專利名稱：一種電增強(qiáng)厭氧氨氧化生物脫氮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)保設(shè)備，特別是水處理環(huán)保設(shè)備。
背景技術(shù)：
厭氧氨氧化技術(shù)是一種新穎高效的污水脫氮技術(shù)。在厭氧條件下，厭氧氨氧化菌以氨氮為電子供體，直接將亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)鈴亩瓿擅摰^(guò)程。與傳統(tǒng)的脫氮工藝相比，它具有低能耗、不需外加碳源、剩余污泥產(chǎn)量少等特點(diǎn)。該工藝不僅對(duì)一般含氮廢水具有較好的脫氮效果，而且在低碳氮比、高氨氮濃度的廢水處理中(如厭氧消化液、垃圾滲濾液等)也具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。盡管如此，厭氧氨氧化技術(shù)在實(shí)際廢水處理中的應(yīng)用仍然很少，主要原因是厭氧氨氧化菌的繁殖速率非常慢(一般為11天左右)，而且它對(duì)環(huán)境因素的變化極為敏感如溶解氧、溫度、PH、有機(jī)物濃度等。因此厭氧氨氧化菌作為嚴(yán)格厭氧自養(yǎng)型微生物很難在工程化應(yīng)用中被成功培養(yǎng)并富集。近年來(lái)，很多方法被嘗試用于富集培養(yǎng)厭氧氨氧化菌。例如選取不同種類污泥作為接種對(duì)象來(lái)富集培養(yǎng)Anammox菌(厭氧污泥、好氧污泥、厭氧好氧混合污泥等)；設(shè)計(jì)不同形式的反應(yīng)器用于富集Anammox菌并減少污泥流失如序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)、厭氧復(fù)合床(UBF)和膜生物反應(yīng)器(MBR)等。由于不同地域不同環(huán)境的污泥性質(zhì)差異較大，所以選取不同接種污泥富集Anammox菌具有隨機(jī)性，很難有明確的選擇標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)設(shè)計(jì)不同反應(yīng)器類型對(duì)Anammox菌進(jìn)行富集培養(yǎng)雖取得一定成效但其大都是通過(guò)提高污泥持留性能并不能從根本上加快Anammox菌的生長(zhǎng)速率。而且針對(duì)現(xiàn)在已有的一些污水處理廠，污水處理工藝已固定，通過(guò)改變反應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)使其成為具有高效污泥持留能力的反應(yīng)器較困難。厭氧氨氧化菌富含大量血紅素，賦予其明顯的血紅色外觀?，F(xiàn)在多以其鮮紅色外觀指標(biāo)，來(lái)判斷和篩選高效厭氧氨氧化菌。血紅素C是多種參與厭氧氨氧化反應(yīng)酶(如羥胺氧環(huán)酶，聯(lián)氨氧還酶等)的重要組成部分，它對(duì)厭氧氨氧化菌高的脫氮活性具有重要作用。其中鐵是血紅素C的重要組成部分，據(jù)報(bào)道，二價(jià)鐵離子的加入可以明顯提高厭氧氨氧化菌內(nèi)血紅素含量，加速了厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)速率從而提高了厭氧氨氧化菌的生物富集效率。然而通過(guò)投加鐵鹽如JeSOp FeCl2等會(huì)引入一些不必要的陰離子，長(zhǎng)期投加可能會(huì)對(duì)自身或后續(xù)處理工藝帶來(lái)影響。我們?cè)谇捌诠ぷ髦校瑢⒘銉r(jià)鐵置于厭氧反應(yīng)器中，通過(guò)微電極作用零價(jià)鐵可以緩慢釋放出亞鐵離子，其可以有效壓縮膠體污泥的雙電層，降低zeta 電位，使微生物得到有效富集。同時(shí)，零價(jià)鐵還可以顯著降低體系氧化還原電位，為厭氧微生物的生長(zhǎng)提供有利環(huán)境。然而，區(qū)別于一般的以去除有機(jī)物為主的厭氧產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷體系， 厭氧氨氧化過(guò)程是以去除氨氮為主要目的，其過(guò)程是個(gè)產(chǎn)堿反應(yīng)，在中性或偏堿性的環(huán)境中鐵離子釋放受到一定程度的限制。隨著反應(yīng)器長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，微生物會(huì)附著在鐵表面，還可能會(huì)進(jìn)一步影響零價(jià)鐵反應(yīng)的發(fā)生甚至造成鐵層堵塞。針對(duì)以上問(wèn)題，我們?cè)诒緦＠夹g(shù)中直接將鐵-石墨對(duì)電極插入到上流式厭氧氨氧化反應(yīng)器中設(shè)置陽(yáng)極為鐵電極，陰極為石墨電極。一方面可以通過(guò)外加電場(chǎng)的作用(電壓低于0. 8V，電流小于5mA)有效加強(qiáng)和調(diào)控鐵的釋放，為厭氧氨氧化菌提供足夠的鐵基質(zhì)，促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)。另一個(gè)方面，微電流可以促進(jìn)污染物的氧化還原過(guò)程，提高微生物的降解能力，同時(shí)在特定的電場(chǎng)中還會(huì)產(chǎn)生電催化作用，促進(jìn)生物酶反應(yīng)。除此之外，電極過(guò)程還能有效去除體系中可能存在的微量氧，降低氧化還原電位，提高厭氧氨氧化菌的生物活性，從而增加氮的去除效率。外電場(chǎng)還很有可能在提高厭氧氨氧化菌新陳代謝能力的同時(shí)還原厭氧氨氧化過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物硝酸鹽氮，進(jìn)而解決出水中硝酸鹽氮存留的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種電強(qiáng)化厭氧氨氧化反應(yīng)器，在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)直接加入鐵-石墨電極，鐵設(shè)置為陽(yáng)極，石墨設(shè)置為陰極，在一定的外加電壓作用下，鐵電極發(fā)生陽(yáng)極腐蝕作用釋放出二價(jià)鐵離子，維持了體系中充足的鐵基質(zhì)濃度，促進(jìn)了厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)。陰極表面包裹的一層石墨碳?xì)钟兄谖⑸镌谄渖系母街?，其產(chǎn)生的電子可以被微生物用以還原水體中的污染物。將電極置于厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)可產(chǎn)生微電場(chǎng)作用，特定的電場(chǎng)可能激活或增強(qiáng)某些酶的活性，從而促進(jìn)微生物對(duì)污染物的降解能力。同時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程可以降低氧化還原電位，促進(jìn)污染物氧化還原過(guò)程， 提高微生物的生物降解能力，從而實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化過(guò)程的快速啟動(dòng)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)裝置，它包括一個(gè)圓柱形的上流式厭氧氨氧化反應(yīng)器，這個(gè)反應(yīng)器內(nèi)底部設(shè)有布水器，上部設(shè)有微孔圓板，它的底部通過(guò)進(jìn)水管道與進(jìn)水泵連接，出水口通往沉淀池。該反應(yīng)器外部設(shè)有保溫層。水箱通過(guò)冷水泵與該反應(yīng)器底部相連。加熱器的一端反應(yīng)器上部的接頭相連，而另一端通過(guò)熱水泵與所述反應(yīng)器下部的接頭相連。在出水口偏下位置連通管道經(jīng)循環(huán)泵與反應(yīng)器底部相連。在反應(yīng)器的中部安置管狀鐵電極做為陰極，并安置圓柱棒狀石墨電極做為陽(yáng)極，二電極通過(guò)導(dǎo)線與外置直流穩(wěn)壓電源相連。兩電極插入到所述反應(yīng)器位置的最低處為該反應(yīng)器有效高度H的1/2。電極長(zhǎng)度為反應(yīng)器有效高度H的30%-40%。圓管鐵電極靠近反應(yīng)器內(nèi)壁，石墨棒電極與圓管鐵電極同軸安裝。石墨棒電極外包裹含有石墨成分的碳?xì)?。外部直流穩(wěn)壓電源電壓小于0. 8V，最佳電壓為0. 6V,電流小于5mA。通過(guò)采用以上技術(shù)方案，一方面可以通過(guò)外加電場(chǎng)的作用(電壓低于0.8V，電流小于5mA)有效加強(qiáng)和調(diào)控鐵的釋放，為厭氧氨氧化菌提供足夠的鐵基質(zhì)，促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)。另一個(gè)方面，微電流可以促進(jìn)污染物的氧化還原過(guò)程，提高微生物的降解能力， 同時(shí)在特定的電場(chǎng)中還會(huì)產(chǎn)生電催化作用，促進(jìn)生物酶反應(yīng)。除此之外，電極過(guò)程還能有效去除體系中可能存在的微量氧，降低氧化還原電位，提高厭氧氨氧化菌的生物活性，從而增加氮的去除效率。外電場(chǎng)還很有可能在提高厭氧氨氧化菌新陳代謝能力的同時(shí)還原厭氧氨氧化過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物硝酸鹽氮，進(jìn)而解決出水中硝酸鹽氮存留的問(wèn)題。本發(fā)明的有益效果是在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)部安置兩枚電極，通過(guò)導(dǎo)線與外部直流電源相連接，通過(guò)電壓的變化可以有效調(diào)控陽(yáng)極鐵的溶出量，促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)。同時(shí)陰極產(chǎn)生的電子也可以被微生物利用用以還原Anammox反應(yīng)的副產(chǎn)物硝酸鹽氮。 該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，置換方便，電極長(zhǎng)度及形狀可以根據(jù)原有的不同反應(yīng)器類型進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)目前已有的污水處理設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造具有深遠(yuǎn)的意義。同時(shí)，以鐵電極為陽(yáng)極的雙電極體系與厭氧氨氧化反應(yīng)器的耦合促進(jìn)了厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)，加速了污染物中氮去除速率，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器的快速啟動(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)行。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是本發(fā)明一種電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式圖1表示出一種電強(qiáng)化厭氧氨氧化反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置為一圓柱型上流式厭氧氨氧化反應(yīng)器1，殼體部分由有機(jī)玻璃制造而成，其內(nèi)徑為6cm，高為^cm,有效容積為0. 7L。反應(yīng)器由下到上依次設(shè)置有布水器9、鐵電極7做為陽(yáng)極，石墨電極8做為陰極， 微孔圓板11。外部具有控溫用熱水套3。圓管鐵電極7靠近反應(yīng)器1的內(nèi)壁，石墨棒電極 8與圓管鐵電極7同軸安裝。石墨棒電極外還包裹有一層具有良好導(dǎo)電能力和生物附著能力的含石墨成分的碳?xì)?3。電極通過(guò)導(dǎo)線與外部直流穩(wěn)壓電源6相連接。水箱14中的污水通過(guò)冷水泵2由反應(yīng)器1的底部進(jìn)入，依次經(jīng)過(guò)布水器9、鐵-石墨電極7、8區(qū)域、微孔圓板11出水進(jìn)入沉淀池12后排放，在沉淀池12中的污泥可以被重新回流到反應(yīng)器內(nèi)或直接排放。在在出水口偏下位置連通管道17經(jīng)循環(huán)泵10與反應(yīng)器1底部相連，具有稀釋進(jìn)水、 促進(jìn)污泥與污水之間的充分接觸、使電極釋放的鐵離子與污泥充分混勻等作用。反應(yīng)器外部設(shè)有保溫層3，通過(guò)一個(gè)加熱器5和熱水循環(huán)泵4經(jīng)管道與保溫套的上下出口 16與此15 連接。整個(gè)反應(yīng)器外部包裹有一層黑布，使整個(gè)反應(yīng)體系處于無(wú)光的條件下，防止光對(duì)厭氧氨氧化菌產(chǎn)生負(fù)面作用。將電極垂直插入到厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)，通過(guò)外置直流穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)電壓。陰極包裹一層具有良好導(dǎo)電能力和生物附著能力的含石墨成分的碳?xì)郑兄谖⑸锔街L(zhǎng)并直接利用陰極釋放的電子，促進(jìn)污染物的還原。在低電壓下(彡0. 6V)，電流小于5mA，促進(jìn)生物處理過(guò)程，同時(shí)加速了鐵陽(yáng)極腐蝕速率及鐵釋放量。兩電極插入到位置的最低處為反應(yīng)器1有效高度H的1/2處，電極長(zhǎng)度為反應(yīng)器1有效高度H的30% _40%，圓管鐵電極靠近反應(yīng)器內(nèi)壁，石墨棒電極位于圓管的中央位置，使污水完全通過(guò)電極區(qū)域。上述電強(qiáng)化厭氧氨氧化反應(yīng)器的工作過(guò)程如下污水通過(guò)進(jìn)水泵2從底部進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器1的布水器9，污水與污泥均勻混合，此時(shí)出水口下端的污水通過(guò)管道17， 回流泵10回流到底部稀釋進(jìn)水提高了上升流速促進(jìn)了泥水之間的傳質(zhì)效率。隨后污水逐漸上升通過(guò)電極區(qū)域，在電場(chǎng)、陽(yáng)極鐵溶出及部分懸浮微生物的耦合作用下污染物進(jìn)一步被降解最終到達(dá)出水口，而后進(jìn)入沉淀池12。上述技術(shù)方案的指導(dǎo)思想是在厭氧氨氧化反應(yīng)器的中部設(shè)置一段雙電極區(qū)域， 這不是厭氧氨氧化反應(yīng)器和電極過(guò)程的簡(jiǎn)單加和，而是形成以下耦合作用(1)陽(yáng)極氧化作用和陰極還原作用可與生物降解過(guò)程耦合，加速污染物的氧化還原降解。(2)外加電壓的作用可以有效加速陽(yáng)極鐵溶出，促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)。(3)溶出的鐵離子可以提高厭氧氨氧化污泥的沉降性能，增強(qiáng)污泥的持留時(shí)間，使厭氧氨氧化菌更有效的富集。(4)附著在陰極表面的微生物可以利用陰極產(chǎn)生的電子還原厭氧氨氧化過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)物硝酸鹽氮， 從而解決厭氧氨氧化工藝出水硝酸鹽氮?dú)埩舻膯?wèn)題。同時(shí)還解決了有氧條件下鐵易生銹及中性偏堿條件下鐵不易溶出等問(wèn)題。 將上述電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)器進(jìn)行小試試驗(yàn)，采用以硫酸銨和亞硝酸鈉為氮源的合成廢水進(jìn)行反應(yīng)器的啟動(dòng)。當(dāng)出水氨氮或亞硝酸鹽氮濃度低于20mg/L時(shí)提高進(jìn)水氮負(fù)荷。在反應(yīng)器啟動(dòng)的前13天，進(jìn)水總氮由80mg N/1/day升高到150mg N/1/day，此時(shí) Rl中的總氮去除量升高為106. 9mg N/l/day, R2中的總氮去除率與Rl相近。在隨后的近四個(gè)月的運(yùn)行中，Rl中的氨氮和亞硝酸鹽氮的去除速率明顯高于R2，因此其進(jìn)水氮負(fù)荷提升較快。在第125天時(shí)，Rl的進(jìn)水總氮負(fù)荷提升至1300mg N/1/day，其總氮去除量達(dá)到了 1209. 6mg N/1/day (氨氮 609. 9mg N/1/day，亞硝酸鹽氮 638. ^ig N/1/day)，明顯高于 R2 的進(jìn)水總氮負(fù)荷(IlOOmg N/1/day)及總氮去除量 973. 3mg N/1/day (氨氮 493. 9mgN/l/day， 亞硝酸鹽氮524. aiig N/1/day)。顯然，電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)器具備更高的氮去除能力， 鐵-石墨電極的加入加速了反應(yīng)器的啟動(dòng)過(guò)程。同時(shí)經(jīng)過(guò)計(jì)算可得在Rl反應(yīng)器中厭氧氨氧化過(guò)程生成的硝酸鹽氮量與反應(yīng)過(guò)程去除的氨氮的量之摩爾比為0. 08，明顯低于R2的 0. 18，電極的加入使厭氧氨氧化過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)物得到了明顯去除。反應(yīng)器運(yùn)行125天后， 取出兩反應(yīng)器內(nèi)的污泥進(jìn)行掃描電鏡觀察，可見(jiàn)Rl中厭氧氨氧化菌群聚集的較為致密，而 R2反應(yīng)器種菌群聚集的較為松散，兩反應(yīng)器中優(yōu)勢(shì)菌種均表現(xiàn)為球菌和橢球菌。同時(shí)，Rl 中的厭氧氨氧化菌所含的血紅素含量明顯高于R2。血紅素含量的增高與厭氧氨氧化菌數(shù)量的增加有密切關(guān)系，它與Rl中較高的氮去除表現(xiàn)相吻合。
權(quán)利要求
1.一種電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)裝置，其特征在于包括一個(gè)圓柱形的上流式厭氧氨氧化反應(yīng)器(1)，所述反應(yīng)器(1)內(nèi)底部設(shè)有布水器(9)，上部設(shè)有微孔圓板(11)，該反應(yīng)器 (1)底部通過(guò)進(jìn)水管道與進(jìn)水泵( 連接，而出水口通往沉淀池(12)，該反應(yīng)器外部設(shè)有保溫層(3)，水箱(14)通過(guò)冷水泵( 與所述反應(yīng)器(1)底部相連；加熱器(5)的一端與所述反應(yīng)器(1)上部的接頭(16)相連，而另一端通過(guò)熱水泵(4)與所述反應(yīng)器(1)下部的接頭(15)相連，在出水口偏下位置連通管道(17)經(jīng)循環(huán)泵(10)與反應(yīng)器(1)底部相連，在所述反應(yīng)器(1)中部安置管狀鐵電極(7)做為陽(yáng)極，并安置圓柱棒狀石墨電極(8)做為陰極，所述二電極通過(guò)導(dǎo)線與外置直流穩(wěn)壓電源(6)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)裝置，其特征在于兩電極插入到所述反應(yīng)器(1)位置的最低處為該反應(yīng)器(1)有效高度H的1/2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)裝置，其特征在于所述電極長(zhǎng)度為所述反應(yīng)器(1)有效高度H的30%-40%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)裝置，其特征在于所述圓管鐵電極(7)靠近所述反應(yīng)器⑴內(nèi)壁，所述石墨棒電極⑶與所述圓管鐵電極(7)同軸安裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)裝置，其特征在于石墨棒電極外包裹含有石墨成分的碳?xì)?13)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)裝置，其特征在于所述外部直流穩(wěn)壓電源(6)電壓小于0. 8V。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)裝置，其特征在于所述外部直流穩(wěn)壓電源(6)最佳電壓為0. 6V。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的電增強(qiáng)厭氧氨氧化反應(yīng)裝置，其特征在于所述外部直流穩(wěn)壓電源(6)電流小于5mA。
全文摘要
一種電增強(qiáng)-厭氧氨氧化(ANAMMOX)生物脫氮方法，屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域。它包括一個(gè)圓柱型的厭氧氨氧化反應(yīng)器，其內(nèi)部安裝有兩枚電極，陽(yáng)極為管狀鐵電極，陰極為圓柱型石墨電極，電極通過(guò)導(dǎo)線與外置直流穩(wěn)壓電源連接。電極長(zhǎng)度為反應(yīng)器有效高度的30％-40％，電極插入最低位置為反應(yīng)器有效高度的1/2處。在外加電壓的作用下(最優(yōu)電壓0.6V，電流小于5mA)陽(yáng)極鐵溶出得到有效調(diào)控，促進(jìn)了厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)。小試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電化學(xué)作用與生物處理過(guò)程的耦合強(qiáng)化了厭氧氨氧化菌的脫氮效率同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)ANAMMOX過(guò)程副產(chǎn)物硝酸鹽氮的去除，較參比反應(yīng)器具有更高的總氮去除效率。實(shí)現(xiàn)了縮短ANAMMOX工藝的啟動(dòng)時(shí)間，有效提高了ANAMMOX過(guò)程的總氮去除能力。
文檔編號(hào)C02F3/28GK102336472SQ20111026647
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者全燮, 張景新, 張耀斌, 李楊, 陳碩 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)