專利名稱：一種同步產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種同步處理污水、產(chǎn)電和去除地下水硝酸鹽的水處理工藝與裝置。
背景技術(shù)：
地下水是貯存于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。由于地下水的水量穩(wěn)定、水質(zhì)好，它不僅是農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)的重要水源之一，更是人類的重要飲用水源，據(jù)統(tǒng)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(nóng)業(yè)的發(fā)展而被排入自然水體并進入地下水中，造成了地下水的硝酸鹽污染。盡管硝酸鹽本身對人體沒有危害，但在人體內(nèi)有可能經(jīng)硝酸鹽還原菌作用變成亞硝酸鹽，從而引起高鐵血紅蛋白癥，或形成致癌物質(zhì)亞硝基胺或其化合物使消化器官致癌，對人體健康構(gòu)成威脅。為了應(yīng)對地下水的硝酸鹽污染，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污染，或者成本較高。微生物燃料電池是近年來發(fā)展迅速的一種污水處理新技術(shù)，由陽極室、分隔膜和陰極室組成。在陽極室中，生長于陽極材料上的產(chǎn)電微生物在分解污水中污染物的同時將其化學能轉(zhuǎn)化成電能并將電子轉(zhuǎn)移到電極上；在陰極室中，電子受體通過消耗陽極室產(chǎn)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(yǎng)反硝化微生物，它們利用陽極室產(chǎn)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(cè)增加一個地下水室，并以陰離子交換膜將其與陰極室隔開，在這個地下水室內(nèi)加入被硝酸鹽污染的地下水，硝酸鹽在離子梯度下會通過陰離子交換膜進入陰極室并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(yǎng)反硝化微生物生長的碳源，由于離子交換膜的分隔作用，自養(yǎng)反硝化微生物不會進入地下水中造成生物污染。利用該反應(yīng)器，不僅實現(xiàn)了污水處理和產(chǎn)電，而且去除了地下水中的硝酸鹽污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以微生物燃料電池和自養(yǎng)反硝化微生物為基礎(chǔ)，目的在于利用微生物燃料電池同時實現(xiàn)處理污水、產(chǎn)電和去除硝酸鹽。本發(fā)明提供了一種同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝，其特征在于，包括以下步驟
(a)按照附圖1安裝設(shè)備；
(b)污水進入陽極室A，陽極2上的產(chǎn)電微生物1將污水中的污染物氧化并產(chǎn)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(nèi)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污染地下水，由于與陰極室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(jīng)由導線和外電阻7傳遞至陰極5并進一步傳遞給自養(yǎng)反硝化微生物4，使硝酸根離子在自養(yǎng)反硝化微生物4的作用下被還原為氮氣，完成產(chǎn)電過程和硝酸鹽的反硝化；
(e)由于硝酸根離子不斷被還原，硝酸根離子在離子梯度的驅(qū)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(yǎng)反硝化微生物4生長的碳源。所述污水為可生化處理的有機廢水。所述產(chǎn)電微生物為馴化的混合微生物菌群，其優(yōu)化的產(chǎn)電條件為溫度25 40° C，pH值8 10，溶解氧濃度<0. 2mg/L。所述的自養(yǎng)反硝化微生物的優(yōu)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。所述硝酸鹽為電子受體，硝酸鹽污染的地下水中硝酸鹽態(tài)氮的濃度為20 100mg/L。本發(fā)明還提供了一種同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理裝置，其特征在于，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(nèi)放置陽極2，在陰極室B內(nèi)放置陰極5，并在陽極2和陰極5上分別馴化、富集產(chǎn)電微生物1和自養(yǎng)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。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。所述陽極2上的產(chǎn)電微生物1和陰極5上的自養(yǎng)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(nèi)陽極2和陰極室B內(nèi)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(fā)明的有益效果為利用微生物燃料電池陽極產(chǎn)電微生物產(chǎn)生的電子在處理污水、產(chǎn)電的同時凈化硝酸鹽污染的地下水，且地下水中的碳酸根和碳酸氫根離子為自養(yǎng)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(qū)同步處理廢水和去除地下水中的硝酸鹽污染；本發(fā)明所述工藝簡單、易操作、能耗低、效率高、運行費用低、無二次污染；所述處理裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于擴大化工業(yè)生產(chǎn)與使用。


圖1為本發(fā)明所述的同步處理污水產(chǎn)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(chǎn)電微生物，2—陽極，3—陽離子交換膜，4一自養(yǎng)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(fā)明提供了一種用于同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝及裝置，以下結(jié)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采用透過率分別為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(nèi)放置厚度為0. 2 0. 3mm的碳布作為陽極2，在陰極室B內(nèi)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(chǎn)電微生物1和自養(yǎng)反硝化微生物4，產(chǎn)電微生物1和自養(yǎng)反硝化微生物4均從生活污水處理廠消化污泥馴化而來；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
裝置安裝完成后，在MFC陽極室A中加入可生化處理的有機廢水并使其溶解氧濃度保持在0. 2mg/L的厭氧狀態(tài)，廢水中的污染物在產(chǎn)電微生物1的作用下被分解，同時分解污染物釋放出的電子被傳遞到陽極2并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(xù)加入硝酸鹽態(tài)氮濃度為40 60mg/L的硝酸鹽污染的地下水，由于與陰極室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(yǎng)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，并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(xiàn)了有機廢水的污染去除、產(chǎn)電和地下水中硝酸鹽的去除，同時還直接由地下水為自養(yǎng)反硝化微生物4的生長提供了無機碳源，無需外加碳源，節(jié)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(tài)氮濃度為40 60mg/L，在地下水室C中的停留時間為Mh，處理后的地下水中硝酸鹽態(tài)氮濃度低于《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749-2006)所規(guī)定的20mg/L。
權(quán)利要求
1.一種同步處理污水、產(chǎn)電和去除地下水硝酸鹽的水處理工藝，其特征在于，包括以下步驟(a)安裝設(shè)備；(b)污水進入陽極室A，陽極2上的產(chǎn)電微生物1將污水中的污染物氧化并將產(chǎn)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(nèi)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污染地下水，由于與陰極室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(jīng)由導線和外電阻7傳遞至陰極5并進一步傳遞給自養(yǎng)反硝化微生物4，使硝酸根離子在自養(yǎng)反硝化微生物4的作用下被還原為氮氣，完成產(chǎn)電過程和硝酸鹽的反硝化；(e)由于硝酸根離子持續(xù)被還原，硝酸根離子在離子梯度的驅(qū)動下會持續(xù)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(yǎng)反硝化微生物4生長的碳源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝，其特征在于，所述污水為可生化處理的有機廢水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝， 其特征在于，所述產(chǎn)電微生物為馴化的混合微生物菌群，其優(yōu)化的產(chǎn)電條件為溫度25 40° C，pH值8 10，溶解氧濃度<0. 2mg/L。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝，其特征在于，所述的自養(yǎng)反硝化微生物的優(yōu)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理工藝， 其特征在于，所述硝酸鹽為電子受體，硝酸鹽污染的地下水中硝酸鹽態(tài)氮的濃度為20 100mg/L。
6.一種同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理裝置，其特征在于陽離子交換膜 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(nèi)放置陽極2，在陰極室B內(nèi)放置陰極5，并在陽極2和陰極5上分別馴化、富集產(chǎn)電微生物1和自養(yǎng)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理裝置，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理裝置，其特征在于，所述陽極2上的產(chǎn)電微生物1和陰極5上的自養(yǎng)反硝化微生物4所形成的膜厚度為20 100 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種同步處理污水產(chǎn)電去除地下水硝酸鹽的水處理裝置，其特征在于，所述陽極室A內(nèi)陽極2和陰極室B內(nèi)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(fā)明屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種同步處理污水、產(chǎn)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(chǎn)電微生物和自養(yǎng)反硝化微生物；陽極室產(chǎn)電微生物分解污水中污染物產(chǎn)生的電子電子經(jīng)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(yǎng)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(yǎng)反硝化微生物生長的碳源；離子交換膜孔隙極小，可防止微生物污染地下水。本發(fā)明所述工藝簡單、易操作、能耗低、效率高、運行費用低、無二次污染；所述裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于擴大化工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者肖勇, 趙峰 申請人:中國科學院城市環(huán)境研究所