一种原位脱除自然水体中硝酸盐的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种原位脱除自然水体中硝酸盐的装置及方法。
【背景技术】
[0002]自然水体主要污染物指标包括化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)。其中，总氮中主要包括氨氮、硝态氮(NO3-N)和亚硝态氮NO2-N,当前我国自然水体(以太湖为例)中普遍存在氮含量偏高的问题，且氮污染是引起水体富营养化的最重要的因素之一。湖泊具有水量大，分布广等特点，这些特点决定了处理受污染湖泊中的氮污染，不可能像生活污水那样采用传统的水处理工艺和设备进行集中处理，这给湖泊污染治理带来了很大的难度。
[0003]在传统的地表水脱氮方法中，目前地表水污染物治理与控制技术可以较好解决氨氮(有机氮)的去除；在对无机氮的脱除方面，孙磊等利用淀粉为碳源加入反硝化生物膜反应器(安徽农业科学，2011,39(28): 17365-17368)。郑丽银等利用经过预处理后的天然纤维素为碳源加入反硝化生物膜反应器(环境工程学报，5(9): 1926-1932)等需要外加碳源并增加了对水体的二次污染等。因此探索一种经济适用性强、效果好、可推广应用的技术势在必行。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明专利要解决的技术在于解决自然水体硝氮利用提供了一种精确脱除地表水体中硝态氮、亚硝态氮的方法与装置，具体的说是采用沉积型微生物燃料电池脱除自然水体中硝氮亚硝态氮的装置和方法。
[0006]本发明目的通过以下技术方案予以实现:
一种原位脱除自然水体中硝酸盐的装置，其特征在于:包括微生物阳极(I)、微生物阴极(2)以及连接微生物阳极(I)和微生物阴极(2)的导线(3)。
[0007]所述微生物阳极(I)的材料为具有比表面积为SOOmVm3平面型多孔导电碳毡材料，其制备方法如下:将平面型多孔导电碳毡依次经丙酮浸泡和5%盐酸各浸泡半小时后，超声清洗20min后得到。
[0008]所述微生物阳极对应的阴极(2)，其材料为具有比表面积为SOOmVm3左右的导电碳毡或碳颗粒，其面积与微生物阳极(I) 一致，其制备方法如下:将导电碳毡或碳颗粒依次经丙酮浸泡和5%盐酸各浸泡半小时后，超声清洗20min后得到。
[0009]所述导线(3)在微生物阴极(2)上穿插缠绕，均匀分布在微生物阴极(2)上。所述导线(3)的材料为直径为0.4_的钛丝。所述微生物阳极(I)和微生物阴极(2)之间设置有负载电阻(4)。
[0010]—种原位脱除自然水体中硝酸盐的方法，是利用微生物-电化学方法构成沉积型微生物燃料电池完成底泥与污染水体中硝氮之间的相互消耗，达到对氮污染水体精确除氮目的；步骤如下:(一)、调节微生物阳极(I)和微生物阴极(2)高度方向的距离并固定，所述微生物阳极(I)和微生物阴极(2)之间高度差为0.2-0.4m;将调整好高度距离的微生物阳极
(I)和微生物阴极(2)放入目标水体中，每周对微生物阳极(I)和微生物阴极(2 )之间的电位差进行测试，当电位差达到0.3以上时，即培养生物膜成功；
(二)、将上述培养成功的装置的微生物阳极(I)浸没于底泥中，覆泥厚度为0.2-0.4cm，微生物阴极位于微生物阳极(I)正上方的水域垂直距离0.2-0.4m并对其位置进行固定，SP可。
[0011]所述微生物阳极(I)的材料为具有比表面积为SOOmVm3平面型多孔导电碳毡材料，其制备方法如下:将平面型多孔导电碳毡依次经丙酮浸泡和5%盐酸各浸泡半小时后，超声清洗20min后得到；
所述微生物阳极对应的阴极(2)，其材料为具有比表面积为SOOmVV左右的导电碳毡或碳颗粒，其面积与微生物阳极(I) 一致，其制备方法如下:将导电碳毡或碳颗粒依次经丙酮浸泡和5%盐酸各浸泡半小时后，超声清洗20min后得到；
所述导线(3)在微生物阴极(2)上穿插缠绕，均匀分布在微生物阴极(2)上；
所述导线(3 )的材料为直径为0.4mm的钛丝；
所述微生物阳极(I)和微生物阴极(2)之间设置有负载电阻(4)。
[0012]每套装置中的阳极面积为1.5m X 1.5m;
所述微生物阴极(2)的材料为具有比表面积为SOOmVm3左右的电碳毡或碳颗粒材料，其面积大小与对应阳极相同并经与其相同的预处理方式得到。
[0013]
本发明利用微生物-电化学方法构成沉积型微生物燃料电池完成底泥与污染水体中硝氮之间的相互消耗，达到对氮污染水体精确除氮目的。
[0014]微生物阳极通过对污泥的吸附、降解等过程完成底泥有机物的氧化分解部分。其中该微生物阳极碳纤维置于与底泥保持良好接触的厌氧环境，底泥有机物持续不断的氧化分解给微生物该电池提供能源基础。
[0015]微生物阴极碳毡悬浮于高于湖底约20cm的阳极上部水域(可根据目标水体中不同深度水体溶解氧和无机氮浓度分布情况，调节阴极和阳极距离)，并对阴极采取固定的方式保证其与微生物阳极间距的稳定。微生物阴极是为反硝化菌提供生存的场所，具有特征如下:有一定的比表面积，良好的导电性、能较好吸附水体中的N03—离子，并接收来自微生物阳极的电子与吸附水体中的质子，完成N03—的反硝化部分。该极面上的主要反应式为:
①2N03—+12H++10 e— = N2 ? + 6H20
②2N03—+10H+ + 8e- = N20T + 5H20
连接微生物电池阴阳极的导线采用直径为0.4mm的钛丝，并在连接两电极的钛丝间增加负载，用于调节反硝化反应的进程及反应程度。该钛丝因其耐腐性能保证电池性能的稳定。导线在电极上采用穿插缠绕的方式保证导线在电极上分布均匀，为微生物代谢产物提供持续、稳定的传递。
[0016]微生物阴极生物膜在经过驯化培养后，其生物膜阴极上生长反硝化微生物，吸附来自于水体的质子、NOx-与接收通过钛丝导线来自微生物电池阳极的电子，并在其极表明及内部发生反硝化反应，产物为N2、N20及H2O，完成无机氮的脱除。
[0017]在上述技术方案中，利用吸附和生物处理自然耦合，生物膜形成后，微生物燃料电池的阳极碳纤维浸没于底泥中，其附着的生物膜主要完成微生物的氧化分解部分;而阴极的生物膜则通过吸附水体中的NO3-，接收来自微生物阳极的电子与水体中的质子，完成NO3-的反硝化部分。其两极的反应式如下:
反应阳极:1CH3COO—+960H— — 80e— = 63H20 +13C032—+7C02(以醋酸盐代替有机物)
反应阴极:① 2N03—+12H+ +10e— = N2T + 6H2O
②2NO3—+10H+ + 8e- = N20T + 5H20
③2NO2—+8H+ + 6e—= Ν2? + 4Η20
④2N02—+6H+ + 3e- = N20T + 3H20
⑤02 + 4H++4e- = 2H20
生物膜形成后，阴极生物膜不但在吸收降解底泥中有机物同时也吸收降解水体中的可降解C0D，经过生物膜上附着微生物的分解，该沉积型微生物燃料电池的功率可达到2.5mW/m2，底泥有机物(COD)的消耗量速度可达到1500mg/t.m2(每平方米阴极碳毡每天可消耗C0D1500mg),微生物燃料电池阴极的硝氮去除量可达到300mg/d.m2(每平方米的碳租阴极每天的硝氮处理量可达300mg)。该以“污治污”的处理过程中，无需外加投入碳源和任何动力及设备维护，实际运行成本低。
【附图说明】
[0018]图1为本发明的结构示意图；
图2为在不同的外阻条件下完成的驯化挂膜，其微生物燃料电池的电池性能1-U曲线图；
图3为水体中氮含量随时间变化趋势图；
其中:微生物阳极1、微生物阴极2，导线3，负载电阻4。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0020]实施例1
本发明包括微生物阳极(I)、微生物阴极(2)以及连接微生物阳极(I)和微生物阴极(2)的导线(3)。
[0021]所述微生物阳极(I)的材料为具有比表面积为SOOmVm3平面型多孔导电碳毡材料，其制备方法如下:将平面型多孔导电碳毡依次经丙酮浸泡和5%盐酸各浸泡半小时后，超声清洗20min后得到；
所述微生物阳极对应的阴极(2)，其材料为具有比表面积为SOOmVV左右的导电碳毡或碳颗粒，其面积与微生物阳极(I) 一致，其制备方法如下:将导电碳毡或碳颗粒依次经丙酮浸泡和5%盐酸各浸泡半小时后，超声清洗20min后得到；
所述导线(3)在微生物阴极(2)上穿插缠绕，均匀分布在微生物阴极(2)上；
所述导线(3 )的材料为直径为0.4mm的钛丝； 所述微生物阳极(I)和微生物阴极(2)之间设置有负载电阻(4)。
[0022]组装如图1所示的微生物燃料电池装置两套，运用上述技术方案进行西太湖唐门沟水域现场(地理坐标3 Γ 40 ’ 12.96"N 119° 47 ’ 46.16"E)现场测试。试验采用的反应器为用绝缘体支架作为支撑在自然水体中构成单室沉积型MFC化学燃料电池，试验装置所用的阴阳两极的碳毡电极材料经依次经丙酮浸泡和5%盐酸各浸泡半小时后，超声清洗20min后调节微生物阳极(I)和微生物阴极(2)高度方向的距离并固定，所述微生物阳极(I)和微生物阴极(2)之间高度差为0.2-0.4m;将调整好高度距离的微生物阳极(I)和微生物阴极(2)放入目标水体中，每周对微生物阳极(I)和微生物阴极(2)之间的电位差进行测试，当电位差达到0.3以上时，即培养生物膜成功；
本次在自然水体中进行自然驯化挂膜，该挂膜时间为2个月(该次试验时间为2015.7.10日至2015.9.10日)。