基于微生物电解池的高氨氮污水处理及碳氮资源回收方法

本发明属于污水资源化，具体涉及一种高有机氨氮废水的处理协同碳氮资源回收系统及其调控方法。

背景技术：

1、能源消耗和二氧化碳排放被认为是温室效应的主要成因.由于能源需求的增加，2018年全球与能源相关的二氧化碳排放量增长了1.7％。

2、在众多产业中，污水处理行业是十大耗能产业之一.传统的污水处理目标是去除碳、氮、磷和其他污染物(例如病原体和悬浮物)，使出水符合环境要求，忽视了低碳运行和能源节约的要求.废水处理过程中有机物降解产生的温室气体占全球温室气体排放总量的1.57％.

3、传统的高氨氮污水处理方法主要包括折点加氯法、离子交换法、化学沉淀法、吹脱汽提法以及生物法等.折点加氯法是一种化学脱氮法，运行效果稳定且处理效率高，但运行费用较高，同时过量的氯气还可能造成二次污染；离子交换法具有操作简便、去除率高等优势，但吸附剂再生过程频繁，成本加大；化学沉淀法实用性较强、使用成本低，但是投加大量的沉淀剂易造成二次污染，同时脱氮效果易受到环境条件.因此，需要开发一种高效、节能、环保以及可持续的高氨氮污水处理方法.

4、作为一种极具发展前景的污水处理技术，微生物电解池(mecs)在减少温室气体排放和补偿处理过程中的能耗方面取得了很大进展.与传统污水处理技术相比，mecs不仅能耗显著显著降低，还具有能量自持属性，通过生物质产氢，其所获得的氢能与输入电能的比值一般为100％～400％，多出输入电能的这部分能量即为从生物质获得的能量收益.同时，利用内电路形成的阴阳离子分离及定向迁移，可实现离子的富集，有利于从污水中非变价回收nh4+等资源.另外，mecs产生的剩余污泥很少，这也节省了污泥处置费用.正是由于这些特性，mecs成为一种兼具产能和治污(利用有机废水或废物)的新型技术.

5、尽管如此，大多数mecs技术也只是关注减少化石燃料的消耗及其相关的碳排放，很少将废水处理与资源回收结合，尤其是氮、碳资源.一方面，污水也是一种相当可观的可再生生物质能源，据估计，含有500mg l-1cod的废水可产生高达1.93kwh m-3的势能.污水中的氨氮是一种宝贵的化肥资源，尤其是在畜牧养殖、食品加工、垃圾填埋和污泥处理等过程产生的高氨氮废水中，氮素含量可以抵消全球氮肥需求的14.4％.另一方面，co2不仅是一种温室气体，也是用途广泛且经济效益较高的工业原材料.因此，开发一种高效去除氨氮污染物同时资源化回收碳氮资源的污水处理技术具有广阔应用前景。

技术实现思路

1、本发明针对高氨氮污水处理以及碳氮资源回收的问题设计构建了新型三室微生物电解池(mec)系统，包括阳极室、阴极室及气体吸收室三部分.在mec的阳极处理污水，气体吸收室中的溶液吸收并储存co2，在mec运行时将co2提供给阴极.

2、利用mec阳极的氧化作用，以有机物污染物为电子供体形成电流，并利用外加低品位能源的能量在阴极室电解析氢(h2)；利用内电路形成的阴阳离子分离及定向迁移，阳极污水中高浓度的铵离子跨过阳离子交换膜在阴极室富集；同时阴极接触碳源提供的co2后发生碳捕获，进而在阴极室形成碳氮共捕获阴极液方便后续处理.三室mec的成功构建不仅能够净化处理难降解的高氨氮污水，同时还提取了污水中能源和氨氮资源，进而达到污水中的氨氮资源化回收目的.另外，阴极反应会产生氢氧根，其在吸收固定co2后，其碱性可得到缓解，改善mec的性能，并与富集的氨氮反应形成高浓度的碳酸氢铵溶液.在此基础上，可通过后续操作继续回收阴极液中的nh4+、co32-和hco3-，最终得到碳酸氢铵晶体等产品.因此，该系统也可达到回收碳资源的目的，有助于减缓二氧化碳排放造成的温室效应，具有环境友好性.综上，该系统是一种可实现高氨氮污水资源化利用以及碳氨资源回收的可持续污水处理方式.

3、三室微生物电解池系统如图1所示，主要包括①阳极室，②阳极，③阳离子交换膜cem，④阴极室，⑤不锈钢网阴极，⑥阴离子交换膜，⑦气体吸收室，⑧资源回收系统.

4、1.阳极腔室

5、污水进入阳极室，生长在阳极的产电微生物(指无需外源电子介体而具有胞外电子传递能力的微生物，主要是产电细菌)氧化有机物，将低品位生物质能转化为化学能，同时产生电子与质子.电子经阳极通过外电路到达阴极，质子在电场驱动下跨过阳离子交换膜进入阴极.阳极电极材料对产电微生物与电子传递效率影响较大.具有生物相容性好、导电性好、稳定性好、电子传递速率快、比表面积大、适宜微生物附着等特点，是选择阳极材料重要依据.阳离子交换膜将阳极反应和阴极产氢分隔开来，避免阴极产生的氢气向阳极扩散而被产电微生物(嗜氢甲烷菌、产电菌和同型产乙酸菌)所消耗，从而能获得较纯净的氢气，减少后期产物分离成本；同时可防止阴极催化剂受到污染而失活.其缺点是会影响离子在两电极之间的自由迁移，造成双室间的ph梯度(阳极酸化，阴极碱化).

6、2.阴极腔室

7、阴极发生还原反应，能够产生氢气和氢氧根，引起阴极溶液的碱化.阳极迁移到阴极的铵根离子在碱性环境中可转化为游离态(nh3).由于碱度梯度的存在，气体吸收室中的二氧化碳能够以hco3-形式，跨过阴离子交换膜进入阴极液中.阴极电极材料的选取可直接影响析氢反应所需的过电位以及产氢速率.不锈钢是一种常见的金属合金，具有性能稳定及价格低廉等特点.

8、3.气体吸收腔室

9、向气体吸收室曝co2气体，气体可来源于燃烧烟气或者未提纯的沼气.co2溶解后形成hco3-并在浓度与碱度梯度驱动下，跨过阴离子交换膜向阴极室扩散，在阴极液中富集.

10、4.资源回收系统

11、经过哦mec一个周期的运行，阴极溶液中富集了阳极的氨氮及气体吸收腔室的二氧化碳，主要成分为碳酸氢铵(nh4hco3)或碳酸铵((nh4)2co3).可通过热分解方式，使阴极中的物质发生复分解反应(可能发生的反应见公式1-公式3)，产生氨气和二氧化碳的混合气体，方便进一步利用.也可通过降温结晶方式对其加以利用.

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15、5.三室微生物电解池系统的运行方式

16、该三室微生物电解池系统在运行过程中，可通过调控参数优化其性能.在mecs中，阴极上质子还原的氧化还原电位低于阳极反应的电位，电子不能自发流动.为了克服此能量壁垒，使析氢反应得以进行，需额外施加一个理论值为0.13～0.14v的电压.通过调控微生物电解池的施加电压，可影响其运行结果.调控阴阳极溶液的ph值、污水进料方式、阴极液种类与浓度等，也可影响其运行效果。

技术特征：

1.一种基于微生物电解池的高氨氮污水处理及碳氮资源回收方法，其包括如下内容：微生物电解池系统主要由三室构成，依次包括：阳极腔室，设置有阳极、阳离子交换膜；阴极腔室，设置有不锈钢网阴极、阴离子交换膜；气体吸收腔室；以及资源回收系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于微生物电解池的高氨氮污水处理及碳氮资源回收方法，其特征在于：通过nh4+穿过阳离子交换膜向阴极定向迁移以及阴极电化学反应产生氢氧根离子，形成高氨浓度高ph的溶液来吸收co2酸性气体。

3.根据权利要求1所述的一种基于微生物电解池的高氨氮污水处理及碳氮资源回收方法，其特征在于：，通过热回收的形式，或者冷凝结晶的形式，回收阴极液中的nh4+、co32-以及hco3-。

4.根据权利要求1所述的一种基于微生物电解池的高氨氮污水处理及碳氮资源回收方法，其特征在于：向气体吸收室曝co2气体，气体可来源于燃烧烟气或者未提纯的沼气.co2溶解后形成hco3-并在浓度与碱度梯度驱动下，跨过阴离子交换膜向阴极室扩散，在阴极液中富集。

5.根据权利要求1所述的一种基于微生物电解池的高氨氮污水处理及碳氮资源回收方法，其特征在于：主要通过调控阴阳极溶液的ph值(4～11)、污水进料方式、阴极液种类与浓度(高氨氮有机废水原水、经过碳氮去除的高氨氮有机废水，磷酸缓冲液(pbs)、氯化钠溶液、去离子水)等调控cod去除率以及产氢速率。

6.根据权利要求1所述的一种基于微生物电解池的高氨氮污水处理及碳氮资源回收方法，其特征在于：主要通过调控阴极液的电流密度(0.1a/m2～100a/m2)和使用周期(1～100cycle)可调控氨回收率和吸收液的氨浓度；通过调控吸收室的压力(0～1mpa)、二氧化碳的浓度(10～100％)以及二氧化碳向阴极的扩散速率调控对二氧化碳吸收的效能。

技术总结本发明公开一种高有机氨氮废水的处理协同碳氮资源回收系统的设计方法.微生物电解池是一种可高效处理污水的新兴技术.本发明以高浓度有机氨氮污水能源化及碳氮资源化为目的，设计了新型三室微生物电解池.用内电路形成的阴阳离子分离及定向迁移，阳极污水中高浓度的铵离子跨过阳离子交换膜在阴极室富集；同时在碱度梯度驱动下，气体吸收室向阴极提供二氧化碳(CO<subgt;2</subgt;)并发生碳捕集.通过微生物电解池的运行，既可处理废水，又能够获得碳氮共捕获的阴极液，因此该系统是一种可实现高氨氮污水资源化利用以及碳氨资源回收的可持续污水处理方式。技术研发人员：黄建军,丁国芳,何伟华,刘磊受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14