利用高有机物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化学反应装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于废水处理技术和生物能源领域，具体涉及一种利用高有机物高氨氮废 水强化产甲烷的生物电化学反应装置和方法。
【背景技术】
[0002] 在厌氧发酵过程中，有机物在厌氧微生物胞外酶的作用下水解产生氨基酸、脂肪 酸和甘油等。接着在产氢产乙酸菌的作用下将水解产物转化为乙酸和氢气。最后嗜氢产甲 烷菌能够将COjPH2转化为甲烷、嗜乙酸产甲烷菌等能够将乙酸分解产生甲烷。在产甲烷 过程中，PH的变化对产甲烷菌有重要的影响，维持一个碱性环境是十分必要的。然而，过高 浓度的氨氮废水中的游离氨对厌氧微生物具有抑制作用，主要表现在游离氨会导致微生物 细胞膜表面的通透性增加，最终是细胞发生破裂死亡，从而降低了发酵过程中的甲烷产量。 因此，如何保证高有机物（C0D浓度大于2000mg/L)、高氨氮浓度（氨氮浓度高于200mg/L) 的废水在发酵过程中获得较好的甲烷产量面临一个重要的技术难题。
[0003][0004]
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种利用高有机物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化学反应装置， 该装置不仅能够消除高浓度氨氮废水对厌氧微生物的毒害作用，还能提高厌氧微生物的产 甲烷效率。
[0006] -种利用高有机物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化学反应装置，包括设有阳离 子交换膜的电化学反应槽，阳离子交换膜将电化学反应槽分为设有阳极的第一腔室和设有 阴极的第二腔室，阳极和阴极之间连接第一电源；
[0007] 所述第一腔室内还设有生物阳极和生物阴极，生物阳极和生物阴极之间连接第二 电源；
[0008] 所述生物电化学反应装置还包括氨气吸收室，所述第一腔室、第二腔室之间分别 通过导气管连通至氨气吸收室。
[0009] 本发明利用生物阳极表面的厌氧水解微生物将高有机物高氨氮废水中的有机物 分解成小分子有机酸（如乙酸、丙酸和丁酸等），小分子有机酸进一步在产氢产乙酸菌的作 用下分解产生乙酸、4和CO 2;利用生物阴极表面的嗜乙酸产甲烷菌将乙酸转化为甲烷，生 物阴极表面的嗜氢产甲烷菌则会利用4将CO2还原为甲烷。
[0010] 同时由于阳离子交换膜的存在，高有机物高氨氮废水中的铵根离子和氢离子会在 第一腔室与第二腔室之间电场的作用下迀移至第二腔室中，从而降低了第一腔室中的氨氮 浓度，消除高浓度氨氮在厌氧发酵过程中对厌氧微生物的毒害作用；铵根离子和氢离子在 第二腔室中以氨气和氢气的形式被脱除，产生的氨气和氢气混合物进入氨气吸收室中，氨 气被吸收而氢气则进入第一腔室中，从而大大提高了嗜氢产甲烷菌将〇) 2还原为甲烷的效 率，增加了沼气中甲烷的含量，提高了沼气热值。
[0011] 作为优选，所述氨气吸收室内盛装氨气吸收液，氨气吸收室内位于氨气吸收液上 方的空间为集气区，所述第一腔室底部设有与该集气区相连的布气器。
[0012] 从第二腔室通向氨气吸收室的导气管伸入到氨气吸收液液面以下，则第二腔室中 产生的氨气和氢气混合物中，氨气被氨气吸收液吸收，而氢气则集中到集气区中进而通过 导气管经布气器进入第一腔室中。布气器使得氢气能够均匀分散到第一腔室中，提高氢气 利用率。
[0013] 作为进一步优选，所述氨气吸收液为浓度为10%~20%的硫酸水溶液。如未作特 殊说明，10 %~20 %中的" ％ "是指体积百分比。
[0014] 作为优选，所述第一腔室内填充有活性炭。填充的活性炭使得第一腔室成为三维 电极反应器，如此不仅有利于第一腔室内的微生物挂膜，而且能够有效增大生物阳极和生 物阴极的反应面积，提高有机污染物的传质速率。
[0015] 作为进一步优选，第一腔室中，活性炭的填充密度为10~15kg/m3。在布气器将氢 气从第一腔室底部释放的情况下，适宜的活性炭填充密度可以使得活性炭在氢气作用下悬 浮起来，从而有利于加强废水中有机物与微生物之间的传质效率；填充密度太小或太大均 难以达到上述效果。
[0016] 第一腔室中的生物阳极和生物阴极均可采用石墨电极，阳极也可采用石墨电极， 便于微生物挂膜以提高第一腔室内的电化学反应效率。而第二腔室内的所述阴极优选为并 联设置的多块波形不锈钢板。这是因为第二腔室内不必进行微生物挂膜，并且不锈钢比石 墨具有更好的可塑性和导电性，且价格低廉。多块波形不锈钢板并联设置有利于增加电极 的表面积。
[0017] 作为进一步优选，阴极的表面积控制在150-200m2/m3第二腔室。阴极表面积过小， 则产生的氢气量较少，不利于将第一腔室内的二氧化碳充分还原为甲烷；反之，阴极表面积 过大则会浪费氢气。
[0018] 本发明中，所述第二腔室有1~4个，每个第二腔室分别通过一阳离子交换膜与第 一腔室相隔。利用多张阳离子交换膜在第一腔室外周设置多个第二腔室，有利于提高第一 腔室内铵根离子和氢离子向第二腔室的迀移速率，进一步降低高氨氮浓度对厌氧微生物的 毒害作用。
[0019] 本发明还提供了利用所述生物电化学反应装置产甲烷的方法，包括以下步骤：
[0020] (1)接通第二电源，在第一腔室内接种厌氧污泥，进行微生物挂膜；
[0021] 厌氧污泥的接种量优选为15~20g/L，微生物挂膜的时间优选在7~8天。
[0022] (2)挂膜完成后，接通第一电源，将高有机物高氨氮废水送入第一腔室内，在厌氧 污泥对高有机物高氨氮废水进行降解的同时收集产生的沼气；
[0023] 降解过程中，所述第一腔室内溶液pH应控制在6. 5~7. 5,这是因为甲烷产生菌对 环境酸碱度的变化十分敏感，第一腔室内溶液PH过高或过低都会对甲烷产生菌产生毒害 作用。而第二腔室内溶液pH越大越有利于氨气的产生，但pH过高限制氢气的生成；pH越小 有利于氢气的产生，但不利于氨气的产生，因此第二腔室内溶液PH优选控制在9. 5~10. 5， 既有利于氨气的产生也有利于氢气的产生。
[0024] 作为优选，所述第一腔室中生物阴极的电势控制在-0. 7~-I. IV vs SHE，适宜的 电势有利于促使甲烷的合成；第二腔室中阴极的电势控制在-1~-1.5V vs SHE，适宜的电 势有利于促使氢气产生。
[0025] (3)降解完成后，将清水排出。
[0026] 本发明的装置在利用高有机物高氨氮废水产甲烷时，能够有效消除高浓度氨氮对 厌氧微生物的毒害作用，沼气中甲烷含量能够提高80 %以上。
[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0028] (1)本发明利用阳离子交换膜将高有机物高氨氮废水中的铵根离子和氢离子迀移 至第二腔室中，从而降低了第一腔室中的氨氮浓度，消除高浓度氨氮在厌氧发酵过程中对 厌氧微生物的毒害作用；
[0029] (2)本发明装置中设有氨气吸收室，进入第二腔室中的铵根离子和氢离子会以氨 气和氢气的形式被脱除，产生的氨气和氢气混合物进入氨气吸收室中，其中氨气被吸收而 氢气则进入第一腔室，为第一腔室中的嗜氢产甲烷菌提供足够的氢气，最大限度地将〇) 2还 原为甲烷；
[0030] (3)本发明的第一腔室中含有2+N (第二腔室的个数）个生物电极，有效提高了电 极对有机物的降解作用，进一步提高了甲烷产率。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明一种利用高有机物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化学反应装置 的结构示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0033] 实施例1
[0034] 如图1所示，本实施例一种利用高有机物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化学反 应装置，包括电化学反应槽1，电化学反应槽1内设有阳离子交换膜11，阳离子交换膜11将 电化学反应槽1的槽内空间分割成一个第一腔室12,以及两个分别位于第一腔室12两侧的 第二腔室13。
[0035] 本实施例中，第一腔室12呈正方体形（IOcmX IOcmX 10cm)，第二腔室13呈长方体 形（10cmX5cmX10cm)〇
[0036] 第一腔室12内设有阳极21，第