一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法

本发明涉及水污染治理，具体涉及一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法。

背景技术：

1、优化人工湿地的氨氮去除效果是提升该类工艺污水净化能力的难点。鉴于人工湿地填料层中存在多种参与氮素转化的功能微生物，有研究尝试通过强化人工湿地中其他的生物脱氮途径以期缓解溶解氧(do)和有机碳源对其脱氮效果的制约。近年来，短程硝化/反硝化作用、硫自养反硝化作用、anammox作用等生物脱氮途径相继在人工湿地中得以强化。然而，上述新型人工湿地工艺在处理低c/n污水时依然不同程度地存在启动时间长、运行效果欠佳、操作流程复杂、建设运行费用过高及易产生二次污染等缺点。

2、有文献指出可借助生物电化学手段优化人工湿地的运行性能。由于人工湿地填料层中形成的氧化还原电位梯度与微生物燃料电池(mfc)的工艺特点高度契合，使得cw-mfc耦合技术得以不断发展并日益受到重视。相关研究一致认为，较于传统人工湿地工艺，cw-mfc耦合系统的净化能力(包括脱氮能力)及稳定性均能得到提升。随着生物电化学脱氮技术的发展以及对“氮循环”研究的深入，相继有报道指出，mfc中可形成电活性氨氧化生物膜，此类生物膜可进行电极氨氧化反应，即其中的电活性微生物能以固体电极为电子受体将nh4+-n厌氧氧化为nox--n或气态氮化合物(如n2或n2o等)。该发现为生物电化学强化人工湿地脱氮性能的提高提供了新思路，如能在cw-mfc耦合系统的阳极区域培育电活性氨氧化生物膜并以此强化系统中电极氨氧化作用，应可在一定程度上弥补传统人工湿地工艺在处理含氨氮废水(特别是低c/n废水)时的缺陷，实现其脱氮性能的高效与稳定。有研究证实，cw-mfc中可发生电极氨氧化反应，系统的tn和nh4+-n去除率较对照组提高了20.0％和13.6％，湿地填料层堵塞的风险亦得以降低。然而，相关研究同时指出，cw-mfc耦合系统启动进程缓慢，装置中电极氨氧化作用的强度偏低，系统的脱氮产电性能均不甚理想。鉴于此，有必要采取相关措施或技术手段对电极氨氧化型cw-mfc进行优化。

技术实现思路

1、(一)针对现有技术的不足，本发明提供了一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，克服了现有技术的不足，增加了电极氨氧化作用的强度，提高了对tn和nh4+-n的去除率，且大幅度缩短了运行周期，降低了处理成本，更加的绿色环保。

2、(二)为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，包括以下步骤：

3、(1)以石墨毡为填料，采用sbbr(序批式生物膜反应器)，在其表面培养自养型硝化生物膜；

4、(2)将附有自养型硝化生物膜的石墨毡经裁剪后安装至bes(生物电化学系统)中作为阳极反应，在其表面培养电活性氨氧化生物膜；

5、(3)将附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡和阳极层共同组成三维阳极，并组装电极氨氧化型cw-mfc(人工湿地-微生物燃料电池)，运行该装置。

6、优选的，步骤(2)中，该bes包括作为阴极的不锈钢池体，其呈圆柱形，内径为10cm，有效容积为2l，附有自养型硝化生物膜的石墨毡作为阳极、饱和甘汞电极作为参比电极安装在不锈钢池体内。

7、优选的，接种anammox污泥[该污泥为絮状和颗粒状混合污泥，其mlss约9500mg/l，分析发现，该种泥中含有的anaob主要为隶属于浮霉菌门(planctomycetota)的candidatusbrocadia]至bes内，将bes中的阴极(对电极)、阳极(工作电极)和参比电极分别通过导线与恒电位仪相连，并利用恒电位仪将阳极电势设置为0.50-0.80v；使bes按序批模式连续运行，期间控制水温为14-23℃。进一步的，将bes置于磁力搅拌器上，有利于提高bes的传质效果。

8、优选的，按序批模式连续运行方法如下：每天运行4个周期，每个周期时长6h，且每个周期运行过程依次划分为进水期15min、反应期330min、排水期10min和闲置期5min。

9、优选的，在进水期和闲置期间分别向bes中吹入高纯氦气以确保其厌氧环境。

10、优选的，步骤(3)中，cw-mfc反应装置为pvc材质，其高度和内径分别为110cm和20cm，其进水管位于装置底部，其出水管安装于距装置顶部的20cm处，电极氨氧化型cw-mfc内填充有基质层，基质层自下向上依次包括承托层、功能填料层和粗砂层，功能填料层下半部分设置了阳极层，阳极层内埋设附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡作为阳极，从而形成三维阳极，在功能填料层上半部分埋设石墨板作为阴极(对电极)，阴极和阳极之间采用导线和外电阻连接形成闭合回路。

11、优选的，基质层的厚度为85-130cm，且基质层孔隙率为30-45％，其中，承托层厚度为10-20cm，功能填料层厚度为70-100cm，粗砂层厚度为5-10cm，阳极层的厚度为15-30cm；

12、承托层为砾石层或鹅卵石层，其粒径为2-5cm；功能填料层为沸石-废砖块混合层，其粒径为0.5-1cm；阳极层为碳质颗粒填料，其粒径为0.5-1cm。

13、优选的，附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡的长×宽×厚为10×4×1cm，石墨板的长×宽×厚为10×4×1cm。

14、优选的，阴极和阳极之间采用1mm的钛丝导线和1kω的外电阻连接形成闭合回路；基质层表面种植有4-5株石菖蒲。

15、优选的，电极氨氧化型cw-mfc以上向流模式连续运行，期间，装置的水力负荷设为0.16m3/(m2·d)，即其进水量和水力停留时间分别约为5l/d和2d，装置基质层中的污水水温维持在14-23℃。

16、(三)本发明提供了一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，具备以下有益效果：

17、1、本发明通过预制电活性氨氧化生物膜，将其设置组装成三维阳极cw-mfc，提高了电极氨氧化作用的强度，从而提高了对tn和nh4+-n的去除率；且在满足污水排放标准的同时，大幅度缩短了运行周期，降低了处理成本。

18、2、本发明中的方法本身无需曝气和外加有机碳源，可有效降低填料层堵塞风险且不会产生二次污染，同时亦降低了温室气体排放量，更加的绿色环保。

技术特征：

1.一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，其特征在于，步骤(2)中，该bes包括作为阴极的不锈钢池体，附有自养型硝化生物膜的石墨毡作为阳极、饱和甘汞电极作为参比电极安装在不锈钢池体内。

3.如权利要求2所述的一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，其特征在于，接种anammox污泥至bes内，将bes中的阴极、阳极和参比电极分别通过导线与恒电位仪相连，并利用恒电位仪将阳极电势设置为0.50-0.80v；使bes按序批模式连续运行，期间控制水温为14-23℃。

4.如权利要求3所述的一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，其特征在于，按序批模式连续运行方法如下：每天运行4个周期，每个周期时长6h，且每个周期运行过程依次划分为进水期15min、反应期330min、排水期10min和闲置期5min。

5.如权利要求4所述的一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，其特征在于，在进水期和闲置期间分别向bes中吹入高纯氦气以确保其厌氧环境。

6.如权利要求1所述的一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，其特征在于，步骤(3)中，电极氨氧化型cw-mfc内填充有基质层，基质层自下向上依次包括承托层、功能填料层和粗砂层，功能填料层下半部分设置了阳极层，阳极层内埋设附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡作为阳极，从而形成三维阳极，在功能填料层上半部分埋设石墨板作为阴极，阴极和阳极之间采用导线和外电阻连接形成闭合回路。

7.如权利要求6所述的一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，其特征在于，基质层的厚度为85-130cm，且基质层孔隙率为30-45％，其中，承托层厚度为10-20cm，功能填料层厚度为70-100cm，粗砂层厚度为5-10cm，阳极层的厚度为15-30cm；

8.如权利要求6所述的一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，其特征在于，附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡的长×宽×厚为10×4×1cm，石墨板的长×宽×厚为10×4×1cm。

9.如权利要求6所述的一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，其特征在于，阴极和阳极之间采用1mm的钛丝导线和1kω的外电阻连接形成闭合回路；基质层表面种植有石菖蒲。

10.如权利要求6所述的一种强化人工湿地-微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，其特征在于，电极氨氧化型cw-mfc以上向流模式连续运行，期间，装置的水力负荷设为0.16m3/(m2·d)，即其进水量和水力停留时间分别约为5l/d和2d，装置基质层中的污水水温维持在14-23℃。

技术总结
本发明涉及水污染治理领域，具体涉及一种强化人工湿地‑微生物燃料电池中电极氨氧化作用的方法，包括以下步骤：(1)以石墨毡为填料，采用SBBR，在其表面培养自养型硝化生物膜；(2)将附有自养型硝化生物膜的石墨毡经裁剪后安装至BES中作为阳极反应，在其表面培养电活性氨氧化生物膜；(3)将附有电活性氨氧化生物膜的石墨毡和阳极层共同组成三维阳极，并组装电极氨氧化型CW‑MFC，运行该装置。本发明通过预制电活性氨氧化生物膜，将其设置组装成三维阳极CW‑MFC，提高了电极氨氧化作用的强度，提高了对TN和NH<subgt;4</subgt;<supgt;+</supgt;‑N的去除率；且在满足污水排放标准的同时，大幅度缩短了运行周期，降低了处理成本。

技术研发人员：王振,徐湛禹,武威,眭家桐,黄超,夏涛,朱祺琪,张震,巫厚长
受保护的技术使用者：安徽农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15