[發明專利]一種電化學輔助生物脫氮技術

在審

• 申請號: 201410087584.0
• 申請日: 2014-05-16
• 公開（公告）號: CN105084530A
• 公開（公告）日: 2015-11-25
• 發明（設計）人: 曲波;鄭雅莉;胡明;朱仕坤;范彬
• 申請（專利權）人: 中國科學院生態環境研究中心
• 主分類號: C02F3/28
• 分類號: C02F3/28;C02F101/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術領域

本發明屬于環境生物技術領域，具體涉及一種對氨氮廢水進行脫氮處理的電化學輔助生物脫氮技術。

二、背景技術

氮是造成水體富營養化的一種主要元素，而水體中的氮主要以氨氮形式存在。氨氮廢水若不經任何處理直接排放，會嚴重威脅生態安全與人體健康。

傳統硝化/反硝化生物脫氮工藝處理上述高氨氮廢水存在硝化階段曝氣耗能高、消耗堿度，反硝化階段需大量添加有機碳源，處理成本較高等問題。雖然，新型短程硝化—厭氧氨氧化工藝在某種程度上彌補了傳統硝化—反硝化工藝的不足，但短程硝化工藝與厭氧氨氧化工藝段對控制條件要求極為苛刻，精確控制非常困難。同時，反應所需的厭氧氨氧化菌生長速率極低，啟動厭氧氨氧化反應器也有一定難度，這些不足極大地限制了該工藝的推廣應用。此外,折點氯化法、離子交換法、吹脫法等常規物化方法，需要添加化學試劑，導致成本過高，并且，此類方法往往通過對氮各種形態間的轉變對氮進行富集，并沒有將其徹底轉化為氮氣，極有可能引發二次污染，因此在技術經濟上仍存在不少問題，氨氮的去除達標往往成為此類方法應用的瓶頸。此外，隨著富營養化問題的日益嚴重以及人們對氮危害水環境質量認識的深入，污廢水排放標準對氮的要求也日趨嚴格。因此，開發高氨氮廢水處理及資源化新技術，降低能耗、物耗一直是國內外水處理科學與工程界研究的熱點和難點。

產電呼吸是微生物氧化電子供體，并將產生的電子經由呼吸鏈傳遞至電極表面而形成電流的一種厭氧呼吸方式。近十年來，產電微生物與產電呼吸機制的發現，掀起了包括微生物燃料電池（MicrobialFuelCells，MFCs）與微生物電解池（MicrobialElectrolysisCells，MECs）在內的生物電化學系統（Bio-electrochemicalSystem,BES）的研究熱潮。BES作為全新的技術，可同時實現污水中有機物的去除與產電（MFCs）或低電壓（0.25-0.85V）下產氫（MECs），因此被認為是一種極具應用前景的新技術，也為脫氮提供了一種新思路。

目前，生物電化學脫氮大致分為兩類：1，借助外加的獨立好氧生化反應系統或雙陰極中的好氧陰極室，經傳統的硝化反應后再在陰極實現厭氧反硝化；2，在MFC的生物陰極，通過控制溶解氧濃度實現同步硝化反硝化。上述反應均依賴陽極氧化有機物釋放的電子，實現陰極硝酸鹽的還原，且硝酸鹽源自外加的氨氧化過程（非生物電化學反應）。即一個系統中要同時實現陽極有機物的氧化與陰極反硝化及外加輔助硝化過程，無疑增加了系統操作的復雜性，不利于推廣應用。

三、發明內容

1.技術原理：

本發明針對現有脫氮技術存在的弊端，提出一種新型電化學輔助生物脫氮技術。

厭氧條件下，向氨氮廢水中接種河流底泥或污水處理廠活性污泥，并提供外加電壓，經過微生物的篩選與富集，陽極與陰極分別附著了反應所需的微生物，即形成生物陽極與生物陰極。經外加電壓的驅動及微生物的催化作用，氨釋放電子到陽極，自身被氧化為硝酸鹽和質子，其中電子經外電路轉移至陰極，硝酸鹽和質子經溶質傳遞也抵達陰極；同樣在外加電壓的驅動及微生物的催化作用下，生成的硝酸鹽接收陰極表面的電子和質子，自身被還原為氮氣，同時生成水。具體反應如下：

陽極：NH₄⁺+3H₂O→NO₃^-+8e^-+10H⁺

陰極：NO₃^-+5e^-+6H⁺→1/2N₂+3H₂O4H⁺+3e^-→3/2H₂+H⁺

總反應：NH₄⁺→1/2N₂+3/2H₂+H⁺ΔGr0′=+39.4KJ/mol

經熱力學計算，上述反應所需的外加電壓為0.136V，考慮到存在電極反應過電位，實驗時輸入槽壓應大于該值，并避免電解水發生（中性條件下，電解水產氫的理論電動勢為1.23V，實際反應時的槽壓通常需達到2V）。

該過程完全不需曝氣進行傳統的硝化反應，也無需額外添加碳源完成反硝化，通過將陽極氨氧化過程與陰極反硝化過程耦合在同一個反應器中，實現氨到氮氣的全自養型生物脫氮。

2.本發明的特點：