[发明专利]一种提高脱氮效果的微生物燃料电池废水处理系统

说明书

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(NO₃^-)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(Applied Microbiology 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; Water Research. 2008, 42(12): 3013-3024)。在双室MFC中，因NO₃^-/N₂具有更高的氧化还原电位(E=+0.74V，式1)，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NO₃^--N得到电子被还原成N₂。但是反硝化效果很不理想，平均反硝化速率只有3. 77mg L^-1 d^-1(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。 

2NO₃^- +10e^- +12 H⁺→N2 +6H₂O   (0.74V)  (1) 

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12cm × 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(Paracoccus denitrificans ATCC 35512)的固定颗粒，已达到好氧条件下脱氮的目的。 

附图说明

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Labjack U12，阳极和阴极利用电阻为1000 ?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%~80%，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。