴极的间距为10 cm，以减小系统内阻。
作为本发明的进一步改进，所述监控系统包括参比电极、多通道数据采集器和计算机，所述计算机与所述多通道数据采集器连接，所述多通道数据采集器分别与所述参比电极、电控系统连接，用于实时监控生物阴、阳两极电势及系统电流。
作为本发明的进一步改进，所述参比电极植入所述人工湿地中，并且，置于所述生物电极所在的基质填料中，所述参比电极平行于所述生物电极，并通过导线连接至所述多通道数据采集器的负极通道，多通道数据采集器的两个正极通道分别连接生物电极阳极与生物电极阴极，以记录生物电极的电势。
作为本发明的进一步改进，所述电控系统包括外电路导线、直流电源和电阻，由外电路导线将电阻、直流电源及生物电极连接，所述直流电源的正极与生物电极阳极连接，所述直流电源的负极与生物电极阴极连接，为生物电极阳极与生物电极阴极提供电势差，加速生物电极上的电子转移，所述多通道数据采集器中的一对正负极通道连接所述电阻的两端，监测电阻上的实时电压，并换算为电流数据，将多通道数据采集器的数据输出端口连接至计算机，进行可视化呈现实时监控数据。
作为本发明的进一步改进，所述外电路导线连接生物电极、电阻与直流电源，优选的，材料为直径1 mm的高纯钛丝。
作为本发明的进一步改进，所述电阻选用稳定性好、耐湿、耐热的水泥电阻，最优的，电阻为10～20 Ω，以减少电流测定误差。
作为本发明的进一步改进，所述直流电源选用输出电压精密度为0.01 V的直流稳压电源，为微生物电化学系统阴、阳两极提供电势差，驱动电子在外电路的流动，加速生物电极上的电子转移。
作为本发明的进一步改进，所述参比电极采用Ag / AgCl2 参比电极（+197 mV vs标准氢电极）。
作为本发明的进一步改进，所述人工湿地采用表面流人工湿地或水平潜流人工湿地或垂直潜流人工湿地。
作为本发明的进一步改进，所述垂直潜流人工湿地由土地挖掘而成，铺高密度聚乙烯做防渗透处理，其主体由基质填料，植物，布水管道、排水管道组成。
作为本发明的进一步改进，所述垂直潜流人工湿地内铺设有基质填料，所述垂直潜流人工湿地的顶部种植有植物并且铺设有布水管道，所述布水管道用以均匀地给人工湿地注入污水，所述垂直潜流人工湿地的底部铺设有排水管道，排水管道用以收集人工湿地出水，为保证生物电极长期处于浸泡状态，所述排水管道的出水端连接有U型出水管，所述U型出水管的最高点高于所述生物电极所在层的高度，人工湿地出水通过U型出水管后，集中排放于下一个工段或排入自然水体中。
作为本发明的进一步改进，所述基质填料包括自下而上铺设的粗砾石层、细砾石层及沙土层，所述粗砾石层作为承托层，所述细砾石层作为主反应层，所述沙土层作为植物固定层，所述植物采用采用根系发达、耐受性强的水生植物，包括美人蕉、菖蒲、香蒲、鸢尾、芦苇、水芹菜中的一种或多种配搭种植。
作为本发明的进一步改进，粗砾石直径为1.5～2 cm，细砾石直径为0.3～0.8 cm，但基质填料不局限于砾石、石灰石、石英砂、沸石、卵石、陶粒中的一种或几种的组合。
作为本发明的进一步改进，采用具备一定抗寒性能的黄花鸢尾或芦苇作为湿地植物，种植密度为100～00 株/m2。
作为本发明的进一步改进，排水管道上均匀分布有布水孔，用以均匀地给人工湿地注入污水。
本发明还提供了一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的运行方法，基于上述中任一项所述的低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，进行以下运行过程：
（1）系统启动期；
（2）所述低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的水力停留时间为2～3天，最优的， 水力停留时间为3天以保证处理充分；
（3）所述低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的外加电压为0.1～0.5 V，最优的，电压为0.1 V以减少耗电成本及避免产氢带来的电子浪费，维持稳定期阴、阳极电势为0.5～0.6 V （相对于参比电极）。可持续加电，也可间歇加电，采用1天断电、2天加电的加电策略可节省耗电成本，且可以避免生物电化学系统快速耗氧对氨氮氧化的影响；
（4）采用淀粉作为唯一进水有机物以及氨氮、硝酸盐氮模拟污水，结合微生物电化学的电选择作用，定向富集可执行电极驱动的自养脱氮过程的电活性菌属，如Thiobacillus，和能够在低温条件下产生大量耐冷胞外聚合物且可执行脱氮功能的Thermomonas菌属，在低温（10 ℃）下运行，可大大增强所述弱电介入人工湿地系统的低温脱氮性能；
（5）污水通过布水管进入所述低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统中，污水的氮素或被植物根系吸收成为养分，或被基质填料截留利用，或参与微生物的生物脱氮过程与生物电化学脱氮过程；
具体的，氨氮经过基质上层好氧区，其中的氨氮通过硝化作用转化为硝态氮，在基质中下层与电极中的缺、厌氧微区，异养微生物通过直接利用有机物作为电子供体进行异养反硝化作用，或生物电极上大量富集的自养脱氮微生物直接以电极为电子供体进行自养反硝化过程，将硝态氮转化为气态氮，如氮气、氧化亚氮，溢出系统外；
生物电极阳极上的电活性微生物可利用有机物作为电子供体，将电子通过外电路传递至生物电极阴极，生物电极阴极上的电活性微生物获取电子，用以将硝态氮还原为氮气，该过程同时加速了有机物与硝态氮的去除；
在低温条件下，生物电极上被大量富集的 Thermomonas菌属可分泌大量耐冷的胞外聚合物，将微生物包裹，保证系统中的脱氮功能菌属在低温条件下的脱氮性能；
（6）保持生物电极一直处于水淹没状态，出水通过排水管道收集后，通过U型出水管后，进入下一工段或排入自然水体。
作为本发明的进一步改进，在步骤（1）中，接种污水处理厂厌氧处理工段活性污泥于人工湿地的基质填料与生物电极中，以加快系统启动。
本发明的有益效果是：
（1）本发明将生物电化学系统与人工湿地系统耦联，形成低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，充分利用生物电化学系统快速的电子转移特性，达到提高人工湿地脱氮速率，相同脱氮需求下，可大大减少土地利用。
（2）本发明涉及的一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，充分利用生物电化学系统快速定向富集自养脱氮微生物，可维持人工湿地低碳氮比进水下的脱氮功能。
（3）本发明涉及的一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，充分利用生物电化学系统快速定向富集能够在低温条件下产生大量耐冷胞外聚合物且可执行脱氮功能的菌属，可强化人工湿地低温条件下的脱氮功能。
（4）本发明涉及的一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统可通过加速脱氮过程，减少由于不完全硝化或反硝化造成的温室气体氧化亚氮的产生，是较为理想的温室气体减排替代技术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的方案。
图1为垂直潜流低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的结构示意图。
图2为表面流低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的结构示意图。
图3为生物电极结构示意图。
图4为总氮去除负荷的比较图。
图5为氧化亚氮产生速率的比较图。
其中，1为植物，2为布水管道，3为基质填料，4为生物电极，5为U型出水管，6为排水管道，7为参比电极，8为计算机，9为数据采集器，10为外电路导线，11为直流电源，12为电阻。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
结合图1进一步说明本发明的技术方案，如下：
本发明的目的是通过弱电介入，强化人工湿地在低温下的脱氮性能，为了实现这一目的，本发明提供了一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，用于处理对象为污水中的氮元素，主要由垂直潜流人工湿地（植物1、布水管道2、基质填料3、U型出水管5、排水管道6）、生物电极4、电控系统（外电路导线10，直流电源11，电阻12）、监控系统（参比电极7，计算机8，数据采集器9）组成。
图1中，垂直潜流人工湿地自下而上铺设粗砾石层、细砾石层及沙土层作为基质填料3，粗砾石直径为1.5～2 cm, 细砾石直径为0.3～0.8 cm，采用具备一定抗寒性能的黄花鸢尾作为湿地植物1，种植密度为100株/m2。布水管道2设置于人工湿地顶部，布水孔均匀分布，用以均匀地给人工湿地注入污水。排水管道6铺设于人工湿地底部，用以收集人工湿地出水，为保证生物电极长期处于浸泡状态，排水管道6后接U型出水管5，最高点高于生物电极4所在层高度，通过U型出水管5后，出水集中排放于排入自然水体中。
生物电极4为不锈钢网401与石墨碳毡402组合电极模块，具体地，将一片石墨碳毡402作为夹层固定于两片相同形状的不锈钢网401中作为电极主体，不锈钢网401采用冲孔网，孔径为0.3 cm，孔间距为0.1 cm。两块相同形状的组合电极分别作为阳极和阴极，并水平平行安置于垂直潜流人工湿地主反应层中，电极间距为10 cm。
电控系统中外电路导线10用以连接生物电极4、电阻12与直流电源11，形成半闭合电路，采用直径为1 mm的高纯钛丝作为外电路导线10材料。电阻12选用稳定性好、耐湿、耐热的水泥电阻，电阻为10～20 Ω。直流电源11选用输出电压精密度为0.01 V的直流稳压电源，为微生物电化学系统阴、阳两极提供电势差。
监控系统中参比电极7采用Ag / AgCl2 参比电极（+197 mV vs 标准氢电极），置于电极之间的基质填料3中，并通过外电路导线10连接至数据采集器9负极通道，数据采集器9的两个正极通道分别连接生物阳极与生物阴极，以记录生物电极4的电势。数据采集器9中的一对正负极通道连接电阻12的两端，监测电阻12上的实时电压，并换算为电流数据。将数据采集器9的数据输出端口连接至计算机8，进行可视化呈现实时监控数据。
数据采集器9优选为多通道数据采集器。
本系统运行方式为：
（1）系统启动期，接种污水处理厂厌氧处理工段活性污泥5g于湿地基质填料3与生物电极4中以加快该系统启动；
（2）水力停留时间为3天；
（3）由直流电源11外加电压为0.1 V，持续加电，维持稳定期阴、阳极电势为0.5～0.6 V （相对于参比电极），由数据采集器9收集电阻12和生物电极4上的电压，由计算机8实时监控采集的数据。
（4）采用淀粉作为唯一进水有机物以及氨氮、硝酸盐氮模拟污水，结合微生物电化学的电选择作用，定向富集可执行电极驱动的自养脱氮过程的电活性菌属，如Thiobacillus，和能够在低温条件下产生大量耐冷胞外聚合物且可执行脱氮功能的Thermomonas菌属，在低温（10 ℃）下运行。
（5）污水通过布水管道2进入所述低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统中，污水的氮素或被植物根系吸收成为养分，或被基质填料3截留利用，或参与微生物的生物脱氮过程与生物电化学脱氮过程。具体的，氨氮经过基质上层好氧区，其中的氨氮通过硝化作用转化为硝态氮，在基质中下层与电极中的缺、厌氧微区，异养微生物通过直接利用有机物作为电子供体进行异养反硝化作用，或生物电极上大量富集的自养脱氮微生物直接以电极为电子供体进行自养反硝化过程，将硝态氮转化为气态氮，如氮气、氧化亚氮，溢出系统外。生物阳极4上的电活性微生物可利用有机物作为电子供体，将电子通过外电路导线10传递至阴极，生物阴极上的电活性微生物获取电子，用以将硝态氮还原为氮气，该过程同时加速了有机物与硝态氮的去除。在低温条件下，生物电极上被大量富集的 Thermomonas菌属可分泌大量耐冷的胞外聚合物，将微生物包裹，保证系统中的脱氮功能菌属在低温条件下的脱氮性能。
（6）为了满足电极一直处于水淹没状态，出水通过排水管道6收集后，通过U型出水管5后，进入下一工段或排入自然水体。
在启动阶段，以淀粉为唯一碳源，和氨氮、硝氮等为氮源，低电压0.1V下驯化，定向富集可执行电极驱动的自养脱氮过程的电活性菌属，如Thiobacillus，和能够在低温条件下产生大量耐冷胞外聚合物且可执行脱氮功能的Thermomonas菌属，该系统可应对自然条件下的温度降低情况，可在10℃下稳定保持较高脱氮效率。
结果显示，采用该低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统及运行方法，低温脱氮强化型弱电介入人工湿地在低温条件下的平均总氮去除负荷（1.38 g N/m3·d）比单纯的传统人工湿地（0.64 g N/m3·d）提高了1.1倍以上（图4）。同时大大降低了温室气体氧化亚氮的产生 （图5）。
实施例2
结合图2进一步说明本发明的技术方案，如下：
本发明主要由表面流人工湿地（植物1、布水管道2、基质填料3、U型出水管5、排水管道6）、生物电极4、电控系统（外电路导线10，直流电源11，电阻12）、监控系统（参比电极7，计算机8，数据采集器9）组成。
图2中，基质填料3较实施例1少，布水管道2与排水管道6分别竖直布置于系统左右两侧的基质填料中，生物电极4的阴、阳两极竖直平行放置，一部分裸露于水体中，一部分埋入基质填料3中，被基质填料3所固定。其余同实施例1。
本发明运行方法基本同实施例1，不同之处在于污水由左侧进入表面流低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，水位达到U型出水管最高高度后由排水管道、U型出水管排出。
实施例2可达到实施例1中所述的低温脱氮强化功能，为弱电介入人工湿地提供在不同场景下的应用形式。
本发明提供的一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统及其运行方法，将生物电化学系统与人工湿地系统相结合，生物电化学系统快速的电子转移及大量的富集微生物，使废水中氮元素快速去除；电极快速富集能够在低温条件下产生大量耐冷胞外聚合物且可执行脱氮功能的Thermomonas菌属，强化人工湿地系统在冬季低温条件下脱氮功能的稳定性。另外，弱电介入人工湿地的使用，能够大幅降低人工湿地中温室气体氧化亚氮的排放，具有较高的应用前景。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，其特征在于：用于处理污水及受污染水体中的氮元素，包括人工湿地、生物电极、电控系统和监控系统；
所述监控系统与所述电控系统连接，所述电控系统与所述生物电极连接；
所述生物电极至少有两片，分别作为生物电极阳极和生物电极阴极；
保持所述生物电极一直处于水淹没状态；
所述生物电极植入所述人工湿地的基质填料中，并在所述人工湿地中形成弱电场，充分利用所述生物电极快速的电子转移及电选择快速富集微生物的特性，达到提高人工湿地脱氮速率、保证低温条件下人工湿地脱氮性能的效果。
2.根据权利要求1所述的低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，其特征在于：所述生物电极包括不锈钢网和石墨碳毡，其中，不锈钢网起到骨架定型及电子收集的作用，石墨碳毡为主要的反应热区，起富集微生物、脱氮、减碳的作用；将一片石墨碳毡作为夹层固定于两片相同形状的不锈钢网中，石墨碳毡为电极主体，两块相同形状的生物电极分别作为生物电极阳极和生物电极阴极，并平行安置于人工湿地的主反应层的基质填料中。
3.根据权利要求1所述的低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，其特征在于：所述监控系统包括参比电极、多通道数据采集器和计算机，所述计算机与所述多通道数据采集器连接，所述多通道数据采集器分别与所述参比电极、电控系统连接。
4.根据权利要求3所述的低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，其特征在于：所述参比电极植入所述人工湿地中，并且，置于所述生物电极所在的基质填料中，所述参比电极平行于所述生物电极，所述参比电极通过导线连接至所述多通道数据采集器的负极通道，所述多通道数据采集器的两个正极通道分别连接生物电极阳极与生物电极阴极，以记录生物电极的电势。
5.根据权利要求3所述的低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，其特征在于：所述电控系统包括直流电源和电阻，所述直流电源的正极与生物电极阳极连接，所述直流电源的负极与生物电极阴极连接，为生物电极阳极与生物电极阴极提供电势差，加速生物电极上的电子转移，所述多通道数据采集器中的一对正负极通道连接所述电阻的两端，监测电阻上的实时电压，并换算为电流数据，将多通道数据采集器的数据输出端口连接至计算机，进行实时监控数据与运行状态调控。
6.根据权利要求1所述的低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，其特征在于：所述人工湿地采用表面流人工湿地或水平潜流人工湿地或垂直潜流人工湿地。
7.根据权利要求6所述的低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，其特征在于：所述垂直潜流人工湿地由土地挖掘而成，铺高密度聚乙烯做防渗透处理，所述垂直潜流人工湿地内铺设有基质填料，所述垂直潜流人工湿地的顶部种植有植物并且铺设有布水管道，所述布水管道用以均匀地给人工湿地注入污水，所述垂直潜流人工湿地的底部铺设有排水管道，排水管道用以收集人工湿地出水，为保证生物电极长期处于浸泡状态，所述排水管道的出水端连接有U型出水管，所述U型出水管的最高点高于所述生物电极所在层的高度，人工湿地出水通过U型出水管后，集中排放于下一个工段或排入自然水体中；所述基质填料包括自下而上铺设的粗砾石层、细砾石层及沙土层，所述粗砾石层作为承托层，所述细砾石层作为主反应层，所述沙土层作为植物固定层，所述植物采用根系发达、耐受性强的水生植物，包括美人蕉、菖蒲、香蒲、鸢尾、芦苇、水芹菜中的一种或多种配搭种植。
8.一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的运行方法，其特征在于：基于权利要求1至7中任一项所述的低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统，进行以下运行过程：
（1）系统启动期；
（2）所述低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的水力停留时间为2天～3天；
（3）所述低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的外加电压为0.1 V～0.5 V，维持稳定期生物电极阴极、生物电极阳极电势为0.5 V～0.6 V；采用可持续加电或者间歇加电；
（4）采用淀粉作为唯一进水有机物以及氨氮、硝酸盐氮模拟污水，结合微生物电化学的电选择作用，定向富集可执行电极驱动的自养脱氮过程的电活性菌属，和能够在低温条件下产生大量耐冷胞外聚合物且可执行脱氮功能的Thermomonas菌属，在低温下运行，大大增强所述低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的低温脱氮性能；
（5）污水通过布水管道进入所述低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统中，污水的氮素或被植物根系吸收成为养分，或被基质填料截留利用，或参与微生物的生物脱氮过程与生物电化学脱氮过程；生物电极阳极上的电活性微生物利用有机物作为电子供体，将电子传递至生物电极阴极，生物电极阴极上的电活性微生物获取电子，用以将硝态氮还原为氮气，该过程同时加速了有机物与硝态氮的去除，在低温条件下，生物电极上被大量富集的Thermomonas菌属可分泌大量耐冷的胞外聚合物，将微生物包裹，保证系统中的脱氮功能菌属在低温条件下的脱氮性能；
（6）保持生物电极一直处于水淹没状态，出水通过排水管道收集后，通过U型出水管后，进入下一工段或排入自然水体。
9.根据权利要求8所述的低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统的运行方法，其特征在于：在步骤（1）中，接种污水处理厂厌氧处理工段活性污泥于人工湿地的基质填料与生物电极中，以加快系统启动。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111515990.9A CN114195266A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统及其运行方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111515990.9A CN114195266A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统及其运行方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114195266A true CN114195266A (zh) | 2022-03-18 |
Family
ID=80652826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111515990.9A Pending CN114195266A (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种低温脱氮强化型弱电介入人工湿地系统及其运行方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114195266A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105236584A (zh) * | 2015-11-04 | 2016-01-13 | 中国科学院水生生物研究所 | 一种上行垂直流人工湿地耦合微生物电解池强化脱氮的方法及装置 |
| CN108383232A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-08-10 | 中国科学院水生生物研究所 | 一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的方法及装置 |
| CN108483619A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-09-04 | 中国科学院水生生物研究所 | 一种原位利用污水产电强化下行垂直流人工湿地脱氮效能的方法及装置 |
| WO2019165373A1 (en) * | 2018-02-23 | 2019-08-29 | University Of Southern California | Plant-sediment microbial fuel cell system for wastewater treatment with self-contained power sustainability |
-
2021
- 2021-12-03 CN CN202111515990.9A patent/CN114195266A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105236584A (zh) * | 2015-11-04 | 2016-01-13 | 中国科学院水生生物研究所 | 一种上行垂直流人工湿地耦合微生物电解池强化脱氮的方法及装置 |
| WO2019165373A1 (en) * | 2018-02-23 | 2019-08-29 | University Of Southern California | Plant-sediment microbial fuel cell system for wastewater treatment with self-contained power sustainability |
| CN108383232A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-08-10 | 中国科学院水生生物研究所 | 一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的方法及装置 |
| CN108483619A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-09-04 | 中国科学院水生生物研究所 | 一种原位利用污水产电强化下行垂直流人工湿地脱氮效能的方法及装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 韩颖等: "反应器结构对生物电化学脱氮系统性能的影响" * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Oon et al. | Role of macrophyte and effect of supplementary aeration in up-flow constructed wetland-microbial fuel cell for simultaneous wastewater treatment and energy recovery | |
| Ren et al. | Two-stage hybrid constructed wetland-microbial fuel cells for swine wastewater treatment and bioenergy generation | |
| CN102276064B (zh) | 厌氧-好氧一体的微生物燃料电池废水处理系统 | |
| CN103979688B (zh) | 一种微生物燃料电池耦合电极生物膜除磷脱氮系统及应用 | |
| CN105152351A (zh) | 一种光电人工湿地及其应用 | |
| CN105236576A (zh) | 一种浮床植物耦合沉积物微生物燃料电池的水质净化方法 | |
| CN108483619B (zh) | 一种原位利用污水产电强化下行垂直流人工湿地脱氮效能的方法及装置 | |
| CN103086508B (zh) | 一种提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统 | |
| CN105565497A (zh) | 生物炭基质阳极的空气阴极微生物燃料电池人工湿地装置 | |
| CN106430605A (zh) | 针对污水处理厂尾水深度脱氮的人工湿地装置及应用 | |
| CN108264148B (zh) | 一种原位利用污水产电强化上行垂直流人工湿地脱氮效能的方法及装置 | |
| CN108706720A (zh) | 一种利用微生物燃料电池-水生植物原位修复黑臭水体的方法及装置 | |
| CN112939195B (zh) | 多阳极型微生物燃料电池人工湿地系统、运行方法及应用 | |
| CN105293716A (zh) | 一种微生物燃料电池及其用于处理废水的方法 | |
| CN112607864A (zh) | 电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器系统及其应用 | |
| Ling et al. | Electron transfer pathways and kinetic analysis of cathodic simultaneous nitrification and denitrification process in microbial fuel cell system | |
| CN112174293A (zh) | 一种去除低浓度抗生素的电强化生物滞留系统 | |
| Ebrahimi et al. | The effect of aeration on treatment efficiency and bioenergy generation of septic-tank effluent in constructed wetland-microbial fuel cell | |
| CN109970174A (zh) | 一种发酵罐组合人工湿地微生物燃料电池脱氮的方法 | |
| CN103723829A (zh) | 一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置及方法 | |
| CN111646635B (zh) | 一种强化人工湿地-微生物燃料电池耦合系统性能的方法 | |
| CN113149183A (zh) | 一种利用湿地型微生物燃料电池监测水质的方法 | |
| Dhara et al. | Biological approach for energy self-sufficiency of municipal wastewater treatment plants | |
| KR20110065324A (ko) | 생물전기화학적 혐기성 질소산화 및 질소제거 방법 | |
| CN114162974A (zh) | 高效降解对氯硝基苯的弱电介入人工湿地系统与运行方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220318 |