一种用于净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统及净化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统，其特征在于，所述系统包括阳极（1）、阳极室（2）、阴极（3）、阴极室（4）、隔膜（5）、负载（6）、直流电源（7）、自动控制器（8）、阴极室反冲阀（9）、阳极室冲洗阀（10）、水流开关（11）、安全阀（12）、阳极室密封盖（13）、参比电极（14）、壳体（15）、进水口（16）、净水出口（17）、反冲出口（18）。同时还提供利用所述的生物电化学系统净化饮用水硝酸盐的方法。本发明专利技术既解决了饮用水硝酸盐还原缺乏电子供体的难题，同时又避免了金属氧化腐蚀对于饮用水可能的二次污染，同时也避免了零价铁纳米粒子还原过程分批次、按比例投加带来的繁琐操作缺陷。

A bioelectrochemical system for purifying nitrate in drinking water and its purification method

The invention relates to a bioelectrochemical system for purifying the nitrate of drinking water, which is characterized in that the system comprises an anode (1), an anode chamber (2), a cathode (3), a cathode chamber (4), a diaphragm (5), a load (6), a DC power supply (7), an automatic controller (8), a cathode chamber recoil valve (9), and an anode. Room flushing valve (10), water flow switch (11), safety valve (12), anode chamber seal cover (13), reference electrode (14), shell (15), inlet (16), water purification outlet (17), and recoil exit (18). At the same time, the method of purifying the nitrate in drinking water by using the bio electrochemical system is also provided. The invention not only solves the problem of the reduction of the electronic donor in the reduction of the drinking water nitrate, but also avoids the possible two pollution of the metal oxidation corrosion to the drinking water, and also avoids the tedious operation defects of the zero valent iron nanoparticle reduction process.

【技术实现步骤摘要】
一种用于净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统及净化方法
本专利技术涉及水净化领域，特别涉及饮用水净化领域，具体涉及一种用于净化饮用水中硝酸盐的生物电化学系统及净化方法。
技术介绍
工农业生产以及人居生活过程中，都会向环境排放大量的氮素，特别是畜禽养殖以及大量化肥的多度施用，使得大量氮素进入地表水体以及地下水系统。在自然环境中，氨氮很容易通过氧化反应转变为硝酸盐氮，其它各种形态的氮也均有转化成硝酸盐的趋向，因此所有的结合氮源都是硝酸盐的潜在来源。近年来，世界许多地方地表水和地下水中硝酸盐氮的含量在不断升高，特别是地下水硝酸盐的大幅增加已经危及作为饮用水源的安全。饮用水中通常缺乏电子供体，使得异养反硝化的发生较为困难，因此脱除饮用水中的硝酸盐一直以来都是难点。硝酸盐本身对人体并没有危害，但进入人体后，可通过硝酸盐还原菌还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐与血液中的血红蛋白反应形成高铁血红蛋白，并影响血液的氧传输能力。亚硝酸盐还能够与人体内的氨以及酰胺形成强致癌物质—亚硝基化合物如亚硝胺、亚硝酰胺，可诱导人体各种组织如肝、肾、胃、食道等肿瘤的产生。硝酸盐对人类危害较大，世界各国对食品以及饮用水中的硝酸盐都做了严格限制，我国饮用水卫生标准中要求硝酸盐低于10mg/L（地下水源限制为20mg/L）。现有饮用水硝酸盐净化工艺主要包括电渗析、离子交换以及反渗透等，其中，离子交换需要耗用大量的再生药剂，电渗析与反渗透工艺不仅消耗能源，而且含有大量硝酸盐浓液的废水排入环境导致新的污染。通过氧化还原途径可将硝酸盐还原为氮气、氨等产物，电子供体包括金属、有机酸、氢气、硫单质等。硝酸盐还原包括非生物的化学还原以及生物还原（反硝化、硝酸盐还原为氨）等过程。在饮用水现有净化工艺中，出于对饮用水安全保障的考虑，有机酸、硫单质等作为反硝化电子供体的应用受到一定的限制。以零价铁、电化学结合氢气作为电子供体的硝酸盐还原研究成为热点。近年来，通过特殊工艺还原获得的零价铁纳米粒子因其巨大的比表面积和反应活性，能够在较短时间内完全还原硝酸盐（Kineticsofnitratereductivedenitrificationbynanoscalezero-valentiron，ProcessSafetyandEnvironmentalProtection，2010,88,439-445，Kineticsofreductivedenitrificationbynanoscalezero-valentiron，Chemosphere，2000，41，1307-1311，EvaluationontheNanoscaleZeroValentIronBasedMicrobialDenitrificationforNitrateRemovalfromGroundwater，ScientificReports，5:12331，DOI:10.1038/srep12331）。不足的是，零价铁自身的添加比例受到硝酸盐浓度的限制，净化过程繁琐，铁氧化产物以及可能含有的杂质离子都会给饮用水带来二次污染，加上纳米零价铁自身的还原合成工艺复杂，涉及安全等隐患。现有专利描述了利用石墨、铂、钯等不溶性金属作为惰性阳极，镍、铁、铜、锌或合金等作为阴极来进行硝酸盐还原（脱除水中硝酸盐氮的电化学自养反硝化一体式反应器，CN200810121489.2，一种电化学去除饮用水源中硝酸盐的方法，CN200810239271.7），硝酸盐还原利用阳极水电解提供电子，硝酸盐还原过程还受到氧气的抑制，可能导致亚硝酸盐的积累，饮用水的低电解质环境使得电化学过程电流效率低，额外添加含氯电解质，会产生过量的余氯等有害物质。此外，现有的技术都缺乏对于饮用水硝酸盐还原过程氧化还原电位的控制，零价铁纳米粒子以及电化学硝酸盐还原过程中，由于大量的零价铁氧化腐蚀、水电解产生过量的氢气，使得环境氧化还原电位更负，导致硝酸盐还原过程积累大量的氨氮。
技术实现思路
本专利技术针对家庭等供水终端饮用水含有大量的硝酸盐等污染物，目前常规的物理、化学去除工艺成本高、能耗高，滤芯频繁更换的问题，正在开发的零价铁纳米粒子、电化学硝酸盐还原工艺操作复杂、电流效率低下，存在严重的氨氮积累等弊端。本专利技术提供一种净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统及净化方法，该专利技术主要应用于家庭饮用水硝酸盐的净化，也可应用于学校、宾馆、办公场所等供水终端的饮用水硝酸盐净化领域。该系统能有效地除去饮用水中含有硝酸盐污染物、并大幅减少反硝化副产物的积累。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种用于净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统，其特征在于，所述系统包括阳极（1）、阳极室（2）、阴极（3）、阴极室（4）、隔膜（5）、负载（6）、直流电源（7）、自动控制器（8）、阴极室反冲阀（9）、阳极室冲洗阀（10）、水流开关（11）、安全阀（12）、阳极室密封盖（13）、参比电极（14）、壳体（15）、进水口（16）、净水出口（17）、反冲出口（18）；其中阳极位于阳极室中，阴极位于阴极室中，阳极室和阴极室之间由间壁隔开，间壁中下部设置隔膜，隔膜采用质子交换膜；负载和直流电源通过自动控制器分别与阳极和阴极相连；阴极室底部设置有进水口，上部设置净水出口以及反冲出口，进水口设置水流开关，净水出口设置安全阀，反冲出口连接阴极室反冲阀，阳极室底部设置阳极冲洗阀，阴极室内部设置参比电极；阳极室上部设置密封盖；阳极采用金属材料，其选自铁及其合金中的一种；阴极采用金属材料或者碳素材料，金属材料选自不锈钢；碳素材料选自碳毡、碳纸、活性炭或无定形碳钎维。优选地，阳极采用纯铁和35钢。可选择的是，除阳极室与阴极室如上述并联构建外，还可以直接把阳极室作为独立单元嵌入到阴极室内；当以这样的方式时，隔膜固定在阳极室的壳体上。优选地，阳极室、阴极室、阳极室密封盖采用聚丙烯、聚乙烯、玻璃钢、聚四氟乙烯或有机玻璃材料构建。优选地，阳极和阴极为片状、棒状、泡沫状或颗粒构建的三维电极。优选地，隔膜面向阴极一侧采用不锈钢网、塑料网来保护。优选地，所述负载采用10-5000Ω的电阻；负载分别与电化学系统的阳极与阴极连接，形成阳极氧化腐蚀提供电子，阴极反硝化的电池回路。直流电源采用线性直流稳压电源或非线性直流稳压电源；直流电源采用AC-DC或DC-DC电源模块；直流电源既可独立手动启闭，也可与水流开关联动，通过自动控制器启闭。进一步地，直流电源施加的电压为反向电压，其中电源正极连接电化学系统阴极、负极连接电化学系统阳极，形成反向电压回路。所述自动控制器可以采用附带PLC控制与参比电极偶联的电源控制芯片、集成电路控制器组成；此外，自动控制器可以采用控制按钮面板、多参数数据显示面板。阴极室反冲阀、阳极室冲洗阀可以采用手动或自动控制的球阀、截止阀或电磁阀。参比电极采用银/氯化银参比电极或ORP电极。水流开关采用活塞式、涡轮式或挡板式水流传感器。进一步地，本专利技术还提供利用上述生物电化学系统净化饮用水硝酸盐的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一、利用所述生物电化学系统，在净化饮用水硝酸盐过程中，当水流开关（11）检测到饮用水进入系统后，通过自动控制器（8）接通电化学系统电池回路，硝酸盐还原过程阴极电势控制在0—-400m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统，其特征在于，所述系统包括阳极（1）、阳极室（2）、阴极（3）、阴极室（4）、隔膜（5）、负载（6）、直流电源（7）、自动控制器（8）、阴极室反冲阀（9）、阳极室冲洗阀（10）、水流开关（11）、安全阀（12）、阳极室密封盖（13）、参比电极（14）、壳体（15）、进水口（16）、净水出口（17）、反冲出口（18）；其中阳极位于阳极室中，阴极位于阴极室中，阳极室和阴极室之间由间壁隔开，间壁中下部设置隔膜，隔膜采用质子交换膜；负载和直流电源通过自动控制器分别与阳极和阴极相连；阴极室底部设置有进水口，上部设置净水出口以及反冲出口，进水口设置水流开关，出水口设置安全阀，反冲出口连接阴极室反冲阀，阳极室底部设置阳极冲洗阀，阴极室内部设置参比电极，阳极室上部设置密封盖；阳极采用金属材料，其选自铁及其合金中的一种；阴极采用金属材料或者碳素材料，金属材料选自不锈钢；碳素材料选自碳毡、碳纸、活性炭或无定形碳钎维。

【技术特征摘要】
1.一种用于净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统，其特征在于，所述系统包括阳极（1）、阳极室（2）、阴极（3）、阴极室（4）、隔膜（5）、负载（6）、直流电源（7）、自动控制器（8）、阴极室反冲阀（9）、阳极室冲洗阀（10）、水流开关（11）、安全阀（12）、阳极室密封盖（13）、参比电极（14）、壳体（15）、进水口（16）、净水出口（17）、反冲出口（18）；其中阳极位于阳极室中，阴极位于阴极室中，阳极室和阴极室之间由间壁隔开，间壁中下部设置隔膜，隔膜采用质子交换膜；负载和直流电源通过自动控制器分别与阳极和阴极相连；阴极室底部设置有进水口，上部设置净水出口以及反冲出口，进水口设置水流开关，出水口设置安全阀，反冲出口连接阴极室反冲阀，阳极室底部设置阳极冲洗阀，阴极室内部设置参比电极，阳极室上部设置密封盖；阳极采用金属材料，其选自铁及其合金中的一种；阴极采用金属材料或者碳素材料，金属材料选自不锈钢；碳素材料选自碳毡、碳纸、活性炭或无定形碳钎维。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，阳极采用纯铁和35钢。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，直接把阳极室作为独立单元嵌入到阴极室内；当以这样的方式时，隔膜固定在阳极室的壳体上。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，阳极室、阴极室、阳极室密封盖采用聚丙烯、聚乙烯、玻璃钢、聚四氟乙烯或有机玻璃材料构建。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述负载采用10-5000Ω的电阻；负载分别与电化学系统的阳极与阴极连接，形成阳极氧化腐蚀提供电子，阴...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冬顺艺，
申请(专利权)人：傲自然成都生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51