CN104310581A

CN104310581A - 一种旋转电极生物膜反应器及处理氧化性污染物的方法

Info

Publication number: CN104310581A
Application number: CN201410590037.4A
Authority: CN
Inventors: 钟宇; 李小明; 杨麒; 王冬波; 安鸿雪; 谢丽霞; 谢婷; 赵建伟; 曾光明
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-10-29
Also published as: CN104310581B

Abstract

本发明提出了一种旋转电极生物膜反应器，包括反应器池体，所述反应器池体的底部、中部和上部分别与进水管、回流管和出水管连通；所述回流管和进水管连通；所述反应器池体顶端安装有密封盖板；搅拌器的输出轴的下端穿过所述密封盖板后和位于所述反应器池体内的片状阴极连接；所述片状阴极上黏附有活性炭纤维毡；棒状阳极的下端位于所述反应器池体内，上端穿过所述密封盖板后和直流稳压电源的正极电连接；本发明同时提供了一种利用上述旋转电极生物膜反应器处理氧化性污染物的方法。本发明不需要外加搅拌装置，无需外源供氢，简化了操作流程；反应器的良好密封性为微生物的生长提供了缺氧条件，可以有效去除水体中多种氧化性污染物。

Description

一种旋转电极生物膜反应器及处理氧化性污染物的方法

技术领域

本发明涉及污水处理领域，特别涉及一种旋转电极生物膜反应器及处理氧化性污染物的方法。

背景技术

随着工农业和社会经济的发展，氧化性污染物对水体造成的污染逐渐加重，这些氧化性物质主要包括硝酸盐、溴酸盐、高氯酸盐及挥发性有机物质如氯仿等。氧化性物质中最具代表性的污染物为硝酸盐，工业生产过程中排放的含氮废水；农业上施用的氮肥随雨水冲刷进入江河、湖泊；居民生活污水排入受纳水体；由此而引起的地下水、饮用水等水体中硝酸盐氮的污染己成为我们目前面临的一个严重问题。

传统生物脱氮过程是借助自然界存在的反硝化作用（在微生物作用下使NO₃ ^--N最终转化为N₂O和N₂），利用水体中的有机物，或者通过投加有机物甲醇、乙醇等作为电子供体，将硝酸盐氮最终转化为无毒的氮气。通过投加有机物，可以获得较高的反硝化速率，但是碳源添加量难以控制，容易出现碳源不足或有机质残留的问题。当外加碳源不足时，反硝化不完全；外加碳源过量时，则出水COD值增加，既影响了出水水质又增加了运行费用。

随着研究的深入，氢基质膜生物膜反应器（MBfR）逐渐成为一种脱氮的生物新技术。氢基质MBfR利用外源氢气作为电子供体，中空纤维膜作为生物膜载体，受污染的水在纤维膜层外部流动，氢气以一定的压力通入中空纤维膜内，在压力作用下从膜的内层通过微孔扩散到外层，在通过纤维膜外生长的生物膜过程中被生物膜中的氢自养细菌作为电子供体而利用，同时自养菌将水中氧化性污染物质还原或降解，如硝酸盐被彻底还原为氮气，溴酸盐被还原成无毒的溴离子，从而达到净化水质的目的。该技术受外源氢气供应及膜表面沉积钙盐等污染物的影响，作为改进，目前部分学者提出了电极生物膜法的概念，即将外源供氢改为电解水产氢，以电解水产生的氢气作为电子供体，氧化性污染物作为电子受体，利用覆在反应器阴极表面的生物膜，直接将水体中的硝酸盐、溴酸盐等污染物还原或降解。该方法不产生影响水质安全的副产物，是一种清洁的水体氧化性污染物去除技术。

目前，电极生物膜法都采用固定电极，需要外加搅拌装置促进污染物与微生物的接触与混匀，且反应器的气密性较差，无法提供有利于反硝化的缺氧环境，存在很大的缺陷。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明要解决的技术问题之一是提供一种旋转电极生物膜反应器，具有能耗低、氢气利用率高、密封效果好的特点。

本发明要解决的技术问题之二是提供一种处理氧化性污染物的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种旋转电极生物膜反应器，包括反应器池体，进水管依次经泵一和阀一后同所述反应器池体的底部连通；回流管的一端同泵一与阀一之间的进水管部分连通，另一端依次经泵二和阀二后同所述反应器池体的中部连通；出水管经阀三后同所述反应器池体的上部连通；所述反应器池体顶端安装有密封盖板；位于密封盖板上方的搅拌器的输出轴下端穿过所述密封盖板后同所述反应器池体内的片状阴极连接；所述片状阴极上黏附有活性炭纤维毡；位于所述反应器池体内的棒状阳极的上端穿过所述密封盖板后同直流稳压电源的正极电连接；所述直流稳压电源的负极和石墨电刷片电连接，所述石墨电刷片和所述搅拌器的输出轴接触。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述反应器池体为容积为0.9～4.9L的圆柱形水箱。

所述搅拌器的输出轴分为和搅拌器电机伸出的上轴和与所述片状阴极连接的下轴，上轴和下轴之间通过绝缘接头连接而使上轴和下轴之间绝缘。

所述密封盖板下方设有环形密封垫；所述密封盖板上设有带胶圈的阳极孔和搅拌孔，保证密封性能。

所述片状阴极为长8cm、宽8cm、厚0.5cm的金属铜片，表面黏附的活性炭纤维毡厚度为0.3～0.5cm。

所述棒状阳极为长10～15cm，直径为0.5～1.0cm的石墨棒或惰性金属棒。

所述搅拌器为安装在铁架台的增力电动搅拌器，旋转速度为5～20转/分钟。

所述直流稳压电源的电流强度为20～110mA。

本发明同时提供一种处理氧化性污染物的方法，其使用了上述的旋转电极生物膜反应器作为处理载体。

所述氧化性污染物包括硝酸盐、溴酸盐、高氯酸盐、硒酸盐、铬酸盐和砷酸盐中的一种或数种。

本发明的工作步骤为：（1）将一定浓度的活性污泥置于反应器池体接种，定期向反应器内加入含氧化性污染物的培养液进行培养；（2）驯化培养期间，维持一定的反应器温度和电流强度维持，进行微生物的微电流驯化挂膜；（3）驯化完成后，待处理废水通过恒流泵经进水管加入到反应器中，同时控制电流强度和水力停留时间，以实现反应器的连续运行和较好的处理效果。

本发明的具体工作过程详见具体实施方式部分。

本发明具有如下优点：

（1）反应器阴极制作成旋转叶片型，惰性金属片表面黏附有活性炭纤维毡，有利于提高微生物挂膜速度。

（2）反应器阴极电解水原位产氢，氢从阴极向外扩散，可以有效被附着于阴极表面的微生物直接利用，与外界供氢相比，传质方向上和传质动力上都有增强。

（3）阴极表面的微生物利用电解水原位产氢作为电子供体，可适当的调节电流密度控制氢气产生量。

（4）反应器阴极可以缓慢旋转，不需要外加搅拌设备，减少了电量的消耗，简化了操作步骤、易于运行维护。

（5）反应器的气密性好，提供的缺氧环境有利于反硝化的进行。

下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其它方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明反应器本体结构示意图；

图2为本发明反应器盖板结构示意图；

图3为本发明反应器阴极挂膜驯化完成前的电镜示意图；

图4为本发明反应器阴极挂膜驯化完成后的电镜示意图；

图5为本发明反应器中高浓度的硝酸盐和溴酸盐进水、出水浓度示意图；

图6为本发明反应器对高浓度的硝酸盐和溴酸盐去除效果示意图；

图7为本发明反应器中低浓度的硝酸盐和溴酸盐进水、出水浓度示意图；

图8为本发明反应器对低浓度的硝酸盐和溴酸盐去除效果示意图。

其中：1-搅拌器；2-绝缘接头；3-石墨电刷片；4-棒状阳极；5-片状阴极；6-反应器池体；7-铁架台；8-直流稳压电源；9-出水管；10-回流管；11-进水管；12-密封盖板；13-固定螺栓及螺母；14-环形密封垫；15-阳极孔；16-搅拌孔；17-泵一；18-泵二；19-阀一；20-阀二；21-阀三。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1-2所示，本实施例的旋转电极生物膜反应器，包括反应器池体6，进水管11依次经泵一17和阀一19后同反应器池体6的底部连通；回流管10的一端同泵一17与阀一19之间的进水管11部分连通，另一端依次经泵二18和阀二20后同反应器池体6的中部连通；出水管9经阀三21后同反应器池体6的上部连通；反应器池体6顶端安装有密封盖板12；位于密封盖板12上方的搅拌器1的输出轴下端穿过密封盖板12后同反应器池体6内的片状阴极5连接；片状阴极5上黏附有活性炭纤维毡；位于反应器池体6内的棒状阳极4的上端穿过密封盖板12后同直流稳压电源8的正极电连接；直流稳压电源8的负极和石墨电刷片3电连接，石墨电刷片3和搅拌器1的输出轴接触。反应器池体6为容积为0.9～4.9L的圆柱形水箱。搅拌器1的输出轴分为和搅拌器电机伸出的上轴和与片状阴极5连接的下轴，上轴和下轴之间通过绝缘接头2连接而使上轴和下轴之间绝缘。密封盖板12下方设有环形密封垫14；密封盖板12上设有带胶圈的阳极孔15和搅拌孔16。片状阴极5为长8cm、宽8cm、厚0.5cm的金属铜片，表面黏附的活性炭纤维毡厚度为0.3～0.5cm。棒状阳极4为长10～15cm，直径为0.5～1.0cm的石墨棒或惰性金属棒。搅拌器1为安装在铁架台7的增力电动搅拌器，旋转速度为5～20转/分钟。直流稳压电源8的电流强度为20～110mA。

本发明工作时要先进行微生物的挂膜驯化，取0.2L某污水处理厂的回流污泥作为接种污泥，与培养液混合在容积为1.3L的聚乙烯箱体6内接种。定期向反应器内加入含一定浓度的硝酸盐和溴酸盐废水进行挂膜培养，并适当补充营养物质以保证微生物正常生长，外源加热（热水）维持反应器温度为30℃，电流强度维持在20mA。通过恒流泵经进水管11向反应器定期进水，进行微生物的微电流驯化挂膜。驯化15d后，反应器出水pH稳定在6.5～8.0之间，硝酸盐和溴酸盐的去除率达到70%以上，即可判断驯化基本完成。在反应器运行期间，阳极石墨棒部分被氧化，阳极的氧化产物CO₂可为自养反硝化菌提供碳源，同时对反硝化过程中产生的OH^-具有一定的缓冲作用，且能增强缺氧环境，有利于反硝化的进行。

将挂膜和驯化前后反应器阴极表面置于500倍的电子显微镜下进行观察，得到如附图3所示的电子显微镜图。从图3可看出，挂膜前，阴极表面黏附的活性炭纤维毡有许多细小纤维，纤维上布满微孔，纤维直径为5～20μm。而驯化15d后，阴极表面形成一层淡黄色生物膜，有大量颗粒状和絮状的微生物附着生长，见图4。结果表明，反应器内微生物能正常生长并顺利在阴极表面挂膜，进一步说明反应器驯化完成。

处理污水实例1：

反应器结构如上所述，在上述挂膜流程结束后，处理由自来水配制的模拟废水，其中硝酸盐浓度为30～35mg/L，溴酸盐浓度为0.9～1.0mg/L。阳极为两根长15cm，直径为0.8cm的石墨棒，置于旋转阴极两侧，阴极采用长8cm、宽8cm、厚0.5cm的金属铜片，表面黏附同样大小的活性炭纤维毡，电流强度设定为20mA，水力停留时间为5h，利用恒流泵连续供给人工配水。由附图5和6可以看出，本发明对硝酸盐和溴酸盐都有较好的去除效果，硝酸盐去除率在70%以上，溴酸盐去除率在80%以上。出水中硝酸盐浓度低于10 mg/L，低于我国现行饮用水的标准规定限值(NO₃ ^--N≤20mg/L) 。

处理污水实例2：

反应器结构如上所述，在上述挂膜流程结束后，处理由自来水配制的模拟废水，其中硝酸盐浓度为25～30mg/L，溴酸盐浓度为0.14～0.16 mg/L。阳极为两根长15cm，直径为0.8cm的石墨棒，置于旋转阴极两端侧，阴极采用长8cm、宽8cm、厚0.5cm的金属铜板，表面黏附同样大小的活性炭纤维毡，电流强度设定为20mA，水力停留时间为5h，利用恒流泵连续供给人工配水。由附图7和8可以看出，本发明对接近实际水体浓度的硝酸盐和溴酸盐有很好的去除效果，硝酸盐去除率在90%以上，溴酸盐去除率在92%以上，出水中硝酸盐浓度低于5mg/L，溴酸盐浓度低于10μg/L，低于我国现行饮用水标准规定限值(NO₃ ^--N≤20mg/L；BrO₃ ^-≤10μg/L) 。这种处理效果是氢基质膜生物膜反应器和普通的电极生物膜反应器所难以实现的。与实例2相比，硝酸盐和溴酸盐的去除效率都有提高，且两者的出水浓度低，表明低浓度硝酸盐和溴酸盐条件下，有利于微生物的反硝化，进而提高降解效率。

可见，与现有技术中外加碳源作为电子供体以及外加氢气作为电子供体的方法相比，本发明采用氢气内部供给的方式，氢气利用电解水产生，通过调节电流密度可以控制氢气产生量。反应器阴极设置成旋转叶片型，不需要外加搅拌装置，阴极产生的氢气可被附着在上面的微生物高效利用，简化了操作过程，促进了反硝化的进行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种旋转电极生物膜反应器，包括反应器池体（6），其特征在于：进水管（11）依次经泵一（17）和阀一（19）后同所述反应器池体（6）的底部连通；回流管（10）的一端同泵一（17）与阀一（19）之间的进水管（11）部分连通，另一端依次经泵二（18）和阀二（20）后同所述反应器池体（6）的中部连通；出水管（9）经阀三（21）后同所述反应器池体（6）的上部连通；所述反应器池体（6）顶端安装有密封盖板（12）；位于密封盖板（12）上方的搅拌器（1）的输出轴下端穿过所述密封盖板（12）后同所述反应器池体（6）内的片状阴极（5）连接；所述片状阴极（5）上黏附有活性炭纤维毡；位于所述反应器池体（6）内的棒状阳极（4）的上端穿过所述密封盖板（12）后同直流稳压电源（8）的正极电连接；所述直流稳压电源（8）的负极和石墨电刷片（3）电连接，所述石墨电刷片（3）和所述搅拌器（1）的输出轴接触。

2.根据权利要求1所述的旋转电极生物膜反应器，其特征在于：所述反应器池体（6）为容积为0.9～4.9L的圆柱形水箱。

3.根据权利要求1所述的旋转电极生物膜反应器，其特征在于：所述搅拌器（1）的输出轴分为和搅拌器电机伸出的上轴和与所述片状阴极（5）连接的下轴，上轴和下轴之间通过绝缘接头（2）连接而使上轴和下轴之间绝缘。

4.根据权利要求1所述的旋转电极生物膜反应器，其特征在于：所述密封盖板（12）下方设有环形密封垫（14）；所述密封盖板（12）上设有带胶圈的阳极孔（15）和搅拌孔（16）。

5.根据权利要求1所述的旋转电极生物膜反应器，其特征在于：所述片状阴极（5）为长8cm、宽8cm、厚0.5cm的金属铜片，表面黏附的活性炭纤维毡厚度为0.3～0.5cm。

6.根据权利要求1所述的旋转电极生物膜反应器，其特征在于：所述棒状阳极（4）为长10～15cm，直径为0.5～1.0cm的石墨棒或惰性金属棒。

7.根据权利要求1所述的旋转电极生物膜反应器，其特征在于：所述搅拌器（1）为安装在铁架台（7）的增力电动搅拌器，旋转速度为5～20转/分钟。

8.根据权利要求1所述的旋转电极生物膜反应器，其特征在于：所述直流稳压电源（8）的电流强度为20～110mA。

9.一种处理氧化性污染物的方法，其特征在于：使用了根据权利要求1-8中任一项所述的旋转电极生物膜反应器作为处理载体。

10.根据权利要求9所述的处理氧化性污染物的方法，其特征在于：所述氧化性污染物包括硝酸盐、溴酸盐、高氯酸盐、硒酸盐、铬酸盐和砷酸盐中的一种或数种。