公布日：2022.12.16
申请日：2022.10.24
分类号：C02F3/00(2006.01)I;C02F3/30(2006.01)I;C02F3/34(2006.01)I;H01M8/16(2006.01)I;C02F103/06(2006.01)N
摘要
一种硫酸盐型厌氧氨氧化产电装置及控制方法，属于污水处理技术领域。所述产电装置是利用UASB厌氧反应器，依次连接好氧池、缺氧池和终沉池，在UASB厌氧反应器中启动适用于老龄垃圾渗滤液的硫酸盐型厌氧氨氧化反应，UASB厌氧反应器分别与好氧池、缺氧池之间由质子交换膜隔开，再分别通过富集有大量微生物的碳毡电极以及铜导线外接电阻箱，形成闭合回路，构成双室微生物燃料电池，该发明装置能够同时去除老龄垃圾渗滤液中高浓度SO42-、NH4+并提高微生物燃料电池的产电效率，能够有效解决现有工艺脱氮除硫效率低、运行能耗高、占地面积大、污泥产量高等问题。
权利要求书
1.一种硫酸盐型厌氧氨氧化产电装置，其特征在于：包括依次通过水管连接的UASB厌氧反应器(2)、好氧池(3)、缺氧池(4)和沉淀池(5)，且所述UASB厌氧反应器(2)分别与好氧池(3)、缺氧池(4)之间侧壁通过质子交换膜(8)隔开，其中，UASB厌氧反应器(2)作为微生物燃料电池的阳极室，内添加AMC颗粒载体填料作为微生物附着膜，好氧池(3)、缺氧池(4)作为微生物燃料电池的阴极室，构成双室微生物燃料电池；阳极室和阴极室分别通过富集有大量微生物的碳毡电极(7)以及铜导线外接电阻箱(9)，形成闭合回路，沉淀池(5)开有出水口，反应后的废水经沉淀池(5)上方排出，污泥经沉淀池(5)底部的排泥口排出，UASB厌氧反应器(2)底部开有进水口，通过管路连接污水池，顶部开有气体出口，反应后的气体通过该气体出口排出至干燥瓶。
2.根据权利要求1所述硫酸盐型厌氧氨氧化产电装置，其特征在于：所述UASB厌氧反应器底部为锥形结构，与好氧池(3)、缺氧池(4)不相邻的外周及底部设置有恒温循环水浴箱，其上开有保温进水口和保温出水口，所述恒温循环水浴箱通过管路连接UASB厌氧反应器下方的保温进水口(14)，循环后通过UASB厌氧反应器上方设置的保温出水口(16)出水，在UASB厌氧反应器外周形成恒温水循环。
3.根据权利要求2所述硫酸盐型厌氧氨氧化产电装置，其特征在于：所述UASB厌氧反应器的污泥悬浮区开有出水口，通过循环管路连接UASB厌氧反应器底部进水管，在循环管路上设置有循环泵，UASB厌氧反应器污泥悬浮区的出水，与污水原液混合通过反应器底部进水，在UASB厌氧反应器内部循环，保证微生物与污泥充分接触。
4.根据权利要求2所述硫酸盐型厌氧氨氧化产电装置，其特征在于：所述恒温循环水浴箱的温度保持在(35±5)℃。
5.根据权利要求1所述硫酸盐型厌氧氨氧化产电装置，其特征在于：所述UASB厌氧反应器顶部设置三相分离器，污水在UASB厌氧反应器内反应后，经三相分离器分离后产生的气体通过气体出口排出，产生的上清液经液体管路依次流至好氧池(3)、缺氧池(4)和沉淀池(5)，废水经沉淀池上方出水口排出，污泥经沉淀池(5)底部的排泥口排出。
6.采用如权利要求1-5任一项所述硫酸盐型厌氧氨氧化产电装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步：UASB厌氧反应器内以厌氧消化污泥为菌源，垃圾渗滤液原水为进水，使UASB厌氧反应器内NH4+-N浓度范围为80mg/L-100mg/L，并以摩尔比NH4+-N：NO2--N＝1:(1.32-1.5)，投加亚硝酸钠；第二步：若USAB反应器出水中，NH4+-N消耗量、NO2—N消耗量和NO3—N的产量的摩尔比为1：1.32：0.26，则表面发生厌氧氨氧化反应，然后增大垃圾渗滤液原水的进水量，提高UASB厌氧反应器内部的反应基质的浓度，使UASB厌氧反应器内NH4+-N浓度提升至150mg/L-160mg/L，并以摩尔比NH4+-N:NO2--N＝1:1.32-1.5，投加亚硝酸钠；同时，控制恒温循环水浴温度，使UASB厌氧反应器内部温度维持在(35±5)℃，并在UASB厌氧反应器内添加AMC颗粒载体填料，填料为厌氧反应器体积的30％；同时通过在UASB厌氧反应器的污泥悬浮区出水与污水池出水原液混合后，再从UASB厌氧反应器底部进水，进行内循环，使微生物与污泥充分接触；第三步：亚硝酸盐型厌氧氨氧化反应稳定后，即：UASB厌氧反应器内NH4+-N与NO2--N的去除率达到80％-90％后，通过减少亚硝酸钠投加量，使UASB厌氧反应器内NO2--N浓度降到0mg/L-40mg/L，NH4+-N浓度为60mg/L-70mg/L，此时摩尔比NH4+-N：NO2--N＝1:(0.5-0.6)，硫酸根浓度为260mg/L-280mg/L，使硫酸盐代替部分亚硝酸盐的投加；当SO42-的去除率达到30％-45％后，不再往UASB厌氧反应器中添加亚硝酸钠，同时通过增大垃圾渗滤液原水的进水量以及硫酸盐的投加量，使得UASB厌氧反应器内NH4+-N、SO42-浓度分别提高至130mg/L-150mg/L、500mg/L-550mg/L，使SO42-成为厌氧氨氧化的电子受体，NH4+-N、SO42-的去除率逐步上升并稳定在50％以上，则表示成功启动硫酸盐型厌氧氨氧化，得到硫酸盐和氨氮能够同时去除，且不需添加外加碳源的产电装置。
发明内容
针对上述存在的技术问题，为了快速启动适用于老龄垃圾渗滤液的硫酸盐型厌氧氨氧化工艺，同时提高微生物燃料电池的产电效率，本发明提供一种硫酸盐型厌氧氨氧化产电装置及其控制方法，该装置利用UASB厌氧反应器，首先培养出适用于老龄垃圾渗滤液的亚硝酸盐型厌氧氨氧化菌种，逐步转化为硫酸盐型厌氧氨氧化菌种，硫酸盐型厌氧氨氧化工艺的UASB厌氧反应器具备微生物燃料电池阳极室所需的条件，而好氧池和缺氧池均具备微生物燃料电池阴极室所需的条件，可以形成双室微生物燃料电池，厌氧氨氧化反应器中某些产电微生物的胞外电子传递为硫酸盐型厌氧氨氧化提供了可能的转化途径，与微生物燃料电池相耦合，是一种能够同时去除高浓度SO42-、NH4+并提高微生物燃料电池产电效率的装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一种硫酸盐型厌氧氨氧化产电装置，包括依次通过水管连接的UASB厌氧反应器、好氧池、缺氧池和沉淀池，且所述UASB厌氧反应器分别与好氧池、缺氧池之间侧壁通过质子交换膜隔开，其中，UASB厌氧反应器作为微生物燃料电池的阳极室，内添加AMC颗粒载体填料作为微生物附着膜，好氧池、缺氧池作为微生物燃料电池的阴极室，构成双室微生物燃料电池；阳极室和阴极室分别通过富集有大量微生物的碳毡电极以及铜导线外接电阻箱，形成闭合回路，沉淀池开有出水口，反应后的废水经沉淀池上方排出，污泥经沉淀池底部的排泥口排出，UASB厌氧反应器底部开有进水口，通过管路连接污水池，顶部开有气体出口，反应后的气体通过该气体出口排出至干燥瓶。
进一步地，所述UASB厌氧反应器底部为锥形结构，与好氧池、缺氧池不相邻的外周及底部设置有恒温循环水浴箱，其上开有保温进水口和保温出水口，所述恒温循环水浴箱通过管路连接UASB厌氧反应器下方的保温进水口，循环后通过UASB厌氧反应器上方设置的保温出水口出水，在UASB厌氧反应器外周形成恒温水循环。
进一步地，所述UASB厌氧反应器的污泥悬浮区开有出水口，通过循环管路连接UASB厌氧反应器底部进水管，在循环管路上设置有循环泵，UASB厌氧反应器污泥悬浮区的出水，与污水原液混合通过反应器底部进水，在UASB厌氧反应器内部循环，保证微生物与污泥充分接触。
进一步地，所述恒温循环水浴箱的温度保持在(35±5)℃。
进一步地，所述UASB厌氧反应器顶部设置三相分离器，污水在UASB厌氧反应器内反应后，经三相分离器分离后产生的气体通过气体出口排出，产生的上清液经液体管路依次流至好氧池、缺氧池和沉淀池，废水经沉淀池上方出水口排出，污泥经沉淀池底部的排泥口排出。
本发明采用所述硫酸盐型厌氧氨氧化产电装置的控制方法，包括如下步骤：
第一步：UASB厌氧反应器内以厌氧消化污泥为菌源，垃圾渗滤液原水为进水，使UASB厌氧反应器内NH4+-N浓度范围为80mg/L-100mg/L，并以摩尔比NH4+-N：NO2--N＝1:(1.32-1.5)，投加亚硝酸钠；
第二步：若USAB反应器出水中，NH4+-N消耗量、NO2—N消耗量和NO3—N的产量的摩尔比为1：1.32：0.26，则表面发生厌氧氨氧化反应，然后增大垃圾渗滤液原水的进水量，提高UASB厌氧反应器内部的反应基质的浓度，使UASB厌氧反应器内NH4+-N浓度提升至150mg/L-160mg/L，并以摩尔比NH4+-N:NO2--N＝1:1.32-1.5，投加亚硝酸钠；
同时，控制恒温循环水浴温度，使UASB厌氧反应器内部温度维持在(35±5)℃，并在UASB厌氧反应器内添加AMC颗粒载体填料，填料为厌氧反应器体积的30％；同时通过在UASB厌氧反应器的污泥悬浮区出水与污水池出水原液混合后，再从UASB厌氧反应器底部进水，进行内循环，使微生物与污泥充分接触；
第三步：亚硝酸盐型厌氧氨氧化反应稳定后，即：UASB厌氧反应器内NH4+-N与NO2--N的去除率达到80％-90％后，通过减少亚硝酸钠投加量，使UASB厌氧反应器内NO2--N浓度降到0mg/L-40mg/L，NH4+-N浓度为60mg/L-70mg/L，此时摩尔比NH4+-N：NO2--N＝1:(0.5-0.6)，硫酸根浓度为260mg/L-280mg/L，使硫酸盐代替部分亚硝酸盐的投加；
当SO42-的去除率达到30％-45％后，不再往UASB厌氧反应器中添加亚硝酸钠，同时通过增大垃圾渗滤液原水的进水量以及硫酸盐的投加量，使得UASB厌氧反应器内NH4+-N、SO42-浓度分别提高至130mg/L-150mg/L、500mg/L-550mg/L，使SO42-成为厌氧氨氧化的电子受体，NH4+-N、SO42-的去除率逐步上升并稳定在50％以上，则表示成功启动硫酸盐型厌氧氨氧化，得到硫酸盐和氨氮能够同时去除，且不需添加外加碳源的产电装置。
本发明的有益效果为：
本发明能够培养出适用于老龄垃圾渗滤液的亚硝酸盐型厌氧氨氧化菌种，后逐步转变为硫酸盐型厌氧氨氧化菌种，能够同时去除老龄垃圾渗滤液中的高浓度SO42-、NH4+，并且提高微生物燃料电池的产电效率，不需要外加碳源，节省垃圾渗滤液处理成本，实现污水的资源化利用，具有节能、高效、投资和运行成本低等特点。
（发明人：张立成;马重阳;钱俊;范茂军）