一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的方法及装置

摘要

本发明公开了一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的方法及装置，步骤：A、污水连续由装置顶部进入并均匀布水；B、经污水流入阳极导电填料层，硝酸盐氮异养反硝化得到去除；C、接着污水流入非导电填料隔离层；D、随后污水流入阴极导电填料层，硝酸盐氮被还原成氮气；E、最后污水经底部非导电填料层内排水管流出，出水中的总氮去除。阴极导电填料层分别与底部非导电填料层、非导电填料隔离层相连，阳极导电填料层分别与非导电填料隔离层、上部非导电填料层相连，在非导电填料层上部中种植湿地植物，阳极集电极、阴极集电极通过外导线和外电阻闭路连接。方法简单，操作便捷，原位利用产生电能，显著提高低C/N污水总氮去除效果。

权利要求

1.一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的方法，其步骤是：

A、污水连续由装置顶部进入并均匀布水，依次流入上部非导电填料层，植物根系分布在这一层的中上部，本层由湿地植物的根系泌氧及进水中带入的溶解氧使该区域呈现好氧状态，氨氮在硝化菌和亚硝化菌下转化为硝酸盐氮，异养反硝化菌利用有机碳源作为电子供体将硝酸盐氮还原成氮气；

B、经过步骤A的污水流入阳极导电填料层，部分有机物在该层被电化学活性菌利用产生电子，未氧化的有机物在这一层去除，部分硝酸盐氮在阳极脱氮菌属作用下通过异养反硝化得到进一步去除；

C、接着污水流入非导电填料隔离层，该层为阳极导电填料层和阴极导电填料层间的分隔器；

D、随后污水流入阴极导电填料层，在该层中从步骤B中阳极导电填料层产生并经由外电路导线迁移来的电子被用作还原硝酸盐氮的电子供体，在阴极脱氮菌属作用下，大部分硝酸盐氮通过自养反硝化、异养反硝化过程被还原成氮气；

E、最后污水经底部非导电填料层内的排水管流出，出水中总氮含量较常规下行流人工湿地的总氮去除率较高，总氮去除率提高了30-60％；

所述的电化学活性菌属为具有胞外电子传递的一类微生物，包括地杆菌属、假单胞菌属、脱硫单胞菌属和红育菌属其中的一种或一到四种的任意组合；

所述的阳极脱氮菌属为硝化和反硝化菌属，包括地杆菌属、动胶菌属、固氮弧菌属其中的一种或一到三种和不动杆菌属、黄杆菌属、脱氯单胞菌属其中的一种或一到三种的任意组合；

所述的阴极脱氮菌属为地杆菌属、索氏菌属、不动杆菌属、Dokdonella属、

Ferruginibacter属其中的一种或一到五种的任意组合。

2.一种采用权利要求1所述提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的方法的装置，该装置自下而上铺设有底部非导电填料层(1)、阴极导电填料层(2)、非导电填料隔离层(3)、阳极导电填料层(4)、上部非导电填料层(5)，其特征在于：阴极导电填料层(2)分别与底部非导电填料层(1)、非导电填料隔离层(3)相连，阳极导电填料层(4)分别与非导电填料隔离层(3)、上部非导电填料层(5)相连，在非导电填料层(5)中上部种植湿地植物(6)，阳极集电极(7)、阴极集电极(8)通过外导线(9)及外电阻(10)连接组成闭合回路，阳极集电极(7)和阴极集电极(8)分别放置在阳极导电填料层(4)及阴极导电填料层(2)内，外导线(9)放置于湿地外部，外导线(9)一端与阳极集电极(7)连接，外导线(9)另一端依次与外电阻(10)和阴极集电极(8)连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的阳极填料层(4)和阴极导电填料层

2

(2)内填料为颗粒活性炭或石墨颗粒；颗粒活性炭粒径为1－5mm，比表面积为500－900m /g，填充密度为0.45－0.55g/cm3；石墨颗粒填充粒径为1－5mm，填充密度为1.8－2g/cm3。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的湿地植物(6)为美人蕉、风车草、芦苇、芦竹、水甜茅、大米草、鸢尾、茭白、千屈菜、野古草、菖蒲、象草中的一种或一至十二种的任意组合。

5.权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的阳极集电极(7)和阴极集电极(8)为石墨毡、石墨棒或不锈钢材质。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的上部非导电填料层(5)厚度为20－

30cm，阳极导电填料层(4)厚度为10－30cm，非导电填料隔离层(3)厚度为10－20cm，阴极导电填料层(2)厚度为15－30cm，底部非导电填料层(1)厚度为5－10m。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的装置底部非导电填料层(1)、非导电填料隔离层(3)、上部非导电填料层(5)为砾石、砂石、无烟煤、生物陶粒中的一种或一至四种。

说明书

一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的方法及

装置

技术领域

[0001] 本发明属于污水处理领域，更具体涉及一种提高微生物燃料电池和垂直流人工湿地耦合系统处理低碳高氮污水（生活污水、污水处理厂尾水、农业面源、地下水等）时总氮去除效能的运行方法，同时还涉及一种原位利用污水产电强化下行垂直流人工湿地脱氮效能的装置。

背景技术

[0002] 低碳氮比（C/N ≤5）是我国污水处理厂尾水（中水）的典型特征，传统生化处理工艺（如活性污泥法、生物膜法等）在反硝化过程中因碳源不足导致脱氮效率低，出水水质难以满足日益严格的排放标准要求，与生态环境要求的生态水水质差距更大。而投加甲醇、乙醇等有机碳源虽可提高生物反硝化过程，可也增加了运行成本。

[0003] 人工湿地（CW）作为一种环境友好且成本低廉的生态工程技术，已经逐步成为污水分散处理及深度净化的主流工艺之一。人工湿地系统中虽有丰富的碳源供应途径（微生物和死亡植物的分解，植物根系分泌、基质中沉积有机物的释放）和脱氮途径（共生的好氧、厌氧、自养、异养等脱氮微生物，基质吸附、植物吸收等），但是对于进水COD/NO3-（≤5）的污水，仍然面临因碳源不足而导致的总氮去除能力有限的问题（Jan Vymazal, Removal of nutrients in various types of constructed wetlands, in Science of the Total Environment, 2007,48-65.）。如何进一步提高其反硝化效率，已成为当前国际上人工湿地脱氮技术研究的热点和难点。

[0004]  MFC脱氮技术近年来也得到同行学者们的关注。其原理为：阳极中产电菌氧化有机物产生的电子经由外电路传递到阴极，和阴极中硝酸盐、以及从阳极室传递来的质子发生还原反应，从而硝酸盐被还原成氮气。

[0005]  MFC脱氮受到运行方式和操作参数的影响较大。如DO对好氧和厌氧生物阴极脱氮的影响有所不同，因氧的还原电势高于硝酸盐氮，可优先成为阴极的主要电子受体。因此，厌氧生物阴极MFC脱氮中要维持DO 在低水平（<0.5 mg/L）。

[0006]  而好氧阴极MFC脱氮主要发生同步硝化反硝化过程，为了使生物膜表层微生物发生硝化作用将氨氮氧化成硝态氮，DO不能太低（Virdis B., et al., Simultaneous nitrification, denitrification and carbon removal in microbial fuel cells. Water Research, 2010,44(9):2970-2980）。

[0007] 人工湿地-微生物燃料电池耦合系统由于成本低，近年来逐步应用于污水的处理。虽然有研究报道了CW-MFC用于处理高氮废水有较好的效果（Oon et al., Hybrid system up-flow constructed wetland integrated with microbial fuel cell for 
simultaneous wastewater treatment and electricity generation. Bioresource Technology, 2015, 186: 270-275.），但是在阴极曝气情况下，增加了系统运行费用。针对低碳高

[0008] 本发明与现有的技术相比，具有以下的优点和效果：硝酸盐污水，如何在无需机械曝气条件下实现CW-MFC系统的高效脱氮也是目前的研究难点之一。

发明内容

[0009] 本发明的目的是在于提供了一种提高下行垂直流人工湿地-微生物燃料电池（DFCW-MFC）系统处理低碳高硝酸盐氮（如污水处理厂尾水、地表水、地下水）的总氮去除效能的运行方法，方法简单易行，操作便捷，原位利用产生的电能，可显著提高低C/N污水的总氮去除效果。

[0010] 本发明的另一个目的是在于提供了一种提高下行垂直流人工湿地-微生物燃料电池系统处理低碳高硝酸盐氮污水总氮去除效能的装置，结构简单，组装方便，可显著提高有机碳源缺乏条件下下行垂直流人工湿地的脱氮效果。

[0011] 为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

[0012] 通过微生物燃料电池与下行垂直流人工湿地的嵌合，调节外阻，使系统在稳定的电流密度下，在阳极区和阴极区富集更丰富多样的产电和脱氮功能微生物，原位利用电能同时将硝酸盐氮最终转化为氮气而脱除。

[0013] 技术方案：以下行垂直流人工湿地结构为基础，通过填埋阴极导电填料层、阳极导电填料层，种植湿地植物以及连接导线和外阻，形成了微生物燃料电池-下行垂直流人工湿地耦合构型。调节外阻，通过稳定电流下富集在电极区域的产电和脱氮功能微生物，强化系统对总氮的去除。

[0014] 一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的方法，其步骤如下：

[0015] A、污水连续由系统顶部进入并均匀布水，依次流入上部非导电填料层，植物根系主要分布在这一层的中上部，本层由于湿地植物的根系泌氧作用及进水中带入的溶解氧使得该区域主要呈现好氧状态，部分氨氮在硝化菌和亚硝化菌作用下转化为硝酸盐氮，异养反硝化菌利用有机碳源作为电子供体将小部分硝酸盐氮还原成氮气；

[0016]  B、经过步骤A的污水流入阳极导电填料层，部分有机物在该层被电化学活性菌利用产生电子，未氧化的有机物在这一层基本可完全去除，部分硝酸盐氮在阳极脱氮菌属作用下通过异养反硝化得到进一步去除；

[0017]  C、接着污水流入非导电填料隔离层，该层主要功能是作为阳极导电填料层和阴极导电填料层间的分隔器；

[0018]  D、随后污水流入阴极导电填料层，在该层中从步骤b中阳极导电填料层产生并经由外电路导线迁移来的电子被用作还原硝酸盐氮的电子供体，在阴极脱氮菌属作用下，大部分硝酸盐氮通过自养反硝化、异养反硝化过程被还原成氮气。

[0019]  E、最后污水经底部非导电填料层内的排水管流出，出水中总氮含量较常规下行流人工湿地低，硝酸盐氮去除率提高了30-60%。

[0020] 所处理的污水为C/N≤5，NO3-/TN≥60%。

[0021] 所述的电化学活性菌为具有胞外电子传递的一类微生物，包括地杆菌属（Geobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、脱硫单胞菌属（Desulfuromonas）和红育菌属（Rhodoferax）等其中的一种或一到四种的任意组合，

[0022] 所述的阳极脱氮菌属为具有脱氮功能的硝化和反硝化菌属，包括地杆菌属（Geobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、索氏菌属（Thauera）、不动杆菌属（Acinetobacter）、动胶菌属（Zoogloea）、微小杆菌属（Exiguobacterium）、黄杆菌属（Flavobacterium）和Dechloromonas等其中的一种或一到七种的任意组合。

[0023] 所述的阴极脱氮菌属为地杆菌属（Geobacter）、索氏菌属（Thauera）、不动杆菌属（Acinetobacter）、Dokdonella属、Ferruginibacter属等其中的一种或一到五种的任意组合。

[0024] 上述五个步骤中关键在于步骤B和D ，电子从阳极导电填料层产生并经由外电路导线迁移到阴极填料层，稳定的低电流密度有利于阳极区和阴极区富集更丰富多样的产电和脱氮功能微生物，包括自养反硝化菌和异养反硝化菌，如地杆菌属（Geobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、索氏菌属（Thauera）、不动杆菌属（Acinetobacter）、动胶菌属（Zoogloea）、微小杆菌属（Exiguobacterium）和黄杆菌属（Flavobacterium）等。有利于硝酸盐氮最终转化为氮气而脱除，硝酸盐氮的去除可稳定在70%以上。

[0025] 一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的装置，该装置自下而上铺设有底部非导电填料层、阴极导电填料层；非导电填料隔离层；阳极导电填料层；其特征在于：阴极导电填料层分别与底部非导电填料层、非导电填料隔离层相连，阳极导电填料层分别与非导电填料隔离层、上部非导电填料层相连，在非导电填料层上部中种植湿地植物，阳极集电极、阴极集电极通过外导线以及外电阻连接组成闭合回路，阳极集电极和阴极集电极分别放置在阳极导电填料层及阴极导电填料层内，外导线放置于湿地外部，外导线一端与阳极集电极连接，外导线另一端依次与外电阻和阴极集电极连接。

[0026] 所述的一种提高上行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的装置，其特征在于：

[0027] 所述的阳极填料层和阴极导电填料层内填料为颗粒活性炭或石墨；颗粒活性炭粒径为1-5mm，比表面积为500-900m2/g，填充密度为0.45-0.55g/cm3；石墨颗粒填充粒径为1-5mm，填充密度为1.8-2g/cm3。

[0028] 所述的阳极集电极和阴极集电极为石墨毡、石墨棒或不锈钢材质。

[0029] 所述的下行垂直流人工湿地-微生物燃料电池耦合装置的填料厚度范围为60-120cm。

[0030] 所述的装置上部非导电填料层厚度为20-30cm，阳极导电填料层厚度为10-30cm，非导电填料隔离层厚度为10-20cm，阴极导电填料层厚度为15-30cm，底部非导电填料层厚度为5-10m。

[0031] 所述的装置上部非导电填料层、非导电填料隔离层、底部非导电填料为砾石、砂石、无烟煤、生物陶粒中的一种或一至四种任意一种；

[0032] 所述的湿地植物为美人蕉、风车草、芦苇、芦竹、水甜茅、大米草、鸢尾、茭白、千屈菜、野古草、菖蒲、象草中的一种或一至十二种的任意组合。

[0033] 所处理的污水为低碳氮比（C/N ≤5，NO3-/TN≥60%）污水，包括地表水、地下水及二级污水处理厂尾水等。总氮的去除率可达到70%以上。

[0034] 所处理的污水在装置中的停留时间为20至48小时。

[0035] 上述装置中：1）阴极导电填料层分别与底部非导电填料层、非导电填料隔离层相连，使得阴极导电填料层处于厌氧环境，形成厌氧生物阴极，硝酸盐氮作为优先电子受体被还原成氮气。实验数据显示：厌氧生物阴极溶解氧达到0.5mg/L以上时，产电量下降60%，硝酸盐去除率下降50%。2）阳极导电填料层分别与非导电填料隔离层、上部非导电填料层相连，且植物根系分布于上部非导电填料层中，确保了阳极导电填料层的厌氧环境。3）阳极集电极、阴极集电极通过外导线闭路通过电阻连接，电子从阳极导电填料层产生并经由外电路导线迁移到阴极填料层，稳定的低电流密度有利于阳极区和阴极区富集更丰富多样的产电和脱氮功能微生物。实验结果显示：外导线闭路电阻连接后，自养反硝化菌和异养反硝化菌增加到7种；其中地杆菌属（Geobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、索氏菌属（Thauera）、不动杆菌属（Acinetobacter）、动胶菌属（Zoogloea）、微小杆菌属（Exiguobacterium）和黄杆菌属（Flavobacterium）的丰度分别增加1.5倍、0.6倍、6倍、0.8倍、1.2倍、0.8倍、1.6倍；硝酸盐氮的去除率达到70.3%。

[0036] 本发明与现有的技术相比，具有以下的优点和效果：

[0037] 1、本发明在不改变原有下行垂直流湿地构造的基础上，通过简单的电极填埋和导线连接，铺设阳极导电填料层和阴极导电填料层，通过稳定电流下富集在阳极区和阴极区的产电和脱氮功能微生物，强化低有机碳条件下反硝化脱氮过程，从而提高了低碳氮比废水的总氮去除效果。

[0038] 2、本发明中阳极导电填料层、阴极导电填料层与外电路导线、外电阻组成的闭合电路，原位利用MFC产生的电能用于强化脱氮，与生物膜电极-人工湿地或者电解池-人工湿地耦合系统相比，不仅不需要外加电源，而且可以获取污水中的电能。

附图说明

[0039] 图1为一种原位提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的装置结构示意图。

[0040] 其中：1-底部非导电填料层；2-阴极导电填料层；3-非导电填料隔离层；4-阳极导电填料层；5-上部非导电填料层；6-湿地植物； 7-阳极集电极（市场上购买）；8-阴极集电极（市场上购买）；9-外导线（普通）；10-外电阻（普通）。

具体实施方式

[0041] 以下结合附图1对发明的具体实施例进行解释和说明，并不构成对本发明的限制。

[0042] 实施例1：

[0043] 一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的运行方法，其步骤如下：

[0044] A、污水连续由系统顶部进入并均匀布水，依次流入上部非导电填料层5，植物根系主要分布在这一层的中上部，本层由于湿地植物的根系泌氧作用及进水中带入的溶解氧使得该区域呈现好氧状态，部分氨氮在硝化菌和亚硝化菌作用下转化为硝酸盐氮，异养反硝化菌利用有机碳源作为电子供体将小部分硝酸盐氮还原成氮气；

[0045] B、经过步骤a的污水流入阳极导电填料层4，部分有机物在该层被电化学活性菌利用产生电子，未氧化的有机物在这一层基本可完全去除，部分硝酸盐氮在阳极脱氮菌属作用下通过反硝化得到进一步去除；

[0046]  C、接着污水流入非导电填料隔离层3，该层主要功能是作为阳极导电填料层和阴极导电填料层间的分隔器；

[0047] D、随后污水流入阴极导电填料层2，在该层中从步骤B中阳极导电填料层4产生并经由外电路导线9和外电阻10迁移来的电子被用作还原硝酸盐氮的电子供体，在阴极脱氮菌属作用下，大部分硝酸盐通过自养反硝化、异养反硝化过程被还原成氮气；

[0048] E、最后污水经底部非导电填料层1内的排水管流出，出水中硝酸盐氮含量较常规上行流人工湿地低，硝酸盐氮去除提高了30-60%。

[0049] 所述污水为具有低碳高氮（COD/TN≤5，且NO3-/TN≥60%）特征的一类污水，包括地表水、地下水及二级污水处理厂尾水等。

[0050] 所述的电化学活性菌为具有胞外电子传递的一类微生物，包括地杆菌属（Geobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、脱硫单胞菌属（Desulfuromonas）和红育菌属（Rhodoferax）等其中的一种或一到四种的任意组合，

[0051] 所述的阳极脱氮菌属为具有脱氮功能的硝化和反硝化菌属，包括地杆菌属（Geobacter）、假单胞菌属（Pseudomonas）、索氏菌属（Thauera）、不动杆菌属（Acinetobacter）、动胶菌属（Zoogloea）、微小杆菌属（Exiguobacterium）、黄杆菌属（Flavobacterium）和Dechloromonas等其中的一种或一到八种的任意组合。

[0052] 所述的阴极脱氮菌属为地杆菌属（Geobacter）、索氏菌属（Thauera）、不动杆菌属（Acinetobacter）、Dokdonella属、Ferruginibacter属等其中的一种或一到五种的任意组合

[0053] 实验结果表明：采用该运行方法后，阳极区的产电菌属的富集显著提高，优势菌属地杆菌属（Geobacter）的丰度提高0.8-1.2倍；脱氮菌属的多样性显著提高，总丰度提高25-40%，索氏菌属（Thauera）的丰度提高3-6倍。

[0054] 实施例2：

[0055] 一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的装置，该结构自下而上铺设有底部非导电填料层1、阴极导电填料层2；非导电填料隔离层3；阳极导电填料层4；其特征在于：阴极导电填料层2分别与底部非导电填料层1、非导电填料隔离层3相连，阳极导电填料层4分别与非导电填料隔离层3、上部非导电填料层5相连，在非导电填料层5上部中种植湿地植物6，阳极集电极7、阴极集电极8通过外导线9以及外电阻10连接组成闭合回路，阳极集电极7和阴极集电极8分别放置在阳极导电填料层4及阴极导电填料层2内，外导线9放置于湿地外部，外导线9一端与阳极集电极7连接，外导线9另一端依次与外电阻10和阴极集电极8连接。

[0056] 所述的一种提高下行垂直流人工湿地硝酸盐氮去除效能的装置，其特征在于：所述的阳极填料层4和阴极导电填料层2内填料为颗粒活性炭或石墨颗粒；颗粒活性炭粒径为1或3或5mm，比表面积为500或600或700或800或900m2/g，填充密度为0.45或0.5或0.55g/cm3；石墨颗粒填充粒径为1或3或5mm，填充密度为1.8或1.9或2g/cm3。

[0057] 所述的湿地植物6为美人蕉、风车草、芦苇、芦竹、水甜茅、大米草、鸢尾、茭白、千屈菜、野古草、菖蒲、象草中的一种或一至十二种的任意组合。

[0058] 所述的阳极集电极7和阴极集电极8为石墨毡、石墨棒或不锈钢材质。

[0059] 所述的一种原位利用污水产电强化下行垂直流人工湿地脱氮效能的装置的填料厚度范围为60或70或80或90或100或110或120cm。

[0060] 所述的上部非导电填料层5厚度为20或25或30cm，阳极导电填料层4厚度为10或15或20或25或30cm，非导电填料隔离层3厚度为10或15或20cm，阴极导电填料层2厚度为15或20或25或30cm，底部非导电填料层1厚度为5或8或10m。

[0061] 所述的装置底部非导电填料层1、非导电填料隔离层3、上部非导电填料层5为砾石、砂石、无烟煤、生物陶粒中的一种或一至四种。

[0062] 所述污水为具有低碳高氮（COD/TN≤5，且NO3-/TN≥60%）特征的一类污水，包括地表水、地下水及二级污水处理厂尾水等。经该装置处理后，硝酸盐氮去除率可达60%以上。

[0063] 所处理的污水在装置中的停留时间为20至48小时。

[0064] 实验结果表明：采用本发明中的装置较常规的下行垂直流人工湿地对硝酸盐氮的去除率可提高30-60%。