【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及污水处理，具体涉及一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法。
技术介绍
1、水平潜流人工湿地(hfcw)被广泛用于处理各类废水。然而，大部分hfcw复氧能力差，其基质层以厌氧环境为主，致使系统的硝化性能欠佳；另一方面，由于进水中有机碳源相对匮乏，hfcw的反硝化性能亦处于较低水平。上述两方面原因导致hfcw的脱氮效果不甚理想。强化系统中的微生物硝化/反硝化作用一度被认为是提高hfcw脱氮效果的最有效措施。通常而言，hfcw中硝化/反硝化作用的强化可通过调控系统中溶解氧(do)和有机碳源的浓度与分布来实现，但需注意的是，当该项技术用于低c/n废水的处理时，复氧能力不足和有机碳源匮乏始终是造成hfcw脱氮性能低下的主要因素，且相关强化措施的实施还会引起湿地系统建设运行费用的提高及其占地面积的增大，其操作流程亦趋于复杂化。
2、近年来，有文献指出可借助生物电化学手段优化人工湿地的运行性能。由于人工湿地填料层中形成的氧化还原电位梯度与生物电化学系统(bes)的工艺特点高度契合，使得生物电化学强化人工湿地(becw)技术得以不断发展并日益受到重视。相关研究一致认为，较于传统人工湿地工艺，becw的净化能力(包括脱氮能力)及稳定性均能得到提升。
3、有报道指出，bes中可形成电活性氨氧化生物膜，此类生物膜可进行电极氨氧化反应，即其中的电活性微生物能以固体电极为电子受体将nh4+-n厌氧氧化为nox--n或气态氮化合物(如n2或n2o等)。该发现随即为hfcw脱氮性能的改进提供了新思路，如能采用特
技术实现思路
1、(一)针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，克服了现有技术的不足，设计合理，出水中cod、tp、tn、nh4+-n的浓度大幅度降低，脱氮性能得到了显著提高。
2、(二)为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，包括以下步骤，
3、(1)以石墨毡为填料，采用sbbr(序批式生物膜反应器)，在其表面培养自养型硝化生物膜，经适当裁剪后安装至bes中作为阳极反应，得到附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡；
4、(2)将附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡和阳极层组成三维阳极，将石墨板和阴极层组成三维阴极，并共同组装生物电化学功能单元；
5、(3)将多组生物电化学功能单元布设于hfcw中，改造为becw并运行。
6、附有自养型硝化生物膜的石墨毡：采用sbbr，当进水中氨氮浓度为(50.87±2.54)mg/l时，sbbr的nh4+-n氧化率(aoe)、no2--n累积率(niae)和no3--n累积率(naae)分别为(99.33±0.11)％、(88.08±2.07)％和(2.25±0.42)％，标志着自养型硝化生物膜的成熟。
7、附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡：该bes包括作为阴极的不锈钢池体，附有自养型硝化生物膜的石墨毡作为阳极、饱和甘汞电极作为参比电极安装在不锈钢池体内。接种anammox污泥[该污泥为絮状和颗粒状混合污泥，其mlss约9500mg/l，分析发现，该种泥中含有的anaob主要为隶属于浮霉菌门(planctomycetota)的candidatus brocadia]至bes内，将bes中的阴极、阳极和参比电极分别通过导线与恒电位仪相连，并利用恒电位仪将阳极电势设置为0.60v。
8、使bes按序批模式连续运行，按序批模式连续运行方法如下：每天运行4个周期，每个周期时长6h，且每个周期运行过程依次划分为进水期15min、反应期330min、排水期10min和闲置期5min。期间控制水温为20℃。在进水期和闲置期间分别向bes中吹入高纯氦气以确保其厌氧环境。
9、bes中的进水：由50mmol/l的磷酸盐缓冲液(ph＝7.5)配制而成，包含na2hpo4·12h2o(14.32g/l)、kh2po4(1.36g/l)、nahco3(0.5g/l)和微量元素溶液(2ml/l)。此基质溶液在使用前先进行高压蒸汽灭菌(t＝121℃，t＝20min)，再吹入高纯氦气(t＝20min)以去除其中的do，而后在每周期伊始将其分别注入bes中。另外，装置进水中还添加了nh4cl(0.19g/l)，以便使其中nh4+-n的浓度维持在约50mg/l。
10、其中，微量元素溶液包括：mncl2·4h2o 0.10g/l；feso4·7h2o 0.30g/l；cocl2·6h2o 0.17g/l；zncl2 0.1g/l；cuso4·5h2o 0.04g/l；alk(so4)2·12h2o 0.005g/l；h3bo30.005g/l；na2moo4 0.09g/l；nicl2 0.12g/l；nawo4·2h2o 0.02g/l；na2seo4 0.10g/l。
11、在0.60v的外加阳极电势下，bes的阳极表面可形成电活性氨氧化生物膜，该生物膜中的优势菌属包括nitrosomonas(17.67％)、candidatus brocadia(16.28％)、geobacter(7.59％)和empodebacter(8.84％)；同时，bes的脱氮性能也处于较高水平，其tn和nh4+-n去除率分别可达(88.36±1.50)％和(96.96±0.54)％。据此证实，经过上述预制过程，bes的阳极表面可成功培育出电活性氨氧化生物膜。
12、优选的，步骤(2)中，生物电化学功能单元外壳为圆柱形多孔框架，其内填充有基质层，基质层自下向上依次包括承托层、功能填料层和粗砂层；功能填料层上半部分设置了阴极层，阴极层内埋设石墨板毡作为阴极，从而形成三维阴极，且功能填料层下半部分设置了阳极层，阳极层内埋设附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡作为阳极，从而形成三维阳极；阴极和阳极之间采用导线和外电阻连接形成闭合回路。
13、优选的，基质层的厚度为50-130cm，且基质层孔隙率为30-45％，其中，承托层厚度为10-20cm，功能填料层厚度为35-115cm，粗砂层厚度为5-10cm，阴极层的厚度为15-30cm，阳极层的厚度也为15-30cm；承托层为砾石层或鹅卵石层，其粒径为2-5cm；功能填料层为沸石、废砖块、火山岩、钢渣、石灰石、公分石、页岩中的任一种或多种混合层，其粒径为0.5-1cm；阴极层和阳极层均为碳质颗粒本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，步骤(2)中，生物电化学功能单元外壳为圆柱形多孔框架，其内填充有基质层，基质层自下向上依次包括承托层、功能填料层和粗砂层；
3.如权利要求2所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，基质层的厚度为50-130cm，且基质层孔隙率为30-45％，其中，承托层厚度为10-20cm，功能填料层厚度为35-115cm，粗砂层厚度为5-10cm，阴极层的厚度为15-30cm，阳极层的厚度也为15-30cm；
4.如权利要求2所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡的长×宽×厚为10×4×1cm，石墨板的长×宽×厚为10×4×1cm；
5.如权利要求2所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，生物电化学功能单元以上向流模式连续运行，期间，装置的水力负荷设为0.16m3/(m
6.如权利要求1所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，步骤(3)中，HFCW为混凝土结构，HFCW的床体被导流墙分隔为布水区、处理区和集水区三部分；
7.如权利要求6所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，布水区和集水区内填充100cm厚的鹅卵石，处理区内自下而上依次填充10cm厚的鹅卵石、85cm厚的沸石-废砖块以及5cm厚的粗砂，且处理区填充料孔隙率为30-45％；其中，鹅卵石粒径为2-5cm，沸石-废砖块粒径为0.5-1cm。
8.如权利要求6所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，HFCW处理区内种植有石菖蒲，种植密度为16株/m2。
9.如权利要求6所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，生物电化学功能单元在HFCW中的布设密度为0.67个/m2。
10.如权利要求6所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，HFCW以连续流模式运行，期间，HFCW的水力负荷设为0.2m3/(m2·d)，其进水量和水力停留时间分别约为2.4m3/d和2d，污水水温维持在14-23℃。
...【技术特征摘要】
1.一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，步骤(2)中，生物电化学功能单元外壳为圆柱形多孔框架，其内填充有基质层，基质层自下向上依次包括承托层、功能填料层和粗砂层；
3.如权利要求2所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，基质层的厚度为50-130cm，且基质层孔隙率为30-45％，其中，承托层厚度为10-20cm，功能填料层厚度为35-115cm，粗砂层厚度为5-10cm，阴极层的厚度为15-30cm，阳极层的厚度也为15-30cm；
4.如权利要求2所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡的长×宽×厚为10×4×1cm，石墨板的长×宽×厚为10×4×1cm；
5.如权利要求2所述的一种强化水平潜流人工湿地脱氮性能的生物电化学方法，其特征在于，生物电化学功能单元以上向流模式连续运行，期间，装置的水力负荷设为0.16m3/(m2·d)，即其进水量和水力停留时间分别约为5l/d和2d，装置基质层中的污水水温维持在14-23℃...
【专利技术属性】
技术研发人员：王振，徐湛禹，武威，黄超，秦颖，胡旻瑄，眭家桐，夏涛，朱祺琪，张震，巫厚长，
申请(专利权)人：安徽农业大学，
类型：发明
国别省市：
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