一種原位脫除自然水體中硝酸鹽的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及污水處理領(lǐng)域，尤其涉及一種原位脫除自然水體中硝酸鹽的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自然水體主要污染物指標包括化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)。其中，總氮中主要包括氨氮、硝態(tài)氮(NO3-N)和亞硝態(tài)氮NO2-N,當前我國自然水體(以太湖為例)中普遍存在氮含量偏高的問題，且氮污染是引起水體富營養(yǎng)化的最重要的因素之一。湖泊具有水量大，分布廣等特點，這些特點決定了處理受污染湖泊中的氮污染，不可能像生活污水那樣采用傳統(tǒng)的水處理工藝和設(shè)備進行集中處理，這給湖泊污染治理帶來了很大的難度。
[0003]在傳統(tǒng)的地表水脫氮方法中，目前地表水污染物治理與控制技術(shù)可以較好解決氨氮(有機氮)的去除；在對無機氮的脫除方面，孫磊等利用淀粉為碳源加入反硝化生物膜反應(yīng)器(安徽農(nóng)業(yè)科學，2011,39(28): 17365-17368)。鄭麗銀等利用經(jīng)過預處理后的天然纖維素為碳源加入反硝化生物膜反應(yīng)器(環(huán)境工程學報，5(9): 1926-1932)等需要外加碳源并增加了對水體的二次污染等。因此探索一種經(jīng)濟適用性強、效果好、可推廣應(yīng)用的技術(shù)勢在必行。
[0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明專利要解決的技術(shù)在于解決自然水體硝氮利用提供了一種精確脫除地表水體中硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮的方法與裝置，具體的說是采用沉積型微生物燃料電池脫除自然水體中硝氮亞硝態(tài)氮的裝置和方法。
[0006]本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
一種原位脫除自然水體中硝酸鹽的裝置，其特征在于:包括微生物陽極(I)、微生物陰極(2)以及連接微生物陽極(I)和微生物陰極(2)的導線(3)。
[0007]所述微生物陽極(I)的材料為具有比表面積為SOOmVm3平面型多孔導電碳氈材料，其制備方法如下:將平面型多孔導電碳氈依次經(jīng)丙酮浸泡和5%鹽酸各浸泡半小時后，超聲清洗20min后得到。
[0008]所述微生物陽極對應(yīng)的陰極(2)，其材料為具有比表面積為SOOmVm3左右的導電碳氈或碳顆粒，其面積與微生物陽極(I) 一致，其制備方法如下:將導電碳氈或碳顆粒依次經(jīng)丙酮浸泡和5%鹽酸各浸泡半小時后，超聲清洗20min后得到。
[0009]所述導線(3)在微生物陰極(2)上穿插纏繞，均勻分布在微生物陰極(2)上。所述導線(3)的材料為直徑為0.4_的鈦絲。所述微生物陽極(I)和微生物陰極(2)之間設(shè)置有負載電阻(4)。
[0010]—種原位脫除自然水體中硝酸鹽的方法，是利用微生物-電化學方法構(gòu)成沉積型微生物燃料電池完成底泥與污染水體中硝氮之間的相互消耗，達到對氮污染水體精確除氮目的；步驟如下:(一)、調(diào)節(jié)微生物陽極(I)和微生物陰極(2)高度方向的距離并固定，所述微生物陽極(I)和微生物陰極(2)之間高度差為0.2-0.4m;將調(diào)整好高度距離的微生物陽極
(I)和微生物陰極(2)放入目標水體中，每周對微生物陽極(I)和微生物陰極(2 )之間的電位差進行測試，當電位差達到0.3以上時，即培養(yǎng)生物膜成功；
(二)、將上述培養(yǎng)成功的裝置的微生物陽極(I)浸沒于底泥中，覆泥厚度為0.2-0.4cm，微生物陰極位于微生物陽極(I)正上方的水域垂直距離0.2-0.4m并對其位置進行固定，SP可。
[0011]所述微生物陽極(I)的材料為具有比表面積為SOOmVm3平面型多孔導電碳氈材料，其制備方法如下:將平面型多孔導電碳氈依次經(jīng)丙酮浸泡和5%鹽酸各浸泡半小時后，超聲清洗20min后得到；
所述微生物陽極對應(yīng)的陰極(2)，其材料為具有比表面積為SOOmVV左右的導電碳氈或碳顆粒，其面積與微生物陽極(I) 一致，其制備方法如下:將導電碳氈或碳顆粒依次經(jīng)丙酮浸泡和5%鹽酸各浸泡半小時后，超聲清洗20min后得到；
所述導線(3)在微生物陰極(2)上穿插纏繞，均勻分布在微生物陰極(2)上；
所述導線(3 )的材料為直徑為0.4mm的鈦絲；
所述微生物陽極(I)和微生物陰極(2)之間設(shè)置有負載電阻(4)。
[0012]每套裝置中的陽極面積為1.5m X 1.5m;
所述微生物陰極(2)的材料為具有比表面積為SOOmVm3左右的電碳氈或碳顆粒材料，其面積大小與對應(yīng)陽極相同并經(jīng)與其相同的預處理方式得到。
[0013]
本發(fā)明利用微生物-電化學方法構(gòu)成沉積型微生物燃料電池完成底泥與污染水體中硝氮之間的相互消耗，達到對氮污染水體精確除氮目的。
[0014]微生物陽極通過對污泥的吸附、降解等過程完成底泥有機物的氧化分解部分。其中該微生物陽極碳纖維置于與底泥保持良好接觸的厭氧環(huán)境，底泥有機物持續(xù)不斷的氧化分解給微生物該電池提供能源基礎(chǔ)。
[0015]微生物陰極碳氈懸浮于高于湖底約20cm的陽極上部水域(可根據(jù)目標水體中不同深度水體溶解氧和無機氮濃度分布情況，調(diào)節(jié)陰極和陽極距離)，并對陰極采取固定的方式保證其與微生物陽極間距的穩(wěn)定。微生物陰極是為反硝化菌提供生存的場所，具有特征如下:有一定的比表面積，良好的導電性、能較好吸附水體中的N03—離子，并接收來自微生物陽極的電子與吸附水體中的質(zhì)子，完成N03—的反硝化部分。該極面上的主要反應(yīng)式為:
①2N03—+12H++10 e— = N2 ? + 6H20
②2N03—+10H+ + 8e- = N20T + 5H20
連接微生物電池陰陽極的導線采用直徑為0.4mm的鈦絲，并在連接兩電極的鈦絲間增加負載，用于調(diào)節(jié)反硝化反應(yīng)的進程及反應(yīng)程度。該鈦絲因其耐腐性能保證電池性能的穩(wěn)定。導線在電極上采用穿插纏繞的方式保證導線在電極上分布均勻，為微生物代謝產(chǎn)物提供持續(xù)、穩(wěn)定的傳遞。
[0016]微生物陰極生物膜在經(jīng)過馴化培養(yǎng)后，其生物膜陰極上生長反硝化微生物，吸附來自于水體的質(zhì)子、NOx-與接收通過鈦絲導線來自微生物電池陽極的電子，并在其極表明及內(nèi)部發(fā)生反硝化反應(yīng)，產(chǎn)物為N2、N20及H2O，完成無機氮的脫除。
[0017]在上述技術(shù)方案中，利用吸附和生物處理自然耦合，生物膜形成后，微生物燃料電池的陽極碳纖維浸沒于底泥中，其附著的生物膜主要完成微生物的氧化分解部分;而陰極的生物膜則通過吸附水體中的NO3-，接收來自微生物陽極的電子與水體中的質(zhì)子，完成NO3-的反硝化部分。其兩極的反應(yīng)式如下:
反應(yīng)陽極:1CH3COO—+960H— — 80e— = 63H20 +13C032—+7C02(以醋酸鹽代替有機物)
反應(yīng)陰極:① 2N03—+12H+ +10e— = N2T + 6H2O
②2NO3—+10H+ + 8e- = N20T + 5H20
③2NO2—+8H+ + 6e—= Ν2? + 4Η20
④2N02—+6H+ + 3e- = N20T + 3H20
⑤02 + 4H++4e- = 2H20
生物膜形成后，陰極生物膜不但在吸收降解底泥中有機物同時也吸收降解水體中的可降解C0D，經(jīng)過生物膜上附著微生物的分解，該沉積型微生物燃料電池的功率可達到2.5mW/m2，底泥有機物(COD)的消耗量速度可達到1500mg/t.m2(每平方米陰極碳氈每天可消耗C0D1500mg),微生物燃料電池陰極的硝氮去除量可達到300mg/d.m2(每平方米的碳租陰極每天的硝氮處理量可達300mg)。該以“污治污”的處理過程中，無需外加投入碳源和任何動力及設(shè)備維護，實際運行成本低。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為在不同的外阻條件下完成的馴化掛膜，其微生物燃料電池的電池性能1-U曲線圖；
圖3為水體中氮含量隨時間變化趨勢圖；
其中:微生物陽極1、微生物陰極2，導線3，負載電阻4。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0020]實施例1
本發(fā)明包括微生物陽極(I)、微生物陰極(2)以及連接微生物陽極(I)和微生物陰極(2)的導線(3)。
[0021]所述微生物陽極(I)的材料為具有比表面積為SOOmVm3平面型多孔導電碳氈材料，其制備方法如下:將平面型多孔導電碳氈依次經(jīng)丙酮浸泡和5%鹽酸各浸泡半小時后，超聲清洗20min后得到；
所述微生物陽極對應(yīng)的陰極(2)，其材料為具有比表面積為SOOmVV左右的導電碳氈或碳顆粒，其面積與微生物陽極(I) 一致，其制備方法如下:將導電碳氈或碳顆粒依次經(jīng)丙酮浸泡和5%鹽酸各浸泡半小時后，超聲清洗20min后得到；
所述導線(3)在微生物陰極(2)上穿插纏繞，均勻分布在微生物陰極(2)上；
所述導線(3 )的材料為直徑為0.4mm的鈦絲； 所述微生物陽極(I)和微生物陰極(2)之間設(shè)置有負載電阻(4)。
[0022]組裝如圖1所示的微生物燃料電池裝置兩套，運用上述技術(shù)方案進行西太湖唐門溝水域現(xiàn)場(地理坐標3 Γ 40 ’ 12.96"N 119° 47 ’ 46.16"E)現(xiàn)場測試。試驗采用的反應(yīng)器為用絕緣體支架作為支撐在自然水體中構(gòu)成單室沉積型MFC化學燃料電池，試驗裝置所用的陰陽兩極的碳氈電極材料經(jīng)依次經(jīng)丙酮浸泡和5%鹽酸各浸泡半小時后，超聲清洗20min后調(diào)節(jié)微生物陽極(I)和微生物陰極(2)高度方向的距離并固定，所述微生物陽極(I)和微生物陰極(2)之間高度差為0.2-0.4m;將調(diào)整好高度距離的微生物陽極(I)和微生物陰極(2)放入目標水體中，每周對微生物陽極(I)和微生物陰極(2)之間的電位差進行測試，當電位差達到0.3以上時，即培養(yǎng)生物膜成功；
本次在自然水體中進行自然馴化掛膜，該掛膜時間為2個月(該次試驗時間為2015.7.10日至2015.9.10日)。