二腔室13内设有阴极22,阳极21与阴极22之前 连接有第一电源2。本实施例中，第一电源为直流稳压电源，阳极21为石墨电极，阴极22采 用并联设置的多块波形不锈钢板制成；并且，每个第二腔室13内，波形不锈钢板的总表面 积控制在200m 2/m3第二腔室13。
[0037] 由图1可见，第一腔室12内还设有生物阳极32和生物阴极31，生物阳极32和生 物阴极31之间连接第二电源3 ;第一腔室12内还填充有活性炭17,活性炭17的填充密度 为 10kg/m3〇
[0038] 本实施例的生物电化学反应装置中还设有氨气吸收室4,氨气吸收室4内盛装氨 气吸收液。本实施例中，氨气吸收液为浓度为10 %的硫酸水溶液。
[0039] 两个第二腔室13分别通过一根第一导气管42连通至氨气吸收室4,且第一导气管 42伸入到氨气吸收液的液面以下。第一腔室12通过第二导气管43连通至氨气吸收室4， 第二导气管43上安装有气体增压泵44 ;氨气吸收室4内位于氨气吸收液上方的空间为集 气区41，第二导气管43的一端开口处在该集气区41内，而另一端开口则与位于第一腔室 12底部的布气器45相连。
[0040] 第一腔室12还开设有进水口 14、出水口 16以及排气口 15。
[0041] 本实施例生物电化学反应装置的工作过程为：
[0042] 在第一腔室12内接种厌氧污泥，进行微生物挂膜；挂膜完成后，将已除去溶解氧 的高有机物高氨氮废水从进水口 14送入第一腔室12中；生物阳极32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;而生物阴极31表面的 嗜乙酸产甲烷菌则将乙酸转化为甲烷，嗜氢产甲烷菌则会利用4将CO2还原为甲烷；同时， 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12与第二腔室13之间电场的作 用下，从第一腔室12迀移至第二腔室13中；铵根离子和氢离子在第二腔室13中以氨气和 氢气的形式被脱除，产生的氨气和氢气混合物会经第一导气管42进入氨气吸收室4中；在 氨气吸收室4中，氨气与硫酸水溶液反应并以铵盐的形式被回收利用，而氢气富集在集气 区41，并经第二导气管43 (期间被气体增加泵44增压）从布气器45返回至第一腔室12底 部，作为嗜氢产甲烷菌将CO2还原为甲烷的底物，大大提高了嗜氢产甲烷菌将CO 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。
[0043] 实施例2
[0044] 利用实施例1的生物电化学反应装置以高有机物高氨氮废水生产甲烷，包括以下 步骤：
[0045] (1)向第一腔室12和第二腔室13内注入电解液，并调节第二腔室13内电解液pH 为10 ;
[0046] 电解液的配方为：
[0047] K2HPO4 3. 4g/L ；
[0048] KH2PO4 4. 4g/L ；
[0049] NaHCO3 2g/L ；
[0050] NH4Cl 0. lg/L ；
[0051] NaCl 0. 5g/L ；
[0052] MgSO4 · 7H20 0. lg/L ；
[0053] (2)接通第二电源3,在第一腔室12内接种厌氧污泥，接种浓度为15g/L，微生物在 第一腔室12中挂膜7天；
[0054] (3)挂膜完成后，接通第一电源2,将已除去溶解氧的高有机物高氨氮废水送入第 一腔室12内，在厌氧污泥对高有机物高氨氮废水进行降解的同时，用史式发酵管在第一腔 室12的排气口 15处收集产生的沼气；
[0055] 降解过程中，控制第一腔室12溶液pH为7,控制生物阴极31的电势为-0. 9V vs SHE，控制阴极22的电势为-I. 5V vs SHE ;
[0056] (3)运行1天后定量测定出水COD浓度和氨氮浓度，以及史式发酵管内沼气含量和 甲烷含量。检测结果见表1和表2。
[0057] 对比例1
[0058] 与实施例2相同，但本实施的生物电化学反应装置中，第一腔室12内不填充活性 炭17。运行1天后定量测定出水COD和氨氮浓度，以及史式发酵管内沼气含量和甲烷含量。 检测结果见表1和表2。
[0059] 对比例2
[0060] 与实施例2相同，但步骤（3)中第二腔室13产生的氢气不通入第一腔室12中。运 行1天后定量测定出水COD和氨氮浓度，以及史式发酵管内沼气含量和甲烷含量。检测结 果见表1和表2。
[0061] 对比例3
[0062] 本实施例的生物电化学反应装置中不设置第二腔室13,仅设置第一腔室12,且第 一腔室12中仅有生物阳极32和生物阴极31。其他运行参数与实施例2相同。运行1天 后定量测定出水COD和氨氮浓度，以及史式发酵管内沼气含量和甲烷含量。检测结果见表 1和表2。
[0063] 表1各实施例的进出水水质情况
[0064]
【主权项】
1. 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； 其特征在于，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； 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、第二腔室分别通过导气 管连通至氨气吸收室。
2. 如权利要求1所述的生物电化学反应装置，其特征在于，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。
3. 如权利要求1所述的生物电化学反应装置，其特征在于，所述第一腔室内填充有活 性炭。
4. 如权利要求1所述的生物电化学反应装置，其特征在于，所述阳极为石墨电极，所述 阴极为并联设置的多块波形不锈钢板。
5. 如权利要求1所述的生物电化学反应装置，其特征在于，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。
6. 利用如权利要求1~5任一所述的生物电化学反应装置产甲烷的方法，其特征在于， 包括以下步骤： (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； (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； ⑶降解完成后，将清水排出。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（1)中，厌氧污泥的接种量为15~20g/ L0
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一腔室内溶液pH控制在6. 5~7. 5， 第二腔室内溶液pH控制在9. 5~10. 5。
9. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一腔室中生物阴极的电势控制 在-0? 7~-I. IV vs SHE，第二腔室中阴极的电势控制在-1~-I. 5V vs SHE。
【专利摘要】本发明公开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和方法。该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；还包括氨气吸收室，第一腔室、第二腔室分别通过导气管连通至氨气吸收室；第一腔室内还设有生物阳极和生物阴极。利用阳离子交换膜将废水中的NH4+和H+迁移至第二腔室中，消除高浓度氨氮对厌氧微生物的毒害作用；将第二腔室产生的氢气通入第一腔室，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CO2还原为甲烷；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，提高甲烷产率。
【IPC分类】C02F3-28
【公开号】CN104743663
【申请号】CN201510124241
【发明人】冯华军, 王炎锋, 梁禹翔, 沈东升, 殷峻
【申请人】浙江工商大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月20日