[发明专利]一种电化学辅助的源分离尿液生物脱氮的方法

说明书

一、技术领域

本发明属于环境生物技术领域，特别涉及一种利用微生物电解池技术进行源分离尿液脱氮的方法。

二、背景技术

尿液是生活污水的重要组成部分，尽管其体积不足全部生活污水1％，但却贡献了大约80％的氮和45％的磷，而这些污染元素必须在污水处理系统中得到有效的去除。如果能够将尿液从生活污水的源头分离出来，将大大减轻后续污水处理的压力。

源分离技术则是针对上述特点，采用特殊设计的卫生洁具在源头上将尿液单独进行分离和收集，从而形成不同于传统下水道系统的生活卫生系统，将生活污水中主要的污染元素以尿液这一载体进行分离。源分离技术因为其符合可持续发展的理念而逐渐得到国内外的广泛重视。欧盟在2000年由多个研究机构联合开展了尿液源分离技术的综合性研究，并进行了工程示范(Larsen TA，Alder AC，Eggen RIL，Maurer M，Lienert J.Source Separation：WillWe See a Paradigm Shift in Wastewater Handling？Environ.Sci.Technol.2009，43：6121-6125)。近年来我国也建设了一批包括奥运森林公园项目在内的源分离技术示范项目。

但目前，源分离技术的广泛应用仍面临着一些技术挑战，其中之一就是如何对源头分离的尿液进行就地处理或资源化。尿液的主要污染成分是尿素(CO(NH₂)₂)，而尿素会快速分解生成氨(NH₄⁺)，因此尿液处理的核心问题是高浓度氨氮废水的处理。目前，高浓度氨氮废水处理的物理化学方法主要有：吹脱法、离子交换法、折点加氯法等。这些方法要么不能彻底转化氨氮为氮气，容易造成二次污染；要么需要大量的化学试剂，运行成本高昂。生物处理技术是当前应用较广的氨氮废水处理方法，如传统的硝化-反硝化工艺和短程硝化-厌氧氨氧化工艺(何岩，赵由才，周恭明.高浓度氨氮废水脱氮技术研究进展.工业水处理，2008，28：1-4)。但对于含有高浓度氨氮的源分离尿液而言，目前的生物处理技术也有明显的不足。如传统的硝化-反硝化工艺需要在反硝化阶段补充大量的有机碳源，且硝化过程所需氧气量较大，能耗较高；最近兴起短程硝化-厌氧氨氧化工艺在一定程度上克服了传统硝化-反硝化工艺的确定，但是短程硝化工艺段和厌氧氨氧化工艺段的技术条件要求极为严格，精确控制非常困难(A Joss，D Salzgeber，J Eugster，et al.Full-Scale Nitrogen Removal fromDigester Liquid with Partial Nitritation and Anammox in One SBR.Envrion Sci Technol.2009，43：5301-5306)。此外，负责厌氧氨氧化的厌氧氨氧化菌增长速率极低，厌氧氨氧化反应器启动困难。这些不足严重的限制了短程硝化-厌氧氨氧化工艺的大范围应用。由此可见，研发一种低成本的、能够将源分离尿液中的氨氮直接转化为氮气的尿液处理技术对于推进源分离技术的广泛应用是非常必要的。

本发明基于利用微生物产电呼吸原理，提出一种电化学辅助的、全自养型的生物脱氮新技术，从而实现低成本、易操作的源分离尿液生物脱氮方法。

三、发明内容

1、本发明所指的源分离尿液，特指人类生活卫生系统中，通过特殊设计的卫生器具单独收集的尿液或含有冲洗水的水尿混合液，以及畜禽养殖过程中单独收集的畜禽尿液或含有冲洗水的水尿混合液。

2、本发明的方法是基于微生物电解池技术。所说的微生物电解池(MicrobialElectrolysis Cell，MEC)技术是近年来快速发展的一项微生物与电化学相结合的新技术。在MEC中，具有胞外电子传递能力的微生物(亦称产电微生物)附着在阳极表面，在厌氧条件下氧化有机物，并将获得的电子传递给固体阳极，在一定外加电压的驱动下，阳极获得的电子通过外电路转移至阴极；在阴极，溶液中质子接受电子被还原生成氢气，或者产电微生物附着在阴极表面接收电子和质子(即生物阴极)。MEC技术与纯电化学氧化技术相比，最大的优势在于氧化有机物所需的催化剂由微生物提供，这一过程产生的能量则被微生物用于自我复制和维持，因此无需额外提供昂贵的贵金属催化剂，并可显著降低外加电压(通常低于1V)。本发明是基于微生物电解池技术，但发明内容中不包含微生物电解池技术本身。