一種同步產電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝及裝置的製作方法
2023-06-08 19:09:11 1
專利名稱：一種同步產電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於水處理技術領域，特別涉及一種同步處理汙水、產電和去除地下水硝酸鹽的水處理工藝與裝置。
背景技術：
地下水是貯存於包氣帶以下地層空隙，包括巖石孔隙、裂隙和溶洞之中的水，是水資源的重要組成部分。由於地下水的水量穩定、水質好，它不僅是農業灌溉、工業生產的重要水源之一，更是人類的重要飲用水源，據統計，我國約有70 %的人口以地下水為主要飲用水源。但是，大量含氮廢水隨著工農業的發展而被排入自然水體並進入地下水中，造成了地下水的硝酸鹽汙染。儘管硝酸鹽本身對人體沒有危害，但在人體內有可能經硝酸鹽還原菌作用變成亞硝酸鹽，從而引起高鐵血紅蛋白症，或形成致癌物質亞硝基胺或其化合物使消化器官致癌，對人體健康構成威脅。為了應對地下水的硝酸鹽汙染，研究者提出了生物法、化學催化還原法、物理化學分離法等工藝，但這些工藝會造成二次汙染，或者成本較高。微生物燃料電池是近年來發展迅速的一種汙水處理新技術，由陽極室、分隔膜和陰極室組成。在陽極室中，生長於陽極材料上的產電微生物在分解汙水中汙染物的同時將其化學能轉化成電能並將電子轉移到電極上；在陰極室中，電子受體通過消耗陽極室產生的電子，常用的電子受體是氧氣或鐵氰化鉀。硝酸鹽的還原過程通常也被稱為反硝化，是正 5價的氮獲得電子被還原的過程，這一過程在催化劑或微生物的作用下都可以進行。我們在陰極室的電極材料上馴化自養反硝化微生物，它們利用陽極室產生的電子將硝酸鹽還原為氮氣，且不需要額外提供有機碳源；此外，我們在陰極室的另一側增加一個地下水室，並以陰離子交換膜將其與陰極室隔開，在這個地下水室內加入被硝酸鹽汙染的地下水，硝酸鹽在離子梯度下會通過陰離子交換膜進入陰極室並在微生物的反硝化作用下被還原為氮氣， 同時地下水中的碳酸根和碳酸氫根離子也會通過陰離子交換膜進入陰極室，從而作為自養反硝化微生物生長的碳源，由於離子交換膜的分隔作用，自養反硝化微生物不會進入地下水中造成生物汙染。利用該反應器，不僅實現了汙水處理和產電，而且去除了地下水中的硝酸鹽汙染。
發明內容
本發明以微生物燃料電池和自養反硝化微生物為基礎，目的在於利用微生物燃料電池同時實現處理汙水、產電和去除硝酸鹽。本發明提供了一種同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝，其特徵在於，包括以下步驟
(a)按照附圖1安裝設備；
(b)汙水進入陽極室A，陽極2上的產電微生物1將汙水中的汙染物氧化並產生電子傳遞給陽極2，MFC外電路的電流方向為從陰極5流向陽極2 ；
(c)微生物燃料電池內電路的電流方向為從陽極2流向陰極5，陽極室A中的陽離子穿過陽離子交換膜3進入陰極室B ；(d)地下水室C中加入待處理的硝酸鹽汙染地下水，由於與陰極室B存在較大的離子梯度，硝酸根離子會穿過陰離子交換膜6進入陰極室B，而電子經由導線和外電阻7傳遞至陰極5並進一步傳遞給自養反硝化微生物4，使硝酸根離子在自養反硝化微生物4的作用下被還原為氮氣，完成產電過程和硝酸鹽的反硝化；
(e)由於硝酸根離子不斷被還原，硝酸根離子在離子梯度的驅動下會不斷由地下水室C 進入陰極室B，此外，地下水中的碳酸根和碳酸氫根離子也會穿過陰離子交換膜6進入陰極室B作為自養反硝化微生物4生長的碳源。所述汙水為可生化處理的有機廢水。所述產電微生物為馴化的混合微生物菌群，其優化的產電條件為溫度25 40° C，pH值8 10，溶解氧濃度 90%的無毒離子交換膜，膜厚度0. 2 0. 5mm，爆破強度彡0. 3MPa。所述陽極2上的產電微生物1和陰極5上的自養反硝化微生物4所形成的膜厚度為 20 100 μ m。所述陽極室A內陽極2和陰極室B內陽極5的材料包括石墨粒，粒徑1 5mm ； 或石墨氈，厚度5 IOmm ；或碳氈，厚度5 IOmm ；或碳布，厚度0. 1 0. 45mm。本發明的有益效果為利用微生物燃料電池陽極產電微生物產生的電子在處理汙水、產電的同時淨化硝酸鹽汙染的地下水，且地下水中的碳酸根和碳酸氫根離子為自養反硝化微生物提供碳源，無需外加碳源，適合以地下水為主要飲用水源的地區同步處理廢水和去除地下水中的硝酸鹽汙染；本發明所述工藝簡單、易操作、能耗低、效率高、運行費用低、無二次汙染；所述處理裝置結構簡單，便於擴大化工業生產與使用。
圖1為本發明所述的同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的微生物燃料電池原理示意圖。圖中標示
A—陽極室，B—陰極室，C一地下水室，1一產電微生物，2—陽極，3—陽離子交換膜，4一自養反硝化微生物，5—陰極，6—陰離子交換膜，7—導線和外電阻。
具體實施例方式本發明提供了一種用於同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝及裝置，以下結合附圖對具體實施方式
進行說明。實施方式1:裝置安裝
裝置按照圖1所示的原理圖進行安裝陽離子交換膜3和陰離子交換膜6將裝置分為陽極室A、陰極室B和地下水室C，其中陽離子交換膜3和陰離子交換膜6採用透過率分別為96%和94%的無毒的離子交換膜，厚度均為0. 3mm，爆破強度均> 0. 5MPa ；在陽極室A內放置厚度為0. 2 0. 3mm的碳布作為陽極2，在陰極室B內放置厚度為0. 1 0. 2mm的碳布作為陰極5，陽極2和陰極5分布富集厚度為40 60 μ m的產電微生物1和自養反硝化微生物4，產電微生物1和自養反硝化微生物4均從生活汙水處理廠消化汙泥馴化而來；以導線和100 Ω的外電阻7連接陽極2和陰極5。實施方式2:裝置運行
裝置安裝完成後，在MFC陽極室A中加入可生化處理的有機廢水並使其溶解氧濃度保持在0. 2mg/L的厭氧狀態，廢水中的汙染物在產電微生物1的作用下被分解，同時分解汙染物釋放出的電子被傳遞到陽極2並進一步通過導線和外電阻7傳遞到陰極5 ；地下水室C中連續加入硝酸鹽態氮濃度為40 60mg/L的硝酸鹽汙染的地下水，由於與陰極室B存在離子梯度，地下水中的硝酸根離子以及碳酸根和碳酸氫根陰離子穿過陰離子交換膜6進入陰極室B，陰極5上的自養反硝化微生物4利用陽極2上傳遞過來的電子將硝酸鹽還原為氮氣，並以碳酸根或碳酸氫根離子為碳源生長；陰極室B中的硝酸根離子不斷被還原為氮氣， 地下水室C中的硝酸鹽會不斷進入陰極室B，以上過程同步實現了有機廢水的汙染去除、產電和地下水中硝酸鹽的去除，同時還直接由地下水為自養反硝化微生物4的生長提供了無機碳源，無需外加碳源，節省了大量的運行費用。在實施過程中，MFC的輸出功率為10W/m3，有機廢水處理負荷為^igCOD/( m3 · d)； 地下水的硝酸鹽態氮濃度為40 60mg/L，在地下水室C中的停留時間為Mh，處理後的地下水中硝酸鹽態氮濃度低於《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)所規定的20mg/L。
權利要求
1.一種同步處理汙水、產電和去除地下水硝酸鹽的水處理工藝，其特徵在於，包括以下步驟(a)安裝設備；(b)汙水進入陽極室A，陽極2上的產電微生物1將汙水中的汙染物氧化並將產生電子傳遞給陽極2，微生物燃料電池外電路的電流方向為從陰極5流向陽極2 ；(c)微生物燃料電池內電路的電流方向為從陽極2流向陰極5，陽極室A中的陽離子透過陽離子交換膜3進入陰極室B ；(d)地下水室C中加入待處理的硝酸鹽汙染地下水，由於與陰極室B存在較大的離子梯度，硝酸根離子會穿過陰離子交換膜6進入陰極室B，而電子經由導線和外電阻7傳遞至陰極5並進一步傳遞給自養反硝化微生物4，使硝酸根離子在自養反硝化微生物4的作用下被還原為氮氣，完成產電過程和硝酸鹽的反硝化；(e)由於硝酸根離子持續被還原，硝酸根離子在離子梯度的驅動下會持續由地下水室C 進入陰極室B，此外，地下水中的碳酸根和碳酸氫根離子也會穿過陰離子交換膜6進入陰極室B作為自養反硝化微生物4生長的碳源。
2.根據權利要求1所述的一種同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝，其特徵在於，所述汙水為可生化處理的有機廢水。
3.根據權利要求1所述的一種同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝， 其特徵在於，所述產電微生物為馴化的混合微生物菌群，其優化的產電條件為溫度25 40° C，pH值8 10，溶解氧濃度<0. 2mg/L。
4.根據權利要求1所述的一種同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝，其特徵在於，所述的自養反硝化微生物的優化生長條件為溫度25 35°C，pH值8 10，溶解氧濃度為0. 1 0. 5mg/L。
5.根據權利要求1所述的一種同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝， 其特徵在於，所述硝酸鹽為電子受體，硝酸鹽汙染的地下水中硝酸鹽態氮的濃度為20 100mg/L。
6.一種同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的水處理裝置，其特徵在於陽離子交換膜 3和陰離子交換膜6將處理裝置分為陽極室A、陰極室B和地下水室C ；在陽極室A內放置陽極2，在陰極室B內放置陰極5，並在陽極2和陰極5上分別馴化、富集產電微生物1和自養反硝化微生物4 ；陽極2和陰極5通過導線和外電阻7相連接。
7.根據權利要求1所述的一種同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的水處理裝置，其特徵在於，所述陽離子交換膜3和陰離子交換膜6為透過率> 90%的無毒離子交換膜，膜厚度0. 2 0. 5mm，爆破強度彡0. 3MPa。
8.根據權利要求1所述的一種同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的水處理裝置，其特徵在於，所述陽極2上的產電微生物1和陰極5上的自養反硝化微生物4所形成的膜厚度為20 100 μ m。
9.根據權利要求1所述的一種同步處理汙水產電去除地下水硝酸鹽的水處理裝置，其特徵在於，所述陽極室A內陽極2和陰極室B內陽極5的材料包括石墨粒，粒徑1 5mm ； 或石墨氈，厚度5 IOmm ；或碳氈，厚度5 IOmm ；或碳布，厚度0. 1 0. 45mm。
全文摘要
本發明屬於水處理技術領域，特別涉及一種同步處理汙水、產電和去除地下水硝酸鹽的水處理工藝與裝置。該裝置由陽極室、陽離子交換膜、陰極室、陰離子交換膜、地下水室和外電路等6部分組成，陽極室和陰極室分別富集產電微生物和自養反硝化微生物；陽極室產電微生物分解汙水中汙染物產生的電子電子經陽極、外電路傳遞到陰極；地下水室中的硝酸根穿過陰離子交換膜進入陰極室，被自養反硝化微生物還原為氮氣，地下水中的碳酸根等陰離子可作為自養反硝化微生物生長的碳源；離子交換膜孔隙極小，可防止微生物汙染地下水。本發明所述工藝簡單、易操作、能耗低、效率高、運行費用低、無二次汙染；所述裝置結構簡單，便於擴大化工業生產與應用。
文檔編號H01M8/16GK102381758SQ20111014769
公開日2012年3月21日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者肖勇, 趙峰 申請人:中國科學院城市環境研究所