CN100436340C

CN100436340C - 一种导电型水处理填料

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Publication number: CN100436340C
Application number: CNB2005100623925A
Authority: CN
Inventors: 许炉生
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2005-12-31
Filing date: 2005-12-31
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2025-12-31
Also published as: CN1966425A

Abstract

本发明提供了一种导电型水处理填料，所述的水处理填料表面涂覆有导电性涂料，所述的填料为弹性填料、组合填料、软性填料、半软性填料或化工填料，所述导电涂料是以碳粉为主要导电材料的胶乳。本发明所述的导电型水处理填料的有益效果主要体现在：(1)挂膜时间缩短，只要3～14天就可以得到生长良好的微生物膜；(2)有机物降解快：芳香烃类有机物的降解速率超过纯化优选的专性降解菌；对于废水中的硝基、亚硝基，实现了不需要外加碳源的反硝化，降低了废水排放的有机物浓度，有利于提高出水水质；(3)用涂装方法得到导电生物填料，加工方便使用简单。

Description

一种导电型水处理填料

(一)技术领域

本发明涉及一种新型的水处理填料，该填料由普通水处理填料上涂覆导电涂料而获得导电能力，主要用于生化法水处理领域，如地表水生物预处理、废水生物接触氧化处理等，亦可作为电极用于电化学反应器和重金属废水的处理。

(二)背景技术

生物处理是水处理中去除有机物、氮、磷等污染物的主要方法，在给水、废水处理中得到了广泛应用。在生化反应器中填装填料，微生物在水处理填料表面生长，可以增加微生物在反应器中的停留时间，增强系统稳定性，提高生物浓度，从而提高处理效率。

目前，水处理填料的材质主要是醛化维伦、聚乙烯、聚丙烯等高分子材料，加工为纤维、弹性丝和中空几何体，充填于水处理反应器中。这些填料为微生物提供了充足的附着生长面积，但高分子材料表面化学惰性，除了提供附着面积外，不能提供更多的功能。而对填料表面进行改性，不仅能改善微生物的附着和生长，还能赋予填料表面更多的功能。本发明的目的，就是在填料表面涂复导电层，形成生物膜电极填料，并开发出以此为基础的新型水处理工艺。

生物膜电极的研究始于1988年，U.Fuchs等将生物处理方法与电化学方法结合起来，应用于硝化-反硝化除氮。他们以金属容器作为阴极，设计多种形状的金属放置在阴极容器中作为阳极，电极之间施加电压。废水中的NH₄ ⁺首先在亚硝化菌作用下转化为NO₂ ^-，再经电解转化为N₂。1990年，M.Senda将氧化还原酶修饰在电极上，应用于传感器和反应器中，实现了酶反应的电化学控制。之后，在酶修饰化学电极方面取得了蓬勃的发展。

1992年，R.B.Mellor等首次提出电极-生物反应器的概念。他们将NO₃ ^-、NO还原酶与藏红T等具有电子传递能力的染料基质相混合后，涂布在阴极表面，制成酶电极反应器，经过固定酶有效地提供还原能力。1993年，Y.Sakibara等人直接将脱氮菌固定在阴极表面，对地面水和饮用水低浓度NO₃ ^-进行处理，取得了很好的效果。在推导模型时，提出了电极生物膜的概念，J.R.V.Flora则称之为生物膜电极。

目前，国际上的生物膜电极研究均为石墨或金属材质的平板电极上进行的实验室研究，未见工业化研发报导。在工业应用中，平板电极所能提供的比表面积一般不超过20m²/m³，且大面积的平板电极在制作、安装、维护上都有很高的技术难度，从而导致成本高昂，实际上不可能在水处理中大规模应用。

而通过在水处理填料上涂装导电层的方式，对水处理填料的表面进行了功能化改性，使其具有导电能力，可以制作成比表面积高达250～300m²/m³的三维电极填料。该导电型填料制作简单、安装方便，维护、更换简易，具有良好的工业应用前景。

在应用上，目前国内外关于生物膜电极的文献报导集中于反硝化，均强调阴极电解产氢，提供给阴极微生物作为底物，以还原NO₃ ^-。而根据申请者的研究，芳香类有机物在生物膜电极上也可以得到良好的降解。对氯苯的研究表明，在生物膜电极上的降解速度可以达到高效降解菌降解速度的5倍，电极电位强化了微生物对芳香类有机物的降解能力。因此，该新型导电填料不仅可用于反硝化水处理，更可广泛用于水中毒害性有机物的电-生物联合催化降解。

最后，生物膜电极填料电极之间的电场，对微生物形成了电泳作用，强化了微生物在填料上的吸附，加速了微生物在填料表面的生长。对化工废水的处理实验中，普通填料需要20天的微生物挂膜生长过程，在生物膜电极上7天时间即可完成。

(三)发明内容

本发明即是为了提供一种微生物挂膜时间短、处理效果好的导电型水处理填料。

为达到发明目的本发明采用的技术方案是：

一种导电型水处理填料，所述的水处理填料表面涂覆有导电性涂料，所述的填料为弹性填料、组合填料、软性填料、半软性填料或化工填料，所述导电涂料是以碳粉为主要导电材料的胶乳。所述导电性涂料可直接购买已有的碳系导电涂料成品，也可按以下配比自行配制：碳粉10～30份，聚氨酯涂料胶乳或聚丙烯酸酯涂料10～80份，助剂5～80份。所述助剂包括分散剂、稳定剂等，以帮助碳粉在涂料中的分散和稳定。

当所述的聚氨酯或聚丙烯酸酯涂料为水性涂料时，所述助剂为水。上述的导电性涂料还可添加1～5份的表面活性剂，所述的表面活性剂优选为十二烷基苯磺酸钠。

具体的，所述导电性涂料重量组成如下：石墨粉20份，水50份，水性丙烯酸酯涂料50份，十二烷基磺酸钠5份。

或者，所述导电性涂料重量组成如下：石墨粉10份，碳纤维短丝10份，水30份，水性聚氨酯涂料50份，十二烷基磺酸钠5份。

又或者，导电性涂料重量含量如下：乙炔炭黑10份，聚乙烯缩乙醛涂料30份，二甲基甲酰胺60份。

所述的导电型水处理填料主要用于水处理，用于除去水中的有机物或硝基污染物。使用时，将填料规则悬挂排布，分别接通直流电源的正、负极，吸附、培养微生物，即构成生物膜电极水处理工艺。也可将填料堆放，用石墨棒、石墨板导入直流电，利用填料之间的接触传导电流，形成随机的阴、阳极分布，并培养微生物吸附生长，所处理的水从填料孔隙中流过，接触填料表面微生物而得到处理。

对于悬挂式填料，可将导电型水处理填料串联后分列分排悬挂于水处理器中，所述的导电型水处理填料同排串联后隔排的导电型水处理填料并联，相邻排导电型水处理填料分别与电源正极、负极电连接。悬挂两排时，将其分别与电源正负极相连即可，悬挂多排时，则交错连接直流电源的正、负极，通电，形成电解的阴、阳两极(如图1、2所示)。而对于化工填料，可以将其堆放在反应器中，用多孔绝缘材料隔成两腔室，在两腔室填料堆中分别插入导体，所述其中一个腔室的导体与电源正极电连接，另一腔室的导体与负极电连接。多孔绝缘材料的作用是将连接不同电源电极的水处理填料隔开，但水可从其孔隙中通过。本发明中，可采用绝缘膜将水处理填料隔成两部分，分别将阴阳集电极插入通电，形成三维电极(如图3所示)。将活性污泥接种进反应器，并添加营养物质进行培养。在电泳作用下，阴、阳两极将分别吸附微生物，生长成熟后成为可以将电极(填料)整体包覆的生物膜。该培养过程大约需要3～14天。生物膜生长成熟以后，对水中有机物、硝基等污染物具有良好的去除能力。

研究表明，多种类的芳香烃类物质可以在生物膜电极上降解，且降解速率高于常规纯化筛选的高效降解菌。质谱检测表明，芳香烃类底物均被彻底降解开环，产物为乙酸、戊酸等羧酸类，并进一步被微生物合成利用，从水中去除。

在生物膜电极催化条件下，各种芳香类有机物均能较快的开环降解，其途径罗列如下：

苯胺：

硝基苯：

氯苯：

本发明所述的导电型水处理填料的有益效果主要体现在：

(1)所得导电型水处理填料接通直流电源后，直流电场引发电泳作用，加快微生物在电极上的附着生长，挂膜时间缩短，只要3～14天就可以得到生长良好的微生物膜，而普通水处理填料要7～30天。

(2)对于水中的有机物，由于电化学催化作用的存在，加快了有机物降解的整体速率。芳香烃类有机物的降解速率超过纯化优选的专性降解菌；CODcr 4000mg/L的抗生素工业废水，8小时内去除了70％的CODcr，且废水的可生化性从0.20上升到0.35，而普通生化方法达到同等COD去除率则需要48小时以上的停留时间，且废水的可生化性无法提高；对于水中的硝基、亚硝基，阴极直接给微生物提供电子，实现了不需要外加碳源的反硝化，降低了水中的有机物浓度，有利于提高水质。

(3)用涂装方法得到导电生物填料，加工方便使用简单。导电涂料的配制配方广泛，在各种涂料中加入碳粉均可得到导电涂料，可以根据不同的应用工艺要求选用。

(四)说明书附图

图1为应用悬挂式填料的水处理器俯视示意图；

图2为应用悬挂式填料的水处理器剖面示意图；

图3为应用堆放式填料的水处理器剖面示意图。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1：导电型水处理填料制备

主要原料：市售φ15cm的弹性填料(上海石化水域环保厂)，水性聚丙烯酸酯涂料(天津市群汇密封材料厂)

导电涂料配方：石墨粉2kg，水5kg，水性聚丙烯酸酯涂料5kg，十二烷基磺酸钠0.5kg

将以上配方物质混合均匀，浸渍弹性填料表面，80度下烘干2小时，即得成品。

实施例2：导电型水处理填料制备

主要原料：江西全兴化工填料有限公司生产的阶梯环塑料填料，温州环宇公司生产的水性聚氨酯涂料

导电涂料配方：石墨粉1kg，碳纤维短丝1kg，水3kg，水性聚氨酯涂料5kg，十二烷基磺酸钠0.5kg

将以上配方物质混合均匀，喷涂在化工填料表面，80度下烘干2小时，即得成品。

实施例3：导电型水处理填料制备

主要原料：上海石化水域环保厂生产的φ15cm弹性填料，上海顺强生物科技有限公司生产的聚乙烯缩甲乙醛涂料

导电涂料配方：乙炔炭黑1kg，聚乙烯缩甲乙醛涂料3kg，二甲基甲酰胺6kg

将以上配方物质混合均匀，刷涂在弹性填料表面，80度下烘干1小时，再升温至110度热固化2小时，即得成品。

实施例4：

将实施例1所得填料按梅花状在水处理反应器中规则排列，并交错连接直流电源的正、负极(连接方式为抱箍，参见图1、图2)，接通0～10V可调直流电源，形成电解的阴、阳两极。将活性污泥接种进反应器，并添加营养物质进行培养。在电泳作用下，阴、阳两极将分别吸附生长微生物，生长成熟后成为可以将填料整体包覆的生物膜。该培养过程大约需要3～14天。挂膜成功后，即形成生物膜电极水处理工艺。对CODcr为4000mg/L的抗生素工业废水的处理效果表明：可以在8小时内去除70％的CODcr，且废水的可生化性(BOD₅/CODcr)从0.20上升到0.35。

实施例5：

将实施例2所得导电填料乱堆在水处理反应器中，分别以两根碳棒为阴、阳集电极(参见图3)，并连接直流电源，反应器接种并培养电极生物膜后，即形成生物膜电极水处理工艺。对模拟废水的处理表明：阴极提供电子直接供微生物还原水中的硝基、亚硝基，在8小时内，硝基浓度从40mg/L下降到3mg/L，实现了不需要外加碳源的反硝化，处理后水中的CODcr浓度低达50mg/L，远远低于国家排放标准所规定的100mg/L浓度限值。

Claims

1.一种导电型水处理填料，其特征在于：所述的水处理填料表面涂覆有导电性涂料，所述的填料为弹性填料、组合填料、软性填料、半软性填料或化工填料，所述导电涂料为以碳粉为主要导电材料的胶乳。

2.如权利要求1所述导电型水处理填料，其特征在于：所述导电性涂料主要成分重量含量如下：

碳粉 10～30份

聚氨酯或聚丙烯酸酯涂料 10～80份

助剂 5～80份。

3.如权利要求2所述的导电型水处理填料，其特征在于所述的聚氨酯或聚丙烯酸酯涂料为水性涂料，所述助剂为水。

4.如权利要求3所述的导电型水处理填料，其特征在于所述导电性涂料还含有1～5份的表面活性剂。

5.如权利要求4所述的导电型水处理填料，其特征在于所述的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。

6.如权利要求5所述的导电型水处理填料，其特征在于所述导电性涂料重量组成如下：

石墨粉 20份

水 50份

水性丙烯酸酯涂料 50份

十二烷基磺酸钠 5份。

7.如权利要求5所述的导电型水处理填料，其特征在于所述导电性涂料重量组成如下：

石墨粉 10份

碳纤维 10份

水 30份

水性聚氨酯涂料 50份

十二烷基磺酸钠 5份。

8.如权利要求1所述的导电型水处理填料，其特征在于所述导电性涂料重量含量如下：

乙炔炭黑 10份

聚乙烯缩乙醛涂料 30份

二甲基甲酰胺 60份。

9.权利要求1所述的导电型水处理填料在废水处理中的应用。

10.如权利要求9所述的导电型水处理填料在废水处理中的应用，其特征在于所述的废水处理为除去有机物或硝基污染物。

11.如权利要求9所述的导电型水处理填料在废水处理中的应用，其特征在于导电型水处理填料串联后分列分排悬挂于水处理器中，所述的导电型水处理填料同排串联后隔排的导电型水处理填料并联，相邻排导电型水处理填料分别与电源正极、负极电连接。

12.如权利要求9所述的导电型水处理填料在废水处理中的应用，其特征在于导电型水处理填料堆放于水处理器中，用多孔绝缘材料隔成两腔室，在两腔室填料堆中分别插入导体，所述其中一个腔室的导体与电源正极电连接，另一腔室的导体与负极电连接。