专利名称：一种提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统的制作方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域的一种废水处理及微生物发电的新兴方法。具体结合微生物燃料电池、非贵金属作为催化剂及包埋好氧反硝化细菌技术，达到有效去除有机碳、总氮及产电的方法。
背景技术：
目前城市污水和工业废水中营养物多以氨氮(NH4+)和硝酸盐氮(N03_)的形式存在(Wastewater Engineering, Treatment and Reuse.2003)。脱氮的方法有离子交换法，吸附法，化学法，生物法。生物脱氮以其低成本、低能耗、物二次污染得到广泛的应用(AppliedMicrobiology and Biotechnology.2009, 82:415 - 429)。传统的脱氮多采用两阶段法:硝化和反硝化。硝化阶段，硝化细菌在好氧条件下将废水中的氨氮转化为硝酸盐氮；反硝化阶段，反硝化细菌以有机底物如乙酸、葡萄糖等为电子受体，硝酸盐作为电子受体，最终将硝酸盐转化为N2。近几年来，微生物燃料电池(MFC)作为一种新兴的水处理技术它能够去除水中有机物并产电。最新研究提出并证实MFC不仅能去除有机物、生物产电且具有脱氮的能力(Environmental Science and Technology.2008, 41(9): 3354-3360; WaterResearch.2008, 42(12): 3013-3024)。在双室MFC中，因N037N2具有更高的氧化还原电位(E=+0.74V，式I)，因此电路闭合电子通过外电路传至阴极，在生物作用下利用N03_-N得到电子被还原成队。但是反硝化效果很不理想，平均反硝化速率只有3.77mg L-1 Cf1(环境科学学报.2011，31 (2): 254-259)。所以要提高微生物燃料电池的脱氮效果，必须对生物燃料电池阴极进行改良以提高 MFC的脱氮效果。Virdis等人设计的微生物燃料电池结合了一个外部的好氧硝化反应器将废水中的氨转化成硝酸盐然后循环至微生物燃料电池阴极进行除氮(Water Research.2008, 42(12): 3013-3024)。然而建立一个外加的好氧硝化生物反应器不仅大大限制了 它在实际工程中的应用，还增加了成本。C.P.Yu等采用薄膜曝气以提高脱氮效果，氮去除率只有52% (Water Research.2010，45 (3): 1157-116)。到目前为止，操作简单、成本低且碳氮去除率高的微生物燃料电池系统仍需进一步研究。2N0f +IOe- +12 H+ — N2 +6H20 (0.74V) (I)
本项发明的目的是在于利用微生物固定技术包埋好氧反硝化菌和两室微生物燃料电池反应过程相结合，以实现在一个两个反应室的生物燃料电池系统中同时进行硝化作用、反硝化作用和有机碳去除及产电。微生物燃料电池、硝化过程、好氧反硝化过程的结合，能充分利用溶解氧和碳源，节省能源消耗，而且硝化过程产生的额外的质子，有效地避免了产电过程所造成的阴极PH值升高，对系统有良好的缓冲作用。结果表明提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统污水处理效果稳定、高效，表现出较高的氮去除和产电能力。
发明内容
微生物燃料电池废水处理系统利用挡板从左右将反应槽分成三个反应室:一个进水厌氧的空间(阳极)、一个好氧的空间(阴极)和一个内部澄清区域。三部分由挡板隔开，两个垂直孔开在阴极和阳极的挡板上可以让污水流经系统。阳极和阴极材料均为12cmX 13 cm的碳布，利用含电阻的电路连接起来。此外阴极电极采用钛菁铁(FePc)作为催化剂修饰，有一层无纺布覆盖在阴极表面进而促进世代时间长的微生物附着，形成生物膜。在阴极空间里，由曝气泵曝气以提供充足的溶解氧，并向阴极室投加用三乙酸纤维素包埋好氧反硝化细菌(Peireicoccus deni trificans ATCC 35512)的固定颗粒，已达到好氧条件下脱氮的目的。
附图1是本发明提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统的基本设计图。
具体实施例方式实施例1:人工废水主要含有化学需氧量(COD)浓度为550 mg/L,氨氮30 mg/L,总磷量6 mg/L及微量元素。微生物燃料电池废水处理系统在水利停留时间为3.0天，和长污泥停留时间(污泥未废弃)下运行的。数据采集系统为Lab jack U12，阳极和阴极利用电阻为1000 Ω的电路连接起来，参比电极为Ag/AgCl电极。在微生物燃料电池(MFCs)的阳极室接种培养2周的厌氧污泥，阴极室则接种来自市政污水处理厂的活性污泥经硝化富集培养的活性污泥。阳极室的溶解氧控制在0.1 mg/L以下，阴极室内的溶解氧维持在
2.0~3.0mg/L。反应器运行近三个月，操作稳定后，化学需氧量(COD)和氨氮去除率几乎达到100%及总氮去除率60°/Γ80%，反硝化速率达到并可输出0.18V稳定的电压，污泥产量少，无需废弃。
权利要求
1.一种利用创新污水处理技术，实现污染控制和能量产生的新兴污水处理系统，本发明反应装置的阳极和阴极由碳布作为电极做成，其中阳极未经任何修饰，阴极使用非贵金属-钛菁铁(FePc)修饰，在阴极外两侧覆盖有一层无纺布，其特征是向阴极室接种硝化污泥为硝化细菌提供附载体，使得系统具有硝化效果；向阴极室投加包埋好氧反硝化细菌(Paracoccus denitrificans ATCC 35512)的颗粒,使得阴极室在好氧条件下完成反硝化功能，本发明微生物燃料电池可以体现出高化学需氧量(COD)去除率、高氨去除率及高总氮去除率，污泥产量少，并可输出稳定的电压。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于包埋好氧反硝化细菌的使用材料为高强度，不易破碎的三乙酸纤维素，好氧反硝化细菌能会产生气体，从而破坏包埋材料，导致包埋菌体失败，若使用三乙酸纤维素作为包埋材料，与相同环境下使用其他的包埋材料如竹炭、海藻酸钙等相比，包埋细菌后的材料难以破碎，强度极高，因此该材料可广泛持久应用于能产生气体的菌体包埋。
3.一种提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统，如权利要求1所述的方法，其特征在通过包埋好氧反硝化菌deni trificans ATCC 35512)技术结合微生物燃料电池技术达到能够同步去除污水 中的含碳和含氮的污染物，且同时能够产生电能，这样的设计改进了微生物燃料电池无法高效、快速、稳定除氮的缺点。
全文摘要
本发明涉及一种废水处理系统。一种提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统。本发明的目的在于开发一种能低能耗、高效、稳定的废水处理系统，进一步提高微生物燃料电池废水处理系统的脱氮效果。其特征在于包括如下步骤双室微生物燃料电池废水处理系统由阳极和阴极组成，阳极不做任何修饰，向微生物燃料电池的阴极室接种硝化污泥和投加包埋好氧反硝化细菌颗粒，以发挥硝化作用和反硝化在一个反应区协同发挥作用，充分利用阴极的DO和剩余碳源，达到脱氮和进一步去除COD目的。本发明的微生物燃料电池废水处理系统表现出良好的COD去除效果，高氨氮和总氮去除率，持续稳定的电压输出，无污泥废弃。
文档编号C02F3/34GK103086508SQ20111034500
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者于昌平, 冯翠杰 申请人:中国科学院城市环境研究所