[发明专利]一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法

说明书

一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，涉及生物电化学领域和污水处理领域。利用的生物电化学系统为双极室构型，阳极室接种混合污泥，并提供乙酸钠或其它有机物为碳源，定向驯化电活性生物膜，其中，阳极室中的碳作为电子供体被电活性微生物氧化，将电子传递给阳极电极，产生电流；以序批式或连续流的方式运行反应装置，阳极室进水中具有碳源和氮源，氮源为硝态氮NO₃^‑‑N，且碳氮比大于0.5，同时阳极室内为厌氧环境，发生碳源氧化和反硝化反应；阳极电位恒定在‑0.2V～‑0.4V vs.Ag/AgCl之间的某一电位条件下；阴极上进行的反应为任意的还原反应。使得脱氮率可以达到99％以上。

技术领域

本发明涉及生物电化学领域和污水处理领域，具体涉及一种强化污水脱碳脱氮同步产生电能的方法。

背景技术

随着人口的增长和经济的快速发展，我国的废水排放量逐年增多，水污染现象日益严峻，不仅造成水资源短缺，而且严重威胁水安全。其中，含氮废水的排放是引发水环境问题的重要原因之一。一方面，氮作为主要的营养元素，与磷共存于自然水体时会引发水体富营养化，使水生生物大量死亡，水质恶化，饮用水源地受到严重污染；另一方面，现有的水处理工艺不能充分实现反硝化，导致硝酸盐和亚硝酸盐在出水中积累，诱发水中致癌物质的生成，威胁人类的生命健康。因此，废水脱氮是保障水环境和水生态安全的重要前提。此外，随着我国城镇化进程的不断加快，水资源短缺状况日益严重，尤其是京津冀地区，承载全国10％的人口、粮食产量和GDP，而水资源总和不足全国的1.3％，属于严重缺水地区，废水循环再生利用无疑是缓解水资源危机的重要途径，这为废水的深度处理提出了更高的要求，尤其是对于氮素的控制，各项废水回用标准均将其列为重点管控指标，对其排放浓度控制的标准越来越严格，也为污水的深度处理带来了更大的挑战，因此，重视污水脱氮，推动相关技术的研发具有重要的前瞻性和战略性。

生物电化学系统(BESs)是近三十年发展起来的一项突破性的技术，该技术的核心是在电极表面形成电活性生物膜，它结合了生物处理和电化学方法的优势，能够对水中污染物去除和转化的同时，回收资源和能源。2005年，Park等人在生物电化学系统的生物阴极实现了反硝化，并发现这种反硝化途径不依赖氢气作为电子中介体，这样大大降低了硝酸盐还原的能量损失。2010年，昆士兰大学Yurg Keller团队在生物电化学系统中实现了同步硝化反硝化，进一步证明了生物电化学系统脱氮的可行性。当碳源和氮源共存时，电活性微生物在利用碳源产电的同时，还可以还原硝酸盐脱氮。因此，利用生物电化学系统处理含氮污水，对电子供体的需求较低，减少了外碳源投加的需求，具有安全、无二次污染的优势；其次，通过电流和电位的实时反馈，可监测微生物的活性，使该系统的可控性更强；更为重要的是，微生物作为催化剂具有的低成本、可自我更新、抗污染能力强的特点，比传统电催化技术具有更好的经济性和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于利用生物电化学系统进一步强化污水脱碳和脱氮，并且同步产生电能。

本发明提供了一种利用生物电化学系统强化污水脱氮并同步产生电能的方法，其特征在于，利用的生物电化学系统为双极室构型，采用恒电位的方法富集电极生物膜，构建生物电极，具体包括：

(1)双极室生物电化学系统

阳极：以碳基材料作为阳极电极材料，选自碳纤维刷或其它碳基

材料如：碳布、石墨等；

阴极：以碳基材料或金属材料为阴极电极材料；

隔膜：阴极室和阳极室之间以阳离子交换膜或质子交换膜隔开；

(2)启动过程：恒电位构建电活性生物膜