一種基于光電催化-自養(yǎng)生物膜的廢水脫氮處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及污水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光電催化-自養(yǎng)生物膜的廢水脫氮處理方法，適用于生活污水和高氮素、低有機物含量的工業(yè)廢水等的處理。
【背景技術(shù)】
[0002]目前最常用的廢水脫氮工藝是好氧-厭氧生物脫氮工藝，其主要的不足是由于所采用的硝化菌和反硝化菌的呼吸作用類型不同，所以需要建造不同的反應(yīng)構(gòu)筑物來分別創(chuàng)造好氧和厭氧的環(huán)境，增加了建設(shè)成本和土地成本；同時該工藝是通過出水回流將處理條件由厭氧到好氧再到兼氧的轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)脫氮，這既需要大量的回流動力，又增加了處理負(fù)荷；在處理有機質(zhì)含量低的廢水時需要投加碳源，這不僅增加了運行的成本，而且會造成溫室氣體的排放和有機物的二次污染。所以該工藝并不適用于分散式農(nóng)村生活污水處理和工業(yè)廢水的處理。
[0003]近年來，為了克服好氧-厭氧生物脫氮工藝的不足，研宄者們提出同步硝化反硝化(SND)工藝和厭氧氨氧化(Anammox)工藝等新型的脫氮工藝，這些工藝在反應(yīng)過程中都不需要區(qū)分缺氧和好氧分區(qū)，工藝的流程都較為簡單。但是這些新型脫氮工藝在運行過程中對溶解氧、PH值、有機物含量等條件要求都非常嚴(yán)格，需要較為精細(xì)的在線監(jiān)測和調(diào)節(jié)系統(tǒng)來對其進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)節(jié)，這大大制約了其在實際工程中的運用，這也是SND脫氮工藝雖然具有優(yōu)越性能卻只能在實驗室中實現(xiàn)而無法廣泛推廣應(yīng)用的主要原因。
[0004]光電催化工藝和自養(yǎng)生物膜反硝化工藝都是近幾年來迅速發(fā)展起來的有廣闊應(yīng)用前景的新型水處理工藝，具有綠色、高效、低能耗等共同優(yōu)點。在光照條件下，水中氨氮一部分會被陽極上產(chǎn)生的具有強氧化性的物質(zhì)氧化成氮氣排放入大氣，完成氮素的去除。但是另一部分會被進(jìn)一步氧化成硝氮(包括硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮)，在缺少甲酸等空穴捕獲劑的環(huán)境中，這一部分硝氮無法在陰極被還原為氮氣，使硝氮積累，從而造成氮素脫除的不徹底，影響出水水質(zhì)。自養(yǎng)生物膜反硝化工藝基本思路是在微電場作用下陰極產(chǎn)生氫氣或原子態(tài)氫，供陰極生長的生物膜進(jìn)行自養(yǎng)反硝化，由于氫氣現(xiàn)制現(xiàn)用，顯著提高了氫氣利用率和生物脫氮效果。自1992年Mellor等在《Nature》上首次報道了以電流提供反硝化還原力將硝酸鹽還原成氮氣快速有效脫除、明確提出了 “電極-生物反應(yīng)器”概念以來，該工藝被國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了研宄并被廣泛應(yīng)用于地下水、飲用水以及有機物濃度不高的廢水中硝氮的處理，取得了較好的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于光電催化-自養(yǎng)生物膜的廢水脫氮處理方法。
[0006]一種基于光電催化-自養(yǎng)生物膜的廢水脫氮處理方法，包括將待處理廢水通入反應(yīng)室進(jìn)行脫氮處理，其特征在于，所述反應(yīng)室的至少一部分采用透光材料制成，反應(yīng)室內(nèi)部設(shè)有可見光響應(yīng)的光電陽極，以及生長有自養(yǎng)反硝化生物膜的陰極；
[0007]進(jìn)行脫氮處理時進(jìn)行如下步驟:
[0008]S1:調(diào)節(jié)廢水的pH值至7?8，所述廢水中的氨氮與硝氮的摩爾比為1.5?2:1 ;
[0009]S2:將調(diào)pH值后的廢水通入反應(yīng)室，且完全浸沒光電陽極和陰極；
[0010]S3:在光電陽極和陰極之間施加I?3V的工作電壓，同時通過反應(yīng)室的透光部分進(jìn)行可見光照射；
[0011]維持步驟S3直至反應(yīng)室中氨氮濃度和硝氮濃度下降至設(shè)定的目標(biāo)值后停止，并將反應(yīng)后的廢水排出反應(yīng)室。
[0012]步驟SI中調(diào)節(jié)pH值時，需要首先測定待處理廢水的pH值，當(dāng)待處理廢水本身pH值在7?8范圍內(nèi)時，可以不調(diào)節(jié)。若小于7，則加入一定濃度NaOH溶液調(diào)節(jié)(如IM的NaOH溶液)，若大于8，則加入一定濃度HCl溶液調(diào)節(jié)(如IM的HCl溶液)。作為優(yōu)選，所述步驟SI中調(diào)節(jié)pH值至8。進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟S3中在光電陽極和陰極之間施加3V的工作電壓。
[0013]本發(fā)明的基于光電催化-自養(yǎng)生物膜的廢水脫氮處理方法采用自養(yǎng)反硝化和光電催化技術(shù)，在穩(wěn)定工作電壓下，能夠有效降低陽極光生電子和空穴的復(fù)合，同時又能使陰極上電解產(chǎn)氫為微生物提供足夠的電子，進(jìn)而能夠同時去除廢水中的氨氮和硝氮，且針對待處理的廢水的水質(zhì)(氨氮濃度和硝氮濃度比)，通過合理設(shè)置脫氮處理的工藝參數(shù)(如pH值、工作電壓)，通過各個工藝參數(shù)之間的協(xié)同作用，確保廢水中的氨氮和硝氮濃度能夠同時下降至目標(biāo)值，有效避免其中一種氮先處理完的情況(即濃度降低至設(shè)定的目標(biāo)值)，而另外一種氮還有剩余的情況。
[0014]在進(jìn)行廢水脫氮處理時，通常外接穩(wěn)壓電源提供工作電壓，穩(wěn)壓電源的正極與光電陽極連接，負(fù)極與生長有自養(yǎng)反硝化生物膜的陰極連接。
[0015]本發(fā)明中陰極為生長有自養(yǎng)反硝化生物膜的電極，電極基底材料包括(但不限于)石墨、不銹鋼、玻碳電極等生物兼容性好的電極材料。陰極平放于池體底部，由一根耐腐蝕的鈦導(dǎo)線與穩(wěn)壓電源陰極相連。接種污泥取自運行中的污水處理廠曝氣池，接種到池體后每天投放微生物生長所需的無機營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素。由于重力的作用，微生物會沉在陰極上，在適當(dāng)?shù)臈l件下生長并逐漸附著在陰極表面，形成厚度為2?3_的自養(yǎng)反硝化生物膜。陰極平放設(shè)置有利于微生物在陰極表面成膜，縮短微生物掛膜時間，解決常規(guī)裝置中生物膜掛膜周期長、反應(yīng)啟動慢等缺點。
[0016]所述的微生物掛膜生長適當(dāng)條件為:溫度為35°C左右；pH值為7.0?7.3 ;電流密度控制在0.2?0.4mA/cm2，溶解氧< 0.5mg/L。
[0017]所述陽極材料采用可見光響應(yīng)的光電陽極，包括(但不限于)AgI/Ti02-NTs、Fe203、Fe2O3A12-NTs, 8”04等電極，陽極平行于陰極放置于池體上段，由一根耐腐蝕的鈦導(dǎo)線與穩(wěn)壓電源陽極相連。
[0018]其中，AgI/Ti02-NTs陽極采用如下方法制備:
[0019]將Ti片打磨并清洗晾干后，放置在含NaF和Na2SO4的水溶液中，以Ti片為陽極，Cu片為陰極，以恒定電壓20V陽極氧化5h，將制得的樣品用去離子水沖洗、風(fēng)干，得到T12-NTs電極。之后將T12-NTs電極浸漬于KI水溶液中2h，取出后再浸漬于pH值為11的AgNOyK溶液中2h，將制得的樣品用去離子水沖洗并風(fēng)干，煅燒處理后得到Agl/T12-NTs電極。
[0020]所述反應(yīng)室包括筒狀側(cè)圍以及密封連接在筒狀側(cè)圍兩端的上、下封頭，上封頭上設(shè)有排氣孔；
[0021]所述筒狀側(cè)圍設(shè)有進(jìn)水孔和出水孔，進(jìn)水孔處在光電陽極的上方。
[0022]在進(jìn)行廢水脫氮處理時反應(yīng)室的運作采用序批式進(jìn)水方式，反應(yīng)室頂部孔為進(jìn)水孔，反應(yīng)室底部孔為出水孔，光照時間和水力停留時間視進(jìn)水水質(zhì)和出水水質(zhì)要求(即氨氮濃度和硝氮濃度初始值和目標(biāo)值)所確定。
[0023]所述筒狀側(cè)圍的頂部內(nèi)壁設(shè)有用于安裝光電陽極的固定架，所述陰極設(shè)置在下封頭的頂面。
[0024]所述反應(yīng)室中光電陽極和陰極高度差為筒狀側(cè)圍高度的2/3?3/4，所述光電陽極和陰極之間設(shè)有攪拌槳，所述攪拌槳的轉(zhuǎn)軸橫置，作為優(yōu)選，所述攪拌槳為推進(jìn)式。
[0025]氨氮在光催化作用下在陽極被氧化為氮氣、硝氮和亞硝氮，硝氮和亞硝氮通過攪拌槳的攪拌作用擴散至陰極后由自養(yǎng)生物膜的反硝化作用還原成氮氣，氮氣經(jīng)排氣孔排入大氣，經(jīng)處理過的水經(jīng)出水孔排出。
[0026]為防止攪拌槳損壞陰極和陽極，所述攪拌槳的槳葉的外緣與光電陽極和陰極之間均有至少5?1cm的間隙。此外，如此設(shè)計，還可以降低陰極處、以及陽極處廢水的流動速度，有利于提高脫氮處理的速度。
[0027]脫氮處理時攪拌槳的轉(zhuǎn)速為50?150轉(zhuǎn)/分。
[0028]攪拌可以使污染物在反應(yīng)器中分布均勻，氨氮在陽極處被氧化成硝氮和亞硝氮后能夠快速的轉(zhuǎn)移到陰極生物膜上被其還原脫氮；同時在反應(yīng)過程中，攪拌可以使電極周圍的污染物濃度保持穩(wěn)定，確保反應(yīng)速度。攪拌會增加溶液的湍流強度，強烈的水力沖刷能促進(jìn)微生物纖毛產(chǎn)生，使陰極生物膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，提高生物膜反硝化能力。此外，攪拌能夠使反應(yīng)產(chǎn)生的氣體更好的溢出，使反應(yīng)器運行更加高效。
[0029]脫氮處理時，需要設(shè)立光源，該光源可以為太陽光，也可以為人工模擬太陽光源，如裝有濾光片的氙燈或其他模擬太陽光源。作為優(yōu)選，所述的光源出光口或反應(yīng)室的透光部分覆蓋有濾光膜，濾光膜的透過波長大于420nm，避免紫外光損害自養(yǎng)生物膜。
[0030]為增大光照面以提高脫氮效率，所述反應(yīng)室的筒狀側(cè)圍以及上、下封頭均透明，可采用透光性的有機玻璃材料制備得到。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于光電催化-自養(yǎng)生物膜的廢水脫氮處理方法的技術(shù)優(yōu)點在于:
[0032](I)同時采用電促自養(yǎng)反硝化生物膜技術(shù)和光電催化技術(shù)，解決了前者不能處理氨氮廢水，后者不能處理含硝氮廢水的不足，使兩種工藝技術(shù)形成了較好的互補，實現(xiàn)了各種氮素的同步去除。
[0033](2)采用的電促生物膜實現(xiàn)了自養(yǎng)反硝化，不需要在運行過程中投加碳源，避免了二氧化碳的排放和有機物的二次污染；
[0034](3)該脫氮處理方法便于啟