[发明专利]一种用于净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统及净化方法

说明书

本发明涉及一种用于净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统，其特征在于，所述系统包括阳极（1）、阳极室（2）、阴极（3）、阴极室（4）、隔膜（5）、负载（6）、直流电源（7）、自动控制器（8）、阴极室反冲阀（9）、阳极室冲洗阀（10）、水流开关（11）、安全阀（12）、阳极室密封盖（13）、参比电极（14）、壳体（15）、进水口（16）、净水出口（17）、反冲出口（18）。同时还提供利用所述的生物电化学系统净化饮用水硝酸盐的方法。本发明既解决了饮用水硝酸盐还原缺乏电子供体的难题，同时又避免了金属氧化腐蚀对于饮用水可能的二次污染，同时也避免了零价铁纳米粒子还原过程分批次、按比例投加带来的繁琐操作缺陷。

技术领域

本发明涉及水净化领域，特别涉及饮用水净化领域，具体涉及一种用于净化饮用水中硝酸盐的生物电化学系统及净化方法。

背景技术

工农业生产以及人居生活过程中，都会向环境排放大量的氮素，特别是畜禽养殖以及大量化肥的多度施用，使得大量氮素进入地表水体以及地下水系统。在自然环境中，氨氮很容易通过氧化反应转变为硝酸盐氮，其它各种形态的氮也均有转化成硝酸盐的趋向，因此所有的结合氮源都是硝酸盐的潜在来源。近年来，世界许多地方地表水和地下水中硝酸盐氮的含量在不断升高，特别是地下水硝酸盐的大幅增加已经危及作为饮用水源的安全。饮用水中通常缺乏电子供体，使得异养反硝化的发生较为困难，因此脱除饮用水中的硝酸盐一直以来都是难点。

硝酸盐本身对人体并没有危害，但进入人体后，可通过硝酸盐还原菌还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐与血液中的血红蛋白反应形成高铁血红蛋白，并影响血液的氧传输能力。亚硝酸盐还能够与人体内的氨以及酰胺形成强致癌物质—亚硝基化合物如亚硝胺、亚硝酰胺，可诱导人体各种组织如肝、肾、胃、食道等肿瘤的产生。

硝酸盐对人类危害较大，世界各国对食品以及饮用水中的硝酸盐都做了严格限制，我国饮用水卫生标准中要求硝酸盐低于10mg/L（地下水源限制为20mg/L）。现有饮用水硝酸盐净化工艺主要包括电渗析、离子交换以及反渗透等，其中，离子交换需要耗用大量的再生药剂，电渗析与反渗透工艺不仅消耗能源，而且含有大量硝酸盐浓液的废水排入环境导致新的污染。通过氧化还原途径可将硝酸盐还原为氮气、氨等产物，电子供体包括金属、有机酸、氢气、硫单质等。硝酸盐还原包括非生物的化学还原以及生物还原（反硝化、硝酸盐还原为氨）等过程。在饮用水现有净化工艺中，出于对饮用水安全保障的考虑，有机酸、硫单质等作为反硝化电子供体的应用受到一定的限制。以零价铁、电化学结合氢气作为电子供体的硝酸盐还原研究成为热点。近年来，通过特殊工艺还原获得的零价铁纳米粒子因其巨大的比表面积和反应活性，能够在较短时间内完全还原硝酸盐（Kinetics of nitratereductive denitrification by nanoscalezero-valent iron，Process Safety andEnvironmental Protection，2010,88,439-445，Kinetics of reductivedenitrification by nanoscale zero-valentiron，Chemosphere，2000， 41， 1307-1311，Evaluation on the NanoscaleZero Valent Iron Based MicrobialDenitrificationfor Nitrate Removalfrom Groundwater，Scientific Reports，5:12331， DOI: 10.1038/srep12331）。不足的是，零价铁自身的添加比例受到硝酸盐浓度的限制，净化过程繁琐，铁氧化产物以及可能含有的杂质离子都会给饮用水带来二次污染，加上纳米零价铁自身的还原合成工艺复杂，涉及安全等隐患。现有专利描述了利用石墨、铂、钯等不溶性金属作为惰性阳极，镍、铁、铜、锌或合金等作为阴极来进行硝酸盐还原（脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器，CN200810121489.2，一种电化学去除饮用水源中硝酸盐的方法，CN200810239271.7），硝酸盐还原利用阳极水电解提供电子，硝酸盐还原过程还受到氧气的抑制，可能导致亚硝酸盐的积累，饮用水的低电解质环境使得电化学过程电流效率低，额外添加含氯电解质，会产生过量的余氯等有害物质。此外，现有的技术都缺乏对于饮用水硝酸盐还原过程氧化还原电位的控制，零价铁纳米粒子以及电化学硝酸盐还原过程中，由于大量的零价铁氧化腐蚀、水电解产生过量的氢气，使得环境氧化还原电位更负，导致硝酸盐还原过程积累大量的氨氮。