CN116239213A - 一种电化学-厌氧氨氧化装置及其运行方法 - Google Patents

一种电化学-厌氧氨氧化装置及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于污水生物处理技术领域，本发明提供了一种电化学‑厌氧氨氧化装置，所述电化学‑厌氧氨氧化装置包含氮气罐、进水水箱、磁力搅拌器、阳极碳布、阴极碳布、电化学‑厌氧氨氧化反应器、阳极铂片电极夹、阴极铂片电极夹、直流电源、气体采样袋、取样阀、出水水箱。本发明还提供了一种电化学‑厌氧氨氧化装置的运行方法。本发明在启动过程中采用逐步升压的方式提高能量利用率，更高效的富集功能菌群，使厌氧氨氧化菌快速大量的吸附在阳极和阴极碳布电极上形成致密的生物膜，促进厌氧氨氧化菌的生长代谢，提高联氨氧化酶活性；反应器是多种脱氮功能菌共存的体系，多菌群互惠共生促进体系中氮素的转化。

Description

一种电化学-厌氧氨氧化装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及污水生物处理技术领域，尤其涉及一种电化学-厌氧氨氧化装置及其运行方法。
背景技术
人类活动导致当前氮素循环失衡，造成了水体污染，需要高效可持续的脱氮技术处理含氮废水。传统生物脱氮技术(硝化/反硝化)需要提供有机碳源和曝气，不符合当前节能、可持续水处理技术的要求。厌氧氨氧化作为新型脱氮工艺受到广泛关注，常用于高氨氮废水和低碳氮比废水处理。厌氧氨氧化工艺是指在厌氧条件下厌氧氨氧化菌以NH4 +-N为电子供体，NO2 --N为电子受体生成硝酸盐和氮气的过程。厌氧氨氧化菌为厌氧化能自养型菌，可以实现低能耗脱氮。但是，厌氧氨氧化菌培养困难、生长缓慢、平均世代周期长达11～14天，并且厌氧氨氧化菌细胞产量低且对环境条件敏感。因此，快速富集培养厌氧氨氧化菌实现厌氧氨氧化工艺成为一大难题。
在过去几年中，有大量研究通过外加电压提高厌氧氨氧化体系的处理效能。目前电化学富集高浓度厌氧氨氧菌的方法能耗依然较高，且大多都用于高氨氮废水的处理。在低氨氮浓度条件下，厌氧氨氧化菌的活性和生长速率会受到影响进而无法实现厌氧氨氧化菌的快速富集。
因此，得到一种降低能耗的，在低氨氮浓度条件下实现厌氧氨氧化菌的快速富集的装置和方法，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种电化学-厌氧氨氧化装置和运行方法，能够快速富集高活性厌氧氨氧化菌，用于厌氧氨氧化体系的高效运转；适用于含氮污水处理，可以减少电能消耗，提高系统处理效能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种电化学-厌氧氨氧化装置，所述电化学-厌氧氨氧化装置包含氮气罐1、进水水箱2、磁力搅拌器6、阳极碳布8、阴极碳布9、电化学-厌氧氨氧化反应器10、阳极铂片电极夹12、阴极铂片电极夹13、直流电源17、气体采样袋18、取样阀19、出水水箱20。
作为优选，所述电化学-厌氧氨氧化装置还包含溶解氧测定仪3、蠕动泵4、进水阀门5、圆柱形转子7、四氟密封盖11、10Ω电阻14、数据采集卡15、电脑16。
作为优选，进水水箱2通过蠕动泵4与电化学-厌氧氨氧化反应器10连接，连接处设有进水阀门5；阳极碳布8、阴极碳布9由阳极铂片电极夹12、阴极铂片电极夹13固定；阳极铂片电极夹的顶部通过导线连接电阻14，电阻连接直流电源17；电阻两端由导线连接至数据采集卡15。
作为优选，溶解氧测定仪测定进水水箱中的溶解氧浓度；阳极碳布和阴极碳布与反应器底部的距离独立的大于等于1cm；阴极碳布和阳极碳布的表面积之比为0.75～0.85，阴极碳布和阳极碳布之间的距离为0.9～1.2cm；阳极铂片电极夹和阴极铂片电极夹的直径为5～7mm；取样阀门比反应器内污泥上表面高至少1cm。
本发明还提供了所述的电化学-厌氧氨氧化装置的运行方法，包含如下步骤：
1)碳布预处理：将混合液涂覆在碳布上进行干燥，得到预处理碳布；
所述混合液包含铂碳催化剂、水、Nafion膜溶液和异丙醇；所述铂碳催化剂和水的质量体积比为1mg：0.8～0.9μL；所述水、Nafion膜溶液和异丙醇的体积比为0.8～0.9：6～7.2：3～3.7；铂碳催化剂为20％铂碳催化剂；所述碳布包含阳极碳布和阴极碳布；
2)接种：将污泥接种到电化学-厌氧氨氧化反应器中；
3)进水：打开氮气罐向进水水箱中曝气，溶解氧测定仪测定进水水箱中的溶解氧浓度，当溶解氧浓度小于等于0.05mg/L时打开蠕动泵和进水阀门向电化学-厌氧氨氧化反应器中注水，氮气罐保持打开状态；
4)反应：打开直流电源、电脑、磁力搅拌器和气体采样袋，打开取样阀门抽取水样，电流降至0.18～0.22mA后停止反应；
5)沉淀：关闭直流电源和磁力搅拌器，进行沉淀；
6)排水：取下气体采样袋，打开排水阀门，电化学-厌氧氨氧化反应器处理后的水样流入出水水箱。
作为优选，步骤1)所述干燥的时间为22～26h，干燥的方式为自然风干；步骤2)中污泥的接种量保证反应过程中污泥的浓度为3000～3200mg/L。
作为优选，步骤3)所述注水的过程中取样阀门和排水阀门处于关闭状态；进水完成后先关闭进水阀门，再连接气体采样袋，气体采样袋存有45～55mL氮气，最后关闭氮气罐；
步骤4)所述磁力搅拌器的转速为220～270r/min，水样的体积为3～7mL；
步骤5)所述沉淀的时间为8～12min。
作为优选，步骤4)中，打开直流电源设定电压，电压的运行方式为升压式，根据电化学-厌氧氨氧化反应器进水中氨氮浓度选择电压数值。
作为优选，当NH4 +-N浓度小于50mg·L-1时，每10个反应周期升高一次电压；反应周期1～10施加的电压为0.18～0.22V，反应周期11～20施加的电压为0.45～0.55V，反应周期21～30施加的电压为0.75～0.85V；
当NH4 +-N浓度为50～150mg·L-1时，每10个反应周期升高一次电压；反应周期1～10施加的电压为0.36～0.44V，反应周期11～20施加的电压为0.65～0.75V，反应周期21～30施加的电压为0.95～1.05V；
当NH4 +-N浓度大于150mg·L-1时，每5个反应周期升高一次电压；反应周期1～5施加的电压为0.75～0.85V，反应周期6～10施加的电压为0.95～1.05V，反应周期11～15施加的电压为1.1～1.3V。
本发明的有益效果包括：
1)本发明在电化学启动厌氧氨氧化体系的基础上，通过升压式运行反应器，降低能耗，在低氨氮浓度的条件下实现厌氧氨氧化菌的快速富集。升压式启动在一定程度上电压的增加可以提高氨氧化能力，微生物群落通过自我调节胞外电子传递途径适应不同的电极电位。通过对电极表面积比值和间距进行优化，促进电子传递效率，降低阳极电化学损失，提高反应器电化学性能。
2)本发明在启动过程中采用逐步升压的方式可以提高能量利用率，更高效的富集功能菌群，使厌氧氨氧化菌快速、大量的吸附在阳极和阴极碳布电极上形成致密的生物膜，促进厌氧氨氧化菌的生长代谢，提高联氨氧化酶活性。电化学-厌氧氨氧化反应器是多种脱氮功能菌(如氨氧化菌、亚硝酸盐氧化细菌、反硝化菌)共存的体系，多菌群互惠共生促进体系中氮素的转化。
3)本发明的装置和方法可广泛应用于处理城市污水、高氨氮废水等含氮污水，以及水体中厌氧氨氧化过程的生物强化，在污水处理和水环境保护等方面具有应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的电化学-厌氧氨氧化装置，其中，1为氮气罐，2为进水水箱，3为便携式溶解氧测定仪，4为蠕动泵，5为进水阀门，6为磁力搅拌器，7为圆柱形转子，8为阳极碳布，9为阴极碳布，10为电化学-厌氧氨氧化反应器，11为四氟密封盖，12为阳极铂片电极夹，13为阴极铂片电极夹，14为10Ω电阻，15为数据采集卡，16为电脑，17为直流电源，18为气体采样袋，19为取样阀门，20为出水水箱；
图2为实施例1、对比例1和空白对照第30个周期NH4 +-N、NO2 --N和NO3 --N的变化；
图3为实施例1、对比例1和空白对照反应阶段体系中联氨氧化酶活性变化；
图4为实施例1、对比例1和空白对照启动前后细菌在门水平上相对丰度变化。
具体实施方式
本发明提供了一种电化学-厌氧氨氧化装置，所述电化学-厌氧氨氧化装置包含氮气罐1、进水水箱2、磁力搅拌器6、阳极碳布8、阴极碳布9、电化学-厌氧氨氧化反应器10、阳极铂片电极夹12、阴极铂片电极夹13、直流电源17、气体采样袋18、取样阀19、出水水箱20。
本发明中，所述电化学-厌氧氨氧化装置优选还包含溶解氧测定仪3、蠕动泵4、进水阀门5、圆柱形转子7、四氟密封盖11、10Ω电阻14、数据采集卡15、电脑16。
本发明中，进水水箱2通过蠕动泵4与电化学-厌氧氨氧化反应器10连接，连接处设有进水阀门5；阳极碳布8由阳极铂片电极夹12固定，阴极碳布9由阴极铂片电极夹13固定；阳极铂片电极夹的顶部通过导线连接10Ω电阻14，电阻连接直流电源17；为了测定每个周期过程中电流变化情况，10Ω电阻两端由导线连接至数据采集卡15，再由数据采集卡连接到电脑16上实时监测电流情况。
本发明中，阴极铂片电极夹的顶部由鳄鱼夹导线直接连接到电源负极，阳极铂片电极夹的顶部通过鳄鱼夹导线连接10Ω电阻；溶解氧测定仪为便携式溶解氧测定仪。
本发明中，溶解氧测定仪测定进水水箱中的溶解氧浓度；阳极碳布和阴极碳布与反应器底部的距离优选为独立的大于等于1cm，进一步优选为独立的大于等于1.2cm；阴极碳布和阳极碳布的表面积之比优选为0.75～0.85，进一步优选为0.78～0.82，更优选为0.8，上述比表面积之比能够互不干扰，提高电化学效率；阴极碳布和阳极碳布之间的距离优选为0.9～1.2cm，进一步优选为1～1.1cm。
本发明中，阳极铂片电极夹和阴极铂片电极夹的直径优选为5～7mm，进一步优选为5.5～6.5cm，更优选为6cm；铂片电极夹的杆部为四氟材料；电化学-厌氧氨氧化反应器盖子上需要两个孔(直径为5～7mm)，铂片电极夹从盖子上穿过，用密封圈固定在盖子上，然后拧紧四氟密封盖以确保反应过程中的厌氧环境。
本发明中，取样阀门的位置比反应器内污泥上表面优选为高至少1cm，进一步优选为高至少1.2cm，避免转子在反应过程中的转动对电极造成干扰。
本发明还提供了所述的电化学-厌氧氨氧化装置的运行方法，包含如下步骤：
1)碳布预处理：将混合液涂覆在碳布上进行干燥，得到预处理碳布；
所述混合液包含铂碳催化剂、水、Nafion膜溶液和异丙醇；所述铂碳催化剂和水的质量体积比为1mg：0.8～0.9μL；所述水、Nafion膜溶液和异丙醇的体积比为0.8～0.9：6～7.2：3～3.7；铂碳催化剂为20％铂碳催化剂；所述碳布包含阳极碳布和阴极碳布；
2)接种：将污泥接种到电化学-厌氧氨氧化反应器中；
3)进水：打开氮气罐向进水水箱中曝气，溶解氧测定仪测定进水水箱中的溶解氧浓度，当溶解氧浓度小于等于0.05mg/L时打开蠕动泵和进水阀门向电化学-厌氧氨氧化反应器中注水，氮气罐保持打开状态；
4)反应：打开直流电源、电脑、磁力搅拌器和气体采样袋，打开取样阀门抽取水样，电流降至0.18～0.22mA后停止反应；
5)沉淀：关闭直流电源和磁力搅拌器，进行沉淀；
6)排水：取下气体采样袋，打开排水阀门，电化学-厌氧氨氧化反应器处理后的水样流入出水水箱。
本发明步骤1)中，所述铂碳催化剂和水的质量体积比优选为1mg：0.82～0.88μL，进一步优选为1mg：0.84～0.86μL；所述水、Nafion膜溶液和异丙醇的体积比优选为0.82～0.88：6.3～7：3.2～3.5，进一步优选为0.84～0.86：6.5～6.8：3.3～3.4；铂碳催化剂在碳布上的涂覆量优选为0.4～0.6mg/cm2，进一步优选为0.45～0.55mg/cm2，更优选为0.5mg/cm2。
本发明中，步骤1)所述干燥的时间优选为22～26h，进一步优选为23～25h，更优选为24h；干燥的方式优选为自然风干；步骤2)中污泥的接种量优选为保证反应过程中污泥的浓度为3000～3200mg/L，进一步优选为3050～3150mg/L，更优选为3100mg/L。
本发明中，步骤3)所述注水的过程中取样阀门和排水阀门优选处于关闭状态；进水完成后优选为先关闭进水阀门，再连接气体采样袋，气体采样袋存有45～55mL氮气，最后关闭氮气罐。
本发明中，反应过程中为了维持反应器内气压平衡以及体系中厌氧环境，先向气体采样袋中通入45～55mL氮气。
本发明中，打开氮气罐向进水水箱中曝气的时间优选为25～35min，进一步优选为27～32min，更优选为29～30min；溶解氧测定仪控制进水水箱中的溶解氧浓度小于等于0.05mg/L，确保反应过程中的厌氧环境；进水过程中氮气罐保持打开状态防止溶解氧升高。
本发明中，步骤4)所述磁力搅拌器的转速优选为220～270r/min，进一步优选为240～260r/min，更优选为250r/min。
本发明步骤4)中，电脑测定电流变化情况；为了测定反应过程中或反应结束后的处理效果，打开取样阀取水样进行常规测定，中途取样可以将针管固定在取样软管上，打开取样阀门，抽取水样后关闭取样阀门；水样的体积优选为3～7mL，进一步优选为4～6mL，更优选为5mL；优选为电流降至0.18～0.22mA后停止反应，进一步优选为降至0.19～0.21mA，更优选为降至0.2mA。
本发明步骤4)中，打开直流电源设定电压，电压的运行方式优选为升压式，优选根据电化学-厌氧氨氧化反应器进水中氨氮浓度选择电压数值。
本发明中，当NH4 +-N浓度小于50mg·L-1时，每10个反应周期升高一次电压；反应周期1～10施加的电压优选为0.18～0.22V，进一步优选为0.19～0.21V，更优选为0.2V；反应周期11～20施加的电压优选为0.45～0.55V，进一步优选为0.47～0.52V，更优选为0.49～0.5V；反应周期21～30施加的电压优选为0.75～0.85V，进一步优选为0.78～0.82V，更优选为0.8～0.81V；
当NH4 +-N浓度为50～150mg·L-1时，每10个反应周期升高一次电压；反应周期1～10施加的电压优选为0.36～0.44V，进一步优选为0.38～0.42V，更优选为0.39～0.4V；反应周期11～20施加的电压优选为0.65～0.75V，进一步优选为0.67～0.72V，更优选为0.69～0.7V；反应周期21～30施加的电压优选为0.95～1.05V，进一步优选为0.97～1.03V，更优选为0.99～1V；
当NH4 +-N浓度大于150mg·L-1时，每5个反应周期升高一次电压；反应周期1～5施加的电压优选为0.75～0.85V，进一步优选为0.77～0.83V，更优选为0.79～0.8V；反应周期6～10施加的电压优选为0.95～1.05V，进一步优选为0.97～1.03V，更优选为0.99～1V；反应周期11～15施加的电压优选为1.1～1.3V，进一步优选为1.15～1.25V，更优选为1.2V。
本发明的反应器采用升压式运行方式，采用不同的电压施加方式，并根据进水氨氮浓度选择合适的电压，能够促进电化学-厌氧氨氧化系统快速富集微生物的同时减少能耗。
本发明中，步骤5)所述沉淀的时间优选为8～12min，进一步优选为9～11min，更优选为10min。
本发明中，每个周期的时间包含进水的时间、反应的时间、沉淀的时间、排水的时间、闲置的时间，每个周期优选为10～14h，进一步优选为11～13h，更优选为12h；每个周期中，进水的时间优选为25～35min，进一步优选为30min；反应的时间优选为600～700min，进一步优选为630～680min，更优选为650～660min；沉淀的时间优选为8～12min，进一步优选为9～11min，更优选为10min；排水的时间优选为8～12min，进一步优选为9～11min，更优选为10min；闲置的时间优选为8～12min，进一步优选为9～11min，更优选为10min。
本发明中，排水完成后进行闲置步骤，闲置步骤为关闭排水阀门，完成进水前准备工作。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例中，电化学-厌氧氨氧化装置包含氮气罐1、进水水箱2、便携式溶解氧测定仪3、蠕动泵4、进水阀门5、磁力搅拌器6、圆柱形转子7、阳极碳布8、阴极碳布9、电化学-厌氧氨氧化反应器10、四氟密封盖11、阳极铂片电极夹12、阴极铂片电极夹13、10Ω电阻14、数据采集卡15、电脑16、直流电源17、气体采样袋18、取样阀19、出水水箱20；阳极碳布、阴极碳布与反应器底部的距离均为1.1cm，阴极碳布和阳极碳布的表面积之比为0.8，阴极碳布和阳极碳布之间的距离为1cm，阳极铂片电极夹和阴极铂片电极夹的直径均为6mm，取样阀门的位置比反应器内充分沉淀后污泥上表面高1cm。
实施例1
1)碳布预处理：采用20％的铂碳催化剂，按照0.5mg/cm2(每平方厘米阳极碳布和阴极碳布上涂覆的铂碳催化剂为0.5mg)的量放入离心管中，加入水、Nafion膜溶液和异丙醇，铂碳催化剂和水的质量体积比为1mg：0.83μL，水、Nafion膜溶液和异丙醇的体积比为0.83：6.67：3.33，得到混合液。用毛刷将混合液均匀涂抹在阳极碳布和阴极碳布上，自然风干24h。
2)接种：将接种污泥接种到电化学-厌氧氨氧化反应器中，接种污泥取自处理污泥消化液的厌氧氨氧化池，污泥的MLSS和MLVSS分别为2.51g·L-1和1.91g·L-1，每个反应器接种的污泥占反应器工作体积的12％，控制反应过程中污泥的MLSS为3000mg/L。
3)进水：打开氮气罐向进水水箱中曝气30min，打开便携式溶解氧测定仪测定溶解氧。当水中溶解氧小于0.05mg/L时打开蠕动泵和进水阀门向反应器中注水(水来自实验室合成废水，其中NH4 +-N和NO2 --N的浓度分别为60mg·L-1和79mg·L-1)，此时取样阀门和出水阀门处于关闭状态，氮气罐处于打开状态。进水完成后先关闭进水阀门，再连接气体采样袋(气体采样袋存有50mL氮气)，最后关闭氮气罐阀门。
4)反应：打开直流电源开关设定电压大小，采用每10个周期升高一次电压的方式，具体为：反应周期1～反应周期10施加电压0.4V；反应周期11～反应周期20施加电压0.7V；反应周期21～反应周期30施加电压1.0V。打开电脑测定电流变化情况，打开磁力搅拌器设定圆柱形转子的转速为250r/min，打开气体采样袋阀门。中途取样时可以将针管固定在取样软管上，打开取样阀门，抽取5mL水样之后关闭取样阀门。当电流下降至0.2mA后停止反应。
5)沉淀：关闭直流电源和磁力搅拌器，进行沉淀。
6)排水：取下气体采样袋，打开排水阀门，经过反应器处理后的水样流入出水水箱。
7)闲置：排水完成后关闭排水阀门，完成进水前准备工作。
一个周期中，进水时间为30min，反应时间为660min，沉淀时间为10min，排水时间为10min，闲置时间为10min，一个周期共12h。
实施例2
1)碳布预处理：采用20％的铂碳催化剂，按照0.45mg/cm2(每平方厘米阳极碳布和阴极碳布上涂覆的铂碳催化剂为0.45mg)的量放入离心管中，加入水、Nafion膜溶液和异丙醇，铂碳催化剂和水的质量体积比为1mg：0.81μL，水、Nafion膜溶液和异丙醇的体积比为0.81：6.4：3.1，得到混合液。用毛刷将混合液均匀涂抹在阳极碳布和阴极碳布上，自然风干23h。
2)接种：将接种污泥接种到电化学-厌氧氨氧化反应器中，接种污泥取自处理污泥消化液的厌氧氨氧化池，污泥的MLSS和MLVSS分别为2.49g·L-1和1.90g·L-1，每个反应器接种的污泥占反应器工作体积的13％，控制反应过程中污泥的MLSS为3100mg/L。
3)进水：打开氮气罐向进水水箱中曝气28min，打开便携式溶解氧测定仪测定溶解氧。当水中溶解氧小于0.05mg/L时打开蠕动泵和进水阀门向反应器中注水(水来自实验室合成废水，其中NH4 +-N和NO2 --N的浓度分别为48mg·L-1和66mg·L-1)，此时取样阀门和出水阀门处于关闭状态，氮气罐处于打开状态。进水完成后先关闭进水阀门，再连接气体采样袋(气体采样袋存有48mL氮气)，最后关闭氮气罐阀门。
4)反应：打开直流电源开关设定电压大小，采用每10个周期升高一次电压的方式，具体为：反应周期1～反应周期10施加电压0.2V；反应周期11～反应周期20施加电压0.5V；反应周期21～反应周期30施加电压0.8V。打开电脑测定电流变化情况，打开磁力搅拌器设定圆柱形转子的转速为240r/min，打开气体采样袋阀门。中途取样可以将针管固定在取样软管上，打开取样阀门，抽取5mL水样之后关闭取样阀门。当电流下降至0.2mA后停止反应。
5)沉淀：关闭直流电源和磁力搅拌器，进行沉淀。
6)排水：取下气体采样袋，打开排水阀门，经过反应器处理后的水样流入出水水箱。
7)闲置：排水完成后关闭排水阀门，完成进水前准备工作。
一个周期中，进水时间为28min，反应时间为660min，沉淀时间为12min，排水时间为10min，闲置时间为10min，一个周期共12h。
实施例3
1)碳布预处理：采用20％的铂碳催化剂，按照0.55mg/cm2(每平方厘米阳极碳布和阴极碳布上涂覆的铂碳催化剂为0.55mg)的量放入离心管中，加入水、Nafion膜溶液和异丙醇，铂碳催化剂和水的质量体积比为1mg：0.86μL，水、Nafion膜溶液和异丙醇的体积比为0.86：6.8：3.5，得到混合液。用毛刷将混合液均匀涂抹在阳极碳布和阴极碳布上，自然风干25h。
2)接种：将接种污泥接种到电化学-厌氧氨氧化反应器中，接种污泥取自处理污泥消化液的厌氧氨氧化池，污泥的MLSS和MLVSS分别为2.55g·L-1和1.93g·L-1，每个反应器接种的污泥占反应器工作体积的12％，控制反应过程中污泥的MLSS为3150mg/L。
3)进水：打开氮气罐向进水水箱中曝气30min，打开便携式溶解氧测定仪测定溶解氧。当水中溶解氧小于0.05mg/L时打开蠕动泵和进水阀门向反应器中注水(水来自实验室合成废水，其中NH4 +-N和NO2 --N的浓度分别为155mg·L-1和180mg·L-1)，此时取样阀门和出水阀门处于关闭状态，氮气罐处于打开状态。进水完成后先关闭进水阀门，再连接气体采样袋(气体采样袋存有55mL氮气)，最后关闭氮气罐阀门。
4)反应：打开直流电源开关设定电压大小，采用每5个周期升高一次电压的方式，具体为：反应周期1～反应周期5施加电压0.8V；反应周期6～反应周期10施加电压1.0V；反应周期11～反应周期15施加电压1.2V。打开电脑测定电流变化情况，打开磁力搅拌器设定圆柱形转子的转速为250r/min，打开气体采样袋阀门。中途取样可以将针管固定在取样软管上，打开取样阀门，抽取5mL水样之后关闭取样阀门。当电流下降至0.2mA后停止反应。
5)沉淀：关闭直流电源和磁力搅拌器，进行沉淀。
6)排水：取下气体采样袋，打开排水阀门，经过反应器处理后的水样流入出水水箱。
7)闲置：排水完成后关闭排水阀门，完成进水前准备工作。
一个周期中，进水时间为30min，反应时间为660min，沉淀时间为10min，排水时间为10min，闲置时间为10min，一个周期共12h。
对比例1
将实施例1的升压式反应改为恒压式反应，反应周期1～反应周期30均施加电压1.0V，其他条件和实施例1相同。
空白对照
采用普通厌氧氨氧化装置，省去实施例1的电极，不施加电压，其他条件和实施例1相同。
实施例1、对比例1和空白对照的装置的运行效率和结果如图2～4所示。由图2可知，在第30个周期过程中升压式(实施例1)和恒压式(对比例1)的氨氮去除率分别是空白对照的2.1倍和1.3倍，底物浓度不足的情况下氨氮去除速率分别是空白对照的3.2倍和1.9倍。由图3可知，电化学-厌氧氨氧化反应器在30个周期之内成功启动并稳定运行了一段时间。在这个过程中，施加电压的两组(实施例1和对比例1)联氨氧化酶的活性都明显高于空白对照。由图4可知，在运行稳定之后，升压式(实施例1)和恒压式(对比例1)电极上富集了更多的厌氧氨氧化菌，升压式阴极中浮霉菌门的相对丰度最高，是原污泥的2.70倍。其次是空白对照，是原污泥的1.74倍，恒压式阴极只是原污泥的1.52倍。这说明升压式更有利于浮霉菌门的生长。不仅如此，稳定运行的电化学-厌氧氨氧化体系是一个多种脱氮功能菌共存的体系，多菌群互惠共生促进体系中氮素的转化。本发明中联氨氧化酶的活性用足够量的细胞色素C测定，富集的细菌群落分析由16S rRNA得到。
本发明的电化学-厌氧氨氧化反应器中阳极和阴极表面均富集了大量微生物，形成比较致密的生物膜，有利于减少体系中生物量的流失。升压启动方式快速提高了厌氧氨氧化菌联氨氧化酶的活性，促进了厌氧氨氧化体系中的电子转移，提高了氨氮的去除率和去除速率。此外，升压式促进了厌氧氨氧化菌的生长和代谢，最终缩短了厌氧氨氧化体系的启动时间。在此基础上，厌氧氨氧化体系中各菌群之间相互协作使得反应器脱氮能力进一步增强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电化学-厌氧氨氧化装置，其特征在于，所述电化学-厌氧氨氧化装置包含氮气罐(1)、进水水箱(2)、磁力搅拌器(6)、阳极碳布(8)、阴极碳布(9)、电化学-厌氧氨氧化反应器(10)、阳极铂片电极夹(12)、阴极铂片电极夹(13)、直流电源(17)、气体采样袋(18)、取样阀(19)、出水水箱(20)。
2.根据权利要求1所述的电化学-厌氧氨氧化装置，其特征在于，所述电化学-厌氧氨氧化装置还包含溶解氧测定仪(3)、蠕动泵(4)、进水阀门(5)、圆柱形转子(7)、四氟密封盖(11)、10Ω电阻(14)、数据采集卡(15)、电脑(16)。
3.根据权利要求2所述的电化学-厌氧氨氧化装置，其特征在于，进水水箱(2)通过蠕动泵(4)与电化学-厌氧氨氧化反应器(10)连接，连接处设有进水阀门(5)；阳极碳布(8)、阴极碳布(9)由阳极铂片电极夹(12)、阴极铂片电极夹(13)固定；阳极铂片电极夹的顶部通过导线连接电阻(14)，电阻连接直流电源(17)；电阻两端由导线连接至数据采集卡(15)。
4.根据权利要求2或3所述的电化学-厌氧氨氧化装置，其特征在于，溶解氧测定仪测定进水水箱中的溶解氧浓度；阳极碳布和阴极碳布与反应器底部的距离独立的大于等于1cm；阴极碳布和阳极碳布的表面积之比为0.75～0.85，阴极碳布和阳极碳布之间的距离为0.9～1.2cm；阳极铂片电极夹和阴极铂片电极夹的直径为5～7mm；取样阀门比反应器内污泥上表面高至少1cm。
5.权利要求1～4任一项所述的电化学-厌氧氨氧化装置的运行方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)碳布预处理：将混合液涂覆在碳布上进行干燥，得到预处理碳布；
所述混合液包含铂碳催化剂、水、Nafion膜溶液和异丙醇；所述铂碳催化剂和水的质量体积比为1mg：0.8～0.9μL；所述水、Nafion膜溶液和异丙醇的体积比为0.8～0.9：6～7.2：3～3.7；铂碳催化剂为20％铂碳催化剂；所述碳布包含阳极碳布和阴极碳布；
2)接种：将污泥接种到电化学-厌氧氨氧化反应器中；
3)进水：打开氮气罐向进水水箱中曝气，溶解氧测定仪测定进水水箱中的溶解氧浓度，当溶解氧浓度小于等于0.05mg/L时打开蠕动泵和进水阀门向电化学-厌氧氨氧化反应器中注水，氮气罐保持打开状态；
4)反应：打开直流电源、电脑、磁力搅拌器和气体采样袋，打开取样阀门抽取水样，电流降至0.18～0.22mA后停止反应；
5)沉淀：关闭直流电源和磁力搅拌器，进行沉淀；
6)排水：取下气体采样袋，打开排水阀门，电化学-厌氧氨氧化反应器处理后的水样流入出水水箱。
6.根据权利要求5所述的运行方法，其特征在于，步骤1)所述干燥的时间为22～26h，干燥的方式为自然风干；步骤2)中污泥的接种量保证反应过程中污泥的浓度为3000～3200mg/L。
7.根据权利要求5或6所述的运行方法，其特征在于，步骤3)所述注水的过程中取样阀门和排水阀门处于关闭状态；进水完成后先关闭进水阀门，再连接气体采样袋，气体采样袋存有45～55mL氮气，最后关闭氮气罐；
步骤4)所述磁力搅拌器的转速为220～270r/min，水样的体积为3～7mL；
步骤5)所述沉淀的时间为8～12min。
8.根据权利要求5或6所述的运行方法，其特征在于，步骤4)中，打开直流电源设定电压，电压的运行方式为升压式，根据电化学-厌氧氨氧化反应器进水中氨氮浓度选择电压数值。
9.根据权利要求8所述的运行方法，其特征在于，当NH4 +-N浓度小于50mg·L-1时，每10个反应周期升高一次电压；反应周期1～10施加的电压为0.18～0.22V，反应周期11～20施加的电压为0.45～0.55V，反应周期21～30施加的电压为0.75～0.85V；
当NH4 +-N浓度为50～150mg·L-1时，每10个反应周期升高一次电压；反应周期1～10施加的电压为0.36～0.44V，反应周期11～20施加的电压为0.65～0.75V，反应周期21～30施加的电压为0.95～1.05V；
当NH4 +-N浓度大于150mg·L-1时，每5个反应周期升高一次电压；反应周期1～5施加的电压为0.75～0.85V，反应周期6～10施加的电压为0.95～1.05V，反应周期11～15施加的电压为1.1～1.3V。
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