一種電化學(xué)輔助的源分離尿液生物脫氮的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種電化學(xué)輔助的源分離尿液生物脫氮的方法。利用單室型微生物電解池從自然界中篩選和富集一類可以在厭氧條件下氧化氨為硝酸鹽、并能夠同時進(jìn)行產(chǎn)電呼吸的微生物。這類微生物附著在陽極表面，當(dāng)向陽極室提供源分離尿液時，尿液中的氨被厭氧氧化為硝酸鹽，產(chǎn)生的電子在外加電壓的驅(qū)動下轉(zhuǎn)移至陰極。在陰極，具有反硝化功能的微生物富集在陰極表面形成生物陰極，生物陰極接受陽極產(chǎn)生電子和質(zhì)子，還原硝酸鹽為氮氣，從而實現(xiàn)從源分離尿液中的氨到氮氣的全自養(yǎng)型生物脫氮。
【專利說明】一種電化學(xué)輔助的源分離尿液生物脫氮的方法
[0001]一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于環(huán)境生物【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種利用微生物電解池技術(shù)進(jìn)行源分離尿液脫氮的方法。
[0003]二、【背景技術(shù)】
[0004]尿液是生活污水的重要組成部分，盡管其體積不足全部生活污水I %，但卻貢獻(xiàn)了大約80%的氮和45%的磷，而這些污染元素必須在污水處理系統(tǒng)中得到有效的去除。如果能夠?qū)⒛蛞簭纳钗鬯脑搭^分離出來，將大大減輕后續(xù)污水處理的壓力。
[0005]源分離技術(shù)則是針對上述特點，采用特殊設(shè)計的衛(wèi)生潔具在源頭上將尿液單獨進(jìn)行分離和收集，從而形成不同于傳統(tǒng)下水道系統(tǒng)的生活衛(wèi)生系統(tǒng)，將生活污水中主要的污染元素以尿液這一載體進(jìn)行分離。源分離技術(shù)因為其符合可持續(xù)發(fā)展的理念而逐漸得到國內(nèi)外的廣泛重視。歐盟在2000年由多個研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展了尿液源分離技術(shù)的綜合性研究，并進(jìn)行了工程不范(Larsen TA, Alder AC, Eggen RIL, Maurer M, Lienert J.SourceSeparation:ffillffe See a Paradigm Shift in Wastewater Handling ? Environ.Sc1.Technol.2009,43:6121-6125)。近年來我國也建設(shè)了一批包括奧運森林公園項目在內(nèi)的源分離技術(shù)示范項目。
[0006]但目前，源分離技術(shù)的廣泛應(yīng)用仍面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)，其中之一就是如何對源頭分離的尿液進(jìn)行就地處理或資源化。尿液的主要污染成分是尿素(CO(NH2)2),而尿素會快速分解生成氨(NH4+)，因此尿液處理的核心問題是高濃度氨氮廢水的處理。目前，高濃度氨氮廢水處理的物理化學(xué)方法主要有:吹脫法、離子交換法、折點加氯法等。這些方法要么不能徹底轉(zhuǎn)化氨氮為氮氣，容易造成二次污染；要么需要大量的化學(xué)試劑，運行成本高昂。生物處理技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用較廣的氨氮廢水處理方法，如傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝和短程硝化-厭氧氨氧化工藝(何巖，趙由才，周恭明.高濃度氨氮廢水脫氮技術(shù)研究進(jìn)展.工業(yè)水處理，2008,28:1-4)。但對于含有高濃度氨氮的源分離尿液而言，目前的生物處理技術(shù)也有明顯的不足。如傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝需要在反硝化階段補充大量的有機(jī)碳源，且硝化過程所需氧氣量較大，能耗較高；最近興起短程硝化-厭氧氨氧化工藝在一定程度上克服了傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝的確定，但是短程硝化工藝段和厭氧氨氧化工藝段的技術(shù)條件要求極為嚴(yán)格，精確控制非常困難(A Joss, D Salzgeber, J Eugster, et al.Full-ScaleNitrogen Removal fromDigester Liquid with Partial Nitritation and Anammox inOne SBR.Envrion Sci Technol.2009,43:5301-5306)。此外，負(fù)責(zé)厭氧氨氧化的厭氧氨氧化菌增長速率極低，厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動困難。這些不足嚴(yán)重的限制了短程硝化-厭氧氨氧化工藝的大范圍應(yīng)用。由此可見，研發(fā)一種低成本的、能夠?qū)⒃捶蛛x尿液中的氨氮直接轉(zhuǎn)化為氮氣的尿液處理技術(shù)對于推進(jìn)源分離技術(shù)的廣泛應(yīng)用是非常必要的。
[0007]本發(fā)明基于利用微生物產(chǎn)電呼吸原理，提出一種電化學(xué)輔助的、全自養(yǎng)型的生物脫氮新技術(shù)，從而實現(xiàn)低成本、易操作的源分離尿液生物脫氮方法。 [0008]三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]1、本發(fā)明所指的源分離尿液，特指人類生活衛(wèi)生系統(tǒng)中，通過特殊設(shè)計的衛(wèi)生器具單獨收集的尿液或含有沖洗水的水尿混合液，以及畜禽養(yǎng)殖過程中單獨收集的畜禽尿液或含有沖洗水的水尿混合液。
[0010]2、本發(fā)明的方法是基于微生物電解池技術(shù)。所說的微生物電解池(MicrobialElectrolysis Cell, MEC)技術(shù)是近年來快速發(fā)展的一項微生物與電化學(xué)相結(jié)合的新技術(shù)。在MEC中，具有胞外電子傳遞能力的微生物(亦稱產(chǎn)電微生物)附著在陽極表面，在厭氧條件下氧化有機(jī)物，并將獲得的電子傳遞給固體陽極，在一定外加電壓的驅(qū)動下，陽極獲得的電子通過外電路轉(zhuǎn)移至陰極；在陰極，溶液中質(zhì)子接受電子被還原生成氫氣，或者產(chǎn)電微生物附著在陰極表面接收電子和質(zhì)子(即生物陰極)。MEC技術(shù)與純電化學(xué)氧化技術(shù)相比，最大的優(yōu)勢在于氧化有機(jī)物所需的催化劑由微生物提供，這一過程產(chǎn)生的能量則被微生物用于自我復(fù)制和維持，因此無需額外提供昂貴的貴金屬催化劑，并可顯著降低外加電壓(通常低于IV)。本發(fā)明是基于微生物電解池技術(shù)，但
【發(fā)明內(nèi)容】
中不包含微生物電解池技術(shù)本身。
[0011]3、本發(fā)明的技術(shù)系統(tǒng)包括:單室型微生物電解池、直流穩(wěn)壓電源、電流表、磁力攪拌器、氮氣收集系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成見附圖。其中，微生物電解池為圓柱形玻璃瓶或其它惰性材質(zhì)容器，電極采用惰性固體電極，電極材料要求有較大比表面積、較好的生物親和性和環(huán)境友好性。電路連接方式由附圖示明。
[0012]4、本發(fā)明的原理
[0013]氨分子中的氮元素處于其最低的氧化態(tài)，理論上氨的氧化將提供電子和質(zhì)子。本發(fā)明的基本原理在于利用微生物電解池從自然界中篩選和富集一類可以在厭氧條件下氧化氨、并能夠同時將產(chǎn)生的電子傳遞給固體電極的微生物。這類微生物附著在陽極表面，當(dāng)向陽極室提供源分離尿液時，尿液中的氨被厭氧氧化為硝酸鹽和質(zhì)子，產(chǎn)生的電子在外加電壓的驅(qū)動下轉(zhuǎn)移至陰極。在陰極，具有反硝化功能的微生物附著在陰極表面，形成生物陰極，接收陽極產(chǎn)生的電子和質(zhì)子，還原硝酸鹽為氮氣，同時生成水，從而實現(xiàn)從氨到氮氣的全自養(yǎng)型生物脫氮。該原理要求單室型微生物燃料電池作為反應(yīng)器，即陰極與陽極處于同一電解室中，不能用離子交換膜分隔。
[0014]5、本發(fā)明的實施步驟包括:
[0015](I)微生物的篩選與富集:取適量自然水體底泥或污水處理廠活性污泥為菌種。將菌種接種入微生物電解池，同時注入源分離尿液，之后按附圖連通電路，打開直流穩(wěn)壓電源，向電解池兩極施加適當(dāng)電壓。微生物電解池用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌速度100?300轉(zhuǎn)/分鐘，控制微生物電解池適當(dāng)溫度，微生物的篩選和富集過程開始，記錄電流表電流。
[0016]隨著所篩選的微生物在電極表面富集，電流出現(xiàn)上升(相比較背景電流)，微生物電解池內(nèi)氨氮濃度開始降低，陰極附近有氮氣產(chǎn)生。當(dāng)微生物電解池內(nèi)氨全部耗盡，電流出現(xiàn)急劇下降，陰極產(chǎn)氣停止，此時微生物篩選和富集過程完成。
[0017](2)源分離尿液微生物電解脫氮:步驟(I)完成后，排出微生物電解池全部混合液，重新注入源分離尿液，其它條件保持不變，開始微生物電解源分離尿液脫氮過程。當(dāng)重新向微生物電解池注入尿液，電流將迅速上升，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，陰極附件持續(xù)產(chǎn)生氮氣；一旦電流開始下降至背景電流，更換微生物電解池中尿液，進(jìn)行下一個處理周期。依此類推，實現(xiàn)電化學(xué)輔助的源分離尿液生物脫氮目的。[0018]步驟(I)所述的施加適當(dāng)電壓是指施加電壓在0.5V?1.6V范圍內(nèi)。
[0019]步驟(I)所述的控制適當(dāng)溫度是指微生物電解池控制溫度在15°C?55°C范圍內(nèi)。
[0020]6、本發(fā)明的優(yōu)點
[0021](I)本發(fā)明的方法實現(xiàn)了硝化過程和反硝化過程中一個反應(yīng)器中完成，是厭氧條件下、全自養(yǎng)的生物脫氮新方法。與傳統(tǒng)的硝化-反硝化生物脫氮方法相比，無需提供大量氧氣進(jìn)行好養(yǎng)硝化，也無需提供有機(jī)碳源進(jìn)行反硝化。技術(shù)流程簡單，運行成本低；
[0022](2)陽極表面微生物種群和陰極表面微生物種來源廣泛，且相互無負(fù)面影響，一次接種即可長期使用；
[0023](3)本發(fā)明的方法能耗低，只需要提供較小的外加電壓，即可實現(xiàn)源分離尿液的全自養(yǎng)生物脫氮。
[0024]四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]附圖為本發(fā)明技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成圖，其中I為微生物電解池，2為陽極，3為陰極，4為攪拌子，5為磁力攪拌器，6為氫氣穩(wěn)壓收集系統(tǒng)，7為導(dǎo)線，8為直流穩(wěn)壓電源，9為電流表。
[0026]五、【具體實施方式】
[0027]實施例1
[0028]實施例1采用附圖所示的技術(shù)系統(tǒng)，其中:微生物電解池為250mL圓柱形玻璃瓶；陰陽兩極電極相同，為未剖光的平板石墨電極，電極尺寸5cmX4cmX0.5mm,兩極間距2cm。源分離尿液為中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境技術(shù)樓衛(wèi)生間收集的水尿混合液，經(jīng)自來水稀釋后混合液含氨300mg/L左右。實施過程如
【發(fā)明內(nèi)容】
中所述，技術(shù)系統(tǒng)組裝完成后，向微生物電解池注入180mL源分離尿液、某河流底泥20mL、形成工作容積200mL。按附圖所示連通電路，施加電解電壓0.8V，電極室攪拌速度200轉(zhuǎn)/分鐘，控制溫度30°C，開始進(jìn)行微生物的篩選和富集過程。啟動5天后，電流開始上升，陰極附近有氮氣發(fā)生，微生物電解池內(nèi)氨氮濃度開始下降，14天后電流達(dá)到峰值0.7mA，之后開始迅速下降，陰極附近產(chǎn)氣停止，表明微生物的篩選和富集步驟完成。之后，排出陽極室全部混合液，重新注入所述源分離尿液，其它條件保持不變，開始源分離尿液微生物電解脫氮處理過程。每個處理周期為10天左右，源分離尿液中氨氮的去除率95%以上。
[0029]實施例2
[0030]實施例2與實施例1的系統(tǒng)構(gòu)成與工藝過程相同，但具體的運行參數(shù)有所不同，不同之處在于:
[0031](I)源分離尿液取自江蘇省常熟市某村級真空源分離系統(tǒng)，使用前未經(jīng)任何預(yù)處理,氨的含量在800mg/L?1500mg/L范圍內(nèi)；
[0032](2)微生物電解池未進(jìn)行溫度控制，實施過程為常熟市秋冬之交，源分離尿液溫度在18°C?25°C范圍內(nèi)；
[0033]實施例2中，每個處理周期維持30天?55天，源分離尿液中氨氮的去除率92%以上。
【權(quán)利要求】
1.一種電化學(xué)輔助的源分離尿液生物脫氮的方法，其特征是:本發(fā)明的基本原理在于利用微生物電解池從自然界中篩選和富集一類可以在厭氧條件下氧化氨、并能夠同時將產(chǎn)生的電子傳遞給固體電極的微生物；這類微生物附著在陽極表面，當(dāng)向陽極室提供源分離尿液時，尿液中的氨被厭氧氧化為硝酸鹽和質(zhì)子，產(chǎn)生的電子在外加電壓的驅(qū)動下轉(zhuǎn)移至陰極；在陰極，具有反硝化功能的微生物附著在陰極表面，形成生物陰極，接收陽極產(chǎn)生的電子和質(zhì)子，還原硝酸鹽為氮氣，同時生成水，從而實現(xiàn)從氨到氮氣的全自養(yǎng)型脫氮；該原理要求單室型微生物燃料電池作為反應(yīng)器，即陰極與陽極處于同一電解室中，不能用離子交換膜分隔。
2.如權(quán)利要求1所述源分離尿液，其特征是:特指人類生活衛(wèi)生系統(tǒng)中，通過特殊設(shè)計的衛(wèi)生器具單獨收集的尿液或含有沖洗水的水尿混合液，以及畜禽養(yǎng)殖過程中單獨收集的畜禽尿液或含有沖洗水的水尿混合液。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是:包括以下步驟: (I)微生物的篩選與富集:取適量自然水體底泥或污水處理廠活性污泥為菌種，將菌種接種入微生物電解池，同時注入源分離尿液，之后連通電路，打開直流穩(wěn)壓電源，向電解池兩極施加適當(dāng)電壓；微生物電解池用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌速度100?300轉(zhuǎn)/分鐘，控制微生物電解池適當(dāng)溫度，微生物的篩選和富集過程開始，記錄電流表電流；隨著所篩選的微生物在電極表面富集，電流出現(xiàn)上升(相比較背景電流)，微生物電解池內(nèi)氨氮濃度開始降低，陰極附近有氮氣產(chǎn)生，當(dāng)微生物電解池內(nèi)氨全部耗盡，電流出現(xiàn)急劇下降，陰極產(chǎn)氣停止，此時微生物篩選和富集過程完成；(2)源分離尿液微生物電解脫氮:步驟(I)完成后，排出微生物電解池全部混合液，重新注入源分離尿液，其它條件保持不變，開始微生物電解源分離尿液脫氮過程；當(dāng)重新向微生物電解池注入尿液，電流將迅速上升，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，陰極附件持續(xù)產(chǎn)生氮氣；一旦電流開始下降至背景電流，更換微生物電解池中尿液，進(jìn)行下一個處理周期；依此類推，實現(xiàn)電化學(xué)輔助的源分離尿液生物脫氮目的。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征是:由直流穩(wěn)壓電源為微生物電解池提供電解電壓，施加電壓在0.5V?1.6V范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征是:控制微生物電解池內(nèi)溫度在15°C?55°C范圍內(nèi)。
【文檔編號】B01D65/10GK103861463SQ201210550133
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月18日
【發(fā)明者】范彬, 曲波, 朱仕坤, 劉英豪 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心