一种利用电极生物载体强化低碳氮比污水脱氮的工艺方法

摘要

一种利用电极生物载体强化低碳氮比污水脱氮的工艺方法，涉及污水处理领域。本发明以导电材料作为微生物载体，以恒电位控制形式，引入微电场刺激，定向驯化富集具有电活性的反硝化功能微生物，实现在低碳氮比条件下高效脱氮。本发明的目的是提供一种解决低碳/氮比城镇污水深度脱氮难题的技术方法。

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种利用电极生物载体强化低碳氮比污水深度脱氮的方法。

背景技术

随着我国城镇化水平的加快和人口的增长，城镇生活污水排放量日益增多，水体污染问题也日益严重。其中，硝酸盐污染已经成为各界广泛关注的问题。硝酸盐的存在不仅会造成水体的富营养化，而且一旦进入人体会被还原成亚硝酸盐，进而可能转化为亚硝胺，具有致癌、致畸等作用。由此，实现对硝酸盐的有效去除对于改善水环境问题以及保障人类生命健康具有重要意义。而传统的异养反硝化过程高度依赖有机碳源，从而导致低碳氮比城镇生活污水的处理成本较高。针对低碳氮比城镇生活污水的深度脱氮，开发节能高效的生物脱氮新技术变得尤为重要。

近年来，生物电化学系统(BESs)的快速发展为突破污水脱氮工艺的技术瓶颈提供了新思路和新方法。该技术是利用电活性微生物作为催化剂，实现污染物去除与能量、资源回收。电极是生物电化学系统中的关键组成部分，是电活性微生物附着的载体，利用电活性微生物与电极之间的胞外电子传递过程，可大大加快反应过程。2004年，Gregory等人在生物电化学系统中发现Geobacter(地杆菌)属微生物具有直接从电极捕获电子的能力，所以，以电极作为电子供体，通过电活性微生物的介导作用，将具有+0.433V vs SHE的高标准氧化还原电势的硝酸盐作为电子受体，可实现高效的反硝化过程。随后的研究表明除了Geobacter属微生物，无论是混合培养物，还是纯培养物生物膜，包括Thiobacillusdenitrifcans(反硝化硫杆菌)，Pseudomonas alcaliphila(嗜酸假单胞菌)，Pseudomonasaeruginosa(铜绿假单胞菌)等，都能利用来自电极的电子进行反硝化，可见以电极为电子供体的电活性菌群广泛存在于自然界，易于富集驯化。反硝化过程中，当碳源存在时，电极生物载体在还原硝态氮的同时能进行产电；当碳源耗尽后，电极作为电子供体进行电极自养反硝化。所以，电极生物载体能够有效减少对外加碳源的依赖；除此之外，通过电流和电位的实时信息，可监测有机物的去除情况以及微生物的活性，有利于增强对系统的控制；更为重要的是，电极生物载体具有启动时间短、可持续性强的特点。

发明内容

本发明的目的在于利用电极生物载体强化低碳氮比污水的深度脱氮。

本发明提供了一种利用电极生物载体强化低碳氮比污水脱氮的技术方法，该方法通过以下步骤实现：

(一)电极生物载体的驯化

(1)电极空间构型及预处理

以碳基或金属材料作为工作电极，电极构型可为二维平面结构或三维立体结构，三维立体结构可以是石墨棒结构、碳纤维刷结构、碳基或金属片层叠加结构等，首先利用丙酮浸泡电极24小时去除表面有机杂质，然后清洗晾干备用；

(2)电活性反硝化生物膜富集

以活性污泥(浓度在0.2～1.0g/L，采用二沉池的活性污泥)为接种物，利用三电极电化学反应装置，以步骤(1)所构建的电极载体为工作电极，以碳基材料或金属材料为对电极，工作电极与对电极之间采用离子交换膜隔开，该离子交换膜为阳离子交换膜或质子交换膜；反应装置中置入银氯化银(Ag/AgCl)参比电极，工作电极室控制无氧条件，对电极室环境不控制；利用直流电源外加电压或恒电位仪控制形式引入微电场，使工作电极的电位控制在-0.2V～-0.7V的范围内；

启动阶段添加纯碳源水，以序批式运行反应器，直到电流呈周期性稳定变化4个周期以上；随后，在系统中投加低碳氮比污水直至稳定运行；

启动阶段的纯碳源为挥发有机酸，如甲酸、乙酸。

所述的低碳氮比污水以实际生活污水或人工配水为基质，基质中碳源可以为挥发酸(如甲酸、乙酸)，也可以为其它可生物降解有机物，基质中氮源形式为硝态氮，控制基质碳氮比小于等于5；

工作电极室中发生有机物氧化和反硝化反应，对电极上发生的反应可以为但不限于产氢、氧还原、铁还原等任意的还原反应；

工作电极室运行方式可为序批式也可为连续流方式，当基质中氮去除率90％，并且输出电流呈周期性变化或保持不变时，认为电活性反硝化生物膜富集完成；

(二)低碳氮比污水深度脱氮过程控制

电极生物载体驯化完成后，之后稳定工作电极室中控制碳氮比(C/N)小于等于5，工作电极电位可控制在-0.2V～-0.7V范围内。

反应前期存在有机碳源时，电极生物载体上发生有机物氧化和异养反硝化反应，即有机物降解、以碳源为电子供体的异养脱氮以及产电过程；后期有机碳源消耗完后，电极生物载体上发生自养反硝化反应，即以电极为电子供体的自养脱氮过程。当以序批式运行反应器时，电流呈周期性变化并连续4个以上周期保持不变时，说明反应器启动成功并可稳定运行；当以连续流运行反应器时，当电流保持保持48小时以上不变时，说明反应器启动成功并可稳定运行。

所述碳基材料为碳材料、石墨材料、石墨烯材料等；所述金属材料为不锈钢、钛等耐腐蚀材料。

本发明所述的技术方法可用于低碳氮比城镇生活污水或工业废水的深度处理，作为附属单元耦合进污水处理厂的反硝化工艺中。

如上所述，本发明具有以下特点：

(1)异养反硝化与自养反硝化过程耦合，在低碳氮比污水中同步去除硝酸盐与有机物的同时，进行电能的回收；

(2)高效去除硝酸盐氮，有效减少中间产物如：亚硝酸盐、氧化亚氮的生成；

(3)相比传统生物反硝化工艺，该电极生物载体具有启动速度快、稳定性高、反硝化效率高的特点；

(4)通过电流和电位的实时信息，可监测污染物去除情况以及微生物的活性，系统易于实现自动化控制。

附图说明

图1电极生物载体示意图；

图2氮素和乙酸钠随时间变化(a)碳氮比为5条件下；(b)碳氮比为4条件下；(c)碳氮比为3条件下；

图3不同碳氮比下电流输出变化图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

(1)电极生物载体处理不同碳氮比污水时的脱氮效能

本案例采用双极室的生物电化学装置，选择碳纤维刷作为微生物的载体(工作电极)，对电极极选择碳棒作为电极材料，两极室间用阳离子交换膜分隔，选择Ag/AgCl参比电极。阳极室和阴极室的有效工作体积分别为80mL和90mL，工作电极接种活性污泥(0.5g/L)，工作电位恒定在-0.2V vs Ag/AgCl条件下。启动阶段以0.5g/L乙酸钠作为碳源，以序批式运行反应器，直到电流呈周期性稳定变化4个周期以上。随后，在系统中投加NO

(2)电极生物载体处理不同碳氮比污水时的产电效能

图3是碳氮比条件稳定反应后序批式运行条件下，一个周期(24h)内，不同碳氮比条件下的产电情况。由图3可知，不同碳氮比下均有电流变化，说明即使在低碳氮比下电极生物载体也能实现电能的回收。5、4和3三种碳氮比下的峰值电流分别为1.96±0.12mA、0.58±0.07mA和0.15±0.01mA。

当碳氮比为5时，电流曲线出现两个峰值电流。0～0.5h时反应刚开始，乙酸钠充足，用于反硝化和产电，电流上升；随后电流下降(0.5～1h)，乙酸钠消耗一半后，反硝化作用在竞争电子中逐渐占据优势，电流一直降到0，此时反硝化速率达到最大；1～2h电流再升，溶液中乙酸钠和NO

当碳氮比为4时，0～1h时，乙酸钠充足，用于反硝化和产电，电流上升，由于乙酸钠浓度变低，所以电流值低于碳氮比为5；1～2h时，溶液中的乙酸钠降解完后，电极从电子受体慢慢转变为电子供体，电流下降，NO

当碳氮比为3时，0～1h时，乙酸钠用于反硝化和产电，电流上升；之后的反应中已无乙酸钠，电极作为电子供体进行自养反硝化，电流值逐步从-0.01mA升高到-0.002mA。

由此说明通过电流和电位的实时信息，可监测有机物的去除情况以及微生物的活性，有利于增强对系统的控制。