一种提高上行垂直流人工湿地硝酸盐氮脱除效能的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种提高上行垂直流人工湿地硝酸盐氮脱除效能的方法及装置，步骤是：A、污水连续由装置底部进入；B、污水流入阳极导电填料层，有机物被阳极产电菌利用产生电子，部分硝酸盐氮通过自养、异养反硝化过程得到去除；C、接着污水流入非导电填料隔离层，植物根系分布在这一层的中上部；D、随后污水流入阴极导电填料层，硝酸盐氮被还原成氮气；E、最后污水经阴极导电填料层内的排水管流出。阳极导电填料层分别与底部非导电填料层、非导电填料隔离层相连，阴极导电填料层与非导电填料隔离层相连，阳极集电极、阴极集电极通过外导线和外电阻连接。方法简单，操作便捷，原位利用产生电能，显著提高低碳高硝酸盐氮污水硝酸盐氮脱除效果。

Method and device for improving nitrate nitrogen removal efficiency of upward vertical flow constructed wetland

The invention discloses a method and device for improving the removal efficiency of nitrate nitrogen in an uplink vertical flow constructed wetland. The steps are: A, sewage is continuously from the bottom of the device; B, sewage flow into the anode conductive filler layer, the organic matter is used to produce electrons by the anode producing bacteria, and some nitrate nitrogen is obtained through autotrophic and heterotrophic denitrification process. When the C and the sewage flow into the non conductive filler isolation layer, the plant roots are distributed in the middle and upper part of this layer; D, then the sewage flow into the cathode conductive filler layer, the nitrate nitrogen is reduced to nitrogen; E, the final sewage flow through the cathodic conductive filler layer. The anode conductive filler layer is connected with the bottom non conducting packing layer and the non conductive filler isolation layer, and the cathode conductive filler layer is connected with the non conductive filler isolation layer, and the anode collector and the cathode collector are connected through the external wire and the external resistance. The method is simple and easy to operate. The power generation in situ can significantly improve the removal efficiency of nitrate nitrogen in low carbon and high nitrate nitrogen wastewater.

【技术实现步骤摘要】
一种提高上行垂直流人工湿地硝酸盐氮脱除效能的方法及装置
本专利技术属于污水处理领域，更具体涉及一种提高微生物燃料电池和垂直流人工湿地耦合系统处理低碳高硝酸盐氮污水（生活污水、污水处理厂尾水、农业面源、地下水等）时总氮去除效能的运行方法。同时还涉及一种提高上行垂直流人工湿地硝酸盐氮脱除效能的装置。
技术介绍
低碳高硝酸盐氮比（C/NO3-≤5）是我国污水处理厂尾水（中水）的典型特征，传统生化处理工艺（如活性污泥法、生物膜法等）在反硝化过程中因碳源不足导致脱氮效率低，出水水质难以满足日益严格的排放标准要求，与生态环境要求的生态水水质差距更大。而投加甲醇、乙醇等有机碳源虽可提高生物反硝化过程，可也增加了运行成本。人工湿地（CW）作为一种环境友好且成本低廉的生态工程技术，已经逐步成为污水分散处理及深度净化的主流工艺之一。人工湿地系统中虽有丰富的碳源供应途径（微生物和死亡植物的分解，植物根系分泌、基质中沉积有机物的释放）和脱氮途径（共生的好氧、厌氧、自养、异养等脱氮微生物，基质吸附、植物吸收等），但是对于进水COD/NO3-（≤5）的污水，仍然面临因碳源不足而导致的总氮去除能力有限的问题（JanVymazal,Removalofnutrientsinvarioustypesofconstructedwetlands,inScienceoftheTotalEnvironment,2007,48-65.）。如何进一步提高其反硝化效率，已成为当前国际上人工湿地脱氮技术研究的热点和难点。MFC脱氮技术近年来也得到同行学者们的关注。其原理为：阳极中产电菌氧化有机物产生的电子经由外电路传递到阴极，和阴极中硝酸盐、以及从阳极室传递来的质子发生还原反应，从而硝酸盐被还原成氮气。MFC脱氮受到运行方式和操作参数的影响较大。如DO对好氧和厌氧生物阴极脱氮的影响有所不同，因氧的还原电势高于硝酸盐氮，可优先成为阴极的主要电子受体。因此，厌氧生物阴极MFC脱氮中要维持DO在低水平（<0.5mg/L）。而好氧阴极MFC脱氮主要发生同步硝化反硝化过程，为了使生物膜表层微生物发生硝化作用将氨氮氧化成硝态氮，DO不能太低（VirdisB.,etal.,Simultaneousnitrification,denitrificationandcarbonremovalinmicrobialfuelcells.WaterResearch,2010,44(9):2970-2980）。人工湿地-微生物燃料电池耦合系统由于成本低，近年来逐步应用于污水的处理。虽然有研究报道了CW-MFC用于处理高氮废水有较好的效果（Oonetal.,Hybridsystemup-flowconstructedwetlandintegratedwithmicrobialfuelcellforsimultaneouswastewatertreatmentandelectricitygeneration.BioresourceTechnology,2015,186:270-275.），但是在阴极曝气情况下，增加了系统运行费用。针对低碳高硝酸盐氮污水，如何在无需机械曝气条件下实现CW-MFC系统的高效脱氮也是目前的研究难点之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高上行垂直流人工湿地-微生物燃料电池（UFCW-MFC）系统处理低碳高硝酸盐氮污水（如污水处理厂尾水、地表水、地下水）的总氮去除效能的运行模式和方法，方法简单易行，操作便捷，利用产生的电能，可显著提高低C/N污水的总氮脱除效果。本专利技术的另一个目的在于提供了一种提高上行垂直流人工湿地-微生物燃料电池（UFCW-MFC）系统处理低碳高硝酸盐氮污水硝酸盐氮脱氮除效能的装置，结构简单，组装方便，可显著提高有机碳源缺乏条件下上行垂直流人工湿地的脱氮效果。为了实现上述的目的，本专利技术采用以下技术措施：通过微生物燃料电池与上行垂直流人工湿地的嵌合，调节外阻，使得系统在稳定的电流密度下阳极区和阴极区富集更丰富多样的产电和脱氮功能微生物，原位利用电能同时将硝酸盐氮最终转化为氮气而脱除。技术方案：以上行垂直流人工湿地结构为基础，通过填埋阴极导电填料层、阳极导电填料层，种植湿地植物以及连接导线和外阻，形成了微生物燃料电池-人工湿地耦合构型。调节外阻，通过稳定电流下富集在电极区域的产电和脱氮功能微生物，强化系统对硝酸盐氮的脱除。一种提高上行垂直流人工湿地硝酸盐氮脱除效能的方法，其步骤如下：A、污水连续由系统底部进入并均匀布水，接着沿底部非导电填料层呈推流式上升，在本层填料和微生物的吸附、截留、氧化作用下，部分有机物被有效降解，同时在硝化菌作用下，污水中的氨氮被进水带入的氧气氧化成硝酸盐氮，异养反硝化菌利用有机碳源作为电子供体将小部分硝酸盐氮还原成氮气；B、经过步骤（A）的污水流入阳极导电填料层，部分有机物在该层被电化学活性菌利用产生电子，未氧化的有机物在这一层基本可完全去除，部分硝酸盐氮在阳极区域脱氮菌属作用下发生自养反硝化、异养反硝化过程得到进一步去除；C、接着污水流入非导电填料隔离层，该层主要功能是作为阳极导电填料层和阴极导电填料层间的分隔器,植物根系主要分布在这一层中上部。D、随后污水流入阴极导电填料层，在该层中从步骤（B）中阳极导电填料层产生并经由外电路导线迁移来的电子以及阴极产电菌产生的电子被用作还原硝酸盐氮的电子供体，在阴极区域脱氮菌属作用下，大部分硝酸盐被还原成氮气。E、最后污水经阴极导电填料层内的排水管流出，出水中硝酸盐含量较常规上行流人工湿地低，硝酸盐氮去除率提高了40-80%。所处理的污水为C/N≤5，NO3-/TN≥60%。所述阳极产电菌包括地杆菌属（Geobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、和脱硫单胞菌属（Desulfuromonas）等其中的一种或一到三种的任意组合。所述的阴极产电菌包括脱硫单胞菌属（Pseudomonas）、红育菌属（Rhodoferax）和地杆菌属（Geobacter）等其中的一种或三种的任意组合。所述的阳极区域脱氮菌属为具有脱氮功能的硝化和反硝化菌属，包括地杆菌属（Geobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、索氏菌属（Thauera）、不动杆菌属（Acinetobacter）、动胶菌属（Zoogloea）、微小杆菌属（Exiguobacterium）和黄杆菌属（Flavobacterium）等其中的一种或一到七种的任意组合。所述的阴极区域脱氮菌属为假单胞菌属（Pseudomonas）、动胶菌属（Zoogloea）、黄杆菌属（Flavobacterium）等其中的一种或一到三种的任意组合。上述五个步骤中关键在于步骤B和D，电子从阳极导电填料层产生并经由外电路导线迁移到阴极填料层，稳定的低电流密度有利于阳极区和阴极区富集更丰富多样的产电和脱氮功能微生物，包括自养反硝化菌和异养反硝化菌，如地杆菌属（Geobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、索氏菌属（Thauera）、不动杆菌属（Acinetobacter）、动胶菌属（Zoogloea）、微小杆菌属（Exiguobacterium）和黄杆菌属（Flavobacterium）等。有利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高上行垂直流人工湿地硝酸盐氮脱除效能的方法，其步骤是：A、污水连续由装置底部进入并均匀布水，接着沿底部非导电填料层呈推流式上升，在本层填料和微生物的吸附、截留、氧化作用下，部分有机物被降解，同时在硝化菌作用下，污水中的氨氮被进水带入的氧气氧化成硝酸盐氮，异养反硝化菌利用有机碳源作为电子供体将硝酸盐氮还原成氮气；B、经过步骤（A）的污水流入阳极导电填料层，部分有机物在该层被阳极产电菌利用产生电子，未氧化的有机物在这一层去除；部分硝酸盐氮在阳极区域脱氮菌属作用下发生自养反硝化、异养反硝化过程得到进一步去除；C、接着污水流入非导电填料隔离层，该层为阳极导电填料层和阴极导电填料层间的分隔器，植物根系分布在这一层的中上部；D、随后污水流入阴极导电填料层，在该层中从步骤B中阳极导电填料层产生并经由外电路导线迁移来的电子以及阴极产电菌产生的电子被用作还原硝酸盐氮的电子供体，在阴极区域脱氮菌属作用下，大部分硝酸盐被还原成氮气；E、最后污水经阴极导电填料层内的排水管流出，出水中总氮含量上行流人工湿地的总氮去除率；所述阳极产电菌包括地杆菌属、假单胞菌属、和脱硫单胞菌属其中的一种或一到三种的任意组合；所述的阴极产电菌包括假单胞菌属、红育菌属和地杆菌属其中的一种或三种的任意组合；所述的阳极区域脱氮菌属为具有脱氮功能的硝化和反硝化菌属，包括地杆菌属、假单胞菌属、索氏菌属、不动杆菌属、动胶菌属、微小杆菌属和黄杆菌属其中的一种或一到七种的任意组合；所述的阴极区域脱氮菌属为假单胞菌属、动胶菌属、黄杆菌其中的一种或一到三种的任意组合。...

【技术特征摘要】
1.一种提高上行垂直流人工湿地硝酸盐氮脱除效能的方法，其步骤是：A、污水连续由装置底部进入并均匀布水，接着沿底部非导电填料层呈推流式上升，在本层填料和微生物的吸附、截留、氧化作用下，部分有机物被降解，同时在硝化菌作用下，污水中的氨氮被进水带入的氧气氧化成硝酸盐氮，异养反硝化菌利用有机碳源作为电子供体将硝酸盐氮还原成氮气；B、经过步骤（A）的污水流入阳极导电填料层，部分有机物在该层被阳极产电菌利用产生电子，未氧化的有机物在这一层去除；部分硝酸盐氮在阳极区域脱氮菌属作用下发生自养反硝化、异养反硝化过程得到进一步去除；C、接着污水流入非导电填料隔离层，该层为阳极导电填料层和阴极导电填料层间的分隔器，植物根系分布在这一层的中上部；D、随后污水流入阴极导电填料层，在该层中从步骤B中阳极导电填料层产生并经由外电路导线迁移来的电子以及阴极产电菌产生的电子被用作还原硝酸盐氮的电子供体，在阴极区域脱氮菌属作用下，大部分硝酸盐被还原成氮气；E、最后污水经阴极导电填料层内的排水管流出，出水中总氮含量上行流人工湿地的总氮去除率；所述阳极产电菌包括地杆菌属、假单胞菌属、和脱硫单胞菌属其中的一种或一到三种的任意组合；所述的阴极产电菌包括假单胞菌属、红育菌属和地杆菌属其中的一种或三种的任意组合；所述的阳极区域脱氮菌属为具有脱氮功能的硝化和反硝化菌属，包括地杆菌属、假单胞菌属、索氏菌属、不动杆菌属、动胶菌属、微小杆菌属和黄杆菌属其中的一种或一到七种的任意组合；所述的阴极区域脱氮菌属为假单胞菌属、动胶菌属、黄杆菌其中的一种或一到三种的任意组合。2.权利要求1所述的一种提高上行垂直流人工湿地硝酸盐氮脱除效能的装置，该装置自下而上铺设有底部非导电填料层（1）、阳极导电填料层（2）、非导电填料隔离层（3）、阴极导电填料层（4）；其特征在于：阳极导电填料层（2）分别与底部非导电填料层（1）、非导电...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴振斌，肖恩荣，许丹，林莉莉，张义，徐栋，贺锋，
申请(专利权)人：中国科学院水生生物研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42