专利名称：一种三维电极生物膜强化脱氮方法
技术领域：
:本发明属于污水处理与资源化利用领域，具体地说是一种将三维电极生物膜工艺与硫自养反硝化工艺相耦合用于污水脱氮处理的水处理工艺，特别适用于低碳氮比污水的脱氮处理。
背景技术：
:三维电极-生物膜技术是在以氢气为电子供体的自养反硝化基础上发展起来的一种生物与电化学相结合的水处理技术，在少量或不投加有机碳源的条件下，能够实现对氮和部分有机物的去除。该工艺将电化学法与生物膜法相结合，在物理电极上进行微生物挂膜，在电极间通以直流电进行电解，阴极产生的氢气被微生物利用以进行自养反硝化脱氮。该工艺产物清洁，不会增加出水负担；将复杂的生物化学反应过程用简单的电流调节进行控制，操作起来非常方便。但是该工艺与异养反硝化工艺一样，都存在出水碱度升高的问题；在碳氮比(C0D与氮元素的质量浓度比)低于1.5:1时，处理效率较低。当将三维电极生物膜工艺用于低碳氮比污水的脱氮处理时，若要保证较高的硝态氮去处效率，需要向原水中投加甲醇、乙醇、乙酸等有机碳源，为了减少和避免有机物在出水中残留，需要精确控制有机物的投加剂量，而且异养菌的大量繁殖也会增加出水浊度。强化三维电极生物膜的自养反硝化过程可以有效避免由于投加有机碳源造成成本增加和二次污染的问题，并且自养菌合成的生物量较少，对出水浊度影响也相对较小。运用单质硫作为无机电子供体用于污水的脱氮处理，可以减少有机碳源的投加，微生物在利用单质硫进行反硝化的过程中会产生H+。若将三维电极生物膜工艺与硫自养工艺相耦合用于污水的脱氮处理，硫自养反硝化产生的H+能够与氢自养反硝化和异养反硝化产生的0H_中和，为反硝化细菌提供一个中性环境，有利于反硝化过程的进行。王海燕曾研制出一种电化学氢自养与硫自养集成的反硝化脱氮反应器。该反应器的主体部分为硫自养段和氢自养段，两者分开布置，在硫自养段没有电化学氢自养的作用，电化学氢自养段也不存在硫自养反硝化作用。硫自养段装填粒径大小为3 4mm的硫磺，电化学氢自养段以碳棒作为阳极，以不锈钢板为阴极，不加填料。反应器在运行时，将pH=8、C (NO3^-N) =30mg/L的污水依次通过硫自养段和氢自养段。检测进出水N03__N、S042_的浓度和PH值发现，反应器对NO3--N的去除率达到了 90%以上，出水中SO/—的积累量为170mg.L—1，硫自养段和氢自养段出水的pH值分别在7和7.5附近，并通过分析证明了该工艺的高脱氮效率是电化学氢自养与硫自养相互补充协同作用的结果。本发明与王海燕的研究有所不同。首先，在反应器结构上，本发明以活性炭颗粒和硫磺颗粒作为填料，氢自养段和硫自养段并非是独立分开的；以多孔状、网状金属或活性炭纤维材料作为阴极，极大的增大了阴极的比表面积，以便于微生物附着。其次，本发明的脱氮机理也更为复杂， 除了电化学方面的相互补充和促进，更是由于硫自养反硝化细菌、氢自养反硝化细菌和异养反硝化细菌在整个体系相互协同作用的结果。维持系统的PH值在中性附近，对系统中N03_-N能否彻底被还原为N2很重要，pH过高或者过低都会影响反硝化细菌的亚硝酸还原酶的活性，导致Ν02_-Ν的积累。同时pH过高或者过低还会影响系统出水的水质。本发明很好的解决了系统中酸碱度平衡的问题，硫自养反硝化可以解除氢自养和异养反硝化过程的碱度抑制问题，同时硫自养产氢可促进氢自养反硝化过程；氢自养和异养反硝化也可为硫自养解除酸度抑制。硫自养反硝化过程、异养反硝化过程和氢自养过程三者相互作用，为反应器中反硝化细菌提供适宜生长的中性环境，减少了 no2_-n的积累；同时三种反应过程相互补充，减少了硫自养反硝化过程产生的SO42-,避免了二次污染。再者，本发明是将三维电极生物膜工艺和硫自养反硝化工艺相耦合用于污水的脱氮处理，相对于电极生物膜工艺，三维电极生物膜工艺由于阴极面积极大的增加，脱氮效率也极大的提高了
发明内容
:本发明的目的是:强化三维电极生物膜工艺，提高其脱氮效率。本发明的技术方案是:通过向三维电极生物膜工艺体系中添加一种活性质粒来强化三维电极生物膜工艺的自养反硝化过程，提高其脱氮效率。所述的三维电极生物膜强化脱氮工艺实质上是一种将三维电极生物膜脱氮工艺与硫自养脱氮工艺相稱合的脱氮技术。
所述的三维电极生物膜强化脱氮工艺由阴极、阳极、直流电源、粒子电极和活性质粒五个部分组成。所述的三维电极生物膜强化脱氮工艺粒子电极使用的材料为活性炭颗粒，活性质粒使用的材料为硫磺颗粒，两者以体积比为5:1 10:1的比例在三维电极生物膜体系中均匀混合，置于阴极和阳极之间。所述的三维电极生物膜强化脱氮工艺，阳极置于反应器的正中央，阴极沿圆柱形
内壁布置。所述的三维电极生物膜强化脱氮工艺，采用高纯石墨棒或碳棒作为阳极，采用多孔状、网状金属或活性炭纤维材料作为阴极。所述的三维电极生物膜强化脱氮工艺，其脱氮过程是由系统中硫自养反硝化细菌、氢自养反硝化细菌和异养反硝化细菌相互协同作用来完成的。硫自养反硝化可以解除氢自养和异养反硝化过程的碱度抑制问题，同时硫自养产氢可促进氢自养反硝化过程；氢自养和异养反硝化也为硫自养解除酸度抑制。硫自养反硝化过程、异养反硝化过程和氢自养过程三者相互作用，为反应器中反硝化细菌提供适宜生长的中性环境，也减少了硫自养反硝化过程产生的SO广。所述的三维电极生物膜强化脱氮工艺适用于污水的脱氮处理，特别适用于低碳氮比的污水的脱氮处理。所述的三维电极生物膜强化脱氮工艺，大幅度提高了三维电极生物膜工艺TN及Ν03_-Ν的去除率，有效地改善了三维电极生物膜工艺出水与进水pH差值过高的情况，还解决了常规三维电极生物膜深度脱氮工艺出水中NO2--N过度积累的问题。对比现有技术本发明具有以下有益效果:1.本发明大幅度提高了三维电极生物膜工艺的脱氮效率。在处理高碳氮比和低碳氮比的污水时，可以分别达到98%和85%以上的NOf-N去除率，85%和80%以上的TN去除率。2.本发明有效地改善了三维电极生物膜工艺进出水pH差值过高的情况，有较强的PH值缓冲能力。在处理高碳氮比和低碳氮比的污水时进出水pH差值分别小于0.8和
0.4。3.本发明有效改善了三维电极生物膜深度脱氮工艺出水中NO2--N积累的情况，在处理高碳氮比和低碳氮比的污水时，NO2--N的积累量分别低于4mg.Γ1和lmg.L'
:图1是本发明所采用的三维电极生物膜工艺试验装置图。图2是两种工艺NO3--N和TN的去除率比较。图3是两种工艺出水pH值和进出水pH差值的比较。图4是两种工艺出水NO2--N积累情况比较及强化型三维电极生物膜工艺出水SO42-积累情况。
具体实施例方式下面结合实例对本发明作进一步的详细说明，以下实例旨在说明本发明，并不限制本发明的使用范围。设计了如图1所示的反应器，采用有机玻璃材质的圆柱体作为反应器的池体，反应器的内径为25cm，高度为1.4m，。以石墨棒2作为阳极，并置于反应器的正中央，以内夹聚丙烯晴活性炭纤维 的双层泡沫镍3作为阴极置于沿反应器内壁布置，阴极和阳极分别接入直流电源I的负极和正极。反应器的阴极和阳极之间4充满体积比为8:1的颗粒活性炭和硫磺颗粒的均勻混合物，其中活性炭颗粒的粒径为5 8mm,硫磺颗粒的粒径为3 5_。反应器的有效容积为22L。在反应器的池体上设有取样口 5，反应器的下端装有粒径比活性炭颗粒和硫磺颗粒稍大的石英砂6，作为反应器的的承托层，高度为10cm，7为带孔的布水板，8和9分别为反应器的进水管和反冲洗水管，10为反应器的出水口，阴极最上端11至反应器的承托层之间的区域为高度为0.96m的反应区。采用污水处理厂的回流污泥为原泥接种，采用梯度增大电流的方式进行驯化。采用单一因素变量对比运行说明本发明的优越性，即将三维电极生物膜强化脱氮工艺(添加活性质粒)与常规的三维电极生物膜工艺(未添加活性质粒)在相同外界条件下对比运行。下面通过两个运行实例说明三维电极生物膜强化脱氮工艺在高碳氮比和低碳氮比下的运行特性。实例一:分别用三维电极生物强化脱氮工艺和常规的三维电极生物膜工艺处理碳氮磷比(C0D与氮元素和磷元素的质量浓度比)为30:10:1，pH为7.0-7.5的污水。保持电极电流为60mA，水力停留时间为12h，温度为15-22°C。每天测定进出水的TN、N03__N、N02__N、pH和S042_。两种工艺稳定运行19天后，三维电极生物膜强化脱氮工艺的TN的平均去除率为85.55%，NO3-N的平均去除率为98.49% ;出水的pH平均值为8.07，进出水的PH平均差值为
0.64 ；NO2^-N的平均积累量为3.90mg/l,出水S042—的平均积累量为34.34mg/L。常规的三维电极生物膜工艺TN的平均去除率为70%，N03_-N的平均去除率为87.41% ;出水的pH平均值为8.25，进出水的pH平均差值为0.86 ;Ν02_-Ν的平均积累量为6.38mg.L—1。实例二:分别用三维电极生物强化脱氮工艺和常规的三维电极生物膜工艺处理碳氮磷比为10:10:1，pH为7.0-7.5的污水。保持电极电流为60mA，水力停留时间为12h，温度为15-20°C。两种工艺稳定运行11天后，强化自养反硝化三维电极生物膜工艺TN的平均去除率为81.34%，NO3--N的平均去除率为84.23% ;出水的pH平均值为7.64，进出水的pH平均差值为0.29 ；NO2^-N的平均积累量为0.99mg/l,出水S042_的平均积累量为128.8mg/L,常规的三维电极生物膜工艺总氮的平均去除率为47%，N03_-N的平均去除率为61% ;出水的pH平均值为8.02，进出水的pH平均差值为0.58 ；NO2^-N的平均积累量为1.47mg/l。强化型三维电极生物膜工艺和常规三维电极生物膜工艺在进水碳氮比为3和I时，运行的一个月内运行效果比较如图。图2是两种工艺NCV-N和TN的去除率比较。图3是两种工艺出水PH值和进出水pH差值的比较。图4是两种工艺出水Ν02_-Ν积累情况比较及强化型三维电极生物膜工艺出水SO/—积累情况。以上两个实例表明三维电极生物膜强化脱氮工艺在进水高碳氮比和低碳氮比条件下均能维持较高的脱氮效率，较强 的PH缓冲能力，较低的NO2--N积累量。
权利要求
1.一种三维电极生物膜强化脱氮方法，所采用的反应器由阴极、阳极、直流电源、粒子电极和活性质粒五个部分组成；其特征是，以活性炭颗粒作为粒子电极，以硫磺颗粒作为活性质粒，两者以体积比为5:1 10:1的比例均匀混合置于阴极和阳极之间。
2.根据权利要求1所述的一种三维电极生物膜强化脱氮方法，其特征是，阳极置于反应器的正中央，阴极沿反应器内壁布置。
3.根据权利要求1或2所述的一种三维电极生物膜强化脱氮方法，其特征是，使用石墨棒或碳棒的材料作为阳极，使用多孔状、 网状金属或活性炭纤维材料作为阴极。
全文摘要
一种三维电极生物膜强化脱氮方法，将三维电极生物膜工艺与硫自养工艺相耦合用于污水的脱氮处理，通过提高三维电极生物膜工艺的自养反硝化所占的比例来强化三维电极生物膜工艺。所采用的反应器由阴极、阳极、直流电源、粒子电极和活性质粒组成；其特征是，以活性炭颗粒作为粒子电极，以硫磺颗粒作为活性质粒，两者以体积比为5:1～10:1的比例均匀混合置于阴极和阳极之间。与通常所提到的三维电极生物膜工艺相比，本发明大幅度提高了污水中TN及NO3‐‐N的去除率；有效地改善了三维电极生物膜工艺出水与进水pH差值过高的情况，有较强的pH值缓冲能力；还解决了常规三维电极生物膜深度脱氮工艺出水中NO2‐‐N过度积累的情况。
文档编号C02F101/16GK103193317SQ20131015003
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月21日 优先权日2013年4月21日
发明者郝瑞霞, 孟成成, 任晓克, 王建超, 王润众, 赵文莉 申请人:北京工业大学