CN116177718A - 一种利用生物电化学系统对含硝酸盐废水进行处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用生物电化学系统对含硝酸盐废水进行处理的方法，涉及污水处理技术领域。本发明是通过构建多工作电极套筒双室生物电化学系统，利用恒电位驯化并在工作电极上形成稳定的电活性生物膜（生物电极）；最后利用生物电极在恒电位下对含硝酸盐的废水进行电化学电解，从而充分降解废水中的硝酸盐。本发明具有处理成本低、能耗低且降解效率高的特点。
Description
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种利用生物电化学系统对含硝酸盐废水进行处理的方法。
背景技术
城镇污水中含有大量氮、磷营养元素，排放到自然水体，会导致水体氮磷负荷急剧增加并引起水体富营养化，严重污染水质。其中，硝酸盐是活性氮中导致水体富营养化的重要形式，会导致水生植物大量发育，溶解氧下降，迫害水生生物，扰乱生态平衡。同时，水中的硝酸盐会危害人类和动物的健康，例如高铁血红蛋白症、甲状腺疾病、呼吸系统疾病、肿瘤等。因此，控制水体的硝酸盐污染，对治理水体富营养化，保障人类用水安全，实现社会可持续发展至关要。
我国城镇污水普遍存在低C/N特征，低碳源城镇污水存在污泥培养困难、污泥浓度低、脱氮效果差、运行难度大等问题，对其有效处理一直是城镇污水处理的难点。城镇污水处理厂深度处理过程中脱氮的重点和难点是硝态氮的去除。此外，传统工艺产生存在着工艺稳定性和高效性的问题，同时还存在着污泥产量大、能耗高、产生温室气体等问题。在环境污染、气候变化和能源危机日益凸显的严峻形势下，低碳、高效与可持续的城镇污水处理新技术成为当前迫切需求，也是未来水环境科学技术研究与实践的重要方向。切实提高城镇水污染控制技术水平、解决城镇污水处理工程的技术瓶颈是及时有效地遏制水环境污染和保障水生态安全的迫切需求。
发明内容
基于此，本发明提供了一种利用生物电化学系统对含硝酸盐废水进行处理的方法，该方法是通过电化学作用刺激系统中特定的微生物，使微生物代谢活性和催化活性增强，同时利用电极作为电子受体或供体，促进微生物、电极与底物之间的相互作用，从而提高污染物降解效率。
本发明是采用以下技术方案实现的：
一种利用生物电化学系统对含硝酸盐废水进行处理的方法，包括以下步骤：
（1）构建多工作电极套筒双室生物电化学系统
所述电化学系统为三电极体系，包括若干工作电极、1个对电极和1个参比电极；
所述工作电极为玻碳电极；
所述对电极为铂网电极，
所述参比电极为Ag/AgCl电极；
（2）恒电位驯化并获得电活性生物膜
将所述多工作电极套筒双室生物电化学系统的工作电位恒定在-0.2V vs. Ag/AgCl参比电极条件下，以浓度为1g/L的乙酸钠水溶液为电解液，并接种污水处理厂二沉池厌氧活性污泥，其中污水处理厂二沉池厌氧活性污泥接种体积与乙酸钠水溶液的体积比为1:1，在玻碳电极上定向驯化并形成电活性微生物膜；
（3）废水处理
将所述多工作电极套筒双室生物电化学系统中的电解液替换为含硝酸盐的废水，所述废水中碳氮比为3~10；然后将工作电极电位调整为-0.3V至-0.8V vs. Ag/AgCl之间，以降解废水中的硝酸盐。
优选的，本发明所述多工作电极套筒双室生物电化学系统，如图1所示，包括若干工作电极，其数量不低于3个，且工作电极平行设置。
优选的，所述步骤（2）所述工作电极均有周期性电流产生，并且稳定运行3个周期则表明玻碳电极上形成了稳定的电活性微生物膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种利用生物电化学系统对含硝酸盐废水进行处理的方法，该方法是通过调控电势，以使得在工作电极上富集电活性微生物，形成生物电解；然后利用生物电极并在一定的电位下对含硝酸盐的废水进行电化学降解，从而实现了废水的高效处理。本发明具有处理成本低、能耗低且降解效率高的特点。
附图说明
图1为本发明多工作电极套筒双室生物电化学系统的结构示意图；
图2为本发明工作电极施加电位示意图；
图3为本发明实施例1在恒电位下，工作电极富集电活性微生物的周期性电流变化（A）以及循环伏安曲线（B）；
图4为本发明实施例1步骤（3）在不同电位条件下，富集反硝化生物膜的工作电极的电流变化；
图5为本发明实施例1步骤（3）在不同电位条件下，工作电极表面反硝化生物膜的形态；
图6为本发明实施例1步骤（3）在不同电位条件下，废水中硝酸盐降解曲线；
图7为本发明实施例1步骤（3）在不同电位条件下，工作电解生物膜中反硝化功能微生物的丰度占比。
实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
一种利用生物电化学系统对含硝酸盐废水进行处理的方法，具体步骤如下：
（1）构建多工作电极套筒双室生物电化学系统
所述电化学系统为三电极体系，包括8个平行设置的工作电极、1个对电极和1个参比电极；
所述工作电极为玻碳电极；
所述对电极为铂网电极，
所述参比电极为Ag/AgCl电极；
（2）恒电位驯化并获得电活性生物膜
将所述多工作电极套筒双室生物电化学系统的工作电位恒定在-0.2V vs. Ag/AgCl参比电极条件下，以浓度为1g/L的乙酸钠水溶液为电解液，并接种污水处理厂二沉池厌氧活性污泥，其中污水处理厂二沉池厌氧活性污泥接种体积与乙酸钠水溶液的体积比为1:1，在玻碳电极上定向驯化并形成电活性微生物膜；如图3（A）所示，反应器稳定运行后，观察到各工作电极均有周期性电流产生，并且稳定运行3个周期，表明微生物在电极表面生长，并能够以有机质（乙酸钠）作为电子供体，与电极之间进行电子传递，进而产生电流。如图3（B）所示，对电极生物膜进行循环伏安扫描，均出现乙酸钠氧化峰，且各工作电极循环伏安曲线平行性良好，表明装置启动完成，电活性微生物富集成功。
以上结果表明，利用八工作电极套筒双室反应器生物电化学系统，以乙酸钠为有机碳源，在恒电位-0.2 vs vs Ag/AgCl条件下，可以在各工作电极表面快速富集电活性微生物，构建生物电极。
（3）废水处理
将所述多工作电极套筒双室生物电化学系统中的电解液替换为含硝酸盐的废水，其中废水的配制方法如下：
乙酸钠180mg/L，硝酸钾（KNO3）200mg/L，磷酸盐缓冲液50mM，以及矿质素及维生素，其中矿物质和维生素的组成如表1所示：
表1
然后将工作电极电位分别调整为-0.3V、-0.5V、-0.7V，以降解废水中的硝酸盐。
如图4所示，加入C/N=5的模拟废水后，BESs的电流呈稳定的周期性变化。每周期内的电流随着时间的变化出现先下降而后逐渐上升至接近于0A的趋势，这表明，在-0.3V、-0.5V、-0.7V电位条件下电极作为电子供体，微生物通过电极获得电子进行还原反应。-0.3V电极电位条件下的峰值电流密度最小，为0.0369±0.0035 A/m2；-0.5V电位下峰值电流为0.2419±0.0106 A/m2；而-0.7 V电位条件下产生了最大的峰值电流，可达0.4764±0.0115A/m2。这也表明，输出电流大小与电位调控有关。
如图6所示，-0.3V、-0.5V、-0.7V电位条件下，硝酸盐均可被降解。三个电位下富集的反硝化生物膜对硝酸盐的降解速率分别为：0.88±0.72 mg·L-1·h-1，1.02±0.91 mg·L-1·h-1、1.11±0.81 mg·L-1·h-1。随着施加电位变负硝酸盐的去除速率随之升高，且在三个电位调控下无明显亚硝累积现象。三个电位在24小时反应结束时硝酸盐去除率分别为75.59%、87.79%和95.06%，随着电位越负，硝酸盐的去除率越高，说明电位可以对微生物降解硝氮进行调控。
如图5所示，将富集了生物膜的电极取出利用扫描电子显微镜（SEM）对生物膜进行观察，可以看到-0.3V、-0.5V、-0.7V电位下电极表面微生物分布均匀，呈杆状，细胞之间有菌丝连接，这种丝状结构为典型电活性微生物具有的纳米导线，能够与电极之间进行胞外电子传递。与-0.3V和-0.5V电极表面上富集的微生物相比，附着在-0.7V电极表面上的细菌呈长杆状，且随着电极电位变负，电极表面微生物密度明显增加，表明不同电位下的电极表面均成功富集了与反硝化相关的生物膜，且不同电位下富集微生物存在差异。
以上结果表明，-0.3V、-0.5V、-0.7V电位下可富集不同特征的反硝化微生物，实现模拟废水中硝酸盐的去除。
利用16SrRNA高通量测序，对-0.3V、-0.5V、-0.7V电位下电极表面富集的微生物群落组成进行鉴定，结果表明，Chryseobacterium在-0.3V下大量富集，其相对丰度占30.72%，Comamonadaceae在-0.5V下大量富集，其相对丰度占33.84%，Azoarcus在-0.7V下大量富集，其相对丰度占14.72%，如图7所示。这些微生物均为反硝化相关功能微生物。
以上结果说明，在-0.3V、-0.5V、-0.7V电位下，电极表面富集电活性微生物对硝酸盐菌表现出降解能力，电极均能够作为电子供体持续为表面微生物反硝化提供电子产生负向电流，随着电位变负，电极生物膜对硝酸盐去除率升高，且不同电位下富集相关主要反硝化功能微生物差异明显，进一步证明了电势调控定向驯化反硝化功能微生物的有效性。
需要说明的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有其他变形。本领域的技术人员从本发明公开内容直接导出或间接引申的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种利用生物电化学系统对含硝酸盐废水进行处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）构建多工作电极套筒双室生物电化学系统
所述电化学系统为三电极体系，包括若干工作电极、1个对电极和1个参比电极；
所述工作电极为玻碳电极；
所述对电极为铂网电极，
所述参比电极为Ag/AgCl电极；
（2）恒电位驯化并获得电活性生物膜
将所述多工作电极套筒双室生物电化学系统的工作电位恒定在-0.2V vs. Ag/AgCl参比电极条件下，以浓度为1g/L的乙酸钠水溶液为电解液，并接种污水处理厂二沉池厌氧活性污泥，其中污水处理厂二沉池厌氧活性污泥接种体积与乙酸钠水溶液的体积比为1:1，在玻碳电极上定向驯化并形成电活性微生物膜；
（3）废水处理
将所述多工作电极套筒双室生物电化学系统中的电解液替换为含硝酸盐的废水，所述废水中碳氮比为3~10；然后将工作电极电位调整为-0.3V至-0.8V vs. Ag/AgCl 之间，以降解废水中的硝酸盐。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作电极的数量不低于3个。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）所述工作电极均有周期性电流产生，并且稳定运行3个周期则表明玻碳电极上形成了稳定的电活性微生物膜。
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| CN (1) | CN116177718A (zh) |
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2023
- 2023-04-27 CN CN202310466664.6A patent/CN116177718A/zh active Pending
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