專利名稱：一種生物電化學脫氮反應器及其使用方法
技術領域：
本發明屬于廢水生物處理技術領域，具體涉及一種生物電化學同步硝化反硝化脫氮的反應器及其使用方法。
背景技術：
工農業的迅速發展帶來經濟增長的同時也導致環境污染，其中氮素污染日趨凸顯。傳統的生物脫氮技術包含硝化反應和反硝化反應兩個階段。在硝化階段氨氮在好氧條件下被自養(亞)硝化細菌氧化為(亞)硝態氮；在反硝化階段，亞硝態氮和硝態氮在厭氧條件下再由異養反硝化細菌還原為氮氣，從而實現脫氮。由于自養菌和異養菌的特異性 (自養菌在好氧無有機碳條件下生長，異養菌在厭氧有機碳條件下生長)，決定了硝化階段和反硝化階段需要分開進行，硝化過程需要脫除大部分有機物后才能實施，而反硝化過程又需要外加有機碳源(甲酸鹽、乙酸鹽)，這必定會增加實際運行成本。而且，對高C/N的廢水而言，由于硝化細菌生長速率較慢，異養菌的大量繁殖抑制了硝化作用；而低C/N廢水的脫氮處理中，雖然低有機物濃度有利于硝化作用的進行，但是后期反硝化作用的碳源缺乏嚴重制約反硝化的進程。針對低C/N的廢水脫氮，一些改進的處理工藝已被提出，如厭氧氨氧化 (ΑΝΑΜΜ0Χ)、短程硝化反硝化(SHARON)、基于亞硝酸鹽全自養型脫氮工藝(CANON)、氧限制自養硝化反硝化(OLAND)等，但均存在啟動慢、運行條件苛刻等不利因素。自養反硝化是解決碳源不足的有效途徑之一，一般分為氫自養和硫自養兩類，在無機碳源的條件下將硝態氮脫除，雖然避免了大量污泥的產生，但細菌增殖速率慢，反應啟動耗時長。此外，氫自養反硝化存在氫氣的溶解度有限、不好運輸、易爆炸等問題；而硫自養反硝化會導致出水酸化， 需要補充石灰石調節堿度，增加了出水的水質硬度。隨著生物電化學技術的興起，電極生物膜反應不僅能利用電能，同時還通過電流刺激菌體繁殖，增強某些生理代謝活性，并且易控制，不形成二次污染。專利號為 201010201140. 7的發明專利公開了一種電化學生物聯合脫氮反應器，雖然該裝置可以同時去除有機物、氨氮等多種污染，但是仍然是在高電壓條件下產生原子態氫和氧，處理較低濃度的氨氮廢水。專利號為200510085M4. 3的發明專利提供了一種處理低碳氮比氨氮類廢水的新方法和反應器，在完全自養的條件下，陰極添加硫顆粒，轉化98%以上的氨氮為氮氣，該發明裝置實質上還是限氧亞硝化和硫自養反硝化的串聯工藝，操作條件仍很復雜，尤其是硫自養階段的出水水質難以保證。

發明內容
本發明克服現有氨氮生物脫除過程中需要多反應器串聯、啟動慢、耗能大、操作條件嚴格以及反硝化過程中需要添加碳源等缺點，綜合利用生物氨氧化和電極生物膜反硝化的優點，通過生物電化學途徑，建立一種全自養高效處理低碳氮比氨氮廢水的生物電化學同步硝化反硝化脫氮的反應器及其使用方法。
本發明提供的一種生物電化學同步硝化反硝化脫氮的反應器，由床體(12)、生物陽極(2)、生物陰極(3)、填料(4)、氣體流量計(5)、曝氣器(1)、曝氣頭(11)、循環泵(6)、直流穩壓電源(7)構成；生物陰極和生物陽極分別置于反應器內兩側，分別與直流穩壓電源的負極和正極連接；填料填充于床體中；曝氣頭置于床體中上部；床體兩端分別設有進水口(8)和出水口(9)，通過循環泵連接循環管路用于內循環；反應器頂部設有排氣口(10)， 與外界相通。反應器床體可由玻璃、陶瓷、塑料、混泥土等絕緣材料制成。所述陽極可采用碳氈、石墨棒、碳紙、碳刷、鈦網等材料。所述陰極可采用碳氈、石墨棒、碳紙、碳刷、鈦網、不銹鋼網等材料，優選碳氈。所述填料包括但不限于活性炭顆粒、玻璃珠、石英砂、陶粒、沸石和無煙煤等。本發明還提供一種生物電化學同步硝化反硝化脫氮的方法，主要利用生物電化學途徑，通過電子傳遞方式將氨氧化與反硝化進行偶聯。在陽極，氨態氮在氨氧化菌群的作用下被氧化為亞硝態氮和硝態氮，同時向電路中提供電子；在陰極，亞硝態氮和硝態氮在反硝化菌群的作用下利用外電路提供的電子被還原成氮氣。生物硝化反硝化在同一反應器中進行，實現完全自養同步脫氮。本發明提供的生物電化學脫氮反應器的使用方法包括以下三個步驟(1)電極生物膜馴化氨氧化生物膜掛膜將陽極材料放入一個獨立的反應器中，接種好氧硝化污泥，維持較低溶解氧，處理稀釋一定濃度的垃圾滲濾液，初始氨氮濃度控制在100 120mg/L，并添加適量的NaHCO3,每天檢測三氮(氨氮、亞硝態氮、硝態氮)濃度變化。當氨氮消耗至5 10mg/L時，換液，重新配置氨氮廢水，并添加NaHCO3,連續運行4個星期，直到亞硝化率達到 90%，氨氧化處理負荷穩定在0. 1 0. 12kg/(m3 · d)時，說明優勢氨氧化菌群已形成，氨氧化生物膜掛好。反硝化生物膜掛膜將陰極放入一個獨立的反應器中，接種垃圾填埋場厭氧污泥， 首先異養富集大量的反硝化細菌，然后逐漸減少有機碳源的量，形成穩定的反硝化生物膜。 將反硝化生物膜和上面富集好的氨氧化生物膜同時轉入到本發明的反應器中，并且分別連接到直流穩壓電源的陰極和陽極，通過外加0. 2V的微電壓，在反應器啟動階段完成兩極生物膜對微電壓條件的適應，馴化穩定的電極生物膜。(2)反應器構建采用玻璃、陶瓷、塑料、混泥土等絕緣材料制成反應器床體，其兩端分別設置進水口和出水口，并設置內循環管路；頂部設有排氣口，與外界相通。分別將掛好生物膜的陽極和陰極置入反應器內兩側，并且陽極靠近上層內壁，陰極靠近下層內壁。再在陰陽兩極間填入導電-絕緣混合載體材料，此材料一方面有利于微生物的附著生長，另一方面可減小傳質阻力而又避免短路。最后，將陽極和陰極分別用導線接入直流穩壓電源的正極和負極；將反應器的進水口和出水口通過循環管路接入循環泵。(3)反應器的啟動與運行向反應器中注入氨氮廢水后，通過曝氣器向反應器中曝入一定空氣，調節氣體流量計維持溶解氧在0. 2mg/L 1. Omg/L，調節直流穩壓電源使得輸出電壓恒定，調節循環泵控制內循環流速，定時檢測出水口氨態氮、亞硝態氮、硝態氮以及總氮的變化。
所述廢水氨氮含量為20mg/L 2000mg/L。所述脫氮過程中通過直流穩壓電源提供電壓為0. IV 0. 5V，此時陰極電勢維持在-IOOmV -250mV。所述脫氮反應器中硝化反應與反硝化反應均在溶解氧為0. 2mg/L 1. Omg/L條件下完成。與傳統脫氮技術以及已有改進的脫氮工藝相比，本發明具有如下優點(1)將生物氨氧化和電極生物膜反硝化脫氮偶聯，完全實現氨氮污染的自養脫去；(2)整個反應過程無需添加有機碳源物質；(3)將硝化消耗堿度和反硝化提供堿度有機結合，體系pH波動不大。(4)采用微曝氣，維持溶解氧< 1. Omg/L,確保氨氧化順利進行；(5)外加電壓小(< 0. 5V)，通過三維體系可以實現較大電流；


附圖為生物電化學脫氮反應器的示意圖；其中(1)為曝氣器；(2)為生物陽極； (3)為生物陰極；(4)為混合填料；(5)為氣體流量計；(6)為循環泵；(7)為直流穩壓電源； (8)為進水口 ； (9)為出水口 ； (10)為排氣口 ； (11)為曝氣頭；(12)為床體。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例來進一步詳細說明本發明。實施例1 (1)電極生物膜馴化氨氧化生物膜掛膜將一塊8cmX15cm的碳氈電極放入一個獨立的反應器中，接種好氧硝化污泥，維持較低溶解氧，處理稀釋一定濃度的垃圾滲濾液，初始氨氮濃度為105mg/ L，并添加2. Og/L的NaHCO3,每天檢測三氮(氨態氮、亞硝態氮、硝態氮)濃度變化。當氨氮消耗至5 10mg/L時，換液，重新配置氨氮廢水，并添加NaHCO3,連續運行4個星期，直到亞硝化率達到90%，氨氧化處理負荷穩定在0. 1 0. 12kg/(m3 · d)時，說明優勢氨氧化菌群已形成，氨氧化生物膜掛好。反硝化生物膜掛膜將一塊8cmX15cm的碳氈電極放入一個獨立的反應器中，接種垃圾填埋場厭氧污泥，首先異養富集大量的反硝化細菌，然后逐漸減少有機碳源的量，形成穩定的反硝化生物膜。將反硝化生物膜和上面富集好的氨氧化生物膜同時轉入到本發明的反應器中，并且分別連接到直流穩壓電源的陰極和陽極，通過外加0. 2V的微電壓，在反應器啟動階段完成兩極生物膜對微電壓條件的適應，馴化穩定的電極生物膜。(2)反應器構建本實施例構建的生物電化學同步硝化反硝化脫氮反應器如圖1所示，主要包括床體(12)、曝氣器1、生物陽極2、生物陰極3、混合填料4、氣體流量計5、循環泵6、直流穩壓電源7。反應器床體由一個長寬高分別為15cm χ 5. 5cm χ 17cm的有機玻璃長方體構成， 其兩端分別設有進水口 8和出水口 9，通過循環泵6連接循環管路用于內循環；反應器頂部設有排氣口 10，與外界相通。分別將掛好氨氧化生物膜的生物陽極2和掛好反硝化生物膜
5的生物陰極3置入反應器內兩側，并將生物陽極和生物陰極分別用導線接入直流穩壓電源 7的正極和負極。再在陰陽兩極間填充由活性炭顆粒和玻璃珠組成的混合填料4，活性炭顆粒和玻璃珠體積比例為1 3，填上填料后反應器實際有效容積為0.5L。(3)反應器的啟動與運行向反應器中注入51mg/L氨氮廢水后，通過曝氣器向反應器中曝入一定空氣，調節氣體流量計維持溶解氧在0. 2mg/L 1. Omg/L，調節直流穩壓電源使得輸出電壓恒定0. 2V, 調節恒流泵控制內循環流速為500ml/d，定時檢測出水口氨態氮、亞硝態氮、硝態氮以及總氮的變化。經過3天的處理后水質如表1所示。表1實施例1處理后的水質
權利要求
1.一種生物電化學脫氮反應器，其特征在于反應器由床體(12)、生物陽極O)、生物陰極(3)、填料(4)、氣體流量計( 、曝氣器1)、曝氣頭(11)、循環泵(6)、直流穩壓電源(7)構成；生物陰極和生物陽極分別置于反應器內兩側，分別與直流電源的負極和正極連接；填料填充于床體中；曝氣頭置于床體中上部；床體兩端分別設有進水口(8)和出水口(9)，通過循環泵連接循環管路用于內循環；反應器頂部設有排氣口(10)，與外界相通。
2.根據權利要求1所述的生物電化學脫氮反應器，其特征是所述反應器床體由絕緣材料有機玻璃或塑料或陶瓷或混凝土制成；陽極由碳氈或石墨棒或碳紙或碳刷或鈦網制成；陰極由碳氈或石墨棒或碳紙或碳刷或鈦網或不銹鋼網材料制成，優選碳氈；填料由活性炭顆粒和絕緣粒子組成，活性炭顆粒和絕緣粒子的體積比為1 1 1 5。
3.根據專利要求2所述的生物電化學脫氮反應器，其特征是所述絕緣粒子為玻璃珠或沸石或石英砂或陶粒或無煙煤。
4.權利要求1所述的生物電化學脫氮反應器的使用方法，其特征是首先進行陽極氨氧化生物膜掛膜和陰極反硝化生物膜掛膜，掛膜成功后啟動反應器；氨氮廢水通過微曝氣形成限氧環境，以確保氨氧化菌氧化氨氮對氧的需求；硝化反應與反硝化反應均在溶解氧為0. 2mg/L 1. Omg/L條件下完成；外加0. 2V-0. 5V微電壓，維持陰極電勢為-IOOmV -250mV時進行脫氮反應。
5.權利要求1所述生物電化學脫氮反應器在低碳氮比氨氮廢水生物脫氮中的用途。
全文摘要
本發明屬于廢水生物處理技術領域，具體涉及一種生物電化學同步硝化反硝化脫氮的反應器及其使用方法。反應器由床體、生物陽極、生物陰極、填料、氣體流量計、曝氣器、曝氣頭、循環泵、直流穩壓電源構成；生物陰極和生物陽極分別置于反應器內兩側，分別與直流電源的負極和正極連接；填料填充于床體中；曝氣頭置于床體中上部；床體兩端分別設有進水口和出水口，通過循環泵連接循環管路用于內循環；反應器頂部設有排氣口，與外界相通。反應器的使用方法為首先進行陽極氨氧化生物膜掛膜和陰極反硝化生物膜掛膜，掛膜成功后啟動反應器；硝化反應與反硝化反應均在溶解氧為0.2mg/L~1.0mg/L條件下完成；外加0.2V-0.5V微電壓，維持陰極電勢為-100mV~-250mV時進行脫氮反應。本發明具有處理效果好，節能環保，啟動快，操作簡便等優點。
文檔編號C02F3/30GK102351312SQ20111027164
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者占國強, 張禮霞, 李大平, 陶勇 申請人:中國科學院成都生物研究所