基于电极调控的一体化生物自养脱氮系统、方法及应用技术方案

本发明专利技术属于水处理技术领域，特别涉及一种基于电极调控的一体化生物自养脱氮系统、方法及应用，用多孔导电电极材料分别作为阳极和阴极，并使用电位调控装置调控阳极电位，在阳极富集氨氧化细菌，在阴极富集反硝化菌；用疏松多孔的材料分隔阴极室和阳极室，并作为厌氧氨氧化菌的定殖载体。本发明专利技术将阳极氨氧化反应、多孔分隔介质的厌氧氨氧化反应与阴极反硝化反应耦合在同一个生物电化学系统中，首先利用氨氧化细菌在阳极将部分氨氮转化为亚硝氮；然后利用厌氧氨氧化菌将亚硝氮和剩余的氨氮转化为氮气；最后利用自养反硝化菌在阴极将残余的硝氮转化为氮气，实现氨到氮气的全程自养型生物脱氮。

【技术实现步骤摘要】
基于电极调控的一体化生物自养脱氮系统、方法及应用
本专利技术涉及污水生物处理
，具体涉及一种基于电极调控的一体化生物自养脱氮系统、方法及应用。
技术介绍
水体富营养化严重危害着水环境质量和水生态安全，已成为当今世界最为关注的水污染问题之一。污水脱氮的提质增效是控制水体富营养化和满足污水排放标准提升的重要途径，为现阶段我国水污染防控的重要目标和科学前沿。现行的硝化-反硝化生物脱氮工艺难以满足排放标准提升和节能降耗需求，亟待发展高效低碳型污水生物脱氮新技术。厌氧氨氧化技术因其高效性、低能耗和低碳源消耗被认为是构建未来新型城市污水处理厂最具前景的生物脱氮技术，然而该技术在城市污水处理应用中仍存在亚硝酸盐难以稳定获取、菌群活性难以高效维持和出水硝酸盐残留等瓶颈问题。生物电化学系统利用电极作为微生物的电子受/供体进行氧化还原反应，具有反应持续性强、可自控性强、低碳绿色等优势。若能针对性耦合厌氧氨氧化与生物电化学过程，进一步开发新型自养脱氮工艺及过程控制策略，则有望突破上述城市污水厌氧氨氧化的瓶颈问题。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供了一种基于电极调控的一体化生物自养脱氮系统、方法及应用，实现氨转化至氮气的全程自养型生物脱氮，解决了现有厌氧氨氧化技术存在亚硝酸盐难以稳定获取、菌群活性难以高效维持和出水硝酸盐残留等瓶颈问题。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：本专利技术一方面提供了一种基于电极调控的一体化生物自养脱氮方法，其特征在于：采用阳极部分短程硝化-厌氧氨氧化-阴极自养反硝化三元耦合的生物电化学方法处理生活污水或含氮废水，首先利用氨氧化细菌在阳极将40％～60％的氨氮转化为亚硝氮；然后利用厌氧氨氧化菌将亚硝氮和剩余的氨氮转化为氮气；最后利用自养反硝化菌在阴极将残余的硝氮转化为氮气。作为本专利技术的进一步说明：生活污水或含氮废水首先流经氨氧化细菌所附着生长的多孔导电电极材料，然后流过厌氧氨氧化菌所附着生长的多孔分隔介质，最后流过自养反硝化菌所附着生长的多孔导电电极材料。作为本专利技术的进一步说明：所述氨氧化细菌、自养反硝化菌分别附着生长在多孔导电电极材料上；所述厌氧氨氧化菌是附着生长在多孔分隔介质上；所述厌氧氨氧化菌所附着生长的多孔分隔介质放置于氨氧化细菌所附着生长的多孔导电电极材料和自养反硝化菌所附着生长的多孔导电电极材料之间。优选的，所述的厌氧氨氧化菌包括CandidatusJettenia、CandidatusAnammoxoglobus、CandidatusKuenenia、CandidatusBrocadia、CandidatusScalindua菌属的一种或一种以上。作为本专利技术的进一步说明：所述多孔导电电极材料为碳毡、碳纤维刷、石墨毡、碳布、石墨片、泡沫铁或其它导电金属制备的多孔电极材料；所述多孔分隔介质为碳毡、石墨毡、聚氨酯海绵或多孔塑料。作为本专利技术的进一步说明：所述氨氧化细菌所附着生长的多孔导电电极材料与自养反硝化菌所附着生长的多孔导电电极材料通过导线连接到同一电路，所述氨氧化细菌所附着生长的多孔导电电极材料连接供电设备的正极，作为阳极；所述自养反硝化菌所附着生长的多孔导电电极材料连接供电设备的负极，作为阴极。优选的，通过恒电位仪或其他电位调控装置向阳极提供一定电位，电位稳定保持在-0.1～+0.4V(vs.SHE)的范围内。本专利技术第二方面提供了一种基于电极调控的一体化生物自养脱氮系统，其特征在于：采用阳极部分短程硝化-厌氧氨氧化-阴极自养反硝化的三元耦合的生物电化学水处理系统，包括多孔分隔介质、阴极反应室和阳极反应室；所述阳极反应室中设有定殖驯化氨氧化菌的多孔导电电极材料，其氧化还原电位由恒电位仪或其他电位调控装置提供；所述阴极反应室中设有定殖驯化反硝化菌的多孔导电电极材料，其通过导线与所述阳极反应室中的多孔导电电极材料连入同一电路；所述多孔分隔介质定殖驯化有厌氧氨氧化菌，并设置于阳极反应室和阴极反应室之间。作为本专利技术的进一步说明：所述阴极反应室和阳极反应室中的多孔导电电极材料为碳毡、碳纤维刷、石墨毡、碳布、石墨片、泡沫铁或其它导电金属制备的多孔电极材料；所述多孔分隔介质为碳毡、石墨毡、聚氨酯海绵或多孔塑料；所述阳极的氧化还原电位由恒电位仪或其他电位调控装置稳定保持于-0.1～+0.4V(vs.SHE)。本专利技术第三方面提供了所述的系统或方法在含氨氮废水或城市污水处理中的应用。本专利技术首次提出“阳极部分短程硝化-厌氧氨氧化-阴极自养反硝化”三元耦合(Bioelectrochemical-Anammox，缩写为BEAMOX)的新型水处理工艺模式，主要包括以下步骤：1)以电极为电子受体，在氨氧化细菌(AOB)的作用下，通过调节运行参数(阳极电位、水力停留时间)将40％～60％的氨氮氧化为亚硝氮；2)经过氨氧化处理的生活污水或含氮废水流经富集了厌氧氨氧化菌的多孔分隔介质，在厌氧氨氧化菌的作用下，氨氮和亚硝氮直接发生反应，生成氮气从水中脱除，并产生少量硝氮；3)经过厌氧氨氧化填料区后的生活污水或含氮废水进一步流经阴极，水中的硝氮在阴极通过自养反硝化菌的反硝化作用转化为氮气脱除。本专利技术系统的示意图如附图1所示。本专利技术的生物脱氮系统各功能区的反应原理如下：生物阳极：NH4++2H2O→NO2-+6e-+8H+生物多孔分隔介质：NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O生物阴极：2NO3-+10e-+12H+→N2+6H2O本专利技术的BEAMOX工艺利用阳极、多孔分隔介质和阴极分别作为氨氧化菌(AOB)、厌氧氨氧化菌(Anammox菌)和反硝化菌(DNB)的定殖载体，在不同空间维度上实现功能类群的定向选择与功能分化，通过功能菌群协作实现污水一体化脱氮。本专利技术的脱氮系统由短程硝化生物阳极、厌氧氨氧化生物隔段、反硝化生物阴极三个功能区组成，形成“阳极-多孔分隔介质-阴极”的布局，阴阳两极间通过外电路连接。三维电极材料的候选类型为易于微生物附着且经济、易得的碳毡、碳纤维刷、石墨毡、碳布、石墨片、泡沫铁或其它导电金属制备的多孔电极材料。本专利技术的多孔分隔介质为非离子交换型材料，可以使阴极室和阳极室之间通过物理孔道进行液体交换，多孔分隔介质选用碳毡、石墨毡、聚氨酯海绵或多孔塑料等多孔材料。以连续流方式运行反应系统，废水中的约50％的NH4+-N通过短程硝化反应转化至NO2--N。废水原有NH4+-N和产生NO2--N作为厌氧氨氧化过程的底物，在生物隔段经厌氧氨氧化脱氮。厌氧氨氧化过程产生的副产物NO3--N进一步在生物阴极直接利用电极作为电子供体，或者间接利用阴极产生的氢气作为电子供体将其还原为氮气，达到强化脱氮的目的。与现有技术相比，本专利技术具备如下有益效果：1)本专利技术利用多孔导电电极材料分别作为阳极和阴极，并使用恒电位仪或其他电位调控装置调控阳极电位至-0.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电极调控的一体化生物自养脱氮方法，其特征在于：采用阳极部分短程硝化-厌氧氨氧化-阴极自养反硝化三元耦合方法处理生活污水或含氮废水，首先利用氨氧化细菌在阳极将40％～60％的氨氮转化为亚硝氮；然后利用厌氧氨氧化菌将亚硝氮和剩余的氨氮转化为氮气；最后利用自养反硝化菌在阴极将残余的硝氮转化为氮气。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电极调控的一体化生物自养脱氮方法，其特征在于：采用阳极部分短程硝化-厌氧氨氧化-阴极自养反硝化三元耦合方法处理生活污水或含氮废水，首先利用氨氧化细菌在阳极将40％～60％的氨氮转化为亚硝氮；然后利用厌氧氨氧化菌将亚硝氮和剩余的氨氮转化为氮气；最后利用自养反硝化菌在阴极将残余的硝氮转化为氮气。


2.根据权利要求1所述的基于电极调控的一体化生物自养脱氮方法，其特征在于：生活污水或含氮废水首先流经氨氧化细菌所附着生长的多孔导电电极材料，然后流过厌氧氨氧化菌所附着生长的多孔分隔介质，最后流过自养反硝化菌所附着生长的多孔导电电极材料。


3.根据权利要求2所述的基于电极调控的一体化生物自养脱氮方法，其特征在于：所述氨氧化细菌、自养反硝化菌分别附着生长在多孔导电电极材料上；所述厌氧氨氧化菌是附着生长在多孔分隔介质上；所述厌氧氨氧化菌所附着生长的多孔分隔介质放置于氨氧化细菌所附着生长的多孔导电电极材料和自养反硝化菌所附着生长的多孔导电电极材料之间。


4.根据权利要求2所述的基于电极调控的一体化生物自养脱氮方法，其特征在于：所述的厌氧氨氧化菌包括CandidatusJettenia、CandidatusAnammoxoglobus、CandidatusKuenenia、CandidatusBrocadia、CandidatusScalindua菌属的一种或一种以上。


5.根据权利要求2所述的基于电极调控的一体化生物自养脱氮方法，其特征在于：所述多孔导电电极材料为碳毡、碳纤维刷、石墨毡、碳布、石墨片、泡沫铁或其它导电金属制备的多孔电极材料；所述多孔分隔介质为碳毡、石墨毡、聚氨酯海绵或多孔塑料。


6....

【专利技术属性】
技术研发人员：叶訚，陈帆，王宇恒，
申请(专利权)人：叶訚，陈帆，王宇恒，
类型：发明
国别省市：四川;51