一种以缓释碳源为阳极燃料的生物电化学脱氮系统技术方案

本发明专利技术公开了属于微生物燃料电池技术领域的一种以缓释碳源为阳极燃料的生物电化学脱氮系统。其包含阳极室、阴极室、阳极、阴极、导线及阳极室与阴极室之间的分隔膜；阳极室阳极上附着生长电化学活性微生物，溶液中有厌氧发酵菌；阳极室中加入电解液及缓释碳功能的水凝胶颗粒；阴极室的阴极上附着生长电化学活性反硝化菌。以水凝胶缓释碳为作为阳极固体燃料为阴极提供持续的电子供体，同时通过选择性透过膜控制小分子有机物跨膜运移到阴极为反硝化菌提供碳源，通过电子和碳源的共同补给强化阴极反硝化微生物脱氮。所述系统适用于低C/N比污染水体的强化脱氮。污染水体的强化脱氮。污染水体的强化脱氮。

【技术实现步骤摘要】
一种以缓释碳源为阳极燃料的生物电化学脱氮系统


[0001]本专利技术属于微生物燃料电池
，尤其涉及一种以缓释碳源为阳极燃料的生物电化学脱氮系统。

技术介绍

[0002]污染水体硝酸盐的去除受到广泛关注。对于低C/N比污染水体，因为缺乏足够的有机碳为异养反硝化菌提供电子，微生物反硝化脱氮效率往往受到限制。虽然可以通过向污染水中补充碳源的方式提高反硝化脱氮效率，但对于有机碳投加量及投加频次等控制要求严格，否则容易造成二次污染。
[0003]基于上述限制，因此发展出通过微生物燃料电池系统的阳极微生物分解有机物将产生的电子传递到阴极，阴极反硝化细菌可以利用其进行脱氮，这种方法则为C/N比废水中氮的强化去除提供了新途径。
[0004]微生物燃料电池(MFC)反应器可以利用不同的底物产生电能。但以各类有机废水作为底物时，MFC产电的功率密度一直比较低，从而限制了MFC产电的应用(Kelly and He,2014)。以缓释碳源为基质的MFC最大功率密度为427.6
±
15.6mW/m2。针对MFC的低能量回收，以及能耗低的特点，通常将缓释碳源阳极与生物阴极相结合，主要研究方向为其对硝酸盐污染物的去除，而不是能量回收。
[0005]Liu等人(2019)利用沉积物燃料电池对生物阴极提供电子，进行硝酸盐原位修复。该研究是利用沉积物中有机物为碳源，就地取材，但缺点是沉积物中可被产电菌利用的碳源有限，电流密度低，对阴极脱氮效率的提升有限。
[0006]除此之外，也有研究利用含有机物的废水为MFC的阳极液体燃料，如Nguyen等(2016)研究将反硝化生物阴极用于地下水含水层的微生物电化学原位脱氮，Zhang and Angelidaki(2013)设计了一个沉浸式的生物阴极反硝化脱盐池用于原位还原硝酸盐。但其缺点是液体燃料中有机物降解速率快，因此需要燃料更换频繁，难以用于长时间产电。一般以有机废水为阳极燃料的MFC间歇运行模式下产电时长为3
‑
15天。
[0007]基于上述问题，亟待提供一种既能持续提供碳源促进电化学活性反硝化菌利用，又能连续为阴极供给电子，提高微生物脱氮效率的生物电化学强化脱氮系统和方法。

技术实现思路

[0008]为了解决上述问题，本专利技术提供一种以缓释碳源为阳极燃料的生物电化学脱氮系统，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间利用分隔膜隔开；阳极室和阴极室内分别装有阳极和阴极；导线连接阳极和阴极，并且不穿过分隔膜；
[0009]阳极室填装电解液，所述电解液中含有缓释碳功能的水凝胶颗粒和厌氧发酵菌；
[0010]阳极室的阳极上附着生长电化学活性微生物，溶液中含有厌氧发酵菌；
[0011]阳极室电解液中的水凝胶颗粒会缓释碳源，作为阳极固体燃料
①
被厌氧发酵菌分解成小分子有机物；并
②
被电化学活性微生物分解产生电子；
[0012]阳极室产生的高浓度的小分子有机物会通过中分隔膜扩散到阴极室或外部待净化水环境中，为阴极室的电化学活性反硝化菌以及微生物异养脱氮过程提供碳源；
[0013]阳极室产生的电子沿导线传递到阴极，使阴极上的电化学活性反硝化菌获得电子，用于待净化水体中硝酸盐氮的去除；
[0014]阳极室所述电解液中的水凝胶颗粒利用缓释碳功能长时间为阴极生物脱氮提供电子及有机小分子碳源，提高了阴极脱氮速率和持续性及氮气选择性。
[0015]阴极室填装待净化水体，所述待净化水体中含有硝酸盐氮(NO3‑
N)，即，以硝酸盐形式存在的含N元素物质；
[0016]阴极室的阴极上附着生长电化学活性反硝化菌。
[0017]所述阳极室和阴极室为封闭环境或开放环境。
[0018]阳极室填装电解液，或将电解液引流至阳极室，或将阳极暴露于开放的含有阳极电解液的环境中。
[0019]阴极室填装待净化水体，或将含硝酸盐氮的待净化水体通入到阴极室内，或将阴极暴露于开放的含硝酸盐氮的待净化水体中。
[0020]所述导线还包括外接电阻、电源或电压。
[0021]在一些优选地实施方案中，所述水凝胶颗粒的制备过程包括如下步骤：
[0022]1‑
1)将海藻酸钠和聚乙烯醇溶于水中，加热搅拌，制成均匀的第I凝胶溶液；
[0023]所述加热温度为80
‑
85℃；
[0024]所述海藻酸钠在水中的加入量为0.5％
‑
1％w/v(海藻酸钠的质量/水的体积)；
[0025]所述聚乙烯醇在水中的加入量为5％
‑
10％w/v(聚乙烯醇的质量/水的体积)；
[0026]1‑
2)将醋酸酯淀粉和/或蔗糖加入第I凝胶溶液中，搅拌至完全溶解得到第II凝胶溶液；
[0027]醋酸酯淀粉的加入量为10
‑
25％w/v(醋酸酯淀粉的质量/第I凝胶溶液的体积)；
[0028]蔗糖的加入量为1
‑
10％w/v(蔗糖的质量/第I凝胶溶液的体积)；
[0029]1‑
3)将第II凝胶溶液冷却后，将第II凝胶溶液滴入含有4
‑
6wt％CaCl2的饱和硼酸溶液中，进行交联反应，即得水凝胶颗粒；
[0030]所述交联反应温度为20
‑
35℃，交联反应时间为20～30h；
[0031]所述水凝胶颗粒的直径为3
‑
10mm；制备得到的水凝胶颗粒中包埋的醋酸酯淀粉和/或蔗糖的包埋量控制在30～45％(w/w)。
[0032]在一些实施方案中，所述阴极上附着生长电化学活性反硝化菌，其培养步骤包括：
[0033]向阴极室中接种厌氧活性污泥，并加入无机盐培养基，加入易生物降解有机物和硝酸盐氮，运行系统，当硝酸盐氮完全去除后重新更换阴极液，最终当进水无有机碳时，硝酸盐氮依然能够得到有效去除，生物阴极上电化学活性反硝化菌挂膜完成。
[0034]在一些优选地实施方案中，易生物降解有机物和硝酸盐氮的加入量控制二者之比C/N(CODcr/NO3‑
N)为2
‑
5。
[0035]在一些优选地实施方案中，运行过程中阴极的电位为
‑
0.2～
‑
0.3V vs.SHE。
[0036]在一些优选地实施方案中，所述阳极室的电解液中，水凝胶颗粒的加入量为10g
‑
50g/L。
[0037]在一些实施方案中，所述阳极室的电解液为缓冲溶液；运行过程保持电解液环境
pH为5.5
‑
7.5；
[0038]在一些优选地实施方案中，所述缓冲溶液选自以下中的一种:磷酸盐缓冲溶液、碳酸氢盐缓释溶液；
[0039]在一些优选地实施方案中，运行过程中当阳极室pH降低到<5.5时，需要向阳极室内补充缓冲溶液并将pH调节至中性范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以缓释碳源为阳极燃料的生物电化学脱氮系统，其特征在于，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间利用分隔膜隔开；阳极室和阴极室内分别装有阳极和阴极；导线连接阳极和阴极，并且不穿过分隔膜；阳极室填装电解液，所述电解液中含有水凝胶颗粒和厌氧发酵菌；阳极室的阳极上附着生长电化学活性微生物；水凝胶颗粒具有缓释有机碳功能；厌氧发酵菌将大分子有机碳分解成小分子有机物；电化学活性微生物分解有机物产生电子；阴极室填装待净化水体，所述待净化水体中含有硝酸盐氮；阴极室的阴极上附着生长电化学活性反硝化菌。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水凝胶颗粒的制备过程包括如下步骤：1
‑
1)将海藻酸钠和聚乙烯醇溶于水中，加热搅拌，制成均匀的第I凝胶溶液；所述加热温度为80
‑
85℃；所述海藻酸钠在水中的加入量为0.5％
‑
1％w/v(海藻酸钠的质量/水的体积)；所述聚乙烯醇在水中的加入量为5％
‑
10％w/v(聚乙烯醇的质量/水的体积)；1
‑
2)将醋酸酯淀粉和/或蔗糖加入第I凝胶溶液中，搅拌至完全溶解得到第II凝胶溶液；醋酸酯淀粉的加入量为10
‑
25％w/v(醋酸酯淀粉的质量/第I凝胶溶液的体积)；蔗糖的加入量为1
‑
10％w/v(蔗糖的质量/第I凝胶溶液的体积)；1
‑
3)将第II凝胶溶液冷却后，将第II凝胶溶液滴入含有4
‑
6wt％CaCl2的饱和硼酸溶液中，进行交联反应，即得水凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：全向春，李婉琳，陈希瑾，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：