高效脱氮产电废水处理方法与流程

背景技术：

能源短缺和环境污染制约了人类社会的可持续发展。微生物燃料电池(mfc)技术以阳极产电微生物为催化剂，通过生物降解作用将存储在污染物中的化学能直接转化为电能，兼具能源生成和污染治理两种功能。厌氧氨氧化(anammox)技术，可以将氨氮和亚硝氮在厌氧条件下直接转化为氮气，是迄今为止最经济高效的脱氮工艺。厌氧氨氧化与mfc技术联合，可实现同步脱氮产电，是当前能源和环境领域的研究热点。

mfc与anammox技术的耦合分为阴极和阳极2种脱氮形式。阴极耦合脱氮是将anammox污泥接种至mfc阴极室，阳极室接种产电微生物，加入乙酸钠(～1000mg/l)等有机物作为燃料，阳极输出电子经外电路传递至阴极，anammox反应生成的硝酸氮接收电子，自养反硝化生成氮气，优化出水水质，提高系统总氮去除率，阴极耦合型mfc，产电性能较好，但是，由于亚硝氮也能接收电子进行自养反硝化，导致氨氮去除率降低。阳极耦合脱氮是接种anammox菌活性污泥至mfc阳极室，利用氨氮作为燃料产生电子，阴极电子受体可以是铁氰化钾、高锰酸钾或者是空气中的氧气。但是，由于anammox过程释放能量较少，电压输出十分有限。另外，anammox反应过程中生成11％的硝态氮，使得系统出水出水总氮难以稳定达标。尽管在anmmox系统中添加外源有机物，能够降低系统出水氮浓度，但是提高了废水的处理成本。

针对现有阳极anammox耦合型mfc脱氮技术的电压输出较低的问题，本发明利用后续添加碳源的方式快速激发活性污泥水解酸化产电，实现同步废水脱氮和生物产电，显著提高系统输出电压及电流；利用污泥原位水解酸化产生的有机物作为异养反硝化的过程的电子供体，可有效降低anammox系统的运行成本，利用微生物电池的原位电场，刺激功能菌活性，提高阳极anammox耦合型mfc脱氮系统的运行稳定性；活性污泥原位水解酸化，降低了剩余污泥的产量。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供基于厌氧氨氧化的微生物燃料电池。

微生物燃料电池主体装置为双室，其中包括厌氧阳极反应室与化学阴极反应室；厌氧阳极反应室与化学阴极反应室通过法兰连接，法兰上固定有阳离子交换膜分隔；厌氧阳极反应室内部装有阳极液和阳极，阳极液中接种厌氧氨氧化污泥，厌氧阳极上附着厌氧氨氧化污泥，厌氧阳极反应室上部侧壁设有进水管，下部侧壁设有出水管，化学阴极反应室内装有阴极液和阴极，化学阴极反应室上部侧壁设有进水管，下部侧壁设有出水管；负载两端通过导线分别与厌氧阳极和阴极相连；负载两端采集数据通过数据采集器记录在电脑中。主体装置设有恒温磁力搅拌器本体和磁力搅拌子。

所述的系统的高效脱氮产电废水处理方法，其特征在于阳极室分阶段发生反应，初始阶段，在厌氧阳极室中，阳极液进行厌氧氨氧化反应，生成氮气，反应结束后，阳极反应室中，注入含高浓度有机物的溶液，引起活性污泥厌氧水解酸化产电。具体步骤如下：首先，组装好电化学系统，通过厌氧阳极反应室的进水管加入阳极液，反应一段时间后，无机基质消耗完成，通过厌氧阳极反应室的进水管加入阳极液一定量高浓度有机物的溶液，激发产电菌活性进行产电。阳极反应产生的电子通过外电路输送至阴极，电子的传输加速阳极室内活性污泥水解酸化，水解酸化产生的有机物提高脱氮的效率，并产生电流回收能源。产电结束后，排除阳极液，介入新的阳极液开始下一个周期。

所述阳极液(4)为含氨和亚硝酸盐的废水，且其有机物cod和氮浓度比低于1。

进一步，所述的高效脱氮产电废水处理方法：阳极液中无机基质消耗完成1-12h后，向阳极液加入一定量高浓度挥发性脂肪酸盐溶液，使阳极液cod浓度达到80-400mg/l，激发产电菌活性。

进一步，所述的高效脱氮产电废水处理方法：厌氧氨氧化反应阶段时间与污泥水解酸化产电阶段时间比为4∶1-1∶4。

进一步，所述的高效脱氮产电废水处理方法：厌氧阳极和化学阴极由片状导电材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡插入金属丝或网构成。

进一步，所述的高效脱氮产电废水处理方法：阴极液为铁氰化钾、高锰酸钾或者是溶解氧。

本发明的有益效果是：

(1)通过厌氧氨氧化过程与活性污泥水解酸化的耦合，可以在处理含亚硝氮氨氮以及低cod的废水同时输出高电压。

(2)活性污泥水解酸化提供了内源有机碳进行反硝化，可以有效提升系统的脱氮效率，增加系统脱氮运行稳定性。

(3)活性污泥原位水解酸化，降低了剩余污泥的产量。

附图说明：

图1为一种高效脱氮产电微生物燃料电池系统示意图；

图2为实施例中，使用含有50mg/lnh4⁺-n、64mg/lno2^--n；75mg/lcod低碳氮负荷废水作为的阳极液，24h一周期，12h时加入乙酸钠使阳极液cod浓度达到100mg/l和不加乙酸钠时，运行一周期的产电示意图。

图3为上述实施例中，使用含有50mg/lnh4⁺-n、64mg/lno2^--n；75mg/lcod低碳氮负荷废水作为的阳极液，24h一周期，不加乙酸钠为阶段i，12h时加入乙酸钠使阳极液cod浓度达到100mg/l为阶段ii，连续运行期间出水氮浓度图。

具体实施方式：

结合附图对本发明的具体实施方式进行阐释，但本发明的实施及保护不限于此。主体装置为双室微生物电化学反应器，其中包括厌氧阳极反应室(1)与化学阴极反应室(2)两个独立的反应区；厌氧阳极反应室(2)与化学阴极反应室(3)之间固定有阳离子交换膜(3)分隔；厌氧阳极反应室(2)内部装有阳极液(4)和阳极(5)，阳极液(4)中接种厌氧氨氧化污泥，厌氧阳极(5)上附着厌氧氨氧化污泥，厌氧阳极反应室(2)下部侧壁设有进水管(6)，上部侧壁设有出水管(7)；化学阴极反应室(3)内装有阴极液(10)和阴极(11)，化学阴极反应室(3)下部侧壁设有进水管(12)，上部侧壁设有出水管(13)；厌氧阳极反应室(2)上部开口(19)接导气管(20)至水封瓶(21)，导出生成气体并保证阳极室密封环境。厌氧阳极反应室(2)与化学阴极反应室(3)底部设有恒温磁力搅拌器本体(9)和磁力搅拌子(8)。负载(14)两端通过导线(15)分别与厌氧阳极(5)和阴极(11)相连；负载(14)两端采集数据通过导线(15)与数据采集器(16)连接，数据采集器(16)通过数据传输线(17)记录在电脑(18)中。

如图1，耦合厌氧氨氧化技术的阳极极高效脱氮型微生物燃料电池，包含常规双室微生物燃料电池、磁力搅拌系统、外电路及数据采集系统。具体步骤如下：按照图1所示，组装好微生物燃料电池系统，在阳极反应室1中接种厌氧氨氧化污泥，接种体积20％，加入含有氨氮和亚硝氮低cod的阳极液4，阴极反应室2中接入含铁氰化钾阴极液5，阴极液5以一定速率由进水口12进，出水口13出。阳极液4反应12h后，加入高浓度的乙酸钠是阳极液cod浓度达到100mg/l，加入乙酸钠12h后，排除阳极液，更换新的溶液。