微生物燃料電池耦合系統(tǒng)廢水脫氮探討

李志浩

摘 要：本文先對常見的集中廢水脫氮工藝技術(shù)方法進行了探討，之后，以試驗分析方式研究了微生物燃料電池耦合廢水系統(tǒng)脫氮技術(shù)運用。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池;廢水脫氮;耦合系統(tǒng)

引言：工業(yè)化與城市化快速發(fā)展，使微生物燃料電池耦合系統(tǒng)的廢水處理工作得到了廣泛關(guān)注。特別是在一些工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，過量氮元素會加大環(huán)境中自潔壓力，導致河流、湖泊等水體出現(xiàn)嚴重富營養(yǎng)化，使生態(tài)系統(tǒng)服務功能退化，直至完全喪失。因此，控制含氮污水排放是迫在眉睫的環(huán)境污染治理工作。

一、常見廢水脫氮工藝技術(shù)方法

（一）物理化學法

化學沉淀方法是利用金屬離子與硫酸鹽沉淀作用，去除廢水中的污染元素。這種工藝技術(shù)中經(jīng)常使用的金屬離子包括鈣離子、鋇離子等。使用鈣離子化學沉淀方法，能去除印染廢水中的硫酸鹽，去除有效率為30%，鋇離子的去除率能達到100%?；瘜W沉淀方法工藝原理簡單而且操作比較方便，去除率較高。但在實際應用中，需要引入重金屬離子，所以前期投資較高[1]。吸附方法是利用天然鋇礦石對廢水中的有害污染成分進行吸附，在酸堿度為9的廢水中停留80分鐘左右，吸附有效率能達到50%。

電滲析方法是利用離子交換膜選擇透過性的特征，以外加電場作用，將污染物從廢水中分離出來。但是這種方法需要離子交換膜并且電能消耗較高，所以經(jīng)濟成本高，使用較少。

（二）生物法

生物法中最具有代表性的是單相厭氧工藝技術(shù)，這一技術(shù)主要是利用硫酸鹽厭氧反應對厭氧硝化產(chǎn)生初級與次級抑制作用。單相吹脫工藝是在傳統(tǒng)單相厭氧基礎上發(fā)展而來，優(yōu)勢在于能利用氣體惰性進行還原反應，降低廢水中污染物的毒害作用，并減弱對其他厭氧菌的抑制作用，使系統(tǒng)可以有效去除30%以上的污染物。

二、微生物燃料電池耦合系統(tǒng)廢水脫氮試驗探究

（一）試驗材料與方法

1.材料

選擇雙室微生物燃料電池作為本次研究的主要材料，兩極室接種厭氧氨氧化活性污泥，陰極選擇鐵氰化鉀電解液，用于接受電子。陰陽極室有效容積均為400毫升，兩極室由質(zhì)子交換膜相隔，電極選用碳氈的，每個極室放置四片，并由鈦絲固定好。外部電路使用串聯(lián)1000歐的定值電阻，并聯(lián)數(shù)據(jù)采集卡，再將數(shù)據(jù)采集卡和電腦相連，確保采集到的數(shù)據(jù)都能直接保存到電腦[2]。

2.方法

接種污泥是厭氧氨氧化菌培養(yǎng)物，從實驗室內(nèi)取運行穩(wěn)定且時間超過一年的UASB反應器，污泥呈現(xiàn)磚紅色顆粒狀，有較高的厭氧氨氧化活性，測量獲得反應器內(nèi)優(yōu)勢菌屬，接種量為陽極室有效氣體的5%。

研究使用模擬廢水保證氮氧離子、氮氫離子比例對為1：1.32，以適應厭氧氨氧化反應，沒升溶液添加的微量元素濃縮液體積為1毫升，并使用氮氣進行10分鐘曝氣，確保溶解率在0.2毫克/升以內(nèi)，之后，將pH值調(diào)節(jié)到7.5左右。

陽極室每日進行1次基質(zhì)更換，每次更換定義為1周期。陰極室以連續(xù)流進水模式，調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，使電解液每日流量為400毫升，陰陽極室各放置1個磁力轉(zhuǎn)子，保證溶液濃度一致。使用水浴加熱模式，控制微生物燃料電池運行狀態(tài)溫度為30攝氏度，并使用數(shù)據(jù)采集卡以每分鐘1次頻率進行加壓，數(shù)據(jù)直接保存到與其相連的電腦系統(tǒng)上。

（二）試驗結(jié)果分析

1.試驗結(jié)果

陽極微生物燃料電池耦合系統(tǒng)在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，鎖定進水的氨氮濃度與亞硝氮濃度，可確保出水的氨氮、硝氮、亞硝氮的濃度分別在5.28、4.78和0.54毫克/升以下，總?cè)コ俾蕿槊咳?.11千克/標準立方米，出水總氮小于5.63毫克/升，氮總脫出效率在95%以上。

2.結(jié)果分析

在研究中發(fā)現(xiàn)，出水亞硝氮的濃度偏低，主要是因為進水部分添加了少量有機碳源，促進反硝化反應，略提升水氨氮比例。當?shù)蹼x子與氮氫離子反應時，化學計數(shù)量在1.54左右，反應化學計量數(shù)為0.07。結(jié)果證明，陽極有一定反硝化能力，優(yōu)勢在于能促進水亞硝氮與硝氮比例降低，但是，如果長期運行可能會引起反硝化過強，導致厭氧氨氧化反應離子電子受體情況發(fā)生，使厭氧氨氧化反應提前結(jié)束。廢水中的氨氮濃度上升，說明厭氧氨氧化與反硝化平衡調(diào)控是確保微生物燃料電池耦合系統(tǒng)廢水穩(wěn)定脫氮的關(guān)鍵點。

當陽極厭氧氨氧化微生物電池處于持續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài)時，能夠鎖定進水部分的安陽濃度與亞硝胺濃度。當系統(tǒng)單日最高輸出的電壓與功率密度相對穩(wěn)定時，最大輸出電壓為62毫伏，此時功率為0.74兆瓦/立方米。通過系統(tǒng)進行持續(xù)兩周觀測，得到單日最高輸出電壓呈現(xiàn)出波動的狀態(tài)，同時，最低輸出的電壓僅為21毫伏。經(jīng)過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，電能產(chǎn)量并沒有出現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化，因此，推測僅以厭氧氨氧化為陽極主體，反應難以產(chǎn)生高額輸出電壓。而厭氧氨氧化反應產(chǎn)電機制還沒有被徹底探清，所以產(chǎn)電原因尚不可知。這一研究結(jié)果與同領(lǐng)域其他關(guān)于微生物燃料電池耦合系統(tǒng)廢水脫氮研究所得出的結(jié)果有一致性，部分學者利用厭氧氨氧化生物陰極除氨產(chǎn)電，得到最大輸出功率為92兆瓦/立方米。此外，將部分厭氧氨氧菌接種到微生物燃料電池耦合系統(tǒng)中，電池陽極中處理氨氮含量高的垃圾滲濾液，所得輸出功率約為0.22瓦/立方米左右。高功率密度原因為進水化學需氧量濃度高，但是反硝化會徹底抑制厭氧氨氧化，使裝置無法始終保持穩(wěn)定運行狀態(tài)。

當厭氧氨氧化與反硝化處于平衡狀態(tài)時，微生物燃料電池能取得較好脫氮效果，但是此時所產(chǎn)生的電能并不強，系統(tǒng)產(chǎn)能效果并不理想。通過控制進水化學需氧量，優(yōu)化裝置的脫氮效果，很難維持其長期穩(wěn)定運行，而且會產(chǎn)生周期性水氮濃度波動情況。為避免類似問題發(fā)生，可增加陽極進水化學需氧量濃度方式，并對此進行專項測試。研究證明，保持進水氨氮與亞硝氮濃度不變，僅調(diào)整進水化學需氧量，當其濃度達到125～150毫克/升時，單周期最高電壓達到65～59毫伏，結(jié)果與產(chǎn)能前相比，幾乎保持不變。證明當調(diào)節(jié)進水化學需氧量單項指標時，出水氨氮含量增加，不會增加裝置的產(chǎn)電能力，通過增加進水亞硝氮含量，出水氨氮含量會略有降低。

總結(jié)：綜上所述，隨著微生物燃料電池耦合治理方法研究持續(xù)深入，與之有關(guān)的生物脫氮技術(shù)也得到了相應發(fā)展，這一技術(shù)的研究正朝著更加實用與現(xiàn)代化的發(fā)展方向，不斷優(yōu)化升級最終成為能為廢水處理提供高效、高產(chǎn)能的新技術(shù)。

參考文獻：

[1]孔志遠.厭氧氨氧化微生物燃料電池同步脫氮產(chǎn)電性能及機理研究[D].內(nèi)蒙古大學，2019.

[2]李文英，任瑞鵬，呂永康.微生物燃料電池在水與廢水脫氮方面的研究進展[J].化工進展，2019，38（02）：1097-1106.