一种基于生物电化学的脱氮除硫反应装置的制作方法

1.本发明涉及生物电化学技术领域，尤其是一种基于生物电化学的脱氮除硫反应装置。


背景技术：

2.传统的脱氮技术即硝化反硝化需要大量碳源供入，成本高且容易造成二次污染，而厌氧氨氧化技术不仅对高氨氮废水处理有着卓越的效果，在底物上也不需要有碳源的输入，底物仅为氨氮和亚硝酸盐。这比传统的脱氮技术有着明显的优势。对于污水厂、化肥厂等产生的高氨氮废水对环境有着潜在的伤害。因此，对高氨氮去除且保证绿色环保不造成二次危害的情况下，探索开发新的厌氧氨氧化技术亟待解决。目前研究兴起的微生物电化学技术是利用电活性微生物具有电子传递这一特性，通过电诱导电活性微生物富集，不仅实现对废水的氧化还原降解，并且可以自发产生电能，逐渐实现低能耗应用。厌氧氨氧化（anammox）系统在对氨氮废水降解时，anammox菌氧化产生的电子通过钛/碳毡复合电极传递到阴极，通过电诱导构建氧化还原通道将anammox菌的氧化作用同另一极的还原反应贯穿。
3.工业硫酸盐废水是当前工业界不可忽视的一个重要问题，其难降解、硫酸盐还原菌（srb）对生长环境要求苛刻，难以培养。但由于其在处理高硫酸盐废水时是一种明确的还原反应，前期大量的实验已经验证了将厌氧氨氧化同硫酸盐还原具有着可行性，但对二者联合作用的条件仍有待研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于生物电化学的脱氮除硫反应装置，本发明采用法兰连接的下腔体、上腔体及三相分离器构成，在下腔体及上腔体内分别设置了阳极电极及阴极电极，在下腔体与上腔体之间设置了质子交换膜组件，并在腔体外配置了恒电位仪及循环水浴锅；本发明下腔体的阳极筒用于发生厌氧氨氧化反应，上腔体的阴极筒用于硫酸盐还原反应；所述阳极筒内厌氧氨氧化产生质子和电子，其中，电子通过阳极电极、恒电位仪传递到阴极电极，在特定电压下耦合厌氧氨氧化反应过程与硫酸盐还原反应过程，质子通过质子交换膜进入上腔体以强化阴极筒内电活性硫酸盐的还原菌发生还原反应，通过电诱导调控富集电活性微生物，为厌氧氨氧化与硫酸盐还原协同处理废水的有效结合。
5.实现本发明目的的具体技术方案是：一种基于生物电化学的脱氮除硫反应装置，其特点包括基座、下腔体、上腔体、三相分离器、质子交换膜组件、恒电位仪及循环水浴锅；所述基座为框体件，其框体顶面的中心设有空穴、顶面的周边设有连接座；所述下腔体由阳极筒及阳极电极构成；所述阳极筒为筒状件，筒体壁上设有封闭的第一水浴夹层，筒体两端均设有连接法兰，筒体上邻近顶部与底部的侧壁上分别设有与
第一水浴夹层贯通的第一水浴出口及第一水浴进口，筒体上邻近顶部的侧壁上设有与筒体贯通的阳极腔出水口，筒体的底部设有与筒体贯通的阳极腔进水口，筒体上邻近顶部的内经设有径向收缩的第一变径段；筒体内设有阳极电极座，筒体侧壁上设有阳极导线口；所述阳极电极设于阳极电极座上，阳极电极上连接有导线，且导线由阳极导线口引出；所述上腔体由阴极筒、活性污泥颗粒隔离板及阴极电极构成；所述阴极筒为筒状件，筒体壁上设有封闭的第二水浴夹层，筒体两端均设有连接法兰，筒体上邻近顶部及底部的侧壁上分别设有与第二水浴夹层贯通的第二水浴出口及第二水浴进口，筒体上邻近底部的侧壁上分别设有与筒体贯通的阴极腔进水口及第一排气口；筒体上邻近底部的内经设有径向收缩的第二变径段；筒体内自上而下依次设有阴极电极座及隔离板座，筒体侧壁上设有阴极导线口；所述阴极电极设于阴极电极座上，活性污泥颗粒隔离板设于隔离板座上，阴极电极上连接有导线，且导线由阴极导线口引出；所述三相分离器由分离筒及端盖构成，所述分离筒为两端均设有连接法兰的筒状件，分离筒的侧壁上设有阴极腔出水口，分离筒的内经设有径向收缩的第三变径段；所述端盖上设有第二排气口，端盖与分离筒顶端的连接法兰连接；所述质子交换膜组件由质子交换膜及漏斗构成，质子交换膜的中心设有漏斗孔，漏斗的漏嘴由质子交换膜的底面向上穿插在漏斗孔内；所述下腔体经底端连接法兰与基座的连接座连接，上腔体经底端连接法兰与下腔体顶端连接法兰连接，三相分离器经底端连接法兰与上腔体顶端连接法兰连接，质子交换膜组件设于上腔体底端连接法兰与下腔体顶端连接法兰之间，质子交换膜组件上漏斗的漏嘴经软管与上腔体的第一排气口连接；所述恒电位仪设于基座外侧，恒电位仪经导线分别与下腔体的阳极电极、参比电极及上腔体的阴极电极电连接；所述循环水浴锅设于基座外侧，循环水浴锅的供水口经管路与第一水浴进口连接，第一水浴出口经管路与第二水浴进口连接，第二水浴出口经管路与循环水浴锅的回水口连接；所述下腔体阳极筒用于发生厌氧氨氧化反应，上腔体阴极筒用于硫酸盐还原反应；所述阳极筒内厌氧氨氧化产生质子和电子，其中，电子通过阳极电极、恒电位仪传递到阴极电极，在特定电压下耦合厌氧氨氧化反应过程与硫酸盐还原反应过程，质子通过质子交换膜进入上腔体以强化阴极筒内电活性硫酸盐的还原菌发生还原反应。
6.所述下腔体的阳极腔进水口由基座的空穴伸出。
7.所述阳极电极及阴极电极均选用钛/碳毡复合电极。
8.所述阳极腔进水口上设有蠕动泵。
9.所述阴极腔进水口上设有蠕动泵。
10.本发明具有以下特点：本发明在在下腔体及上腔体内分别设置了阳极电极及阴极电极，通过两电极相对位置的设置，使电极表面富集更充足的厌氧活性污泥，利于微生物生长，本发明两电极分别与恒电位仪连接，通过两电极的设置构成生物电化学协同脱氮除硫耦合的反应装置，与现
有单一的厌氧氨氧化/硫酸盐还原体系相比，本发明将两种分别进行氧化和还原的生物反应巧妙的通过电化学方式进行耦合，这不仅实现了定向驯化富集电活性厌氧氨氧化菌和硫酸盐还原菌，极大的提高了脱氮除硫效率；更对考察两种反应间电子传递机理的探究提供了新的思路，对厌氧电活性功能菌的定向诱导训化，培养出业界需求的功能菌种，以及工业界亟待解决的硫酸盐还原这一重大问题，提供了新的方法。
11.本发明通过质子交换膜，将下腔体与上腔体隔开，由于下腔体阳极筒内的厌氧氨氧化产生质子和电子，其中，电子通过阳极电极、恒电位仪传递到阴极电极，在特定电压下耦合厌氧氨氧化反应过程与硫酸盐还原反应过程，质子通过质子交换膜进入上腔体，以供srb菌进行硫酸盐还原反应，强化阴极筒内电活性硫酸盐的还原菌发生还原反应，传递到上腔室阴极。
12.本发明在上腔体的顶端设置了三相分离器进行气液分离，在上腔体内的隔离板座上设置了活性污泥颗粒隔离板，三相分离器将上腔体产生的气体排出，阻挡对颗粒污泥的冲刷，活性污泥颗粒隔离板阻挡颗粒污泥的流失，以减少电活性菌的损失，缩小对上腔体空间的占用。
附图说明
13.图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
14.参阅图1，本发明包括基座1、下腔体2、上腔体3、三相分离器4、质子交换膜组件5、恒电位仪6及循环水浴锅7。
15.参阅图1，所述基座1为框体件，其框体顶面的中心设有空穴、顶面的周边设有连接座。
16.参阅图1，所述下腔体2由阳极筒21及阳极电极22构成；所述阳极筒21为筒状件，筒体壁上设有封闭的第一水浴夹层28，筒体两端均设有连接法兰，筒体上邻近顶部与底部的侧壁上分别设有与第一水浴夹层28贯通的第一水浴出口282及第一水浴进口281，筒体上邻近顶部的侧壁上设有与筒体贯通的阳极腔出水口24，筒体的底部设有与筒体贯通的阳极腔进水口25，筒体上邻近顶部的内经设有径向收缩的第一变径段23；筒体内设有阳极电极座，筒体侧壁上设有阳极导线口26；所述阳极电极22设于阳极电极座上，参比电极29位于导线口26处，阳极电极22、参比电极29上连接有导线，且导线由阳极导线口26引出。
17.参阅图1，所述上腔体3由阴极筒31、活性污泥颗粒隔离板32及阴极电极33构成；所述阴极筒31为筒状件，筒体壁上设有封闭的第二水浴夹层35，筒体两端均设有连接法兰，筒体上邻近顶部及底部的侧壁上分别设有与第二水浴夹层35贯通的第二水浴出口351及第二水浴进口352，筒体上邻近底部的侧壁上分别设有与筒体贯通的阴极腔进水口39及第一排气口36；筒体上邻近底部的内经设有径向收缩的第二变径段34；筒体内自上而下依次设有阴极电极座及隔离板座，筒体侧壁上设有阴极导线口38；所述阴极电极33设于阴极电极座上，活性污泥颗粒隔离板32设于隔离板座上，阴极电极33上连接有导线，且导线由阴极导线口38引出。
18.参阅图1，所述三相分离器4由分离筒41及端盖42构成，所述分离筒41为两端均设
有连接法兰的筒状件，分离筒41的侧壁上设有阴极腔出水口37，分离筒41的内经设有径向收缩的第三变径段44；所述端盖42上设有第二排气口43，端盖42与分离筒41顶端的连接法兰连接。
19.参阅图1，所述质子交换膜组件5由质子交换膜51及漏斗52构成，质子交换膜51的中心设有漏斗孔，漏斗52的漏嘴由质子交换膜51的底面向上穿插在漏斗孔内。
20.参阅图1，所述下腔体2经底端连接法兰与基座1的连接座连接，上腔体3经底端连接法兰与下腔体2顶端连接法兰连接，三相分离器4经底端连接法兰与上腔体3顶端连接法兰连接，质子交换膜组件5设于上腔体3底端连接法兰与下腔体2顶端连接法兰之间，质子交换膜组件5上漏斗52的漏嘴经软管与上腔体3的第一排气口36连接；所述恒电位仪6设于基座1外侧，恒电位仪6经导线分别与下腔体2的阳极电极22及上腔体3的阴极电极33电连接；所述循环水浴锅7设于基座1外侧，循环水浴锅7的供水口经管路与第一水浴进口281连接，第一水浴出口282经管路与第二水浴进口352连接，第二水浴出口351经管路与循环水浴锅7的回水口连接；所述下腔体2阳极筒21用于发生厌氧氨氧化反应，上腔体3阴极筒31用于硫酸盐还原反应；所述阳极筒21内厌氧氨氧化产生质子和电子，其中，电子通过阳极电极22、恒电位仪6传递到阴极电极33，在特定电压下耦合厌氧氨氧化反应过程与硫酸盐还原反应过程，质子通过质子交换膜51进入上腔体3以强化阴极筒31内电活性硫酸盐的还原菌发生还原反应。
21.所述下腔体2的阳极腔进水口25由基座1的空穴伸出。
22.所述阳极电极22及阴极电极33均选用钛/碳毡复合电极。
23.所述阳极腔进水口25上设有蠕动泵。
24.所述阴极腔进水口39上设有蠕动泵。
25.实施例1：参阅图1，采用本发明对氨氮废水以及硫酸盐废水进行降解去除，具体步骤如下：第一步，将含有厌氧氨氧化菌的厌氧活性污泥由下腔体2顶端的连接法兰置入下腔体2的阳极筒21内，将质子交换膜组件5装于上腔体3底端连接法兰与下腔体2顶端连接法兰之间，然后，将上腔体3经底端连接法兰与下腔体2顶端连接法兰连接；第二步，将含硫酸盐还原功能菌的厌氧活性污泥由上腔体3顶端的连接法兰置入上腔体3内的阴极筒31内，然后，将三相分离器4经底端连接法兰与上腔体3顶端连接法兰连接；第三步，向循环水浴锅7注入水，使循环水浴锅7升温，打开第一水浴进口281、第一水浴出口282、第二水浴进口352及第二水浴出口351，使循环水浴锅7内的水在阳极筒21的第一水浴夹层28及阴极筒31的第二水浴夹层35内循环，直至温度升至37.5℃时，由循环水浴锅7实施保温，以维持厌氧微生物的活性；第四步，将氨氮废水的蓄水桶经蠕动泵与阳极腔进水口25连接；在蠕动泵的作用下，氨氮废水由阳极腔进水口25连续流入，在阳极筒21内进行厌氧氨氧化反应后经阳极腔出水口24流出；氨氮废水在反应生成的气体经交换膜组件5的漏斗52、软管及上腔体3的第一排气口36排出；
第五步，将硫酸盐废水的蓄水桶经蠕动泵与阴极腔进水口39连接；在蠕动泵的作用下，硫酸盐废水由阴极腔进水口39连续流入，在阴极筒31内进行硫酸盐还原反应后经阴极腔出水口37流出；硫酸盐废水反应生成的气体经三相分离器4的第二排气口43排出；第六步，氨氮废水在阳极筒21内反应生成的质子通过质子交换膜组件5的质子交换膜51进入阴极筒31内，用于促进硫酸盐的还原。
26.本实施例的反应过程中对阳极筒21采取避光措施。
27.本实施例采用铝箔气体采样袋在阴极筒31的第一排气口36进行气体收集，记录每天n2的产量，n2产量位40～55ml/天。
28.本实施例由阳极腔出水口24获取水样，检测得到nh
4
和no2‑
降解去除率达到70%～80%；本实施例由阴极腔出水口37获取水样，检测得到so
42
‑
降解去除率达到50%～60%。
29.实施例2：参阅图1，本发明在微生物电化学环境下对氨氮废水以及硫酸盐废水进行降解去除，通过调节恒电位仪6，在电压依次为0.2v、0.6v及0.8v下进行观察阳极脱氮、阴极除硫的效果，具体步骤如下：第一步，将含有厌氧氨氧化菌的厌氧活性污泥由下腔体2顶端的连接法兰置入下腔体2的阳极筒21内，将质子交换膜组件5装于上腔体3底端连接法兰与下腔体2顶端连接法兰之间，然后，将上腔体3经底端连接法兰与下腔体2顶端连接法兰连接；第二步，将含硫酸盐还原功能菌的厌氧活性污泥由上腔体3顶端的连接法兰置入上腔体3内的阴极筒31内，然后，将三相分离器4经底端连接法兰与上腔体3顶端连接法兰连接；第三步，向循环水浴锅7注入水，使循环水浴锅7升温，打开第一水浴进口281、第一水浴出口282、第二水浴进口352及第二水浴出口351，使循环水浴锅7内的水在阳极筒21的第一水浴夹层28及阴极筒31的第二水浴夹层35内循环，直至温度升至37.5℃时，由循环水浴锅7实施保温，以维持厌氧微生物的活性；第四步，将氨氮废水的蓄水桶经蠕动泵与阳极腔进水口25连接；在蠕动泵的作用下，氨氮废水由阳极腔进水口25连续流入，在阳极筒21内进行厌氧氨氧化反应后经阳极腔出水口24流出；氨氮废水在反应生成的气体经交换膜组件5的漏斗52、软管及上腔体3的第一排气口36排出；第五步，将硫酸盐废水的蓄水桶经蠕动泵与阴极腔进水口39连接；在蠕动泵的作用下，硫酸盐废水由阴极腔进水口39连续流入，在阴极筒31内进行硫酸盐还原反应后经阴极腔出水口37流出；硫酸盐废水反应生成的气体经三相分离器4的第二排气口43排出；第六步，氨氮废水在阳极筒21内反应生成的质子通过质子交换膜组件5的质子交换膜51进入阴极筒31内，用于促进硫酸盐的还原。
30.第六步，调节恒电位仪6，使阳极电极22与参比电极29之间的电压依次为：0.2v、0.6v、0.8v；通过扫描电子显微镜（sem）和原位透射电子显微镜（in situ tem），原位观察功能微生物在钛/碳毡复合电极上的富集程度、以及生物膜状况。
31.第七步，氨氮废水在阳极筒21内反应生成的质子通过质子交换膜组件5的质子交换膜51进入阴极筒31内，用于促进硫酸盐的还原。
32.由实施例可见，在微生物电化学环境下，氨氮废水以及硫酸盐废水进行降解去除的效果不同，随着电压的升高，阳极nh
4
和no2‑
降解去除率提高，阴极so
42
‑
降解去除率提高；达到60~80%。
33.由实施例2与实施例1对比，检测得到nh
4
和no2‑
降解去除率由70%～80%提高至80~90%；检测得到so
42
‑
降解去除率由50%～60%提高至60~80%。
34.由扫描电子显微镜及原位透射电子显微镜的电镜下观察，钛/碳毡复合电极上微生物膜单位时间内的富集速度有着显著的提高，在特定电压下耦合厌氧氨氧化反应过程与硫酸盐还原反应过程，对氨氮和硫酸盐的去除有着很大的潜力。本发明与现有技术的双体系耦合生物电化学系统相比，由于该系统通过外部人工搭建电子通路，积极诱导功能菌的电化学潜能，极大的减少了在处理废水时的能耗损失。
35.所述发明在于存在第一变径段23，目的在于下进水口25进水时，部分污泥颗粒会在上升流的作用下向上流动，设置第一半径23用于阻挡活性污泥颗粒的流失。
36.所述发明在于第二变径段34、活性污泥颗粒隔离板32，活性污泥隔离板放置在第二变径段34上，目的在于防止大颗粒活性污泥落在质子交换膜组件5处，影响质子交换。
37.实施例选用氨氮废水的成分为：（nahco31375mg/l、kcl570mg/l、cacl2*2h2o300mg/l、kh2po450mg/l、mgso4*7h2o200mg/l、feso4*7h2o6mg/l、znso4*7h2o0.5378mg/l、cocl2*6h2o0.3mg/l、mncl2*4h2o1.125mg/l、cuso4*5h2o0.313mg/l、h3bo30.018mg/l、nicl2*6h2o0.238mg/l、(nh4)6mo7o
24
·
4h2o0.275mg/l、na2wo4*2h2o0.664mg/l、(nh4)2so412.21mg/l、nano216.82mg/l）。
38.实施例选用硫酸盐废水的成分为：（na2so42000mg/l、nahco31500mg/l、kcl750mg/l、k2hpo3250mg/l、kh
２
po3100mg/l、nh
４
cl250mg/l、fecl
２.
4h2042mg/l、mgcl2.6h2o125mg/l、cacl2.2h2o15mg/l、nicl.6h2omg/l4.2cocl2.6h2o）。