一种用于同步脱氮除碳的滴滤式生物阴极微生物电化学系统的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种滴滤式生物阴极微生物电化学系统。
【背景技术】
[0002]废水中的污染物主要为化学需氧量和氨氮，随着现代工业的高速发展以及化肥农药的普遍应用，废水中氨氮含量不断增加，其对环境的影响也逐渐引起人们的广泛的关注。其最突出的危害是毒害水生生物、消耗氧气、导致水体富营养化以及影响氯消毒的效率，因此经济有效降的降低废水中氨氮含量已成为当今环境工作者面临的重大课题。相对于物化法脱氮技术，传统生物脱氮技术(硝化/反硝化)以及近些年来一些新兴的脱氮技术(短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、全程自养脱氮等)因具有效率高、运行成本相对较低等优势而被认为是目前最经济有效的脱氮方法。但也存在一定的问题:a.厌氧氨氧化菌倍增时间长(Ild)，导致反应器启动时间较长，实验室一般需要3-6个月，而工程应用启动时间更长；b.厌氧氨氧化菌抗冲击能力弱，导致全程自养脱氮工艺存在氮负荷和去除率低，运行不稳定等问题；c.为保证反硝化过程的顺利进行，需额外添加碳源；d.曝气需要消耗一定的能量。
[0003]微生物电化学系统是一种可利用微生物的催化作用，将有机物中的化学能转化为电能的装置。因其具有高效降解有机污染物、产生清洁能源电能、污泥产量低等诸多优点，在环境、能源及废水处理领域受到了广泛的关注，并为生物脱氮技术提供了一条新的思路。研宄发现生物阴极型微生物电化学系统具有脱氮的能力，结合微生物电化学系统和传统生物脱氮反应器的构造，目前已设计了不同结构的具有脱氮功能的微生物电化学系统，按照构型的不同主要有两大类，即单室微生物电化学系统及双室微生物电化学系统。这两种构型的反应机理相同，即有机物在阳极发生氧化反应，产生的电子从阳极通过外电路传递到阴极，阴极发生同时硝化反硝化作用，反硝化过程所需的电子部分可从阴极上直接得到，部分可利用碳源代谢过程中产生的电子。与传统及新兴生物脱氮工艺相比，实现了可产生电能又能去除碳氮的双重功能，且无需外加碳源(反硝化菌可利用阴极电子作为直接的电子供体)。且在微生物电化学脱氮除碳系统中，并没有厌氧氨氧化菌的参与，因此不存在反应器启动时间长、运行不稳定等问题。尽管微生物电化学脱氮除碳系统经过不断地优化及改进，已经克服了很多不足，如从最初的分段式外接硝化池发展到现在的一体式同步硝化反硝化微生物电化学系统、系统的输出功率不断提高、氮处理负荷及氮去除效率明显提高等。但从目前的反应器设计与大型化应用角度来看，还存在以下几个问题:a.阴极多采用逆流或者直接曝气的方式来实现硝化作用，这有悖于微生物电化学系统回收能量的初衷；b.由于硝化和反硝化反应同时发生在一个空间内，而二者对氧气的需求截然不同，阴极曝气量较难控制c.为了提高系统的功率输出，阴极多采用铂碳阴极，这不仅提高了反应器的构建成本，更限制了其大型化应用。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决上述存在的问题，而提供了一种用于同步脱氮除碳的滴滤式生物阴极微生物电化学系统。
[0005]本发明的一种用于同步脱氮除碳的滴滤式生物阴极微生物电化学系统，它包括支撑底座和反应器箱体；其中，反应器箱体分为阳极区和阴极区两部分；
[0006]所述的阳极区是由三通进水口、阳极液、多孔配水板、导水口、导水管、氧化还原电极插入口、钛丝I和两条碳纤维刷阳极构成；
[0007]所述的阴极区分为好氧段和缺氧段；所述的阴极区是由阴极液、出水口、取样口、温度传感器插入口、参比电极插入口、两条阴极、钛丝2和回流口构成；
[0008]其中，撑底座设置于反应器箱体底部，所述的阳极区位于反应器箱体的下部，阴极区位于反应器箱体的上部，阳极区和阴极区通过法兰板连接；所述的法兰板固定有阳离子交换膜，阳极液与阴极液通过法兰板隔开，阳极液通过泵经设置在反应器箱体底端的三通进水口和设置在反应器箱体内底部的多孔配水板泵入到阳极区，阳极区出水经由设置在阳极区的反应器箱体右侧壁上的导水口流出，经由导水管进入到阴极区，所述的导水管的进水口与导水口的出水口连通；所述的两条碳纤维刷阳极置于阳极液中，并分别与钛丝I相连接；所述的钛丝I设置于阳极区中上部且横向贯穿于反应器箱体，在钛丝I与多孔配水板之间的反应器箱体左侧壁上设置有氧化还原电极插入口；
[0009]所述的钛丝2设置于阴极区上部且横向贯穿于反应器箱体，阳极区出水经导水管进入滴滤式布水喷咀布入到阴极区中，形成阴极液；所述的滴滤式布水喷咀进水口与导水管的出口连通，滴滤式布水喷咀固定于导水管支撑架上并置于阴极区上端，所述的导水管支撑架通过螺丝固定在反应器箱体的右侧壁上，所述的两条阴极置于阴极液中，两条阴极分别与钛丝2连接，在阴极区的反应器箱体右侧壁上设置有温度传感器插入口，在其左侧壁由上至下分别设置有参比电极插入口、取样口、出水口和回流口 ；所述的出水口的出水端与出水管的进水端连通，出水管的出水端置于出水管支撑架上；
[0010]其中，所述的钛丝I与钛丝2通过导线与负载相连。
[0011]本发明针对上述微生物电化学脱氮除碳系统存在的问题，采用如下手段解决了上述问题:
[0012]a.采用滴滤式布水喷咀将反应器的阳极出水导入到阴极，并从阴极顶部布洒下来，使空气随着布水过程进入装置，供反应器上端的硝化菌进行硝化反应，无需曝气，节省能耗；b.反应器阴极区在垂直方向上可以形成溶解氧梯度，利用这种溶解氧浓度梯度，即可在阴极区的上部分完成硝化反应，而在阴极区的下部分完成反硝化反应，无需精确控制溶解氧浓度，降低了该工艺的复杂程度；c.采用碳纤维刷作为生物阴极，即降低了系统构建成本又可以增大微生物附着量，同时在阴极上部分增加价格低廉的不锈钢网辊压阴极以提高系统的能量输出，增大其大型化应用的可能性。
[0013]本发明的滴滤式生物阴极微生物电化学系统是通过下述原理实现同步脱氮除碳过程的:富含有机物和氨氮(nh4+-n)的废水从阳极区底部的三通进水口进入反应器箱体，有机物在阳极区被异养菌分解释放电子，大部分有机物被降解，剩余有机物及绝大部分的氨氮(MV-N)经由导水管11引入到阴极区，在阴极区的好氧段主要发生硝化反应，即氨氮(nh4+-n)首先在亚硝酸菌的作用下，转化为亚硝态氮(no2_n)，然后在硝酸菌的作用下亚硝态氮(no2_n)转化为硝态氮(no3_n)。在阴极区的缺氧段，硝态氮(no3_n)在反硝化菌的作用下转化为N2，完成全程脱氮作用。同时阳极区出水中残留的有机物可以作为反硝化作用的电子供体被进一步除去，另外，阳极区有机物氧化释放的电子可经由外电路传递到阴极，供反硝化菌进行反硝化作用。
[0014]通过控制溶解氧浓度、游离氨氮(NH4+-N)浓度，可以在该同步脱氮除碳的滴滤式生物阴极微生物电化学系统中，实现短程硝化反硝化过程，以缩短脱氮反应的历程、避免能源的浪费。如控制溶解氧的浓度在lmg/L以下时，可以有效的提高亚硝态氮(Ν02_Ν)的积累，抑制硝酸菌的生长；另外当游离氨氮(NH/-N)的浓度达到150mg/L时，也可以显著抑制硝酸菌的生长，从而将氨氮(NH4+-N)