一種生物產(chǎn)氫強(qiáng)化的微生物電化學(xué)脫氮方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種生物產(chǎn)氫強(qiáng)化的微生物電化學(xué)脫氮方法，屬于環(huán)境工程和能源化工領(lǐng)域。本發(fā)明以微生物電化學(xué)系統(tǒng)為反應(yīng)器，在陰極中加入脫氮微生物以實(shí)現(xiàn)生物陰極反硝化脫氮。同時(shí)，通過在生物陰極中加入產(chǎn)氫微生物，利用生物產(chǎn)氫促進(jìn)BES脫氮能力的進(jìn)一步提高。生物陰極中脫氮微生物可直接利用產(chǎn)氫微生物產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行反硝化作用；同時(shí)，生物產(chǎn)氫過程中的產(chǎn)生的有機(jī)酸還能起到pH緩沖作用，從而進(jìn)一步提高BES脫氮速率。
【專利說明】一種生物產(chǎn)氫強(qiáng)化的微生物電化學(xué)脫氮方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種生物產(chǎn)氫強(qiáng)化的微生物電化學(xué)脫氮方法，屬于環(huán)境工程和能源化工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，氮素作為全球性的水體污染物，其去除受到越來越多的重視。傳統(tǒng)脫氮工藝可分為物理、化學(xué)以及生物三大類。物理方法脫氮主要包括離子交換、反滲透和電滲析等?；瘜W(xué)脫氮?jiǎng)t是指在堿性或中性PH條件下，利用鐵鹽或銅銹將水中的硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氨。而傳統(tǒng)生物脫氮工藝原理分為三個(gè)階段，包括氨化、硝化和反硝化。傳統(tǒng)脫氮工藝存在設(shè)備占地面積大、受溫度影響較大、操作復(fù)雜、易產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)。而微生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)作為一種新型脫氮工藝，可以用來處理污染水體中的氮素。BES能夠提高反硝化細(xì)菌直接在表面的陰極的活性，使得硝態(tài)氮作為電子受體來進(jìn)行反硝化過程。其具有能耗低、操作方便、集成性好、處理效率高、污泥產(chǎn)率低等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注。
[0003]BES脫氮工藝由于陽極電子產(chǎn)生速率的限制，陰極脫氮速率較低，同時(shí)反硝化過程會(huì)產(chǎn)生堿度，造成陰極液PH上升；而厭氧生物產(chǎn)氫過程中所產(chǎn)生的氫氣不僅可以作為還原力促進(jìn)反硝化脫氮過程，伴隨著底物中碳源水解、酸化過程，會(huì)產(chǎn)生乙酸、丁酸、丙酸、乳酸等有機(jī)酸，還能夠消耗反硝化產(chǎn)生的堿度。因此，在生物產(chǎn)氫過程中提供的氫的還原力，以及有機(jī)酸提供的PH調(diào)節(jié)能力的雙重作用下，BES脫氮效率得以進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種生物產(chǎn)氫強(qiáng)化的微生物電化學(xué)脫氮方法，是以微生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)為反應(yīng)器，通過在廢水進(jìn)水中添加產(chǎn)氫微生物，提高生物陰極反硝化細(xì)菌的脫氮速率，同時(shí)通過產(chǎn)氫細(xì)菌的代謝產(chǎn)酸消耗反硝化產(chǎn)生的堿度，從而維持BES生物陰極中pH值的穩(wěn)定。
[0005]所述微生物電化學(xué)系統(tǒng)反應(yīng)裝置包括陽極碳刷1、陰極碳刷2、參比電極3、陽離子交換膜4、橡膠塞5、外電阻6、進(jìn)水接口 7、出水接口 8和進(jìn)料泵9。由陽離子交換膜4將微生物電化學(xué)系統(tǒng)反應(yīng)裝置分為陰陽兩極室，各極室體積均為550mL ;陰陽極室均是專門定做的有機(jī)玻璃反應(yīng)器(外徑為9cm，內(nèi)經(jīng)7cm，高度為14cm)，碳刷1、2均由鈦絲與碳纖維組成，陽極室頂部開有進(jìn)水口和橡膠塞5，陰極室頂部開孔用于放置參比電極3，側(cè)邊底部和頂部分別開有進(jìn)水接口 7和出水接口 8，陰陽極與參比電極通過導(dǎo)線組成外電路，中間連有100Q的電阻。
[0006]所述脫氮方法包括以下步驟:
[0007](1)啟動(dòng)裝置馴化陽極:陽極室內(nèi)裝有總體積為550mL的產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液和經(jīng)過產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液馴化的厭氧污泥上清液，其中產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液與厭氧污泥上清液(含產(chǎn)電微生物)的體積比為3:1，當(dāng)陽極電勢(shì)穩(wěn)定在-0.5V時(shí)，陽極馴化成功。
[0008]所述厭氧污泥上清液的OD6qq=0.021-0.025。[0009]所述產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液的配方(mg/L):KC10.13、NH4Cl0.31、NaH2P042.7、Na2HPO4Il.55、無水乙酸鈉1.0、微量元素lmL/mL、維生素液lmL/mL ;微量元素配方(g/L):氨三乙酸
1.5、MgSO4 ? 7H203.0、MnSO4 ? H2O0.5、NaCll.0、FeSO4 ? 7H200.1、CoCl0.1、CaCl20.1、ZnSO4 ? 7H200.UCuSO4 ? 5H200.01、鉀鋁礬 0.0UH3BO50.0UNa2MoO40.01 ;維生素液配方(mg/L):維生素H2.0、維生素B2.0、鹽酸吡哆醇10.0、維生素Bj.0、維生素B25.0、煙酸5.0、D_酸鈣5.0、維生素B120.1、對(duì)氨基苯甲酸5.0、硫辛酸5.0。
[0010](2)啟動(dòng)生物陰極脫氮:在陽極電勢(shì)穩(wěn)定后，向陰極添加總體積為550mL的反硝化營(yíng)養(yǎng)液和經(jīng)過反硝化營(yíng)養(yǎng)液馴化的厭氧污泥上清液(含反硝化微生物)，其中反硝化營(yíng)養(yǎng)液與厭氧污泥上清液的體積比為3:1，當(dāng)陰極電勢(shì)穩(wěn)定在-0.24V左右時(shí)，即為脫氮效果穩(wěn)定。
[0011]所述厭氧污泥上清液(含反硝化微生物)OD600=0.010-0.015。
[0012]所述反硝化營(yíng)養(yǎng)液的配方(mg/L)=KNO3L O、NaCl0.5、NaHC032.0、KH2P044.4、K2HP043.4、MgSO40.2、CaCl20.015。
[0013](3)脫氮效果穩(wěn)定后，向陰極進(jìn)水中接種約占進(jìn)水總體積25%的經(jīng)120°C高溫滅菌的厭氧污泥上清液(產(chǎn)氫微生物為孢子狀態(tài))作為產(chǎn)氫微生物菌群，其中厭氧污泥上清液OD600=0.013—0.018。
[0014]目前強(qiáng)化產(chǎn)氫主要直接利用電解水生成的氫氣來提高BES的脫氮效果。本發(fā)明首先在陰極利用反硝化細(xì)菌實(shí)現(xiàn)生物陰極脫氮，進(jìn)而在陰極中加入產(chǎn)氫微生物，通過生物產(chǎn)氫及產(chǎn)酸進(jìn)一步陰極提高反 硝化細(xì)菌的脫氮速率。本發(fā)明作為一種生物產(chǎn)氫強(qiáng)化的微生物電化學(xué)脫氮處理工藝，生物陰極可利用產(chǎn)氫微生物所產(chǎn)生的氫氣提高脫氮速率，同時(shí)產(chǎn)氫微生物產(chǎn)生的有機(jī)酸可以維持系統(tǒng)pH的穩(wěn)定，進(jìn)一步提高了反硝化細(xì)菌的還原速率和脫氮效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明所指微生物電化學(xué)脫氮處理工藝裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為不同培養(yǎng)方式對(duì)BES脫氮效果的影響；1、陽極碳刷；2、陰極碳刷；3、參比電極；4、陽離子交換膜；5、橡膠塞；6、外電阻；7、進(jìn)水接口 ；8、出水接口 ；9、進(jìn)料泵；V1、開路電壓；V2、陰極電勢(shì)；*脫氮速率方程:y=-kX+y(l ；k為降解速率常數(shù)，y0為硝態(tài)氮初始濃度；:同時(shí)添加產(chǎn)氫微生物和脫氮微生物；B:僅添加脫氮微生物；C:非生物陰極。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1利用無錫城北污水處理廠的污泥進(jìn)行生物產(chǎn)氫強(qiáng)化的微生物電化學(xué)脫
氮
[0018]結(jié)合附圖1、2說明如下:
[0019]如圖1所示，本發(fā)明以微生物電化學(xué)系統(tǒng)作為反應(yīng)器，該反應(yīng)器由陰、陽極室構(gòu)成，中間通過陽離子交換膜隔開。陽極由進(jìn)水口(5)進(jìn)水，陰極則利用蠕動(dòng)泵通過進(jìn)水口
(7)進(jìn)水，取樣則通過出水口(8)，產(chǎn)電及脫氮微生物則分別附著于碳刷(I) (2)上。
[0020]首先，在陽極室中接種入總體積為550mL的產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液和經(jīng)過產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液馴化的厭氧污泥上清液，其中產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液與厭氧污泥上清液(含產(chǎn)電微生物)的體積比為3:1，厭氧污泥取自無錫城北污水處理廠。其中產(chǎn)電微生物上清液在600nm波長(zhǎng)下吸光度在0.021-0.025之間，在室溫條件下啟動(dòng)本發(fā)明所述裝置。陽極電勢(shì)穩(wěn)定在-0.5V左右后，繼續(xù)向陰極室中添加總體積為550mL的反硝化營(yíng)養(yǎng)液和經(jīng)過反硝化營(yíng)養(yǎng)液馴化的厭氧污泥上清液(含反硝化微生物)，厭氧污泥取自無錫城北污水處理廠，其中反硝化上清液(含反硝化微生物的厭氧污泥上清液)在600nm波長(zhǎng)下吸光度在0.010-0.015之間；當(dāng)陰極電勢(shì)維持在-0.24V左右，即生物陰極脫氮達(dá)到穩(wěn)定后，而后，在進(jìn)水中添加占進(jìn)水總體積25%的含產(chǎn)氫微生物的厭氧污泥上清液(污泥取自無錫城北污水處理廠)，其中產(chǎn)氫微生物上清液在600nm波長(zhǎng)下的吸光度在0.013-0.018之間。如圖2所示，除同時(shí)添加脫氮微生物以及產(chǎn)氫微生物的實(shí)驗(yàn)組(A)外，還設(shè)有僅添加脫氮微生物組(B)和未添加微生物的非生物陰極組(C)。經(jīng)過32天的運(yùn)行，從各實(shí)驗(yàn)組硝態(tài)氮去除速率可以看出，生物陰極的脫氮效果相對(duì)于非生物陰極有明顯的提升，其中實(shí)驗(yàn)組A的脫氮速率常數(shù)k為2.729，實(shí)驗(yàn)組B的脫氮速率常數(shù)k為2.330，而非生物陰極組僅為1.236。這是由于微生物的添加提高了電子的傳遞速率，進(jìn)而促進(jìn)還原反應(yīng)；同時(shí)，添加產(chǎn)氫微生物后，反硝化脫氮菌可以利用氫氣進(jìn)行還原反應(yīng)，有機(jī)酸還可以維持系統(tǒng)PH的穩(wěn)定，因此添加產(chǎn)氫微生物的BES的脫氮效率得以明顯提聞。
[0021]實(shí)施例2利用徐州康達(dá)豐縣污水處理廠的污泥進(jìn)行生物產(chǎn)氫強(qiáng)化的微生物電化學(xué)脫氮
[0022]實(shí)施例2中實(shí)施方式與實(shí)施例1相似，不同的是產(chǎn)電微生物、反硝化微生物與產(chǎn)氫微生物的厭氧污泥均取自徐州康達(dá)豐縣污水處理廠。除同時(shí)添加脫氮微生物以及產(chǎn)氫微生物的實(shí)驗(yàn)組外，還設(shè)有僅添加脫氮微生物組和未添加微生物的非生物陰極組。經(jīng)過32天的運(yùn)行，生物陰極的脫氮效果相對(duì)于非生物陰極有明顯的提升，結(jié)果和實(shí)施例1相似，在此不做額外圖表。
[0023]綜上所述，本發(fā)明通過生物產(chǎn)氫強(qiáng)化微生物電化學(xué)脫氮處理工藝，可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器中產(chǎn)氫微生物對(duì)脫氮微生物的促進(jìn)`作用，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，進(jìn)而提高脫氮效率。
[0024]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動(dòng)與修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種生物產(chǎn)氫強(qiáng)化的微生物電化學(xué)脫氮方法，是以微生物電化學(xué)系統(tǒng)為反應(yīng)器，通過在污水進(jìn)水中添加含產(chǎn)氫微生物的厭氧污泥上清液，提高生物陰極反硝化細(xì)菌的脫氮速率，同時(shí)維持反應(yīng)器陰極中PH值的穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述微生物電化學(xué)系統(tǒng)反應(yīng)器包括陽極碳刷(I)、陰極碳刷(2)、參比電極(3)、陽離子交換膜(4)、橡膠塞(5)、外電阻(6)、進(jìn)水接口(7)、出水接口(8)和進(jìn)料泵(9)，由陽離子交換膜(4)將微生物電化學(xué)系統(tǒng)反應(yīng)器分為陰、陽兩極室。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述陰極室頂部開孔用于放置參比電極 (3)，側(cè)邊底部和頂部分別開有進(jìn)水接口(7)和出水接口(8)，陰陽極與參比電極通過導(dǎo)線組成外電路，之間連有IOOQ的電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，具體步驟為:(1)啟動(dòng)裝置馴化陽極:陽極室內(nèi)裝有總體積為550mL的產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液和含產(chǎn)電微生物的厭氧污泥上清液,其中產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液與厭氧污泥上清液的體積比為3:1，當(dāng)陽極電勢(shì)穩(wěn)定在-0.5V時(shí)，陽極馴化結(jié)束；(2)啟動(dòng)生物陰極脫氮:在陽極電勢(shì)穩(wěn)定后，向陰極添加總體積為550mL的反硝化營(yíng)養(yǎng)液和含反硝化微生物的厭氧污泥上清液，其中反硝化營(yíng)養(yǎng)液與厭氧污泥上清液的體積比為3:1，當(dāng)陰極電勢(shì)穩(wěn)定在-0.24V時(shí)，即為脫氮效果穩(wěn)定；(3)脫氮效果穩(wěn)定后，向陰極進(jìn)水中接種占進(jìn)水總體積25%的經(jīng)高溫滅菌的含產(chǎn)氫微生物孢子的厭氧污泥上清液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述含產(chǎn)電微生物的厭氧污泥上清液是經(jīng)過產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液馴化的厭氧污泥上清液。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述含反硝化微生物的厭氧污泥上清液是經(jīng)過反硝化營(yíng)養(yǎng)液馴化的厭氧污泥上清液。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)電營(yíng)養(yǎng)液:KC10.13mg/L、NH4Cl0.31mg/L、NaH2P042.7mg/L、Na2HP04ll.55mg/L、無水乙酸鈉 1.0mg/L、微量元素 lmL/mL、維生素液lmL/mL。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述反硝化營(yíng)養(yǎng)液:KN031.0mg/L、NaCl0.5mg/L、NaHC032.0mg/L、KH2P044.4mg/L、K2HP043.4mg/L,MgSO40.2mg/L, CaCl20.015mg/L0
【文檔編號(hào)】C02F3/34GK103613206SQ201310646776
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】嚴(yán)群, 劉浩 申請(qǐng)人:江南大學(xué)