[发明专利]一种电化学辅助生物脱氮技术

说明书

一、技术领域

本发明属于环境生物技术领域，具体涉及一种对氨氮废水进行脱氮处理的电化学辅助生物脱氮技术。

二、背景技术

氮是造成水体富营养化的一种主要元素，而水体中的氮主要以氨氮形式存在。氨氮废水若不经任何处理直接排放，会严重威胁生态安全与人体健康。

传统硝化/反硝化生物脱氮工艺处理上述高氨氮废水存在硝化阶段曝气耗能高、消耗碱度，反硝化阶段需大量添加有机碳源，处理成本较高等问题。虽然，新型短程硝化—厌氧氨氧化工艺在某种程度上弥补了传统硝化—反硝化工艺的不足，但短程硝化工艺与厌氧氨氧化工艺段对控制条件要求极为苛刻，精确控制非常困难。同时，反应所需的厌氧氨氧化菌生长速率极低，启动厌氧氨氧化反应器也有一定难度，这些不足极大地限制了该工艺的推广应用。此外,折点氯化法、离子交换法、吹脱法等常规物化方法，需要添加化学试剂，导致成本过高，并且，此类方法往往通过对氮各种形态间的转变对氮进行富集，并没有将其彻底转化为氮气，极有可能引发二次污染，因此在技术经济上仍存在不少问题，氨氮的去除达标往往成为此类方法应用的瓶颈。此外，随着富营养化问题的日益严重以及人们对氮危害水环境质量认识的深入，污废水排放标准对氮的要求也日趋严格。因此，开发高氨氮废水处理及资源化新技术，降低能耗、物耗一直是国内外水处理科学与工程界研究的热点和难点。

产电呼吸是微生物氧化电子供体，并将产生的电子经由呼吸链传递至电极表面而形成电流的一种厌氧呼吸方式。近十年来，产电微生物与产电呼吸机制的发现，掀起了包括微生物燃料电池（MicrobialFuelCells，MFCs）与微生物电解池（MicrobialElectrolysisCells，MECs）在内的生物电化学系统（Bio-electrochemicalSystem,BES）的研究热潮。BES作为全新的技术，可同时实现污水中有机物的去除与产电（MFCs）或低电压（0.25-0.85V）下产氢（MECs），因此被认为是一种极具应用前景的新技术，也为脱氮提供了一种新思路。

目前，生物电化学脱氮大致分为两类：1，借助外加的独立好氧生化反应系统或双阴极中的好氧阴极室，经传统的硝化反应后再在阴极实现厌氧反硝化；2，在MFC的生物阴极，通过控制溶解氧浓度实现同步硝化反硝化。上述反应均依赖阳极氧化有机物释放的电子，实现阴极硝酸盐的还原，且硝酸盐源自外加的氨氧化过程（非生物电化学反应）。即一个系统中要同时实现阳极有机物的氧化与阴极反硝化及外加辅助硝化过程，无疑增加了系统操作的复杂性，不利于推广应用。

三、发明内容

1.技术原理：

本发明针对现有脱氮技术存在的弊端，提出一种新型电化学辅助生物脱氮技术。

厌氧条件下，向氨氮废水中接种河流底泥或污水处理厂活性污泥，并提供外加电压，经过微生物的筛选与富集，阳极与阴极分别附着了反应所需的微生物，即形成生物阳极与生物阴极。经外加电压的驱动及微生物的催化作用，氨释放电子到阳极，自身被氧化为硝酸盐和质子，其中电子经外电路转移至阴极，硝酸盐和质子经溶质传递也抵达阴极；同样在外加电压的驱动及微生物的催化作用下，生成的硝酸盐接收阴极表面的电子和质子，自身被还原为氮气，同时生成水。具体反应如下：

阳极：NH₄⁺+3H₂O→NO₃^-+8e^-+10H⁺

阴极：NO₃^-+5e^-+6H⁺→1/2N₂+3H₂O4H⁺+3e^-→3/2H₂+H⁺

总反应：NH₄⁺→1/2N₂+3/2H₂+H⁺ΔGr0′=+39.4KJ/mol

经热力学计算，上述反应所需的外加电压为0.136V，考虑到存在电极反应过电位，实验时输入槽压应大于该值，并避免电解水发生（中性条件下，电解水产氢的理论电动势为1.23V，实际反应时的槽压通常需达到2V）。

该过程完全不需曝气进行传统的硝化反应，也无需额外添加碳源完成反硝化，通过将阳极氨氧化过程与阴极反硝化过程耦合在同一个反应器中，实现氨到氮气的全自养型生物脱氮。

2.本发明的特点：