申请日2019.12.10
公开(公告)日2020.03.24
IPC分类号C12M1/107; C12M1/00; C25B1/04; C12R1/01
摘要
本发明公开了一种BES‑厌氧消化耦合装置及其应用，属于环境工程和有机固体废弃物处理领域。所述装置包括阳极室、厌氧消化中间室、阴极室和氨气回收装置，所述厌氧消化中间室位于阳极室和阴极室中间，所述阳极室与厌氧消化中间室采用阴离子交换膜隔断，所述阴极室与厌氧消化中间室采用阳离子交换膜隔断;所述阳极室中设有阳极室生物电极;所述厌氧消化中间室顶部设有第二排气管;所述阴极室中设有阴极室碳刷电极;所述阳极室电极与阴极室电极通过外加电源连接;所述氨气回收装置通过第一导气管和第二导气管分别与阴极室和中间室连接，有效解决蓝藻底物高浓度氨氮抑制，实现了氨氮回收与阴极产氢，并完成原位氢气协同式沼气纯化。
权利要求书
1.一种BES-厌氧消化耦合装置，其特征在于，所述装置包括阳极室、厌氧消化中间室、阴极室和氨气回收装置，所述厌氧消化中间室位于阳极室和阴极室中间，所述阳极室与厌氧消化中间室采用阴离子交换膜隔断，所述阴极室与厌氧消化中间室采用阳离子交换膜隔断;所述阳极室中设有阳极室生物电极，顶部设有第一排气管;所述厌氧消化中间室顶部设有第二排气管和第二导气管;所述阴极室中设有阴极室碳刷电极，顶部设有第一导气管;所述阳极室电极与阴极室电极通过外加电源连接，阳极室电极与外加电源的正极连接;阴极室电极与外加电源的负极连接;所述氨气回收装置通过第一导气管和第二导气管分别与阴极室和中间室连接。
2.根据权利要求1所述的一种BES-厌氧消化耦合装置，其特征在于，所述装置还包括蠕动泵，所述蠕动泵连接阳极室和中间室;阳极室中的阳极液通过蠕动泵泵入厌氧消化中间室。
3.根据权利要求1或2所述的一种BES-厌氧消化耦合装置，其特征在于，所述氨气回收装置中含有硼酸溶液。
4.根据权利要求1或2所述的一种BES-厌氧消化耦合装置，其特征在于，所述外加电源上还设有外加电阻。
5.一种应用权利要求1-4任一所述的BES-厌氧消化耦合装置处理蓝藻的方法，所述方法是：
(1)在阳极室中加入产电营养液和接种厌氧污泥进行驯化;
(2)在中间室中加入蓝藻藻液和接种厌氧污泥;
(3)在阴极室中加入去离子水;
(4)接通电源，待阴极室中产生氢气和氨气，产生的氢气与氨气通过第一导气管通入氨气回收装置，氨气被吸收后氢气通过第二导气管导入厌氧消化中间室进行沼气纯化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，氢气导入速率为0.5-1.5L/(L·day)。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，中间室搅拌速率为200-400rpm。
8.根据权利要求5-7任一所述的方法，其特征在于，外加电压为0.6-1.4V;外接电阻为10-100Ω。
9.根据权利要求5-8任一所述的方法，其特征在于，起始氨氮浓度为3-7g NH4+-N/L。
10.权利要求1-4任一所述的BES-厌氧消化耦合装置在有机固体废弃物氨氮抑制和沼气纯化方面的应用。
说明书
一种BES-厌氧消化耦合装置及其应用
技术领域
本发明涉及一种BES-厌氧消化耦合装置及其应用，属于环境工程和有机固体废弃物处理领域。
背景技术
水体富营养化导致的蓝藻爆发一直是困扰人类的一项世界性环境难题，尤其是位于长江三角区的太湖，近几年频繁爆发蓝藻水华。目前厌氧消化工艺被认为是一项简便可行的蓝藻处理措施。然而，以太湖蓝藻为底物高效率地完成厌氧消化过程仍然面临着挑战：蓝藻生物质较高的蛋白质含量会导致体系内氨氮浓度过高从而抑制厌氧微生物活性，最终造成消化过程紊乱和沼气产量明显下降(Zhong et al.,2013)。此外，厌氧消化过程并不能有效实现对太湖蓝藻底物中氨氮的回收，造成了营养物质的浪费。另外，厌氧消化过程中产生的沼气一般是由60%至70%的甲烷和40%至30%的二氧化碳组成。因为其甲烷纯度不足、热值较低，极大限制了沼气的用途。
近年来人们发现生物电化学系统(BES)可直接将化学能转化为电能，在从有机化合物回收能量方面比传统的工艺技术具有更大的优势，因此这一新型技术也被用来实现氨氮的去除与回收，实现这一技术的反应器可分为两极室和三极室。在两极室中，拥有较高氨氮浓度的废水进入阳极室，在产生电子的同时，铵根离子会通过离子交换膜迁移至阴极室，最终实现氨氮的去除与回收。在三极室反应器中，高浓度氨氮废水在中间室中，系统正常运行时，铵根离子在电荷平衡的驱动下透过阳离子交换膜进入阴极室。在接种有活性污泥的阴极室中铵根离子被氧化为硝态氮并最终被反硝化细菌还原为氮气，实现了氨氮的去除。因此，应用BES去除与回收氨氮被认为有光明的应用前景。但在把BES与缓解厌氧消化过程的高浓度氨氮抑制作用相结合的研究过程中，仍然遇到了很多挑战。在现有研究中，氨氮回收效率仍有待于进一步提高;对阴极室的不断曝气也增加了系统的运行成本;而且随着反应的进行，阳极室中不断降低的pH值也会对电极微生物产生不利影响;反应系统并未与实际的厌氧消化产沼气过程相耦合，对缓解厌氧微生物毒性的作用还未得到验证;此外，沼气提纯的问题也无法在系统中得到妥善的解决。
发明内容
为了解决上述问题，本发明采用一项新型BES-厌氧消化耦合系统来同时解决太湖蓝藻底物的氨氮抑制以及沼气纯化的难题，该新型反应系统可有效改进现有BES脱氮反应器的设计与运行缺陷。
本发明要解决的第一个技术问题是如何将厌氧消化系统与BES有效结合从而缓解蓝藻底物的氨氮抑制和实现沼气纯化，并尽量避免现有BES的设计与运行缺陷。
本发明的第一个目的是提供一种BES-厌氧消化耦合装置，所述装置包括阳极室、厌氧消化中间室、阴极室和氨气回收装置，所述厌氧消化中间室位于阳极室和阴极室中间，所述阳极室与厌氧消化中间室采用阴离子交换膜隔断，所述阴极室与厌氧消化中间室采用阳离子交换膜隔断;所述阳极室中设有阳极室生物电极，顶部设有第一排气管;所述厌氧消化中间室顶部设有第二排气管和第二导气管;所述阴极室中设有阴极室碳刷电极，顶部设有第一导气管;所述阳极室电极与阴极室电极通过外加电源连接，阳极室电极与外加电源的正极连接;阴极室电极与外加电源的负极连接;所述氨气回收装置通过第一导气管和第二导气管分别与阴极室和中间室连接。
在本发明的一种实施方式中，所述装置还包括蠕动泵，所述蠕动泵通过导管连接阳极室和中间室;阳极室中的阳极液通过蠕动泵泵入厌氧消化中间室以中和pH值。
在本发明的一种实施方式中，所述氨气回收装置中含有硼酸溶液。
在本发明的一种实施方式中，所述外加电源上还设有外加电阻。
本发明要解决的第二个技术问题是如何协调中间室厌氧消化产沼气与氢气协同式沼气纯化过程并通过试验不同条件参数来优化系统的运行效果。
本发明的第二个目的是提供一种应用上述装置处理蓝藻的方法，所述方法是：
(1)在阳极室中加入产电营养液和接种厌氧污泥进行驯化;
(2)在中间室中加入蓝藻藻液和接种厌氧污泥;
(3)在阴极室中加入去离子水;
(4)接通电源，待阴极室中产生氢气和氨气，产生的氢气与氨气通过第一导气管通入氨气回收装置，氨气被吸收后氢气通过第二导气管导入厌氧消化中间室进行沼气纯化;
(5)阳极室中的阳极液被泵入厌氧消化中间室以中和pH值，提纯后的沼气通过沼气排放口排出被收集。
在本发明一种实施方式中，所述方法具体为：
(1)在阳极室中加入产电营养液和接种厌氧污泥(300-500mL)，体积比为(2-4):1，当阳极电势稳定在-0.5V vs.SCE时，阳极驯化成功;所述产电营养液的具体配方为：KCl0.1-0.2mg/L、NH4Cl 0.3-0.5mg/L、NaH2PO4 2.0-3.0mg/L、Na2HPO4 10.0-12.0mg/L，无水乙酸钠1.0-2.0mg/L、微量元素1.0-2.0mg/L、维生素1mL/mL;
(2)在中间室中加入蓝藻藻液和接种厌氧污泥(500mL)，体积比为(2-5):1;
(3)在阴极室中加入去离子水(300-500mL);
(4)阴极室中产生的氢气与氨气通过排气口通入装有硼酸的试剂瓶，氨气被吸收后氢气被导回厌氧消化中间室进行沼气纯化，氢气导入速率见下面的实施方式;
(5)阳极室中的阳极液(100-200mL)被泵入厌氧消化中间室以中和pH值，提纯后的沼气通过沼气排放口排出被收集。
在本发明的一种实施方式中，氢气导入速率为0.5-1.5L/(L·day)，即每升蓝藻藻液每天导入0.5-1.5升氢气。
在本发明的一种实施方式中，中间室搅拌速率为200-400rpm。
在本发明的一种实施方式中，外加电压为0.6-1.4V。
在本发明的一种实施方式中，外接电阻为10-100Ω。
在本发明的一种实施方式中，起始氨氮浓度为3-7g NH4+-N/L。
本发明的第三个目的是提供一种上述装置在环境方面的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用厌氧消化反应器作为中间室来实现氨氮去除，避免了阳极微生物暴露在高浓度氨氮之下，从而保证了阳极反应的正常运行。本研究中阴极电极被设计为碳刷电极(非生物电极)，在产出氢气能源的同时也不会受到阴极室高浓度氨氮的影响，而氢离子被还原为氢气导致氢氧根离子逐步积累，为实现高效率氨氮回收提供了非常有利的条件。此外，阴极所产氢气被导回中间室用于原位氢气协同式沼气纯化，从而在同一系统中实现氢气的产出和应用，可大大节约氢气的贮存与运输成本，也显著提升了本系统运行的经济与能量效益。因此，本发明提出的新型BES-厌氧消化耦合系统可有效改进现有BES脱氮反应器的设计与运行缺陷。
(2)作为技术方案的优选，外加电压为1.0V，外接电阻为10Ω，起始氨氮浓度为7gNH4+-N/L，与没有外加电压的对照反应器相比，中间的氨氮去除率提高了69.4%，甲烷产率调高了126.6%。此外，氢气的导入速率和中间室的搅拌速率分别为1L/(L·day)和300rpm，与未导入氢气的对照反应器相比，中间室甲烷在沼气中的组分含量提高了29.7%。
(3)厌氧消化处理蓝藻是一项既可有效处理污染物又能获得清洁能源回收的合理技术，然而消化蓝藻底物过程中产生的高浓度氨氮抑制作用成为制约该技术应用的瓶颈。目前关于高浓度氨氮毒性的应对措施都无法在经济成本、环境影响或者反应效率上达到令人满意的效果。另外，厌氧消化产生的沼气甲烷含量偏低，大大制约了该能源的用途。因此，本发明提出的三极室BES-厌氧消化耦合系统，可同时实现氨氮回收与阴极产氢，随后通过协调中间室厌氧消化产沼气与氢气协同式沼气纯化过程并通过试验不同条件参数来优化系统的运行效果，并最终完成原位氢气协同式沼气纯化。本发明可大大节约氢气的贮存与运输成本，在有效解决蓝藻底物高浓度氨氮抑制和实现沼气纯化的同时，又显著提升了系统运行的经济与能量效益。（发明人王寒;郑晓晓;刘国安;张光生;严群）
