CN101503244A - 一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于水处理技术领域的一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置。该装置主要由阴极室和阳极室两部分构成，阴极室和阳极室通过质子膜分隔，阳极室内放置形稳性阳极，阴极室主要由均匀布水器和多功能三维复合生物阴极构成，所述多功能三维复合生物阴极主要由供氢系统进气腔、膜丝、包被在膜丝表面的导电多孔柔性碳材料及固定在柔性碳材料一侧、便于外电路连接的导流棒组成，硫酸盐还原菌附着在导电多孔柔性碳材料载体及膜丝表面；外电路由电源提供。本发明具有处理效率高、能耗低、操作稳定、投资小的优点。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置。
背景技术
我国豫、苏、鲁、皖煤矿开采区高硫酸盐高硬度矿井水分布广泛，并造成不同程度的地面及地下水体硫酸盐污染，影响水环境质量与供水安全。电镀、印染、烟气洗脱等工业活动也产生了大量有机物含量较低的硫酸盐废水。
硫酸盐是弱毒性离子之一，饮用水中含有SO4 2-会有苦涩味，浓度超过600mg/L的水普遍会有腹泻反应，易造成消化道损伤(WHO，1996)。除硫酸盐本身的毒性危害外，一旦硫酸盐参与环境中硫的循环时势必带来其他更加不利的影响，如厌氧条件下转化为毒性更强的恶臭H2S，污染腐蚀各类水管、油管及油罐等。
生物脱硫包括硫酸盐还原、硫化物氧化回收S单质两个过程，硫化物的氧化易于通过物化或生物法(如无色硫细菌)实现。对于硫酸盐还原过程，由于矿井排水几乎不含有机物，其难点和关键是碳源和电子供体的供给。为避免产生二次污染和降低成本，以H2为唯一电子供体、CO2为碳源的自养硫酸盐还原引起了广泛关注，价廉的合成气(H2、CO2、CO的混合气)为大规模应用提供了可能。H2的安全性和传质效率是解决应用的关键，目前的研究主要采用气提式反应器和疏水性无泡曝气技术。
气提式反应器通过循环鼓气扰动液相促进传质的方式，其内生物采用悬浮生长或附着在悬浮载体的方式，参见文献“Esposito G，et al.Effect of the sludgeretention time on H2 utilization in a sulphate reducing gas-lift reactor.ProcessBiochemistry，2003，39：491-498”。该方法的不足之处在于需采用较大气体压力，由于氢气溶解度低，气体需要分离H2S、经压缩后循环使用，动力费用较高，且在循环压缩过程中安全隐患较大。疏水性膜反应器采用无泡曝气理念，提高氢气传质效率。还原产生的H2S气体产生在膜外侧，从而不会与膜内的高压气体混合；无需进行气体的再压缩和回用，安全性较高。参见文献“Tabak H H，Govind R.Advances in biotreatment of acid mine drainage and biorecovery of metals：2.Membrane bioreactor system for sulfate reduction.Biodegradation，2003，14：437-452”。该方法存在的问题是微生物附着在膜表面生长，由于膜丝表面积有限，生物量低，反应器处理能力较低。美国专利US6387262B1公开了一种采用束状中空纤维膜组件强化H2传质，实现自养反硝化的装置，膜组件采用束状末端封闭式，膜丝独立，从而防止微生物过量增殖导致膜丝粘连情况，从而确保传质优势，但该装置生物量有限，处理能力低。Terada提出了矿渣纤维沾附在透气性膜表面作为生物附着载体的方法。参见文献“Terada A et al.Rapidautohydrogenotrophic denitrification by a membrane biofilm reactor equipped with afibrous support around a gas-permeable membrane.Biochemical Engineering Journal2006，31：84-91.”
中空纤维膜组件供氢气的装置用于富硫酸盐水处理时，由于硫酸盐浓度较高(多为800～5000mg/L)，需要大量电子供体(H2)，同时为提高单位反应器处理效率，生物量需大幅度提高，从而降低污泥负荷。增大膜丝表面生物附着量有利于提高处理能力，但代价是阻塞膜孔、传质性能下降。此外自养生长较慢，需要强化微生物代谢过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置。
一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置，其特征在于，该装置主要由阴极室9和阳极室21两部分构成，阴极室9和阳极室21通过质子膜19分隔，阳极室21内放置阳极20，阴极室9主要由均匀布水器11和多功能三维复合生物阴极构成，所述多功能三维复合生物阴极主要由供氢系统进气腔13、膜丝10、包被在膜丝表面的导电多孔柔性碳材料8及固定在柔性碳材料8一侧、便于与外电路连接的导流棒17组成，硫酸盐还原菌附着在导电多孔柔性碳材料8载体及膜丝10表面；电源16和阳极20及导流棒17连接。
所述阴极室9下部设置循环水入口12，上部设置循环水出口18，阴极室内水位由第一出水口7控制，第一出水口7连接U型水封4，U型水封4设置第二出水口3；第一气体出口15和电极插口6设置在阴极室9上部，第一气体出口15与气体吸收瓶2相连，气体吸收瓶2设置第二气体出口1，参比电极5插入电极插口6中。
所述碳材料为石墨毡、碳纤维丝或碳纤维毡中的一种或几种。
所述阳极20为形稳性阳极，阳极材料为钛、钛镀钌或钛镀铱。
所述导流棒17材料为石墨、钛、钛镀钌或钛镀铱。
所述膜丝10排布在导电多孔柔性碳材料8内部，单根膜丝独立分布，膜丝10与碳材料8相对位置固定不变。
所述膜丝10是疏水性的，采用末端封闭式；膜丝10呈U型两端汇于进气腔13，或者，膜丝10一端汇于进气腔13，另一端封闭。
所述供氢系统进气腔13设置气体入口14。
本发明的有益效果为：
本发明通过膜丝表面包被导电多孔柔性碳材料防止膜丝粘连，同时增大生物量，改善细菌的生存环境；同时施加低强度电场促进微生物代谢活性，缩短细胞生长停滞期，强化硫酸盐还原能力，提高细菌适应性和废水处理效率。本发明与现有技术相比，具有处理效率高、能耗低、操作稳定、投资小的优点。
附图说明
图1是本发明的装置主体正视图；
图2是多功能三维复合生物阴极示意图；
图中标号：1-第二气体出口；2-H2S吸收瓶；3-第二出水口；4-水封；5-参比电极；6-参比电极插口；7-第一出水口；8-碳材料；9-阴极室；10-膜丝；11-均匀布水器；12-循环水入口；13-供氢系统进气腔；14-气体入口；15-第一气体出口；16-电源；17-导流棒；18-循环出水口；19-质子交换膜；20-阳极；21-阳极室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1
一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置，如图1所示，该装置主要由阴极室9和阳极室21两部分构成，阴极室9和阳极室21通过质子膜19分隔，阳极室21内放置形稳性阳极20(阳极材料为钛镀钌)，阴极室9主要由均匀布水器11和多功能三维复合生物阴极构成，所述多功能三维复合生物阴极(如图2所示)主要由供氢系统进气腔13、膜丝10、包被在膜丝表面的导电多孔柔性碳材料8(碳材料选用石墨毡)及固定在柔性碳材料8一侧、便于与外电路连接的导流棒17(导流棒17为石墨棒)组成，其中，膜丝10排布在导电多孔柔性碳材料8内部，单根膜丝独立分布，膜丝10与碳材料8相对位置固定不变，膜丝10是疏水性的，采用末端封闭式；膜丝10通气端汇于供氢系统进气腔13，另一端穿过导电多孔柔性碳材料8内部，封闭末端，供氢系统进气腔13设置气体入口14；硫酸盐还原菌附着在导电多孔柔性碳材料8载体及膜丝10表面；外电路由电源16提供，电源16和阳极20及导流棒17连接。
阴极室9下部设置循环水入口12，上部设置循环水出口18，阴极室内水位由第一出水口7控制，第一出水口7连接U型水封4，U型水封4设置第二出水口3；第一气体出口15和电极插口6设置在阴极室9上部，第一气体出口15与气体吸收瓶2相连，气体吸收瓶2设置第二气体出口1，参比电极5插入电极插口6中。
阴极室的结构取决于三维复合生物阴极的形状，如采用毡状多孔柔性碳材料，可卷成圆柱形(如图2)；如果采用片状阴极，阴极室可设计为方形，同时为保证传质效果，阴极室可内置折流板。为进一步增大生物量，还可在阴极室添加生物载体，优选导电性能良好的载体。
本发明的装置特别适用于不含有机物的废水中硫酸盐和亚硫酸盐生物还原，可以用于水中各类的含硫化合物：进一步可能的应用包括其他无机硫化合物，如硫代硫酸盐、连四硫酸盐、连二亚硫酸盐、元素硫等。也可用于从水中脱除有机硫化合物，如烷基磺酸盐、二烷基硫醚、二烷基二硫醚。硫醇、砜、亚砜、二硫化碳等。此外也可用于自养反硝化去除硝酸盐和亚硝酸盐等。
实施例2
采用实施例1的装置，进行自配水硫酸盐还原，中空纤维膜采用天津海水淡化所蓝十字膜技术有限公司生产的聚丙烯中空纤维膜丝(疏水性)300根，有效长度为300mm。导电多孔柔性碳材料采用石墨毡(摩根公司生产)300×150×5mm，比表面积为2000m2/g。将膜丝包被在石墨毡内部，封闭膜丝末端。将包被膜丝的石墨毡卷成圆柱形，用尼龙绳等非导电耐腐蚀材料缝合，并与石墨棒(25×6mm)紧密接合便于外电路接线。阴极室采用圆柱型，阳极采用方形，阳极材料为多孔网状钛镀钌电极。
电源16提供适宜电场环境，电源正极接阳极20，负极通过导流棒17接三维复合生物阴极，控制合适的电场强度，多功能三维复合生物阴极集强化氢气传质、微生物附着和电化学原位提供电子供体功能为一体，微生物在微弱电流的作用下代谢活性增强，从而提高体系硫酸盐还原能力。直流电流为0.5mA。
自配水硫酸盐经过恒流泵由循环水入口12通过均匀布水器11进入阴极室9，进水硫酸盐浓度为1000mg/L，循环流速为70mL/min，加强扰动促进传质并避免对造成生物膜脱落，水力停留时间12.4h，循环水由循环出水口18流出，阴极室内水位由第一出水口7控制，经过U型水封4由第二出水口3排出；开启电源，阳极室21电解产生的H+经过质子交换膜19进入阴极室9，中和部分碱度；H2等混合气体(电子供体)由气体入口14经供氢系统进气腔13进入膜丝10，进气为H2/CO2＝90/10(v/v)，气体流量为50ml/min，进气压力约为0.05atm，以微泡形式进入水相，并迅速被膜丝10表面及多孔碳材料8表面附着的硫酸盐还原菌利用，气相产物H2S经由阴极室上方第一气体出口15和气体吸收瓶2吸收，剩余气体从第二气体出口1排出；进气中含有的少量CO2也可起到中和碱度的作用，通过上述pH调节措施可控制阴极室9内的酸碱环境和硫化物浓度，pH控制范围为6～9；参比电极5由参比电极插口6插入可测定和用于连接恒电位仪控制阴极电极电势。
膜丝在多孔碳材料内部均匀、紧密排布，由于生物更易附着于多孔碳材料表面，可有效防止中空纤维膜表面因附着过量生物而阻塞膜孔，保持高效的H2传质性能。
连续运行稳定后，I＝0.50mA条件下硫酸盐去除率为75.7％，反应器处理能力为1.45g/(L·d)-1，能耗为循环泵能耗和通电电能，其中电能消耗仅为0.084kJ/d。而不通电时，硫酸盐去除率为66.2％，反应器处理能力为1.27g/(L·d)-1。
本发明所述气相电子供体可以是H2，也可以工业合成气(H2/CO/CO2混合气)或上述气体的不同比例的混合气。必要时，还可以添加营养元素，包括氮、磷、维生素及微量元素等。
本装置出水所含溶解态硫化物(S2-、HS-及少量H2S)经过后氧化处理过程(如无色硫细菌、低氧条件下部分氧化等)，可得产物元素硫，硫单质可通过沉降、过滤、离心或浮选法等分离再利用。
Claims (8)
1、一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置，其特征在于，该装置主要由阴极室(9)和阳极室(21)两部分构成，阴极室(9)和阳极室(21)通过质子膜(19)分隔，阳极室(21)内放置阳极(20)，阴极室(9)主要由均匀布水器(11)和多功能三维复合生物阴极构成，所述多功能三维复合生物阴极主要由供氢系统进气腔(13)、膜丝(10)、包被在膜丝表面的导电多孔柔性碳材料(8)及固定在柔性碳材料(8)一侧、便于与外电路连接的导流棒(17)组成，硫酸盐还原菌附着在导电多孔柔性碳材料(8)载体及膜丝(10)表面；电源(16)和阳极(20)及导流棒(17)连接。
2、根据权利要求1所述的一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置，其特征在于，所述阴极室(9)下部设置循环水入口(12)，上部设置循环水出口(18)，阴极室内水位由第一出水口(7)控制，第一出水口(7)连接U型水封(4)，U型水封(4)设置第二出水口(3)；第一气体出口(15)和电极插口(6)设置在阴极室(9)上部，第一气体出口(15)与气体吸收瓶(2)相连，气体吸收瓶(2)设置第二气体出口(1)，参比电极(5)插入电极插口(6)中。
3、根据权利要求1所述的一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置，其特征在于，所述碳材料为石墨毡、碳纤维丝或碳纤维毡中的一种或几种。
4、根据权利要求1所述的一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置，其特征在于，所述阳极(20)为形稳性阳极，阳极材料为钛、钛镀钌或钛镀铱。
5、根据权利要求1所述的一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置，其特征在于，所述导流棒(17)材料为石墨、钛、钛镀钌或钛镀铱。
6、根据权利要求1所述的一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置，其特征在于，所述膜丝(10)排布在导电多孔柔性碳材料(8)内部，单根膜丝独立分布，膜丝(10)与碳材料(8)相对位置固定不变。
7、根据权利要求1所述的一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置，其特征在于，所述膜丝(10)是疏水性的，采用末端封闭式；膜丝(10)呈U型两端汇于进气腔(13)，或者，膜丝(10)一端汇于进气腔(13)，另一端封闭。
8、根据权利要求1所述的一种复合功能的强化自养生物脱硫的装置，其特征在于，所述供氢系统进气腔(13)设置气体入口(14)。
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| CN105060630A (zh) * | 2015-08-01 | 2015-11-18 | 安徽工程大学 | 一种酸性矿井废水的治理装置 |
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