一种利用微藻耦合生物电湿地系统去除氨氮的方法

本发明属于水环境治理领域，具体涉及一种利用微藻耦合生物电湿地系统去除氨氮的方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、水环境恶化是现代社会关注的重要问题。目前流行的氮去除技术主要是通过细菌的硝化反硝化工艺，存在高能耗和资源消耗的问题，而且该方法无法适用于自然水体中的氮元素超标。

3、人工湿地是一种典型的经济高效的水环境治理技术，模拟自然湿地的结构与功能，利用系统中填料、水生植物和微生物的物理、化学、生物三重协同作用，通过填料的拦截、过滤、沉淀、吸附、吸收、离子交换、络合反应等物理化学作用以及植物吸收和微生物分解等作用对污水进行高效净化。目前人工湿地已成为生态修复和污水治理的重要手段，是一种全球广泛应用的污水处理技术。

4、湿地电化学系统利用人工湿地垂直方向存在的天然氧化还原梯度与微生物电化学系统的相兼容已成为一项有前景的技术。生物电化学系统是一种低能耗/资源消耗的污水处理新模式微生物电化学系统在无需外能输入的情况下以产电微生物为催化剂对环境中的有机污染物进行代谢降解，将有机物中的化学能直接转化为电能，同时实现了污染物的高效去除和发电，是一种新型能源再生技术。生物电化学系统利用电化学活性微生物氧化有机物并产生电子、质子和其他代谢产物，在废水处理过程中具有可再生能源生产的潜力。

5、专利cn110683648a公开了一种微生物燃料电池耦合人工湿地的污水脱氮系统及方法，通过人工湿地与微生物燃料电池两项技术的深度耦合，同步实现有机物去除，但其氨氮去除效率仍有待提升。

技术实现思路

1、正如背景技术所介绍的，现有脱氮工艺存在能耗高，无法适用于自然水体等问题，而传统的人工湿地对污染物去除能力有限，为了解决如上的技术问题，本发明提供一种利用微藻耦合生物电湿地系统去除氨氮的方法，该方法通过结合微藻、生物电化学系统和湿地系统建立微藻耦合生物电湿地系统，利用阴极附件微藻光合产氧，促进氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌将大部分的nh4+转化为no2-和no3-完成硝化反应，同时有机物在阳极室氧化产生电子通过外接电路到达阴极对no2-和no3-进行反硝化，之后剩余的硝态氮流入阳极室通过反硝化去除。本发明提供了一种新的氨氮去除方法，本系统在净化水体方面具有重要潜力。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面，提供了一种利用微藻耦合生物电湿地系统，包括：垂直潜流式生物电湿地系统；

4、所述垂直潜流式生物电湿地系统为连续潜流人工湿地系统，水流方向为由上往下，湿地结构由下到上依次为防渗层、基质层、水体层、湿地植物；阳极位于所述基质层，阴极位于水体层的近水面层，阴极室和阳极室之间设置有隔膜，阴极和阳极采用电连接；

5、所述阴极室内设置有微藻和好氧污泥。

6、微藻是具有高效脱氮除磷能力的光合生物，在污水处理方面优势显著，能够实现污染物高效处理。在微生物电化学系统中，微藻通过光合作用产生的氧气能够被用作阴极电子受体促进电化学反应。在阴极室中，利用微藻光合产氧，促进微生物活动。将微藻与湿地电化学系统相结合，能够进一步提高污染物的去除能力。

7、在微藻生物电湿地系统中大部分nh4+首先在好氧情况下由氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌转化为no2-，和no3-，促进了氨氮在阴极室的氧化去除，同时部分no2-和no3-在阴极作为电子受体，被还原成n2。剩余的no2-，no3-进入阳极室通过反硝化等途径去除。有机化合物通过阳极被氧化去除，此过程释放电子并通过外部电路转移到阴极。上述氨氮去除方法在净化污水和地表水方面具有极大应用潜力。

8、在一些实施方式中，所述防渗层包括：黏土防渗层和混凝土防渗墙。

9、在一些实施方式中，所述基质层主要包括填料、土壤。

10、在一些实施方式中，所述填料选自细沙、粗砂、陶粒、石灰石、黏土中至少一种。

11、在一些实施方式中，水体为污水或富营养化的自然水体。

12、在一些实施方式中，所述阴极或阳极材料包括：活性炭颗粒、碳毡、碳布。所述阴阳极通过外电路连接。

13、在一些实施方式中，所述微藻的种类为绿藻；

14、优选的，所述绿藻包括但不限于小球藻、栅藻。所述藻类生长在阴极附近，形成藻菌系统。

15、在一些实施方式中，所述湿地植物为根生挺水植物，包括但不限于芦苇、香蒲、美人蕉。

16、本发明的第二个方面，提供了一种上述微藻耦合生物电湿地系统去除氨氮的方法，包括：

17、采用上述的微藻耦合生物电湿地系统对水体中的氨氮进行去除。

18、具体为：在垂直潜流式生物电湿地系统的阴极加入一定比例的微藻和好氧污泥，利用微藻光合作用产氧和细菌的硝化作用将入水氨氮氧化为硝态氮，硝态氮首先在阴极反硝化，随后进入阳极进行反硝化去除。

19、本发明的第三个方面，提供了上述的微藻耦合生物电湿地系统在水处理中的应用。

20、本发明的有益效果

21、(1)本发明以微藻耦合生物电湿地系统为基础，不仅可以通过微藻生长来吸收氮元素，还能充分耦合氨元素的浓度形态和系统的氧化还原状态，完成氮元素的硝化反硝化过程。

22、(2)本发明通过微藻光合产生的氧气创造阴极室好氧条件，无需机械曝气，降低了能源损耗。相比于传统脱氮工艺更节约能耗，且操作便捷。

23、(3)本发明除了去除氨氮外，对有机物和磷也有很好的去除效果。磷元素可通过微藻吸收去除，有机物可在阳极作为电子供体被去除。

24、(4)本发明中氨氮通过微藻吸收、阴极室硝化作用、阴极反硝化和阳极反硝化等脱氮过程，氮元素去除效率高。

25、(5)本系统相比于传统脱氮工艺，污泥产生量少，减少二次污染问题。

26、(6)本发明还可以产生电能，电能可回收利用，或用于水质检测。

技术特征：

1.一种利用微藻耦合生物电湿地系统，其特征在于，包括：垂直潜流式生物电湿地系统；

2.如权利要求1所述的利用微藻耦合生物电湿地系统，其特征在于，所述防渗层包括：黏土防渗层和混凝土防渗墙。

3.如权利要求1所述的利用微藻耦合生物电湿地系统，其特征在于，所述基质层主要包括填料、土壤。

4.如权利要求3所述的利用微藻耦合生物电湿地系统，其特征在于，所述填料选自细沙、粗砂、陶粒、石灰石、黏土中至少一种。

5.如权利要求1所述的利用微藻耦合生物电湿地系统，其特征在于，水体为污水或富营养化的自然水体。

6.如权利要求1所述的利用微藻耦合生物电湿地系统，其特征在于，所述阴极或阳极材料包括：活性炭颗粒颗粒、碳毡、碳布。

7.如权利要求1所述的利用微藻耦合生物电湿地系统，其特征在于，所述微藻的种类为绿藻；

8.如权利要求1所述的利用微藻耦合生物电湿地系统，其特征在于，所述湿地植物为根生挺水植物，包括但不限于芦苇、香蒲、美人蕉。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述微藻耦合生物电湿地系统去除氨氮的方法，其特征在于，包括：

10.权利要求1-8任一项所述的微藻耦合生物电湿地系统在水处理中的应用。

技术总结
本发明属于水环境治理领域，具体涉及一种利用微藻耦合生物电湿地去除氨氮的方法。所述方法具体为：耦合微藻污水处理技术、电化学技术和湿地技术，利用阴极附近微藻和植物光合产氧，促进阴极区域氨氮转化为硝态氮，硝态氮在阴极被还原后，剩余的硝态氮流入阳极室在进行厌氧反硝化，从而实现氨氮的高效去除。此外该系统对有机物和磷元素也有较好的去除效果。本发明相比于传统的脱氮工艺具有节省曝气单元，不产生污泥，操作简单，处理效果好等优势，在水环境治理领域拥有极大的应用潜力。

技术研发人员：杨志刚,刘秀涵,李云飞,陈飞勇,母锐敏,史雅兰
受保护的技术使用者：山东建筑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/15