專利名稱：一種三維電極生物膜強化脫氮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明屬于污水處理與資源化利用領(lǐng)域，具體地說是一種將三維電極生物膜工藝與硫自養(yǎng)反硝化工藝相耦合用于污水脫氮處理的水處理工藝，特別適用于低碳氮比污水的脫氮處理。
背景技術(shù)：
:三維電極-生物膜技術(shù)是在以氫氣為電子供體的自養(yǎng)反硝化基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種生物與電化學(xué)相結(jié)合的水處理技術(shù)，在少量或不投加有機碳源的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)對氮和部分有機物的去除。該工藝將電化學(xué)法與生物膜法相結(jié)合，在物理電極上進行微生物掛膜，在電極間通以直流電進行電解，陰極產(chǎn)生的氫氣被微生物利用以進行自養(yǎng)反硝化脫氮。該工藝產(chǎn)物清潔，不會增加出水負擔；將復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程用簡單的電流調(diào)節(jié)進行控制，操作起來非常方便。但是該工藝與異養(yǎng)反硝化工藝一樣，都存在出水堿度升高的問題；在碳氮比(C0D與氮元素的質(zhì)量濃度比)低于1.5:1時，處理效率較低。當將三維電極生物膜工藝用于低碳氮比污水的脫氮處理時，若要保證較高的硝態(tài)氮去處效率，需要向原水中投加甲醇、乙醇、乙酸等有機碳源，為了減少和避免有機物在出水中殘留，需要精確控制有機物的投加劑量，而且異養(yǎng)菌的大量繁殖也會增加出水濁度。強化三維電極生物膜的自養(yǎng)反硝化過程可以有效避免由于投加有機碳源造成成本增加和二次污染的問題，并且自養(yǎng)菌合成的生物量較少，對出水濁度影響也相對較小。運用單質(zhì)硫作為無機電子供體用于污水的脫氮處理，可以減少有機碳源的投加，微生物在利用單質(zhì)硫進行反硝化的過程中會產(chǎn)生H+。若將三維電極生物膜工藝與硫自養(yǎng)工藝相耦合用于污水的脫氮處理，硫自養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的H+能夠與氫自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的0H_中和，為反硝化細菌提供一個中性環(huán)境，有利于反硝化過程的進行。王海燕曾研制出一種電化學(xué)氫自養(yǎng)與硫自養(yǎng)集成的反硝化脫氮反應(yīng)器。該反應(yīng)器的主體部分為硫自養(yǎng)段和氫自養(yǎng)段，兩者分開布置，在硫自養(yǎng)段沒有電化學(xué)氫自養(yǎng)的作用，電化學(xué)氫自養(yǎng)段也不存在硫自養(yǎng)反硝化作用。硫自養(yǎng)段裝填粒徑大小為3 4mm的硫磺，電化學(xué)氫自養(yǎng)段以碳棒作為陽極，以不銹鋼板為陰極，不加填料。反應(yīng)器在運行時，將pH=8、C (NO3^-N) =30mg/L的污水依次通過硫自養(yǎng)段和氫自養(yǎng)段。檢測進出水N03__N、S042_的濃度和PH值發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器對NO3--N的去除率達到了 90%以上，出水中SO/—的積累量為170mg.L—1，硫自養(yǎng)段和氫自養(yǎng)段出水的pH值分別在7和7.5附近，并通過分析證明了該工藝的高脫氮效率是電化學(xué)氫自養(yǎng)與硫自養(yǎng)相互補充協(xié)同作用的結(jié)果。本發(fā)明與王海燕的研究有所不同。首先，在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明以活性炭顆粒和硫磺顆粒作為填料，氫自養(yǎng)段和硫自養(yǎng)段并非是獨立分開的；以多孔狀、網(wǎng)狀金屬或活性炭纖維材料作為陰極，極大的增大了陰極的比表面積，以便于微生物附著。其次，本發(fā)明的脫氮機理也更為復(fù)雜， 除了電化學(xué)方面的相互補充和促進，更是由于硫自養(yǎng)反硝化細菌、氫自養(yǎng)反硝化細菌和異養(yǎng)反硝化細菌在整個體系相互協(xié)同作用的結(jié)果。維持系統(tǒng)的PH值在中性附近，對系統(tǒng)中N03_-N能否徹底被還原為N2很重要，pH過高或者過低都會影響反硝化細菌的亞硝酸還原酶的活性，導(dǎo)致Ν02_-Ν的積累。同時pH過高或者過低還會影響系統(tǒng)出水的水質(zhì)。本發(fā)明很好的解決了系統(tǒng)中酸堿度平衡的問題，硫自養(yǎng)反硝化可以解除氫自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化過程的堿度抑制問題，同時硫自養(yǎng)產(chǎn)氫可促進氫自養(yǎng)反硝化過程；氫自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化也可為硫自養(yǎng)解除酸度抑制。硫自養(yǎng)反硝化過程、異養(yǎng)反硝化過程和氫自養(yǎng)過程三者相互作用，為反應(yīng)器中反硝化細菌提供適宜生長的中性環(huán)境，減少了 no2_-n的積累；同時三種反應(yīng)過程相互補充，減少了硫自養(yǎng)反硝化過程產(chǎn)生的SO42-,避免了二次污染。再者，本發(fā)明是將三維電極生物膜工藝和硫自養(yǎng)反硝化工藝相耦合用于污水的脫氮處理，相對于電極生物膜工藝，三維電極生物膜工藝由于陰極面積極大的增加，脫氮效率也極大的提高了
發(fā)明內(nèi)容
:本發(fā)明的目的是:強化三維電極生物膜工藝，提高其脫氮效率。本發(fā)明的技術(shù)方案是:通過向三維電極生物膜工藝體系中添加一種活性質(zhì)粒來強化三維電極生物膜工藝的自養(yǎng)反硝化過程，提高其脫氮效率。所述的三維電極生物膜強化脫氮工藝實質(zhì)上是一種將三維電極生物膜脫氮工藝與硫自養(yǎng)脫氮工藝相稱合的脫氮技術(shù)。

所述的三維電極生物膜強化脫氮工藝由陰極、陽極、直流電源、粒子電極和活性質(zhì)粒五個部分組成。所述的三維電極生物膜強化脫氮工藝粒子電極使用的材料為活性炭顆粒，活性質(zhì)粒使用的材料為硫磺顆粒，兩者以體積比為5:1 10:1的比例在三維電極生物膜體系中均勻混合，置于陰極和陽極之間。所述的三維電極生物膜強化脫氮工藝，陽極置于反應(yīng)器的正中央，陰極沿圓柱形
內(nèi)壁布置。所述的三維電極生物膜強化脫氮工藝，采用高純石墨棒或碳棒作為陽極，采用多孔狀、網(wǎng)狀金屬或活性炭纖維材料作為陰極。所述的三維電極生物膜強化脫氮工藝，其脫氮過程是由系統(tǒng)中硫自養(yǎng)反硝化細菌、氫自養(yǎng)反硝化細菌和異養(yǎng)反硝化細菌相互協(xié)同作用來完成的。硫自養(yǎng)反硝化可以解除氫自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化過程的堿度抑制問題，同時硫自養(yǎng)產(chǎn)氫可促進氫自養(yǎng)反硝化過程；氫自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化也為硫自養(yǎng)解除酸度抑制。硫自養(yǎng)反硝化過程、異養(yǎng)反硝化過程和氫自養(yǎng)過程三者相互作用，為反應(yīng)器中反硝化細菌提供適宜生長的中性環(huán)境，也減少了硫自養(yǎng)反硝化過程產(chǎn)生的SO廣。所述的三維電極生物膜強化脫氮工藝適用于污水的脫氮處理，特別適用于低碳氮比的污水的脫氮處理。所述的三維電極生物膜強化脫氮工藝，大幅度提高了三維電極生物膜工藝TN及Ν03_-Ν的去除率，有效地改善了三維電極生物膜工藝出水與進水pH差值過高的情況，還解決了常規(guī)三維電極生物膜深度脫氮工藝出水中NO2--N過度積累的問題。對比現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明具有以下有益效果:1.本發(fā)明大幅度提高了三維電極生物膜工藝的脫氮效率。在處理高碳氮比和低碳氮比的污水時，可以分別達到98%和85%以上的NOf-N去除率，85%和80%以上的TN去除率。2.本發(fā)明有效地改善了三維電極生物膜工藝進出水pH差值過高的情況，有較強的PH值緩沖能力。在處理高碳氮比和低碳氮比的污水時進出水pH差值分別小于0.8和
0.4。3.本發(fā)明有效改善了三維電極生物膜深度脫氮工藝出水中NO2--N積累的情況，在處理高碳氮比和低碳氮比的污水時，NO2--N的積累量分別低于4mg.Γ1和lmg.L'


:圖1是本發(fā)明所采用的三維電極生物膜工藝試驗裝置圖。圖2是兩種工藝NO3--N和TN的去除率比較。圖3是兩種工藝出水pH值和進出水pH差值的比較。圖4是兩種工藝出水NO2--N積累情況比較及強化型三維電極生物膜工藝出水SO42-積累情況。
具體實施例方式下面結(jié)合實例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，以下實例旨在說明本發(fā)明，并不限制本發(fā)明的使用范圍。設(shè)計了如圖1所示的反應(yīng)器，采用有機玻璃材質(zhì)的圓柱體作為反應(yīng)器的池體，反應(yīng)器的內(nèi)徑為25cm，高度為1.4m，。以石墨棒2作為陽極，并置于反應(yīng)器的正中央，以內(nèi)夾聚丙烯晴活性炭纖維 的雙層泡沫鎳3作為陰極置于沿反應(yīng)器內(nèi)壁布置，陰極和陽極分別接入直流電源I的負極和正極。反應(yīng)器的陰極和陽極之間4充滿體積比為8:1的顆?；钚蕴亢土蚧穷w粒的均勻混合物，其中活性炭顆粒的粒徑為5 8mm,硫磺顆粒的粒徑為3 5_。反應(yīng)器的有效容積為22L。在反應(yīng)器的池體上設(shè)有取樣口 5，反應(yīng)器的下端裝有粒徑比活性炭顆粒和硫磺顆粒稍大的石英砂6，作為反應(yīng)器的的承托層，高度為10cm，7為帶孔的布水板，8和9分別為反應(yīng)器的進水管和反沖洗水管，10為反應(yīng)器的出水口，陰極最上端11至反應(yīng)器的承托層之間的區(qū)域為高度為0.96m的反應(yīng)區(qū)。采用污水處理廠的回流污泥為原泥接種，采用梯度增大電流的方式進行馴化。采用單一因素變量對比運行說明本發(fā)明的優(yōu)越性，即將三維電極生物膜強化脫氮工藝(添加活性質(zhì)粒)與常規(guī)的三維電極生物膜工藝(未添加活性質(zhì)粒)在相同外界條件下對比運行。下面通過兩個運行實例說明三維電極生物膜強化脫氮工藝在高碳氮比和低碳氮比下的運行特性。實例一:分別用三維電極生物強化脫氮工藝和常規(guī)的三維電極生物膜工藝處理碳氮磷比(C0D與氮元素和磷元素的質(zhì)量濃度比)為30:10:1，pH為7.0-7.5的污水。保持電極電流為60mA，水力停留時間為12h，溫度為15-22°C。每天測定進出水的TN、N03__N、N02__N、pH和S042_。兩種工藝穩(wěn)定運行19天后，三維電極生物膜強化脫氮工藝的TN的平均去除率為85.55%，NO3-N的平均去除率為98.49% ;出水的pH平均值為8.07，進出水的PH平均差值為
0.64 ；NO2^-N的平均積累量為3.90mg/l,出水S042—的平均積累量為34.34mg/L。常規(guī)的三維電極生物膜工藝TN的平均去除率為70%，N03_-N的平均去除率為87.41% ;出水的pH平均值為8.25，進出水的pH平均差值為0.86 ;Ν02_-Ν的平均積累量為6.38mg.L—1。實例二:分別用三維電極生物強化脫氮工藝和常規(guī)的三維電極生物膜工藝處理碳氮磷比為10:10:1，pH為7.0-7.5的污水。保持電極電流為60mA，水力停留時間為12h，溫度為15-20°C。兩種工藝穩(wěn)定運行11天后，強化自養(yǎng)反硝化三維電極生物膜工藝TN的平均去除率為81.34%，NO3--N的平均去除率為84.23% ;出水的pH平均值為7.64，進出水的pH平均差值為0.29 ；NO2^-N的平均積累量為0.99mg/l,出水S042_的平均積累量為128.8mg/L,常規(guī)的三維電極生物膜工藝總氮的平均去除率為47%，N03_-N的平均去除率為61% ;出水的pH平均值為8.02，進出水的pH平均差值為0.58 ；NO2^-N的平均積累量為1.47mg/l。強化型三維電極生物膜工藝和常規(guī)三維電極生物膜工藝在進水碳氮比為3和I時，運行的一個月內(nèi)運行效果比較如圖。圖2是兩種工藝NCV-N和TN的去除率比較。圖3是兩種工藝出水PH值和進出水pH差值的比較。圖4是兩種工藝出水Ν02_-Ν積累情況比較及強化型三維電極生物膜工藝出水SO/—積累情況。以上兩個實例表明三維電極生物膜強化脫氮工藝在進水高碳氮比和低碳氮比條件下均能維持較高的脫氮效率，較強 的PH緩沖能力，較低的NO2--N積累量。
權(quán)利要求
1.一種三維電極生物膜強化脫氮方法，所采用的反應(yīng)器由陰極、陽極、直流電源、粒子電極和活性質(zhì)粒五個部分組成；其特征是，以活性炭顆粒作為粒子電極，以硫磺顆粒作為活性質(zhì)粒，兩者以體積比為5:1 10:1的比例均勻混合置于陰極和陽極之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維電極生物膜強化脫氮方法，其特征是，陽極置于反應(yīng)器的正中央，陰極沿反應(yīng)器內(nèi)壁布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種三維電極生物膜強化脫氮方法，其特征是，使用石墨棒或碳棒的材料作為陽極，使用多孔狀、 網(wǎng)狀金屬或活性炭纖維材料作為陰極。
全文摘要
一種三維電極生物膜強化脫氮方法，將三維電極生物膜工藝與硫自養(yǎng)工藝相耦合用于污水的脫氮處理，通過提高三維電極生物膜工藝的自養(yǎng)反硝化所占的比例來強化三維電極生物膜工藝。所采用的反應(yīng)器由陰極、陽極、直流電源、粒子電極和活性質(zhì)粒組成；其特征是，以活性炭顆粒作為粒子電極，以硫磺顆粒作為活性質(zhì)粒，兩者以體積比為5:1～10:1的比例均勻混合置于陰極和陽極之間。與通常所提到的三維電極生物膜工藝相比，本發(fā)明大幅度提高了污水中TN及NO3‐‐N的去除率；有效地改善了三維電極生物膜工藝出水與進水pH差值過高的情況，有較強的pH值緩沖能力；還解決了常規(guī)三維電極生物膜深度脫氮工藝出水中NO2‐‐N過度積累的情況。
文檔編號C02F101/16GK103193317SQ20131015003
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月21日
發(fā)明者郝瑞霞, 孟成成, 任曉克, 王建超, 王潤眾, 趙文莉 申請人:北京工業(yè)大學(xué)