光驱动的废水脱氮方法及设备技术

一种光驱动的废水脱氮方法及设备，该方法通过由半导体光阳极、电阻、以及附着有嗜电极呼吸的脱氮生物膜的生物阴极串联形成的脱氮电路来完成，该方法包括：将含硝酸盐的待处理污水导入电化学装置的阴极室；光线照射半导体光阳极表面，生成光生电子；光生电子传导至生物阴极，被附着在生物阴极的嗜电极呼吸的脱氮生物膜利用，完成脱氮。本发明专利技术将光作为微生物脱氮的唯一能量和电子来源，无需外源投加电子供体，也无需额外提供电能；再者生物阴极上附着有嗜电极呼吸的脱氮生物膜，选用微生物作为反硝化的催化剂，因此本发明专利技术提出的脱氮方法具有廉价、绿色、可持续等优点。

Light driven waste water denitrification method and equipment

A method and device for nitrogen removal of wastewater by the method of light driven, by the semiconductor light anode, cathode resistor, and attached with biological denitrification biofilm from breathing series nitrogen electrode circuit is formed to complete, the method comprises: containing nitrate to the cathode chamber of sewage treatment into the electrochemical device; light semiconductor light anode surface, generating electron; photocathodic transmission to biological electronic, is attached to the use of biological cathode electrode respiratory denitrification thermophilic biofilm, complete denitrification. The present invention will light as microbial nitrogen removal only energy and electronic sources, without the addition of exogenous electron donor, also does not need to provide additional power; furthermore biocathode attached denitrification biofilm electrode thermophilic respiration, microbial denitrification used as catalyst, so the nitrogen removal method has cheap, green and sustainable advantages.

【技术实现步骤摘要】
光驱动的废水脱氮方法及设备
本专利技术属于水处理
，更具体地涉及一种光驱动的废水脱氮方法及设备。
技术介绍
硝酸盐是水体中最为常见的污染物之一，在污水处理系统中往往由于污水中碳氮比不足，造成出水中大量硝酸盐残留而不能满足总氮达标的要求。硝酸盐随污水排入环境水体中是造成水体富营养化的重要因素之一；同时，硝酸盐对人体健康也具有较大隐患，是诱发变性血红蛋白血症的关键因素，因此在饮用水处理中硝酸盐也是重要的控制指标。硝酸盐还原转化为无害氮气的脱氮方法是去除水体中硝酸盐最为重要的手段。微生物脱氮由于其成本低、可持续以及硝酸盐转化为氮气选择性强的优势，成为目前使用最为普遍的脱氮方法。生物脱氮的本质是反硝化细菌利用有机或无机性的电子供体将硝酸盐还原为氮气的过程。然而在许多水质情况下(如污水处理厂的二级出水和地表水)，这些微生物可利用的电子供体含量极低，需要人为向水中投加电子供体，这无疑大大增加了硝酸盐去除的处理成本。同时现有外源投加电子供体的方法带来的其他问题也不容忽视，例如投加甲醇、葡萄糖等有机性电子供体时，可能由于水中硝酸盐浓度波动而过量投加，从而造成二次污染；同时由于异养微生物快速增殖，要求对系统频繁反冲洗，这也进一步增加了能耗。投加氢气的自养生物脱氮过程虽然能够较好的避免二次污染和微生物过快增殖问题，但氢气的储存和使用存在一定安全隐患，限制了这项技术的广泛应用。因此寻找一种廉价、绿色、可持续的电子来源并建立相应的脱氮方法，对解决水体中缺乏电子供体条件下硝酸盐的有效去除有着重要的意义。
技术实现思路
基于以上问题，本专利技术的主要目的在于提出一种光驱动的废水脱氮方法及装置，用于解决以上技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，本专利技术提出一种光驱动的废水脱氮方法，由半导体光阳极、电阻、以及附着有嗜电极呼吸的脱氮生物膜的生物阴极和串联形成的脱氮电路完成，具体包括以下步骤：含硝酸盐的待处理污水导入电化学装置的阴极室；光线照射半导体光阳极表面，生成光生电子；光生电子传导至生物阴极，被附着在生物阴极上的嗜电极呼吸的脱氮生物膜利用，完成脱氮。进一步地，上述嗜电极呼吸的脱氮生物膜为预先培养形成的；培养方法为：在电化学装置的阴极室内接种，连续提供以硝酸盐为唯一电子受体的阴极液，直至脱氮电路的电流达到一稳定值。进一步地，培养上述嗜电极呼吸的脱氧生物膜时，相对于可逆氢电极，生物阴极的电位为0.1V～0.5V。进一步地，每升上述阴极液包含0.05～5g的硝酸盐、0.5～5g的碳酸氢盐、0.1～2.0g氯化钠、0.1～1.0g的硫酸镁、0.005～0.05g的氯化钙、1～200mmol的磷酸盐缓冲溶液、以及1～2ml的微量元素液。进一步地，上述阴极液的pH值为6～8。进一步地，上述光线包括太阳光或紫外光。进一步地，上述电化学装置包括隔膜式电化学装置。进一步地，上述隔膜式电化学装置的隔膜包括阳离子交换膜或质子交换膜。进一步地，上述半导体光阳极具有感光层，该感光层包括二氧化钛。进一步地，上述感光层的制备方法包括溶胶凝胶法、钛阳极电化学刻蚀法或二氧化钛纳米颗粒直接涂布法。进一步地，上述生物阴极的材料包括石墨颗粒、石墨毡、碳布或石墨纤维毛刷。进一步地，上述电阻为电流采样电阻，其阻值小于等于10欧姆。为了实现上述目的，作为本专利技术的另一个方面，本专利技术提出一种光驱动的废水脱氮设备，该废水脱氮设备包括电化学装置，该电化学装置的阳极为半导体光阳极，阴极为附着有嗜电极呼吸的脱氮生物膜的生物阴极，阳极和阴极通过电阻串联形成脱氮电路。本专利技术提出的光驱动的废水脱氮方法及设备具有如下有益效果：1、本专利技术的脱氮方法将光作为微生物脱氮的唯一能量和电子来源，无需外源投加电子供体，也无需额外提供电能，因此在具有良好脱氮效果的同时，能避免外源投加电子供体过程中引起的二次污染；2、本专利技术中生物阴极上附着有嗜电极呼吸的脱氮生物膜，选用微生物作为反硝化的催化剂，因此硝酸盐转化为无害氮气的选择性高，且由于微生物具备自我增殖、更新、修复的能力，是一种廉价可持续的反硝化催化剂，因此本专利技术提出的脱氮方法具有廉价、绿色、可持续等优点；3、本专利技术的脱氮方法使用的阴、阳电极的材料均具有廉价和惰性的特征，因此本专利技术提出的脱氮方法使用成本低，可广泛应用于各种环境。附图说明图1是本专利技术一实施例提出的废水脱氮方法的流程图；图2是本专利技术实施例1和实施例4制备的半导体光阳极在氙灯照射下(紫外区光强度为30mW/cm2)和未照射条件下的线性伏安曲线；图3是本专利技术一实施例制备的半导体光阳极的场发射扫描电子显微图；图4(a)是本专利技术一实施例中，嗜电极呼吸的脱氮生物膜预培养过程中的电流变化图；图4(b)是本专利技术一实施例中，嗜电极呼吸的脱氮生物膜预培养完成后的场发射扫描电子显微图；图5是本专利技术一实施例提出的光驱动的废水脱氮方法采用的设备示意图；图6(a)是本专利技术一实施例提出的光驱动的废水脱氮方法施加光照与不施加光照的电流对比示意图；图6(b)是本专利技术一实施例提出的光驱动的废水脱氮方法施加光照与不施加光照的脱氮效果对比示意图；图7是本专利技术一实施例提出的光驱动的废水脱氮方法中阴极附着与未附着嗜电极呼吸的脱氮生物膜时的脱氮效果对比图；图8是本专利技术实施例1、实施例2和实施例3的脱氮效果对比示意图；图9是本专利技术另一实施例制备的半导体光阳极的场发射扫描电子显微图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术公开了一种光驱动的废水脱氮方法，由半导体光阳极、电阻、以及附着有嗜电极呼吸的脱氮生物膜的生物阴极串联形成的脱氮电路完成，该脱氮电路置于电化学装置中，具体包括以下步骤：含硝酸盐的待处理污水导入电化学装置的阴极室；光线照射半导体光阳极表面，生成光生电子；光生电子传导至生物阴极，被附着在生物阴极的嗜电极呼吸的脱氮生物膜利用，完成脱氮。因此，本专利技术选用微生物作为反硝化的催化剂，因此硝酸盐转化为无害氮气的选择性高，且由于微生物具备自我增殖、更新、修复的能力，是一种廉价可持续的反硝化催化剂，从而使得本专利技术提出的脱氮方法具有廉价、绿色、可持续等优点。因此，本专利技术将光作为微生物脱氮的唯一能量和电子来源，无需外源投加电子供体，也无需额外提供电能，因此在具有良好脱氮效果的同时，能避免外源投加电子供体过程中引起的二次污染。其中，上述嗜电极呼吸的脱氮生物膜为预先培养形成的；优选地，其培养方法为：在电化学装置的阴极室内接种，连续提供以硝酸盐为唯一电子受体的阴极液，直至脱氮电路的电流达到一稳定值。优选地，培养上述嗜电极呼吸的脱氧生物膜时，相对于可逆氢电极，生物阴极的电位为0.1V～0.5V。上述阴极液包括每升所述阴极液包含0.05～5g的硝酸盐、0.5～5g的碳酸氢盐、0.1～2.0g氯化钠、0.1～1.0g的硫酸镁、0.005～0.05g的氯化钙、1～200mmol的磷酸盐缓冲溶液、以及1～2ml的微量元素液。在本专利技术的一些实施例中，每升阴极液含0.286g的KNO3、3.4g的KH2PO4、4.4g的K2HPO4、2g的NaHCO3、0.5g的NaCl、0.2g的MgSO4、0.0146g的CaCl2和1mL的沃尔夫(Wolfe’s)微量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光驱动的废水脱氮方法，通过由半导体光阳极、电阻、以及附着有嗜电极呼吸的脱氮生物膜的生物阴极串联形成的脱氮电路来完成，所述废水脱氮方法具体包括以下步骤：将含硝酸盐的待处理废水导入电化学装置的阴极室；光线照射所述半导体光阳极的表面，生成光生电子；光生电子传导至所述生物阴极上，被附着在所述生物阴极上的嗜电极呼吸的脱氮生物膜利用，从而实现对待处理废水的脱氮。

【技术特征摘要】
1.一种光驱动的废水脱氮方法，通过由半导体光阳极、电阻、以及附着有嗜电极呼吸的脱氮生物膜的生物阴极串联形成的脱氮电路来完成，所述废水脱氮方法具体包括以下步骤：将含硝酸盐的待处理废水导入电化学装置的阴极室；光线照射所述半导体光阳极的表面，生成光生电子；光生电子传导至所述生物阴极上，被附着在所述生物阴极上的嗜电极呼吸的脱氮生物膜利用，从而实现对待处理废水的脱氮。2.如权利要求1所述的光驱动的废水脱氮方法，其特征在于，所述嗜电极呼吸的脱氮生物膜为预先培养形成；所述嗜电极呼吸的脱氮生物膜的培养方法为：在所述电化学装置的阴极室内接种，连续提供以硝酸盐为唯一电子受体的阴极液，直至所述脱氮电路的电流达到一稳定值。3.如权利要求2所述的光驱动的废水脱氮方法，其特征在于，培养所述嗜电极呼吸的脱氧生物膜时，相对于可逆氢电极，所述生物阴极的电位为0.1V～0.5V。4.如权利要求3所述的光驱动的废水脱氮方法，其特征在于，每升所述阴极液包含0.05～5g的硝酸盐、0.5～5g的碳酸氢盐、0.1～2.0g氯化钠、0.1～1.0g的硫酸镁、0.005～0...

【专利技术属性】
技术研发人员：王爱杰，田夏迪，程浩毅，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11