[发明专利]一种三维电极生物膜强化脱氮方法

说明书

技术领域：

本发明属于污水处理与资源化利用领域，具体地说是一种将三维电极生物膜工艺与硫自养反硝化工艺相耦合用于污水脱氮处理的水处理工艺，特别适用于低碳氮比污水的脱氮处理。

背景技术：

三维电极-生物膜技术是在以氢气为电子供体的自养反硝化基础上发展起来的一种生物与电化学相结合的水处理技术，在少量或不投加有机碳源的条件下，能够实现对氮和部分有机物的去除。该工艺将电化学法与生物膜法相结合，在物理电极上进行微生物挂膜，在电极间通以直流电进行电解，阴极产生的氢气被微生物利用以进行自养反硝化脱氮。

该工艺产物清洁，不会增加出水负担；将复杂的生物化学反应过程用简单的电流调节进行控制，操作起来非常方便。但是该工艺与异养反硝化工艺一样，都存在出水碱度升高的问题；在碳氮比(COD与氮元素的质量浓度比)低于1.5：1时，处理效率较低。

当将三维电极生物膜工艺用于低碳氮比污水的脱氮处理时，若要保证较高的硝态氮去处效率，需要向原水中投加甲醇、乙醇、乙酸等有机碳源，为了减少和避免有机物在出水中残留，需要精确控制有机物的投加剂量，而且异养菌的大量繁殖也会增加出水浊度。

强化三维电极生物膜的自养反硝化过程可以有效避免由于投加有机碳源造成成本增加和二次污染的问题，并且自养菌合成的生物量较少，对出水浊度影响也相对较小。

运用单质硫作为无机电子供体用于污水的脱氮处理，可以减少有机碳源的投加，微生物在利用单质硫进行反硝化的过程中会产生H⁺。若将三维电极生物膜工艺与硫自养工艺相耦合用于污水的脱氮处理，硫自养反硝化产生的H⁺能够与氢自养反硝化和异养反硝化产生的OH^-中和，为反硝化细菌提供一个中性环境，有利于反硝化过程的进行。

王海燕曾研制出一种电化学氢自养与硫自养集成的反硝化脱氮反应器。该反应器的主体部分为硫自养段和氢自养段，两者分开布置，在硫自养段没有电化学氢自养的作用，电化学氢自养段也不存在硫自养反硝化作用。硫自养段装填粒径大小为3～4mm的硫磺，电化学氢自养段以碳棒作为阳极，以不锈钢板为阴极，不加填料。反应器在运行时，将pH=8、C(NO₃^--N)=30mg/L的污水依次通过硫自养段和氢自养段。检测进出水NO₃^--N、SO₄^2-的浓度和PH值发现，反应器对NO₃^--N的去除率达到了90%以上，出水中SO₄^2-的积累量为170mg.L^-1，硫自养段和氢自养段出水的pH值分别在7和7.5附近，并通过分析证明了该工艺的高脱氮效率是电化学氢自养与硫自养相互补充协同作用的结果。

本发明与王海燕的研究有所不同。首先，在反应器结构上，本发明以活性炭颗粒和硫磺颗粒作为填料，氢自养段和硫自养段并非是独立分开的；以多孔状、网状金属或活性炭纤维材料作为阴极，极大的增大了阴极的比表面积，以便于微生物附着。其次，本发明的脱氮机理也更为复杂，除了电化学方面的相互补充和促进，更是由于硫自养反硝化细菌、氢自养反硝化细菌和异养反硝化细菌在整个体系相互协同作用的结果。维持系统的pH值在中性附近，对系统中NO₃^--N能否彻底被还原为N₂很重要，pH过高或者过低都会影响反硝化细菌的亚硝酸还原酶的活性，导致NO₂^--N的积累。同时pH过高或者过低还会影响系统出水的水质。本发明很好的解决了系统中酸碱度平衡的问题，硫自养反硝化可以解除氢自养和异养反硝化过程的碱度抑制问题，同时硫自养产氢可促进氢自养反硝化过程；氢自养和异养反硝化也可为硫自养解除酸度抑制。硫自养反硝化过程、异养反硝化过程和氢自养过程三者相互作用，为反应器中反硝化细菌提供适宜生长的中性环境，减少了NO₂^--N的积累；同时三种反应过程相互补充，减少了硫自养反硝化过程产生的SO₄^2-，避免了二次污染。再者，本发明是将三维电极生物膜工艺和硫自养反硝化工艺相耦合用于污水的脱氮处理，相对于电极生物膜工艺，三维电极生物膜工艺由于阴极面积极大的增加，脱氮效率也极大的提高了。

发明内容：

本发明的目的是：强化三维电极生物膜工艺，提高其脱氮效率。