申请日2015.03.20
公开(公告)日2015.07.01
IPC分类号C02F3/28
摘要
本发明公开了一种利用高有机物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化学反应装置和方法。该装置包括设有阳离子交换膜的电化学反应槽，阳离子交换膜将电化学反应槽分为设有阳极的第一腔室和设有阴极的第二腔室;还包括氨气吸收室，第一腔室、第二腔室分别通过导气管连通至氨气吸收室;第一腔室内还设有生物阳极和生物阴极。利用阳离子交换膜将废水中的NH4+和H+迁移至第二腔室中，消除高浓度氨氮对厌氧微生物的毒害作用;将第二腔室产生的氢气通入第一腔室，为第一腔室中的嗜氢产甲烷菌提供足够的氢气，最大限度地将CO2还原为甲烷;第一腔室中含有2+N(第二腔室的个数)个生物电极，有效提高了电极对有机物的降解作用，提高甲烷产率。
摘要附图
权利要求书
1.一种利用高有机物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化学反应装置， 包括设有阳离子交换膜的电化学反应槽，阳离子交换膜将电化学反应槽分 为设有阳极的第一腔室和设有阴极的第二腔室，阳极和阴极之间连接第一 电源;
其特征在于，所述第一腔室内还设有生物阳极和生物阴极，生物阳极 和生物阴极之间连接第二电源;
所述生物电化学反应装置还包括氨气吸收室，所述第一腔室、第二腔 室分别通过导气管连通至氨气吸收室。
2.如权利要求1所述的生物电化学反应装置，其特征在于，所述氨 气吸收室内盛装氨气吸收液，氨气吸收室内位于氨气吸收液上方的空间为 集气区，所述第一腔室底部设有与该集气区相连的布气器。
3.如权利要求1所述的生物电化学反应装置，其特征在于，所述第 一腔室内填充有活性炭。
4.如权利要求1所述的生物电化学反应装置，其特征在于，所述阳 极为石墨电极，所述阴极为并联设置的多块波形不锈钢板。
5.如权利要求1所述的生物电化学反应装置，其特征在于，所述第 二腔室有1～4个，每个第二腔室分别通过一阳离子交换膜与第一腔室相 隔。
6.利用如权利要求1～5任一所述的生物电化学反应装置产甲烷的方 法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接通第二电源，在第一腔室内接种厌氧污泥，进行微生物挂膜;
(2)挂膜完成后，接通第一电源，将高有机物高氨氮废水送入第一 腔室内，在厌氧污泥对高有机物高氨氮废水进行降解的同时收集产生的沼 气;
(3)降解完成后，将清水排出。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，厌氧污泥 的接种量为15～20g/L。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一腔室内溶液pH 控制在6.5～7.5，第二腔室内溶液pH控制在9.5～10.5。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一腔室中生物阴 极的电势控制在-0.7～-1.1V vs SHE，第二腔室中阴极的电势控制在 -1～-1.5V vs SHE。
说明书
利用高有机物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化学反应装置和方法
技术领域
本发明属于废水处理技术和生物能源领域，具体涉及一种利用高有机 物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化学反应装置和方法。
背景技术
在厌氧发酵过程中，有机物在厌氧微生物胞外酶的作用下水解产生氨 基酸、脂肪酸和甘油等。接着在产氢产乙酸菌的作用下将水解产物转化为 乙酸和氢气。最后嗜氢产甲烷菌能够将CO2和H2转化为甲烷、嗜乙酸产 甲烷菌等能够将乙酸分解产生甲烷。在产甲烷过程中，pH的变化对产甲 烷菌有重要的影响，维持一个碱性环境是十分必要的。然而，过高浓度 的氨氮废水中的游离氨对厌氧微生物具有抑制作用，主要表现在游离氨会 导致微生物细胞膜表面的通透性增加，最终是细胞发生破裂死亡，从而降 低了发酵过程中的甲烷产量。因此，如何保证高有机物(COD浓度大于 2000mg/L)、高氨氮浓度(氨氮浓度高于200mg/L)的废水在发酵过程中 获得较好的甲烷产量面临一个重要的技术难题。
公开号为CN104230003A的中国发明专利申请公开了一种集有机污 水处理和产甲烷于一体的微生物电解池装置，该装置将有机物污水注入微 生物电解池内作为阳极产电微生物生长的营养源，阳极产电微生物对污水 中的有机物进行分解代谢，在污水处理的同时产生CO2、H+及电子。同时 在电辅助下，阴极电极表面附着的电活性产甲烷菌将阳极产电微生物代谢 有机物产生的CO2、H+及电子转化为甲烷。但处理含高氨氮浓度的废水时 就达不到理想的效果。在相同pH下，水中氨氮负荷越高，游离氨的浓度 也越高，因此高浓度氨氮废水对厌氧微生物的毒害作用就越大。
公开号为CN102925492A的中国发明专利申请公开了一种利用生物 电化学系统还原二氧化碳生产甲烷和乙酸的方法，该方法在阴极室和阳极 室中通入CO2循环曝气，设定阴极极化电势-1.05～-1.35V(vs.SHE)，利用阴 极上的微生物直接从电极或电极产生的氢气获得电子进行二氧化碳的还 原产生甲烷，该方法产生的甲烷过程中会产生乙酸，没有将产生的乙酸进 一步加以利用，因此产甲烷效率低，同时也未能消除高浓度氨氮废水对厌 氧微生物的毒害作用。
发明内容
本发明提供了一种利用高有机物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化 学反应装置，该装置不仅能够消除高浓度氨氮废水对厌氧微生物的毒害作 用，还能提高厌氧微生物的产甲烷效率。
一种利用高有机物高氨氮废水强化产甲烷的生物电化学反应装置，包 括设有阳离子交换膜的电化学反应槽，阳离子交换膜将电化学反应槽分为 设有阳极的第一腔室和设有阴极的第二腔室，阳极和阴极之间连接第一电 源;
所述第一腔室内还设有生物阳极和生物阴极，生物阳极和生物阴极之 间连接第二电源;
所述生物电化学反应装置还包括氨气吸收室，所述第一腔室、第二腔 室之间分别通过导气管连通至氨气吸收室。
本发明利用生物阳极表面的厌氧水解微生物将高有机物高氨氮废水 中的有机物分解成小分子有机酸(如乙酸、丙酸和丁酸等)，小分子有机 酸进一步在产氢产乙酸菌的作用下分解产生乙酸、H2和CO2;利用生物阴 极表面的嗜乙酸产甲烷菌将乙酸转化为甲烷，生物阴极表面的嗜氢产甲烷 菌则会利用H2将CO2还原为甲烷。
同时由于阳离子交换膜的存在，高有机物高氨氮废水中的铵根离子和 氢离子会在第一腔室与第二腔室之间电场的作用下迁移至第二腔室中，从 而降低了第一腔室中的氨氮浓度，消除高浓度氨氮在厌氧发酵过程中对厌 氧微生物的毒害作用;铵根离子和氢离子在第二腔室中以氨气和氢气的形 式被脱除，产生的氨气和氢气混合物进入氨气吸收室中，氨气被吸收而氢 气则进入第一腔室中，从而大大提高了嗜氢产甲烷菌将CO2还原为甲烷的 效率，增加了沼气中甲烷的含量，提高了沼气热值。
作为优选，所述氨气吸收室内盛装氨气吸收液，氨气吸收室内位于氨 气吸收液上方的空间为集气区，所述第一腔室底部设有与该集气区相连的 布气器。
从第二腔室通向氨气吸收室的导气管伸入到氨气吸收液液面以下，则 第二腔室中产生的氨气和氢气混合物中，氨气被氨气吸收液吸收，而氢气 则集中到集气区中进而通过导气管经布气器进入第一腔室中。布气器使得 氢气能够均匀分散到第一腔室中，提高氢气利用率。
作为进一步优选，所述氨气吸收液为浓度为10%～20%的硫酸水溶液。 如未作特殊说明，10%～20%中的“%”是指体积百分比。
作为优选，所述第一腔室内填充有活性炭。填充的活性炭使得第一腔 室成为三维电极反应器，如此不仅有利于第一腔室内的微生物挂膜，而且 能够有效增大生物阳极和生物阴极的反应面积，提高有机污染物的传质速 率。
作为进一步优选，第一腔室中，活性炭的填充密度为10～15kg/m3。 在布气器将氢气从第一腔室底部释放的情况下，适宜的活性炭填充密度可 以使得活性炭在氢气作用下悬浮起来，从而有利于加强废水中有机物与微 生物之间的传质效率;填充密度太小或太大均难以达到上述效果。
第一腔室中的生物阳极和生物阴极均可采用石墨电极，阳极也可采用 石墨电极，便于微生物挂膜以提高第一腔室内的电化学反应效率。而第二 腔室内的所述阴极优选为并联设置的多块波形不锈钢板。这是因为第二腔 室内不必进行微生物挂膜，并且不锈钢比石墨具有更好的可塑性和导电 性，且价格低廉。多块波形不锈钢板并联设置有利于增加电极的表面积。
作为进一步优选，阴极的表面积控制在150-200m2/m3第二腔室。阴 极表面积过小，则产生的氢气量较少，不利于将第一腔室内的二氧化碳充 分还原为甲烷;反之，阴极表面积过大则会浪费氢气。
本发明中，所述第二腔室有1～4个，每个第二腔室分别通过一阳离子 交换膜与第一腔室相隔。利用多张阳离子交换膜在第一腔室外周设置多个 第二腔室，有利于提高第一腔室内铵根离子和氢离子向第二腔室的迁移速 率，进一步降低高氨氮浓度对厌氧微生物的毒害作用。
本发明还提供了利用所述生物电化学反应装置产甲烷的方法，包括以 下步骤：
(1)接通第二电源，在第一腔室内接种厌氧污泥，进行微生物挂膜;
厌氧污泥的接种量优选为15～20g/L，微生物挂膜的时间优选在7～8 天。
(2)挂膜完成后，接通第一电源，将高有机物高氨氮废水送入第一 腔室内，在厌氧污泥对高有机物高氨氮废水进行降解的同时收集产生的沼 气;
降解过程中，所述第一腔室内溶液pH应控制在6.5～7.5，这是因为甲 烷产生菌对环境酸碱度的变化十分敏感，第一腔室内溶液pH过高或过低 都会对甲烷产生菌产生毒害作用。而第二腔室内溶液pH越大越有利于氨 气的产生，但pH过高限制氢气的生成;pH越小有利于氢气的产生，但不 利于氨气的产生，因此第二腔室内溶液pH优选控制在9.5～10.5，既有利 于氨气的产生也有利于氢气的产生。
作为优选，所述第一腔室中生物阴极的电势控制在-0.7～-1.1V vs SHE， 适宜的电势有利于促使甲烷的合成;第二腔室中阴极的电势控制在 -1～-1.5V vs SHE，适宜的电势有利于促使氢气产生。
(3)降解完成后，将清水排出。
本发明的装置在利用高有机物高氨氮废水产甲烷时，能够有效消除高 浓度氨氮对厌氧微生物的毒害作用，沼气中甲烷含量能够提高80%以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明利用阳离子交换膜将高有机物高氨氮废水中的铵根离子 和氢离子迁移至第二腔室中，从而降低了第一腔室中的氨氮浓度，消除高 浓度氨氮在厌氧发酵过程中对厌氧微生物的毒害作用;
(2)本发明装置中设有氨气吸收室，进入第二腔室中的铵根离子和 氢离子会以氨气和氢气的形式被脱除，产生的氨气和氢气混合物进入氨气 吸收室中，其中氨气被吸收而氢气则进入第一腔室，为第一腔室中的嗜氢 产甲烷菌提供足够的氢气，最大限度地将CO2还原为甲烷;
(3)本发明的第一腔室中含有2+N(第二腔室的个数)个生物电极， 有效提高了电极对有机物的降解作用，进一步提高了甲烷产率。