CN103964572B - 生物膜电极与uasb耦合反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种污水处理装置，属于污水处理领域，具体为生物膜电极-UASB耦合反应器，包括反应器筒体、生物膜电极体系、电化学测试系统和阴极电势测试装置；反应器筒体内从下往上依次包括布水板、生物膜电极体系；生物膜电极体系与三相分离器之间为污泥床区；生物膜电极体系包括阳极、阴极，阴极电势测试装置包括参比电极、盐桥、密封电解液，盐桥将阴极附近的污泥床区与密封电解液连通；参比电极一端与密封电解液连接，另一端与电化学测试系统连接。本发明提供的生物膜电极-UASB耦合反应器，通过微电场与微生物的耦合作用，促进微生物对有机污染物的氧化代谢，提高COD去除率；同时微电场可促进体系内电子传递，提高污染物降解速率。
Description
技术领域
本发明涉及一种污水处理装置，具体为生物膜电极与UASB耦合反应器。
背景技术
自上世纪70年代Lettinga和Hulshoff在上流式厌氧污泥床反应（UASB）中发现污泥颗粒化现象以来，有关厌氧颗粒污泥的研究受到广泛关注。然而也同时存在启动时间长、系统易酸化、抗负荷冲击能力差、可利用电子供体不足等问题，且往往无法将有毒难降解物质完全矿化。
电解处理技术无需额外添加化学药品，具有占地少，操作简便灵活等优点，作为一种成熟的水处理技术，广泛应用于处理电镀废水、印染废水、制药废水等领域。电解法具有反应速度快、去除效率高等优点，但同时也存在运行成本高、有机物矿化程度低等缺点，且能耗是电解法最大的缺点
许多研究尝试将多种处理技术结合使用，达到废水高效处理的目的。研究者陆续开发了一系列耦合工艺，以生物膜电极为载体的厌氧微生物耦合工艺，是新兴的废水处理技术，该技术通过电极与微生物间电子转移为微生物代谢提供电子供受体，强化微生物代谢功能，从而实现目标污染物降解。电化学-生物耦合工艺在难降解有机废水处理领域具有很大的应用潜力，但目前还缺乏操作便捷、高效的耦合反应器以及配套的电化学测试体系，因此开发新型生物膜电极与UASB耦合反应器及其电化学测试体系具有较高的应用价值。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种结构简单、操作方便的生物膜电极与UASB耦合反应器，具体的技术方案为：
生物膜电极与UASB耦合反应器，包括反应器筒体、生物膜电极体系、电化学测试系统和阴极电势测试装置；
反应器筒体底部有进水口，顶部有出水口和三相分离器，反应器筒体内从下往上依次包括布水板、生物膜电极体系；生物膜电极体系与三相分离器之间为污泥床区；
三相分离器通过气体管道依次与水封瓶、湿式气体流量计相连，水封瓶还与集气袋连接；
生物膜电极体系包括阳极、阴极，所述的阳极为装载石墨颗粒的铝篮，阴极为不锈钢网；阳极、阴极与直流电源和电阻控制板连接形成回路，电阻控制板与电化学测试系统连接；
阴极电势测试装置包括参比电极、盐桥、密封电解液，盐桥将阴极附近的污泥床区与密封电解液连通；参比电极一端与密封电解液连接，另一端与电化学测试系统连接；
电化学测试系统包括数据采集器和数据分析装置。
所述的阴极的周边至少有两个阴极板插条，反应器筒体的内壁对应有阴极板插槽，所述的阴极板插槽一侧有挡板，阴极板插槽以反应器筒体的轴心线为中心轴对称的分布在反应器筒体内壁上，旋转阴极将阴极板插条插入到阴极板插槽内，由挡板限位，卸载阴极则反向旋转；
所述的阴极板插槽有多层，每层分别分布在反应器筒体的内壁不同高度，以调节阴极的高度；
所述的阳极的周边至少有两个阳极板插条，反应器筒体的内壁对应有阳极板插槽。
反应器筒体内壁还有多个支撑挡块，支撑挡块与阴极板插槽、阳极板插槽共同支撑生物膜电极体系。
本发明提供的生物膜电极与UASB耦合反应器，在上流式厌氧生物反应器的污泥床区设置了一对电极，并通过钛线与外界导线及直流电源相连，形成完整的电解系统。在电场的刺激下，生物反应器内的悬浮微生物逐渐富集至电极表面及内部，使电极逐渐转变为生物膜电极，同时电化学生物组合反应器逐步转化为单室微生物电解池，至此完成了电化学系统和生物反应器的真正耦合。
盐桥以密封圈固定在反应器侧面，盐桥另一端浸没在饱和氯化钾电解液中，电解液瓶密封以保持盐桥两端压力均等，防止密封在盐桥内的琼脂滑出。阴极通过盐桥与同样浸没在饱和氯化钾溶液的参比电极连接，与电阻控制板和数据采集器共同形成完整的回路，通过数据分析装置即电脑记录采集阴极电极电势。
该反应器通过微电场与微生物的耦合作用，微电场的存在对微生物表面EPS含量及表面电荷均有影响，从而对厌氧污泥颗粒化造成影响，生物膜的附着改变了电极的电极电势以及目标污染物的氧化还原峰，耦合作用可促进微生物对有机污染物的氧化代谢，提高COD去除率；同时微电场可促进体系内电子传递，提高污染物降解速率。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图；
图2是本发明的局部结构示意图；
图3是本发明的阴极安装结构示意图；
图4是本发明的阳极安装结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1所示，生物膜电极与UASB耦合反应器，包括反应器筒体1、生物膜电极体系、电化学测试系统和阴极电势测试装置；
反应器筒体1底部有进水口6，顶部有出水口5和三相分离器7。反应器筒体1内从下往上依次包括布水板2、生物膜电极体系；生物膜电极体系与三相分离器7之间为污泥床区；
出水口5处由溢流堰组成出水渠，出水渠通过与反应器筒体1的出水管道连通。
三相分离器7的集气罩通过气体管道依次与水封瓶17、湿式气体流量计19相连，水封瓶17还与集气袋18连接；
反应器筒体1中的气、液、固三相流体进入三相分离器7后，气体由集气罩收集后排出反应器筒体1，泥和水则通过三相分离器7后进行泥水分离，上清液由出水口5处由溢流排出，沉淀污泥则返回污泥床区。
生物膜电极体系包括阳极3、阴极4，所述的阳极3为装载石墨颗粒的铝篮，阴极4为不锈钢网；阳极3、阴极4与直流电源10和电阻控制板11连接形成回路，电阻控制板11与电化学测试系统连接；阴极4使用前进行预处理：先用含70%乙醇水溶液超声清洗20min，用纯水冲洗后，再用纯水超声20min晾干；阳极3的中的石墨颗粒使用前进行预处理：石墨颗粒先用1mol/L HCl溶液浸泡24h后再用纯水冲洗，晾干。反应器筒体1上有导线通道8供导线穿过。
阴极电势测试装置包括参比电极15、盐桥14、密封电解液16，盐桥14为琼脂，盐桥14将阴极4附近的污泥床区与密封电解液16连通；参比电极15一端与密封电解液16连接，另一端与电化学测试系统连接；密封电解液16内的电解液为饱和氯化钾溶液。反应器筒体1上有盐桥固定孔9用于盐桥14穿入，盐桥固定孔9的内壁、盐桥14的表面为磨砂面，盐桥固定孔9内有密封圈；
电化学测试系统包括数据采集器12和数据分析装置13。
如图2和图3所示，所述的阴极4的周边四个阴极板插条24，反应器筒体1的内壁对应有两个阴极板插槽20和两个支撑挡块25，两个阴极板插槽20一侧有挡板23，阴极板插槽20以反应器筒体1的轴心线为中心轴对称的分布在反应器筒体1内壁上，即两个阴极板插槽20形成一层插槽，两个支撑挡块25与阴极板插槽20间隔均匀分布，旋转阴极4将阴极板插条24插入到阴极板插槽20内，由挡板23限位，卸载阴极4则反向旋转；
所述的阴极板插槽20有三层，每层分别分布在反应器筒体1的内壁不同高度，以调节阴极4的高度；为简化结构设计，每一边的上下三个阴极板插槽20分布在同一条垂直线上，共用一块挡板23。每层阴极板插槽20附近位置设有盐桥固定孔。
如图2和图4所示，所述的阳极3的周边有四个阳极板插条26，反应器筒体1的内壁对应有两个阳极板插槽21和支撑挡块25。阳极板插槽21的结构与阴极板插槽20的结构一样，并且与阴极板插槽20共用同一挡板。
Claims (5)
1.生物膜电极与UASB耦合反应器，包括反应器筒体、生物膜电极体系，其特征在于：还包括电化学测试系统和阴极电势测试装置；
反应器筒体底部有进水口，顶部有出水口和三相分离器，反应器筒体内从下往上依次包括布水板、生物膜电极体系；生物膜电极体系与三相分离器之间为污泥床区；
三相分离器通过气体管道依次与水封瓶、湿式气体流量计相连，水封瓶还与集气袋连接；
生物膜电极体系包括阳极、阴极，所述的阳极为装载石墨颗粒的铝篮，阴极为不锈钢网；阳极、阴极与直流电源和电阻控制板连接形成回路，电阻控制板与电化学测试系统连接；
阴极电势测试装置包括参比电极、盐桥、密封电解液，盐桥将阴极附近的污泥床区与密封电解液连通；参比电极一端与密封电解液连接，另一端与电化学测试系统连接；
电化学测试系统包括数据采集器和数据分析装置。
2.根据权利要求1所述的生物膜电极与UASB耦合反应器，其特征在于：所述的阴极的周边至少有两个阴极板插条，反应器筒体的内壁对应有阴极板插槽，所述的阴极板插槽一侧有挡板，阴极板插槽以反应器筒体的轴心线为中心轴对称的分布在反应器筒体内壁上，旋转阴极将阴极板插条插入到阴极板插槽内，由挡板限位，卸载阴极则反向旋转。
3.根据权利要求2所述的生物膜电极与UASB耦合反应器，其特征在于：所述的阴极板插槽有多层，每层分别分布在反应器筒体的内壁不同高度，以调节阴极的高度。
4.根据权利要求2所述的生物膜电极与UASB耦合反应器，其特征在于：所述的阳极的周边至少有两个阳极板插条，反应器筒体的内壁对应有阳极板插槽。
5.根据权利要求3或4所述的生物膜电极与UASB耦合反应器，其特征在于：反应器筒体内壁还有多个支撑挡块，支撑挡块支撑生物膜电极体系。
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