一种光电微生物耦合脱氮除碳系统技术方案

本发明专利技术提供了一种光电微生物耦合脱氮除碳系统，包括处理单元，处理单元包括改性光电极板、生物阴极层和夹在改性光电极板与生物阴极层之间的粒子电极层，改性光电极板与电源的正极连接，生物阴极层与电源的负极连接，紫外灯正对改性光电极板设置；粒子电极层和生物阴极层上均接种微生物反硝化细菌，改性光电极板在紫外光的激发下产生电子

【技术实现步骤摘要】
一种光电微生物耦合脱氮除碳系统


[0001]本专利技术涉及废水处理领域，尤其是涉及一种光电微生物耦合脱氮除碳系统。

技术介绍

[0002]现有光
‑
电
‑
生物耦合需要在三个池子内进行，工程造价大，成本高。反硝化除氮的反硝化菌是异养微生物，进行反硝化反应时需要有机碳源参与提供反应电子，为实现真正意义上的生物脱氮，就必需有足够的碳源有机物。因此，在不添加额外碳源的情况下，对中低浓度、碳氮比失调的难降解水体就很难达到很好的处理效果。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种光电微生物耦合脱氮除碳系统，针对城市生化单元二级出水有机污染物和硝酸盐氮共存的现状，亟需开发适用性强的碳氮污染物深度去除技术，本专利技术将改性光电极引入微生物电化学系统中，与反硝化生物阴极耦合，构建了光催化生物膜电极技术，同步脱氮除碳。
[0004]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种光电微生物耦合脱氮除碳系统，包括壳体、曝气系统、处理单元、紫外灯和电源；处理单元设置在壳体内部，且处理单元与壳体的底部之间留有空间，处理单元的下方空间设有曝气系统以提供氧气；壳体上还设有进水管和出水管；所述处理单元包括改性光电极板、生物阴极层和夹在改性光电极板与生物阴极层之间的粒子电极层，改性光电极板与电源的正极连接，生物阴极层与电源的负极连接，紫外灯正对改性光电极板设置；粒子电极层和生物阴极层上均接种微生物反硝化细菌，改性光电极板在紫外光的激发下产生电子
‑
空穴对，具有氧化性的空穴用于与有机物反应实现降解污染物除碳，光生电子转移到聚氨酯泡沫形成的生物膜中的反硝化细菌上，供微生物反硝化脱氮；同时改性光电极板与生物阴极层连接电源形成电解，电解产生的电子转移至生物阴极层，供生物阴极层上的微生物反硝化脱氮。
[0005]进一步，所述改性光电极板为通过电沉积负载光催化纳米粒子并采用贵金属改性的钛板或RGO或金属氧化物板；贵金属为ruPd纳米晶、Pt、Mn、NiO、g
‑
C3N4、CuI、CdSe或Cs中的一种或两种以上，金属氧化物板为光电极材料TiO2、WO2、ZnO、BiVO4、CuFeO2、α
‑
Fe2O3、NiO、Cu
２
O中的一种或两种以上。
[0006]进一步，光催化纳米粒子为为TiO2、γ
‑ꢀ
Fe2O3、SiO2、n
‑
Cu2O、g
‑
CsN4、Ag、ZnO
‑ꢀ
CdSe或钨系多酸盐等等中的任一种。
[0007]进一步，生物阴极层为聚苯胺、石墨板、石墨刷、碳布、碳毡、生物炭中的任一种。
[0008]进一步，粒子电极层为复合有低价金属氧化物或金属单质的绝缘材料，低价金属氧化物或金属单质能够与绝缘材料之间形成粒子电极而保护电极板，降低能耗。
[0009]进一步，低价金属氧化物或金属单质占粒子电极层总重量的3%~10%；
低价金属氧化物为四氧化三铁、氧化铁、硫化亚铁、赤铁矿、钢渣中的至少一种。
[0010]进一步，改性光电极板、粒子电极层、生物阴极层的厚度比为1:2:3~1:3:5。
[0011]进一步，处理单元为平板式层状结构，处理单元设有偶数个，两两一组从左至右依次并排设置在壳体内，同一组的2个处理单元的生物阴极层相对设置，相邻两组的处理单元的改性光电极板之间设有紫外灯。
[0012]相邻的2组处理单元之间设有上下交错设置的紫外灯。
[0013]进一步，处理单元为圆柱式层状结构，且自圆心向外依次是改性光电极板、粒子电极层和生物阴极层，紫外灯设置在圆心处，且紫外灯与改性光电极板之间留有空间。
[0014]进一步，电源采用太阳能电池提供，电压值为3~20V。
[0015]进一步，曝气机构包括曝气头和与之相连的鼓风器，曝气头设置在处理单元的下方。
[0016]壳体内部设有用于支撑处理单元的支架。
[0017]相对于现有技术，本专利技术所述的光电微生物耦合脱氮除碳系统具有以下优势：（1）本专利技术所述的光电微生物耦合脱氮除碳系统只需要在一个池子中进行，且不需额外碳源就能同步脱氮除碳，对中低浓度、碳氮比失调的难降解水体有很好的处理效果；只需要太阳能提供电解能源，低碳环保，有利于节能减排，降本增效，实现碳中和、碳达峰。
[0018]（2）本专利技术所述的光电微生物耦合脱氮除碳系统的处理单元包括生物阴极层相对设置的左处理机构和右处理机构，改性光电极板与电源的正极连接，生物阴极层与电源的负极连接，粒子电极层和生物阴极层上均接种微生物反硝化细菌，相邻的2个处理单元之间设有上下交错设置的紫外灯，也就是改性光电极板能够受到紫外灯的照射，光催化纳米粒子如TiO2等作为光触媒能够在紫外光的激发下产生电子
‑
空穴对，具有氧化性的空穴能够与有机物反应，实现降解污染物除碳，接种在粒子电极层上的反硝化细菌形成生物膜，光生电子会转移到粒子电极层的生物膜上，并供微生物反硝化脱氮；同时改性光电极板与生物阴极层连接电源形成电解，电解产生的电子转移至生物阴极层，供生物阴极层上的微生物利用进行反硝化脱氮。在上述反应过程中，光解实现同时脱氮除碳，电解实现脱氮，电子来源能够不受污染物浓度和降解程度限制，在碳源不足的情况下，不需要添加有机碳源进行脱氮，减少了工艺运行的资金投入，避免二次污染的产生，因此该系统解决废水中碳源不足，或碳源微生物可生化性差的问题，有效解决碳氮平衡削减问题。
[0019]（3）本专利技术所述的处理单元通过改性光电极板将用于负载微生物的粒子电极层和生物阴极层与紫外灯隔离，避免紫外灯直接照射微生物而将其杀死，保证微生物的生物活性。
[0020]（4）电解过程中太阳能光伏产生的小幅值交变能激活或增强酶的活性 ，从而促进酶的生物活性反应，提高微生物的废物处理能力。电解过程中在微电场作用下，阴极表面形成强还原环境，可将难降解有机物还原成易降解的小分子，然后作为碳源被微生物利用，为处理中等浓度难降解废水提供新思路。
[0021]（5）本专利技术所述的处理单元的下方空间设有曝气系统，向水中增氧，同时使得水一直处于流动状态，更有利于废水处理。
[0022]（6）粒子电极层中复合有低价铁化合物或单质铁等粒子材料，粒子材料能够与聚氨酯材料形成粒子电极成而保护电极板、降低能耗，系统稳定性好，电极不易发生脱落或溶
出，避免不必要的停机事件或二次污染。
附图说明
[0023]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术实施例1所述的光电微生物耦合脱氮除碳系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例2所述的光电微生物耦合脱氮除碳系统的结构示意图；图3为本专利技术实施例2所述的处理单元的结构示意图。
[0024]附图标记说明：1
‑
壳体；2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电微生物耦合脱氮除碳系统，其特征在于：包括壳体（1）、曝气结构、处理单元、紫外灯（10）和电源（11）；处理单元设置在壳体（1）内部，且处理单元与壳体（1）的底部之间留有空间，处理单元的下方空间设有曝气结构以提供氧气；壳体（1）上还设有进水管（2）和出水管（3）；所述处理单元包括改性光电极板（6）、生物阴极层（7）和夹在改性光电极板（6）与生物阴极层（7）之间的粒子电极层（8），改性光电极板（6）与电源（11）的正极连接，生物阴极层（7）与电源（11）的负极连接，紫外灯（10）正对改性光电极板（6）设置；粒子电极层（8）和生物阴极层（7）上均负载微生物反硝化细菌，改性光电极板（6）在紫外光的激发下产生电子
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空穴对，具有氧化性的空穴用于与有机物反应实现降解污染物除碳，光生电子转移到粒子电极层（8）上的反硝化细菌形成的生物膜中，供微生物反硝化脱氮；同时改性光电极板（6）与生物阴极层（7）连接电源形成电解，电解产生的电子转移至生物阴极层，供生物阴极层上的微生物反硝化脱氮。2.根据权利要求1所述的光电微生物耦合脱氮除碳系统，其特征在于：所述改性光电极板（6）为通过电沉积负载光催化纳米粒子并采用贵金属改性的钛板或RGO或金属氧化物板；贵金属为ruPd纳米晶、Pt、Mn、NiO、g
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C3N4、CuI、CdSe或Cs中的一种或两种以上，金属氧化物板为光电极材料TiO2、WO2、ZnO、BiVO4、CuFeO2、α
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Fe2O3、NiO、Cu
２
O中的一种或两种以上。3.根据权利要求2所述的光电微生物耦合脱氮除碳系统，其特征在于：光催化纳米粒子为TiO2、γ
‑ꢀ
Fe2O3、...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁晔，贾晓晨，赵孟亭，王锐，张军港，李鹏，
申请(专利权)人：天津市环境保护技术开发中心设计所有限责任公司，
类型：发明
国别省市：