厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統及方法技術方案

本發明專利技術公開一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統及方法。系統由三室微生物電化學反應器與外電路兩部分組成。三室微生物電化學反應器包括三個獨立的反應室，每個反應室設置惰性電極，分別接種厭氧消化污泥、短程反硝化污泥與厭氧氨氧化污泥，反應室之間通過離子交換膜相隔。惰性電極與外電路相連。外電路串聯兩個開關和一個電源，用于控制電路的通斷。本發明專利技術通過反硝化燃料電池與厭氧氨氧化電解池的切換，可實現高COD、高硝氮和高氨氮廢水的聯合處理，且具有高效處理污染物，回收能源的顯著優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術歸屬廢水生物處理領域，具體涉及一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統及方法。
技術介紹
目前，常采用厭氧消化技術將高COD廢水中的有機物轉化成甲烷與二氧化碳，以實現廢水除碳；分別采用反硝化與厭氧氨氧化技術將廢水中的高硝氮與高氨氮的轉化為氮氣，以實現廢水脫氮。隨著微生物燃料電池(MFC)與微生物電解池(MEC)的研發，將微生物電化學技術與生物除碳和生物脫氮技術相結合的組合工藝應運而生。由于生物除碳和脫氮技術對廢水基質的要求各不相同，對組合微生物電化學技術的新工藝研究，目前主要集中在生物電化學技術分別與生物除碳技術和生物脫氮技術的組合上，主要目的是在治污的同時回收能源。以同時處理多種污染物為目的的復合工藝迄今罕見報道。本專利技術以生物電化學系統為中介，將生物除碳技術和生物脫氮技術進行有機耦合，開發了一種新型生物電化學系統。
技術實現思路
本專利技術的目的是解決現有技術存在的功能單一問題，提供一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統及其污染物處理方法。一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統，其主體裝置為三室微生物電化學反應器，其中包括厭氧消化反應室、反硝化反應室與厭氧氨氧化反應室三個獨立的反應區；厭氧消化反應室與反硝化反應室之間通過陽離子交換膜分隔，反硝化反應室與厭氧氨氧化反應室之間通過陰離子交換膜分隔；厭氧消化反應室、反硝化反應室、厭氧氨氧化反應室分別插有惰性電極、惰性電極Ⅱ、惰性電極Ⅲ；惰性電極Ⅰ、惰性電極Ⅱ、惰性電極Ⅲ上分別富集厭氧消化污泥、短程反硝化污泥與厭氧氨氧化污泥；所述的惰性電極Ⅰ與惰性電極Ⅱ通過導線相連，所述的惰性電極Ⅱ、惰性電極Ⅲ分別通過導線連接穩壓電源的負極和正極。作為優選，所述的惰性電極Ⅰ和惰性電極Ⅱ之間的導線上設有開關Ⅰ，開關
Ⅰ與惰性電極Ⅱ之間的導線通過開關Ⅱ連接至穩壓電源的負極。作為優選，位于三室微生物電化學反應器的各反應區內的導線均采用鈦絲。進一步的，厭氧消化反應室和反硝化反應室可組成反硝化燃料電池，反硝化反應室與厭氧氨氧化反應室可組成厭氧氨氧化電解池，三室微生物電化學反應器是微生物燃料電池與微生物電解池的集成，通過開關Ⅰ和開關Ⅱ可進行反硝化燃料電池與厭氧氨氧化電解池之間的切換。作為優選，厭氧消化反應室、反硝化反應室與厭氧氨氧化反應室三室的體積之比為1:1:1，分別用于進行有機物氧化、硝酸鹽還原和氨氧化反應。作為優選，厭氧消化反應室、反硝化反應室與厭氧氨氧化反應室在底部各設進水口，頂部各設出水口。進一步的，反硝化燃料電池與厭氧氨氧化電解池通過開關Ⅰ和開關Ⅱ的切換共用反硝化反應室；在反硝化燃料電池中，反硝化反應室作為陰極接收厭氧消化反應室輸送的電子而進行短程反硝化反應(硝酸鹽還原成亞硝酸鹽)；在厭氧氨氧化電解池中，厭氧氨氧化反應室作為陽極發生氨的氧化反應，反硝化反應室作為陰極接收厭氧氨氧化反應室輸送的電子而進行亞硝酸鹽的還原反應。作為優選，所述的惰性電極Ⅰ、惰性電極Ⅱ、惰性電極Ⅲ均采用碳氈電極。基于上述裝置的污染物處理方法，在反硝化燃料電池中，反硝化反應室受控進行短程反硝化(硝酸鹽還原成亞硝酸鹽)；在厭氧氨氧化電解池中，厭氧氨氧化反應室進行氨氧化，反硝化反應室進行亞硝酸鹽還原反應，在外電源作用下厭氧氨氧化反應室和反硝化反應室協同完成厭氧氨氧化，具體步驟如下：首先，組裝好電化學系統，通過厭氧消化反應室的進水口加入含COD廢水，通過反硝化反應室的進水口加入含硝氮廢水，通過厭氧氨氧化反應室的進水口加入含氨氮廢水，保證附著厭氧消化、短程反硝化、厭氧氨氧化污泥的三個電極分別對應含COD、硝氮、氨氮的三種廢水；然后，閉合開關Ⅰ，打開開關Ⅱ，厭氧消化反應室與反硝化反應室組成反硝化燃料電池，厭氧消化反應室作為陽極進行有機物的氧化反應，反硝化反應室作為陰極進行硝酸鹽的還原反應，陽極反應產生的電子通過外電路輸送至陰極，同時提高厭氧消化與短程反硝化的效率，并產生電流回收能源；再然后，打開開關Ⅰ，閉合開關Ⅱ，調節穩壓電源，反硝化反應室與厭氧氨
氧化反應室組成厭氧氨氧化電解池，反硝化反應室作為陰極進行亞硝酸鹽的還原反應，厭氧氨氧化反應室作為陽極進行氨的氧化反應，在反硝化反應室上步硝酸鹽還原產生的亞硝酸鹽，受穩壓電源的作用通過陰離子交換膜移向厭氧氨氧化反應室，并在厭氧氨氧化反應室與高濃度氨氮發生厭氧氨氧化，生成氮氣；最后，經過處理的廢水通過厭氧消化反應室、反硝化反應室與厭氧氨氧化反應室各自的出水口排出系統，實現對COD與氮素污染物的聯合去除。本專利技術的有益效果是：(1)通過微生物燃料電池與微生物電解池的切換，可以同時處理高COD、高硝氮以及高氨氮三種污染物。(2)將微生物燃料電池與微生物電解池整合在同一個系統中，可以有效減少占地面積與處理成本。(3)在廢水處理過程中可以回收能源。附圖說明圖1為厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統示意圖；圖中：三室微生物電化學反應器1，外電路2，厭氧消化反應室3，反硝化反應室4，厭氧氨氧化反應室5，惰性電極Ⅰ6，惰性電極Ⅱ7，惰性電極Ⅲ8，陽離子交換膜9，陰離子交換膜10，開關Ⅰ11，開關Ⅱ12，穩壓電源13，厭氧消化進水口14，反硝化進水口15，厭氧氨氧化進水口16，出水口17，鈦絲18。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術做進一步闡述。本專利技術中的技術特征，除有沖突之外，均可進行相互組合，不構成限制。如圖1所示，一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統，其主體裝置由三室微生物電化學反應器1與外電路2組成(以圖中虛線框劃分)。三室微生物電化學反應器1由有機玻璃或其他耐腐蝕材料制作，內部包括厭氧消化反應室3、反硝化反應室4與厭氧氨氧化反應室5三個獨立的反應區。厭氧消化反應室3與反硝化反應室4之間通過陽離子交換膜9分隔，反硝化反應室4與厭氧氨氧化反應室5之間通過陰離子交換膜10分隔。厭氧消化反應室3、反硝化反應室4、厭氧氨氧化反應室5中依次插有惰性電極Ⅰ6、惰性電極Ⅱ7、惰性電極Ⅲ8(三個電極可采用不參與反應的惰性電極，優選為碳氈電極)。惰性電極Ⅰ6、惰性電
極Ⅱ7、惰性電極Ⅲ8上分別事先富集厭氧消化污泥、短程反硝化污泥與厭氧氨氧化污泥。外電路2中設有一個穩壓電源13、開關Ⅰ11和開關Ⅱ12。為了防止反應區內液體環境對導線造成腐蝕，三個電極通過鈦絲18與外電路2相連，鈦絲末端位于反應區外。惰性電極Ⅰ6與惰性電極Ⅱ7的鈦絲18通過導線電連接，且該導線段上設置開關Ⅰ11進行開斷控制。開關Ⅰ11與惰性電極Ⅱ7之間的導線通過開關Ⅱ12連接至穩壓電源13的負極。惰性電極Ⅲ8連接至穩壓電源13的正極，由電源進行供電。厭氧消化反應室3和反硝化反應室4可組成反硝化燃料電池，反硝化反應室4與厭氧氨氧化反應室5可組成厭氧氨氧化電解池。由此可見，本專利技術的三室微生物電化學反應器1是微生物燃料電池與微生物電解池的集成，并可通過開關Ⅰ11和開關Ⅱ12進行反硝化燃料電池與厭氧氨氧化電解池之間的切換。厭氧消化反應室3、反硝化反應室4與厭氧氨氧化反應室5的體積之比為1:1:1，可分別進行有機物氧化、硝酸鹽還原和氨氧化反應，該體積比例下適合高COD、高硝氮以及高氨氮的去除。厭氧消化反應室3、反硝化反應室4與厭氧氨氧化反應室5在底部各設進水口14、進水口15、進本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統，其特征在于：主體裝置為三室微生物電化學反應器(1)，其中包括厭氧消化反應室(3)、反硝化反應室(4)與厭氧氨氧化反應室(5)三個獨立的反應區；厭氧消化反應室(3)與反硝化反應室(4)之間通過陽離子交換膜(9)分隔，反硝化反應室(4)與厭氧氨氧化反應室(5)之間通過陰離子交換膜(10)分隔；厭氧消化反應室(3)、反硝化反應室(4)、厭氧氨氧化反應室(5)分別插有惰性電極(6)、惰性電極Ⅱ(7)、惰性電極Ⅲ(8)；惰性電極Ⅰ(6)、惰性電極Ⅱ(7)、惰性電極Ⅲ(8)上分別富集厭氧消化污泥、短程反硝化污泥與厭氧氨氧化污泥；所述的惰性電極Ⅰ(6)與惰性電極Ⅱ(7)通過導線相連，所述的惰性電極Ⅱ(7)、惰性電極Ⅲ(8)分別通過導線連接穩壓電源(13)的負極和正極。

【技術特征摘要】
1.一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統，其特征在于：主體裝置為三室微生物電化學反應器(1)，其中包括厭氧消化反應室(3)、反硝化反應室(4)與厭氧氨氧化反應室(5)三個獨立的反應區；厭氧消化反應室(3)與反硝化反應室(4)之間通過陽離子交換膜(9)分隔，反硝化反應室(4)與厭氧氨氧化反應室(5)之間通過陰離子交換膜(10)分隔；厭氧消化反應室(3)、反硝化反應室(4)、厭氧氨氧化反應室(5)分別插有惰性電極(6)、惰性電極Ⅱ(7)、惰性電極Ⅲ(8)；惰性電極Ⅰ(6)、惰性電極Ⅱ(7)、惰性電極Ⅲ(8)上分別富集厭氧消化污泥、短程反硝化污泥與厭氧氨氧化污泥；所述的惰性電極Ⅰ(6)與惰性電極Ⅱ(7)通過導線相連，所述的惰性電極Ⅱ(7)、惰性電極Ⅲ(8)分別通過導線連接穩壓電源(13)的負極和正極。2.根據權利要求1所述的一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統，其特征在于：所述的惰性電極Ⅰ(6)和惰性電極Ⅱ(7)之間的導線上設有開關Ⅰ(11)，開關Ⅰ(11)與惰性電極Ⅱ(7)之間的導線通過開關Ⅱ(12)連接至穩壓電源(13)的負極。3.如權利要求2所述的一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統，其特征在于：位于三室微生物電化學反應器(1)的各反應區內的導線均采用鈦絲。4.根據權利要求2所述的一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統，其特征在于：厭氧消化反應室(3)和反硝化反應室(4)可組成反硝化燃料電池，反硝化反應室(4)與厭氧氨氧化反應室(5)可組成厭氧氨氧化電解池，三室微生物電化學反應器(1)是微生物燃料電池與微生物電解池的集成，通過開關Ⅰ(11)和開關Ⅱ(12)可進行反硝化燃料電池與厭氧氨氧化電解池之間的切換。5.根據權利要求1所述的一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統，其特征在于：厭氧消化反應室(3)、反硝化反應室(4)與厭氧氨氧化反應室(5)三室的體積之比為1:1:1，分別用于進行有機物氧化、硝酸鹽還原和氨氧化反應。6.根據權利要求1所述的一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統，其特征在于：厭氧消化反應室(3)、反硝化反應室(4)與厭氧氨氧化反應室(5)在底部各設進水口，頂部各設出水口。7.根據權利要求2所述的一種厭氧消化反硝化厭氧氨氧化生物電化學系統，其特征在于：反硝化燃料電池與厭氧氨氧...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭平，丁阿強，張萌，趙旦，丁鋒，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33