CN104310713A - 一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置 - Google Patents
一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置，本发明涉及处理难降解废水的装置。本发明要解决现有技术处理有毒废水效率低、毒性耐受能力弱，并且缺乏稳定性的问题。本装置由反应器主体、盖板、布水板、钛丝、阴极、阳极、参比电极、电阻和电源组成；其中，反应器主体下部的左右两侧各设一个进水口，反应器主体上部的左右两侧各设一个出水口，集气孔设置在反应器主体的顶端，采样口设置在反应器主体的正面；布水板、阴极和阳极设置在反应器主体的内部，阳极高于阴极。本发明采用一体式无隔膜厌氧-生物催化电解系统，具有厌氧生物法和生物电化学法的特点，成本低，容积负荷高。本发明装置用于处理难降解有毒废水。
Description
技术领域
本发明涉及处理难降解废水的装置。
背景技术
近年来，随着我国经济的高速发展，作为经济支柱的工业行业发展尤为迅猛，由此带来的环境问题也愈发严重，其中的废水问题成为环境领域内的研究热点和难点。工业废水主要特定有：来源复杂，水质水量波动大，含有大量有毒性、难生物降解的污染物等。虽然工业废水的处理技术经过几十年、若干代的发展，出现了一批成型的、已广泛应用的处理技术，但是仍然难以应对日益增加的高浓度、难降解、具有生物毒性的废水。缺乏处理效率高、毒性耐受能力强、稳定可靠的处理技术和工艺设备是环境保护和废水治理领域的瓶颈。
传统的工业废水处理技术主要包括物理化学法和生物法两大部分，其中物理化学法虽然对一些污染物的处理效率极高，但是成本高，操作条件苛刻，需要投加大量的化学药剂，产生有毒、有害副产物，易造成二次污染，严重限制物理化学法在大规模工业废水处理中的应用。生物法，尤其是厌氧生物法是目前普遍采用的工业废水治理技术，其利用微生物新陈代谢过程产生的酶将复杂的，难以降解的污染物分解成小分子易生物降解的有机物，有的微生物可以直接利用复杂有机物作为碳源，用于自身生长；此外，也可以通过驯化微生物，将废水中的污染物定向富集回收加以利用；亦可将废水中的高浓度有机物以甲烷和氢气等形式回收作为清洁能源。厌氧生物处理技术具有无需添加化学药剂，无需曝气，可以回收能源，成本低廉等优势，但是也存在以下不足：
(1)速度慢
厌氧生物反应可以降解水中的大部分污染物，承受较大的进水负荷，但由于厌氧生物自身新陈代谢过程缓慢，导致工艺水力停留时间长，降解负荷较低，因此，厌氧生物工艺速度慢，占地面积大，常常需要与好氧或物化工艺联合来进一步去除厌氧出水中的有机物(COD)及其它污染物。
(2)调控难度大
生物厌氧降解有机废水过程非常复杂，常常需要经过较长时间的驯化才能演替出适合的微生物群落，通过协同作用才能完成对污染物的去除，然而工业废水水质和水量变化大，极易形成冲击负荷，对系统造成不可逆转的影响。因此，厌氧处理工艺的调控长久以来都是废水生物处理的难题。
综上所述，我们需要对现有的厌氧工艺进行改进，以提高工业废水的处理效率，强化废水中难降解污染物的转化和去除，降低操控难度，提高工艺稳定性。
生物电化学技术的发展及其应用潜力
微生物产电现象很早就被科学家发现，上世纪九十年代以来，以微生物燃料电池(MFC)为代表的生物电化学技术因其既能降解废水中的污染物，同时还能产生电能成为环境污染治理和能源开发领域竞相研究的热点技术。之后的研究中发现在外加电压的作用下，生物电化学系统对废水中的难降解污染物具有定向转化能力。生物电化学过程的本质是：阳极上的嗜电极微生物氧化有机物并通过胞外电子传递链将电子通过外电路转移到阴极，通过微生物的催化和电化学反应去除水中的污染物，如：偶氮染料脱色，抗生素脱卤，硝基还原，重金属还原等。
生物电化学工艺的优势有：
(1)生物电化学工艺所需的共基质(有机碳源)量显著低于传统工艺；
(2)对难降解物质的去除效率高，速率快；
(3)相比传统的电化学工艺，成本低，条件温和。
目前，在生物电化学降解偶氮染料，含氯、氟抗生素，硝基芳香烃类污染物处理方面显示该工艺具有巨大的应用潜力。但是在研究过程中也发现生物电化学工艺存在一些问题，如只能利用简单底物作为电子供体，对成分复杂的污染物作为电子时效能受限明显。
发明内容
本发明要解决现有技术处理有毒废水效率低、毒性耐受能力弱，并且缺乏稳定性的问题，而提供一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置。
一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置，由反应器主体、盖板、布水板、钛丝、阴极、阳极、参比电极、电阻和电源组成；其中，反应器主体下部的左右两侧各设一个进水口，反应器主体上部的左右两侧各设一个出水口，集气孔设置在反应器主体的顶端，采样口设置在反应器主体的正面；布水板、阴极和阳极设置在反应器主体的内部，阳极高于阴极，布水板靠近进水口，阴极、电阻、电源和阳极通过钛丝依次连接，参比电极插入反应器主体设置在阴极和阳极之间，盖板和反应器主体的四周均设有螺孔，反应器主体和盖板通过螺钉穿过螺孔组成一体结构。
本发明装置流态呈升流式，无隔膜，污泥层形成的厌氧区域在下部，生物催化电解系统的电极置于厌氧污泥层上方；每个电极由8个碳刷串联而成，分两排排列，填充装置的横截面，防止短流；钛丝作为电流收集器伸出反应器，并用热缩管包裹，避免短路；阳极预先原位富集具有生物电化学活性的微生物，形成具有稳定产电能力的生物膜后，再于装置底部填充厌氧污泥床；
所述的阳极在反应器中原位启动，富集具有生物电化学活性的生物膜，而后在装置底部接种污泥形成耦合工艺系统；本发明装置处理的难降解废水为含有偶氮染料(茜素黄)的废水，难降解污染物是指复杂的，有生物毒性的，生物降解性差且具有环境污染性的物质。
本发明升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置，将生物电化学工艺与传统的升流式厌氧处理工艺耦合，充分发挥厌氧工艺耐冲击负荷能力强，能降解大分子难降解化合物的特点，以及生物电化学工艺处理效率高，出水水质好的优势。其中电极材料采用石墨纤维绑制成的刷子，并以绑制刷子的钛丝作为电子传导材料。相比于其它的三维电极材料，如石墨颗粒电极，本发明中石墨纤维做成电极有明显优势，相同电极体积具有较大的表面积，负载更多的微生物，产生较大的催化电流，自身重量较轻，在日后工艺放大过程中设计简单，施工难度小。本发明中的电极能够按照需要改变安装高度，根据水质自由灵活调整。电极排布方式为阳极在上，阴极在下，可以充分发挥阴极降解污染物的作用，同时解除难降解物质对阳极产电微生物的毒性作用。
本发明的有益效果是：本发明采用一体式无隔膜厌氧-生物催化电解系统，具有厌氧生物法和生物电化学法的特点，成本低，容积负荷高；本发明所采用的电极材料为廉价的石墨纤维刷，比表面积大，生物挂膜效果好；本发明将生物催化电解系统的阳极和阴极沿废水升流方向上下分布，阴极在下，阳极在上，利于充分发挥阴极强大的污染物降解能力，保护阳极；本发明中的生物催化电解系统所采用的电极可以根据需要调整在工艺系统中的位置，更具灵活性。
本发明升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置用于处理难降解有毒废水。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置的反应器主体1的结构示意图；
图2为具体实施方式一所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置的反应器主体1的侧视图；
图3为具体实施方式一所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置的盖板2正视图；
图4为具体实施方式一所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置的盖板2侧视图；
图5为具体实施方式一所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置的布水板3结构示意图；
图6为具体实施方式一所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置的阴极5、阳极6的正视图；图7为侧视图；图8为俯视图；
图9为实施例一所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置偶氮染料去除效率曲线图，其中，●代表闭路染料去除率；○代表开路染料去除率；
图10为实施例一所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置偶氮染料体积去除率曲线图，其中，●代表闭路染料去除率负荷；○代表开路染料去除率负荷；
图11为实施例一所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置偶氮染料还原产物浓度变化曲线图，其中，●代表闭路对苯二胺；○代表开路对苯二胺；▲代表闭路5-氨基水杨酸；△代表开路5-氨基水杨酸。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置由反应器主体1、盖板2、布水板3、钛丝4、阴极5、阳极6、参比电极7、电阻8和电源9组成；其中，反应器主体1下部的左右两侧各设一个进水口1-1，反应器主体1上部的左右两侧各设一个出水口1-2，集气孔1-3设置在反应器主体1的顶端，两个采样口1-4设置在反应器主体1的正面；布水板3、阴极5和阳极6设置在反应器主体1的内部，阳极6高于阴极5，布水板3靠近进水口1-1，阴极5、电阻8、电源9和阳极6通过钛丝4依次连接，参比电极7插入反应器主体1设置在阴极5和阳极6之间，盖板2和反应器主体1的四周均设有螺孔，反应器主体1和盖板2通过螺钉穿过螺孔组成一体结构。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：阴极5由钛丝4串联8个碳刷组成，刷子的直径25为mm、长度为40mm；阳极6由钛丝4串联8个碳刷组成，刷子的直径为25mm、长度为40mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：钛丝4的直径为1mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：进水口1-1、出水口1-2、集气孔1-3和采样口1-4的内径为5mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：布水板3板体设有孔洞。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：反应器主体1由有机玻璃制成。其它与具体实施方式一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置由反应器主体1、盖板2、布水板3、钛丝4、阴极5、阳极6、参比电极7、电阻8和电源9组成；其中，反应器主体1下部的左右两侧各设一个进水口1-1，反应器主体1上部的左右两侧各设一个出水口1-2，集气孔1-3设置在反应器主体1的顶端，两个采样口1-4设置在反应器主体1的正面；布水板3、阴极5和阳极6设置在反应器主体1的内部，阳极6高于阴极5，布水板3靠近进水口1-1，阴极5、电阻8、电源9和阳极6通过钛丝4依次连接，参比电极7插入反应器主体1设置在阴极5和阳极6之间，盖板2和反应器主体1的四周均设有螺孔，反应器主体1和盖板2通过螺钉穿过螺孔组成一体结构。
本实施例中构建升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置，反应器主体由有机玻璃制成，空池体积1.5L，废水自反应器主体下部的进水口进水，出水口距反应器主体底部300mm；采样口位于反应器正面，共四个，从底部开始间隔100mm设置一个；
每个电极由8个石墨纤维刷构成，尺寸为100mm×50mm×40mm，绑制用的钛丝延长650mm，伸出反应器主体与外接电路相连接；外电路接10Ω电阻，利用直流电源提供0.5V外加电压。实验过程使用偶氮染料茜素黄配制染料废水，作为验证本实施例效能的难降解废水，添加500mg/L的葡萄糖作为电子供体，通过逐步增加染料浓度(由50mg/L提高到200mg/L)和逐步缩短停留时间(HRT，从12h缩短到6h)的方式提高染料负荷(100g/m3·d，200g/m3·d，400g/m3·d，600g/m3·d，800g/m3·d)。通过比较开路运行和闭路运行的效果，突出本实施例耦合系统的优势。
本实施例所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置偶氮染料去除效率曲线图如图9所示，其中，●代表闭路染料去除率；○代表开路染料去除率；
本实施例所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置偶氮染料体积去除率曲线图如图10所示，其中，●代表闭路染料去除率负荷；○代表开路染料去除率负荷；
本实施例所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置偶氮染料还原产物浓度变化曲线图如图11所示，其中，●代表闭路对苯二胺；○代表开路对苯二胺；▲代表闭路5-氨基水杨酸；△代表开路5-氨基水杨酸。
具体实验结果如下：
1.偶氮染料去除效率
以升流式厌氧-生物催化电解耦合方式运行时，当染料负荷从100g/m3·d提高到800g/m3·d时，耦合工艺表现出非常稳定的染料去除率，即使在最高的负荷条件下仍然高达90.41±6.20％；当开路运行时，即单纯厌氧方式运行时，染料去除效率随着负荷升高而下降，尤其是当染料负荷大于400g/m3·d后，去除效率显著下降，最低时仅为53.37±4.00％。
2.偶氮染料体积去除率
闭路运行时，耦合工艺的体积除去率随着负荷提高逐渐上升，并呈现线性相关性，y＝0.9081x+11.612，R2＝0.9994，其中y表示染料体积去除率，x表示染料负荷。耦合工艺的最大体积去除率达到730.61±49.59g/m3·d，开路条件下(单纯厌氧方式)，当染料负荷达到400g/m3·d后，染料体积去除率增幅降低，逐渐趋于稳定。当负荷翻倍(从400g/m3·d提高到800g/m3·d)后，体积去除率仅仅提高18.04％(从367.09±29.09g/m3·d提高到433.32±35.44g/m3·d)。
3.偶氮染料还原产物浓度变化
耦合工艺能够将偶氮染料(茜素黄)还原为对苯二胺和5-氨基水杨酸。闭路运行时，出水中的对苯二胺浓度随进水染料浓度提高而增加，在负荷达到400g/m3·d时达到峰值71.18±4.51mg/L，对应的5-氨基水杨酸浓度为74.76±5.66mg/L。而后随着负荷进一步提高，对苯二胺和5-氨基水杨酸的浓度均略微降低，在最高负荷(800g/m3·d)时分别为69.64±6.59mg/L和79.00±8.70mg/L。开路运行时，对苯二胺(74.76±5.66mg/L)和5-氨基水杨酸(81.54±4.00mg/L)的最大浓度同样出现在负荷为400g/m3·d的条件下，然而随着负荷提高，出水中两种产物的浓度明显降低。这与反应器的脱色效果相一致。
以上数据表明耦合工艺在处理难降解偶氮染料废水时表现出明显的效能优势，具有较高的稳定性。
Claims (6)
1.一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置，其特征在于该装置由反应器主体(1)、盖板(2)、布水板(3)、钛丝(4)、阴极(5)、阳极(6)、参比电极(7)、电阻(8)和电源(9)组成；其中，反应器主体(1)下部的左右两侧各设一个进水口(1-1)，反应器主体(1)上部的左右两侧各设一个出水口(1-2)，集气孔(1-3)设置在反应器主体(1)的顶端，采样口(1-4)设置在反应器主体(1)的正面；布水板(3)、阴极(5)和阳极(6)设置在反应器主体(1)的内部，阳极(6)高于阴极(5)，布水板(3)靠近进水口(1-1)，阴极(5)、电阻(8)、电源(9)和阳极(6)通过钛丝(4)依次连接，参比电极(7)插入反应器主体(1)设置在阴极(5)和阳极(6)之间，盖板(2)和反应器主体(1)的四周均设有螺孔，反应器主体(1)和盖板(2)通过螺钉穿过螺孔组成一体结构。
2.根据权利要求1所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置，其特征在于阴极(5)由钛丝(4)串联8个碳刷组成，刷子的直径25为mm、长度为40mm；阳极(6)由钛丝(4)串联8个碳刷组成，刷子的直径为25mm、长度为40mm。
3.根据权利要求1所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置，其特征在于钛丝(4)的直径为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置，其特征在于进水口(1-1)、出水口(1-2)、集气孔(1-3)和采样口(1-4)的内径为5mm。
5.根据权利要求1所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置，其特征在于布水板(3)板体设有孔洞。
6.根据权利要求1所述的一种升流式厌氧-生物催化电解耦合强化难降解废水处理装置，其特征在于反应器主体(1)由有机玻璃制成。
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