[发明专利]一种上行垂直流人工湿地耦合微生物电解池强化脱氮的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于污水处理领域，更具体涉及一种上行垂直流人工湿地耦合微生物电解池(MEC)强化脱氮的方法，同时还涉及一种上行垂直流人工湿地耦合MEC强化脱氮的装置。

背景技术

目前中国的水体污染中，氮已逐渐上升为主要污染物，大量的含氮污水，未经处理或处理不完全就排入水体，导致水体的富营养化。因此，氮的去除是当前污水处理领域中急需解决的难题之一，脱氮技术的研究和应用引起了人们的广泛关注。实际污水生物脱氮过程中，只有当C/N比大于6时，才能满足反硝化菌对碳源的需要，达到完全脱氮的目的(ChiuY.C.,andChungM.S.,DeterminationofoptimalCOD/nitrateratioforbiologicaldenitrification,InternationalBiodeterioration&Biodegradation,2003,pp.43-49.)。在实际工程中，低C/N比污水为了达到氮的高效去除，通常是投加甲醇或乙醇等有机物，这样既消耗了有限的资源，又增加了运行维护费用。

人工湿地系统具有建造及运行费用低(仅为传统二级污水处理厂的1/10-1/2)、维护简单、处理效果好、适用面广、对负荷变化的适应能力强等优点，因此被广泛应用于各种污水的处理(吴振斌,复合垂直流人工湿地,科学出版社,北京,2008.)。人工湿地中氮的去除机理比较复杂，是湿地植物、基质和微生物通过物理、化学及生物的协同作用的结果，其中微生物的硝化和反硝化为最主要脱氮途径，而充足的碳源是反硝化菌高效脱氮的关键。对于低碳高氮污水，污水本身所能提供的碳源不足以满足反硝化的要求，因此人工湿地总氮去除率普遍不高(JanVymazal,Removalofnutrientsinvarioustypesofconstructedwetlands,ScienceoftheTotalEnvironment,2007,pp.48-65.)。

微生物电解池(MicrobialElectrolysisCell,MEC)是利用微生物作为反应主体，在阴、阳极间施加电势产生氢气的一种装置(LiuH.,GrotS.,LoganB.E.,Electrochemicallyassistedmicrobialproductionofhydrogenfromacetate,EnvironmentalScience&Technology,2005,pp.4317-4320.)，是近年来国内外污水处理领域的研究热点之一。由于MEC中阴极上产氢的氧化还原电位较阳极有机物氧化的反应低，因此电子不能自发流动。为了克服此能量壁垒，使产氢反应得以进行，需额外施加一个理论值为0.13-0.14V的电压。在实际反应中，由于电势损失，一般需外加一个0.2-0.9V的电压，但仍小于电解水产氢过程中所需的电压(1.8-2.0V)。也就是说，尽管微生物电解池需要外加电压，但仍小于化学电解池所需的能耗。

研究显示，低碳氮比下以氢气为电子供体的生物电化学反硝化作用可以实现对污水中硝酸盐氮的有效去除(ParkJY,YooYJ.Biologicalnitrateremovalinindustrialwastewatertreatment:whichelectrondonorwecanchoose,AppliedMicrobiologyandBiotechnology,2009,pp:415-429.)。其原理是，MEC阴极表面的电化学活性菌(无需外源电子介体而具有胞外电子传递能力微生物的统称)，接收来自直流电源提供的电子，在阴极与质子结合产生氢气，氢气作为NO₃^-的电子供体，将NO₃^-还原成N₂。阳极有机物以醋酸根为例，具体反应方程式如(1)-(3)所示：

阳极反应：CH₃COO^-+2H₂O→2CO₂+7H⁺+8e^-(1)

阴极反应：2H⁺+2e^-→H₂(2)

2NO₃^-+5H₂→N₂+4H₂O+2OH^-(3)