CN104556565A - 一种co2产物原位电化学还原厌氧反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，包括由下至上依次连接的布水段、反应段、分离段，其特征在于，所述布水段包括下柱体，下柱体内设有布水区椭圆挡板，椭圆挡板与下柱体之间形成集气室，下柱体设有布水区阴阳极电极板；所述反应段包括n级反应单元；分离段包括上柱体，上柱体内设有溢流堰，溢流堰与上柱体、盖板之间形成集气室，溢流堰与上柱体之间形成沉淀区，沉淀区内设有分离区椭圆挡板，分离区椭圆挡板下侧与上柱体侧壁之间形成集气室，上柱体分离区阴阳极电极板。本发明结构简单、操作方便、占地面积小、布水均匀、处理效率高、反应速率快、减少中间产物抑制，能有效持留颗粒污泥和可回收碱度、CO2产物资源化。

Description

一种CO2产物原位电化学还原厌氧反应器
技术领域
本发明涉及一种CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，属于废水生物处理技术领域。
背景技术
随着工业化进程的不断推进，工业废水中高浓度有机废水的有效治理是废水处理领域的难题之一，工业废水中高浓度有机废水一般来自印染、造纸等行业废水，COD一般在2000mg/L以上，有的甚至高达几万乃至几十万mg/L，高浓度有机废水会使受纳水体缺氧甚至厌氧。厌氧生物法是目前处理高浓度有机废水效果较好也较成熟的方法。自从1974年Lettinga等发明了升流式厌氧污泥床(UASB)为代表的第二代厌氧反应器，厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)和厌氧内循环反应器(IC)为代表的第三代厌氧反应器以来，生产性的厌氧反应器已获广泛应用。
传统的厌氧反应器甚至是第二代、第三代厌氧反应器在处理高浓度有机废水时都会产生一定量的温室气体(CO2)，同时大气中CO2所引起的温室效应已成为全世界最关心的问题之一，所以在实现COD(化学需氧量)减排任务的同时要减少温室气体CO2的排放量。为了减少的CO2的排放量可通过多种办法将CO2回收利用，而电化学还原法因耗能少，操作方便，反应过程中可通过控制电极及反应条件实现选择性合成产物。CO2电化学还原产物一般是甲烷、甲酸、一氧化碳、甲醇等小分子物质，反应如下：
CO2+2H++2e-→HCOOH E＝-0.61V
CO2+2H++2e-→CO+H2O E＝-0.52V
CO2+6H++6e-→CH3OH+H2O E＝-0.38V
CO2+8H++8e-→CH4+2H2O E＝-0.24V
利用电化学技术还原二氧化碳产生能源物质及其他附加值产品已成为当前研究热点。
发明内容
本发明所要解决的是实现厌氧生物反应器与电化学装置的有机耦合，从而减少中间产物CO2抑制、回收碱度，加快反应速率、提升有机物去除效率等技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，包括由下至上依次连接的布水段、反应段、分离段，分别形成布水区、反应区、分离区，其特征在于，所述布水段包括底板，底板上设有下柱体，下柱体内设有布水区椭圆挡板，布水区椭圆挡板下侧与下柱体侧壁之间形成布水区集气室，布水区集气室内靠近下柱体侧壁处设有布水区排气管、布水区阴阳极电极板、布水区循环旋流管，排气管与下柱体外侧连通，下柱体底部设有穿孔进料布水管；所述反应段包括从下至上依次连接的n级反应单元，每级反应单元包括单元柱体，单元柱体内设有椭圆挡板，椭圆挡板下侧与单元柱体之间形成反应区集气室，反应区集气室内靠近单元柱体侧壁处设有排气管、阴极电极板及一段循环旋流管，排气管与单元柱体外侧连通；分离段包括上柱体，上柱体顶部设有盖板，上柱体内设有溢流堰，溢流堰上侧与上柱体、盖板之间形成分离区第二集气室，上柱体相对应溢流堰处设有出水管，溢流堰下侧与上柱体之间形成沉淀区，沉淀区内设有分离区椭圆挡板，分离区椭圆挡板下侧与上柱体侧壁之间形成分离区第一集气室，分离区第一集气室内靠近上柱体侧壁处设有分离区排气管、分离区阴阳极电极板、分离区循环旋流管，分离区排气管与上柱体外侧连通；分离区循环旋流管、各级反应单元内的循环旋流管、布水区循环旋流管依次首尾相连。
优选地，所述溢流堰为锯齿形。
优选地，所述沉淀区处的上柱体侧壁设有回流管，回流管与分离区循环旋流管连通。
优选地，所述下柱体底部设有清空口，清空口位于穿孔进料布水管与底板之间。
优选地，所述上柱体、各级单元柱体、下柱体外侧均设有保温层。
优选地，所述布水区阴阳极电极板通过经过布水区排气管的导线、各级反应单元中的阴极电极板通过经过对应排气管的导线、分离区阴阳极电极板通过经过分离区排气管的导线分别与电化学工作站的电源连接，阴极电极板接电源负极，阳极电极板接电源正极。
优选地，所述各电极板中的阴极电极为碳毡；阳极电极为钛板；电极板形状均为圆形。
优选地，所述布水区阴阳极电极板设于分水区排气管下方、布水区循环旋流管上方；各级反应单元中的阴极电极板设于对应排气管下方、循环旋流管上方；分离区阴阳极电极板设于分离区排气管下方、分离区循环旋流管上方。
优选地，所述反应段内设有2～6个反应单元。
优选地，所述布水区椭圆挡板、第1-n级反应单元中的椭圆挡板、分离区椭圆挡板大小、形状相同，相邻椭圆挡板相互错开，且从下至上顺时针120。螺旋排列。
优选地，所述的布水段、各级反应单元、分离区相邻两者之间采用法兰连接。
优选地，上柱体、各级单元柱体与下柱体的直径相同。
本发明利用了生物厌氧消化三阶段理论(水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段)与电化学还原原理的结合，集成了水力学、微生物学、生物反应器工程技术和电化学原理，解决了厌氧反应器与电化学装置的耦合问题，反应速率快、反应效率高、减少中间产物抑制、可回收碱度、占地面积少和操作方便。
所述的布水区穿孔进料布水管集进料布水功能，该布水器具有结构简单、不易阻塞、耐冲击能力强等特点；所述的反应区部分设置n块椭圆挡板将反应区分成n级，在每个反应区单元下方分别设置集气室，气体通过排气管排出，减少了因产气所致的各段颗粒污泥交流，保持功能菌群的相对稳定；旋流板空间分割作用，促进了反应区局部的全混合状态，排气管下方设阴极电极板，促使二氧化碳发生电化学还原，减少中间产物抑制和二氧化碳排放量，产生小分子能源物质，加速反应，提高厌氧生物反应效率，同时，各电极板下方分别设循环旋流管，强化了反应区的平推流态，使反应器整体流态为“局部全混流、整体平推流”。
所述的分离区设置锯齿形溢流堰使处理后的水通过出水管流出反应器，设置分离区反应单元对反应区未出去的有机物进一步反应，提高颗粒污泥的持留时间。
本发明与其他技术相比，具有以下有益效果：
1)穿孔进料布水器集进料与布水功能，结构简单、布水均匀、不易堵塞、耐水力冲击能力强、易维护等综合性能；
2)布水区、反应区各单元采和分离区采用法兰连接，可根据进水水质和出水要求等适当调整单元；
3)在反应区设置电极板并外加电源促使二氧化碳发生电化学还原反应，减少温室气体CO2的排放，提高反应效率，同时，电极板做成圆形可减少水头损失；
4)利用厌氧反应器中的微生物菌群作为原料参与电化学反应，实现了资源的原位利用，使厌氧反应器与电化学技术高度耦合；
5)反应区设置n块椭圆挡板，分段收集生物产气，减轻了产物对微生物的抑制；同时减少了生物产气对颗粒污泥的向上携带作用，有效地增强了污泥持留能力，极大地减轻了分离区的负荷，使分离区圆柱体的直径与反应区和布水区相同(传统厌氧反应器需要通过扩大三相分离区的直径，以减轻其表面水力负荷，增强污泥持留能力)，因此，反应器基础承载强度、加工制造难度和有效体积率等均明显改善；
6)反应器外层设保温层，维持反应器内部的温度为最佳反应温度，使反应器高效稳定运行；
7)反应器加工简单、安装方便、结构紧凑、占地面积小、便于模块化。
本发明适合中高浓度有机废水的处理。
附图说明
图1为本发明提供的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器的结构示意图；
图2为图1中A-A面的剖视图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图1-2所示，为本发明提供的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器的结构示意图包括由下至上依次连接的布水段I、反应段II、分离段III，分别形成布水区、反应区、分离区。
所述布水段I包括底板33，底板33上设有下柱体34，下柱体34内设有布水区椭圆挡板27，布水区椭圆挡板27下侧与下柱体34侧壁之间形成布水区集气室28，布水区集气室28内靠近下柱体34侧壁处设有布水区排气管29、布水区阴阳极电极板30、布水区循环旋流管31，排气管29与下柱体34外侧连通，下柱体34底部设有穿孔进料布水管1，下柱体34底部设有清空口32，清空口32位于穿孔进料布水管1与底板33之间。
所述反应段II包括从下至上依次连接的n级反应单元，n＝2～6，每级反应单元相同，即第一级反应单元包括第一级单元柱体26，第一级单元柱体26内设有第一级椭圆挡板6，第一级椭圆挡板6下侧与第一级单元柱体26之间形成第一反应区集气室5，第一反应区集气室5内靠近第一级单元柱体26侧壁处设有第一排气管4、第一阴极电极板3及第一段循环旋流管2，第一排气管4与第一级单元柱体26外侧连通；……；第n级反应单元包括第n级单元柱体7，第n级单元柱体7内设有第n级椭圆挡板20，第n级椭圆挡板20下侧与第n级单元柱体7之间形成第n反应区集气室21，第n反应区集气室21内靠近第n级单元柱体7侧壁处设有第n排气管22、第n阴极电极板23及第n段循环旋流管24，第n排气管22与第n级单元柱体7外侧连通。
分离段III包括上柱体35，上柱体35顶部设有盖板15，上柱体35内设有溢流堰14，溢流堰14为锯齿形。溢流堰14上侧与上柱体35、盖板15之间形成分离区第二集气室17，上柱体35相对应溢流堰14处设有出水管18，溢流堰14下侧与上柱体35之间形成沉淀区13，沉淀区13内设有分离区椭圆挡板12，分离区椭圆挡板12下侧与上柱体35侧壁之间形成分离区第一集气室11，分离区第一集气室11内靠近上柱体35侧壁处设有分离区排气管10、分离区阴阳极电极板9、分离区循环旋流管8，分离区排气管10与上柱体35外侧连通。沉淀区13处的上柱体35侧壁设有回流管19，回流管19与分离区循环旋流管8连通。
分离区循环旋流管8、各级反应单元内的循环旋流管、布水区循环旋流管31依次首尾相连。上柱体35、各级单元柱体、下柱体34外侧均设有保温层25。布水区阴阳极电极板30通过经过布水区排气管29的导线、各级反应单元中的阴极电极板通过经过对应排气管的导线、分离区阴阳极电极板9通过经过分离区排气管10的导线分别与电化学工作站36的电源连接，阴极电极板接电源负极，阳极电极板接电源正极。各电极板中的阴极电极为碳毡；阳极电极为钛板；电极板形状均为圆形。布水区阴阳极电极板30设于布水区排气管29下方、布水区循环旋流管31上方；各级反应单元中的阴极电极板设于对应排气管下方、循环旋流管上方；分离区阴阳极电极板9设于分离区排气管10下方、分离区循环旋流管8上方。布水区椭圆挡板27、第1-n级反应单元中的椭圆挡板、分离区椭圆挡板12大小、形状相同，相邻椭圆挡板相互错开，且从下至上顺时针120。螺旋排列。布水段I、各级反应单元、分离区III相邻两者之间采用法兰连接。上柱体35、各级单元柱体与下柱体34的直径相同。
本发明运行方式如下：
有机废水通过穿孔进料布水管1由均匀进入布水区反应单元。进料先流经布水段I(产生的沼气进入布水区集气室28，通过布水区排气管29排出或收集)，绕过布水区椭圆挡板27进入上一级(产生的沼气进入第一集气室5，通过第一排气管4排出或收集)，……，绕过第n椭圆挡板20进入上一级(产生的沼气进入第n集气室21，通过第n排气管22排出或收集)，污泥回流至布水段I，进料再绕过分离区椭圆挡板12进入沉淀区，清水通过锯齿形溢流堰14经出水管18排出，未收集完的沼气进入分离区第二集气室17经排气管16排出。

Claims (12)

1.一种CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，包括由下至上依次连接的布水段(I)、反应段(II)、分离段(III)，分别形成布水区、反应区、分离区，其特征在于，所述布水段(I)包括底板(33)，底板(33)上设有下柱体(34)，下柱体(34)内设有布水区椭圆挡板(27)，布水区椭圆挡板(27)下侧与下柱体(34)侧壁之间形成布水区集气室(28)，布水区集气室(28)内靠近下柱体(34)侧壁处设有布水区排气管(29)、布水区阴阳极电极板(30)、布水区循环旋流管(31)，排气管(29)与下柱体(34)外侧连通，下柱体(34)底部设有穿孔进料布水管(1)；所述反应段(II)包括从下至上依次连接的n级反应单元，每级反应单元包括单元柱体，单元柱体内设有椭圆挡板，椭圆挡板下侧与单元柱体之间形成反应区集气室，反应区集气室内靠近单元柱体侧壁处设有排气管、阴极电极板及一段循环旋流管，排气管与单元柱体外侧连通；分离段(III)包括上柱体(35)，上柱体(35)顶部设有盖板(15)，上柱体(35)内设有溢流堰(14)，溢流堰(14)上侧与上柱体(35)、盖板(15)之间形成分离区第二集气室(17)，上柱体(35)相对应溢流堰(14)处设有出水管(18)，溢流堰(14)下侧与上柱体(35)之间形成沉淀区(13)，沉淀区(13)内设有分离区椭圆挡板(12)，分离区椭圆挡板(12)下侧与上柱体(35)侧壁之间形成分离区第一集气室(11)，分离区第一集气室(11)内靠近上柱体(35)侧壁处设有分离区排气管(10)、分离区阴阳极电极板(9)、分离区循环旋流管(8)，分离区排气管(10)与上柱体(35)外侧连通；分离区循环旋流管(8)、各级反应单元内的循环旋流管、布水区循环旋流管(31)依次首尾相连。
2.如权利要求1所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，所述溢流堰(14)为锯齿形。
3.如权利要求1所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，所述沉淀区(13)处的上柱体(35)侧壁设有回流管(19)，回流管(19)与分离区循环旋流管(8)连通。
4.如权利要求1所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，所述下柱体(34)底部设有清空口(32)，清空口(32)位于穿孔进料布水管(1)与底板(33)之间。
5.如权利要求1所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，所述上柱体(35)、各级单元柱体、下柱体(34)外侧均设有保温层(25)。
6.如权利要求1所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，所述布水区阴阳极电极板(30)通过经过布水区排气管(29)的导线、各级反应单元中的阴极电极板通过经过对应排气管的导线、分离区阴阳极电极板(9)通过经过分离区排气管(10)的导线分别与电化学工作站(36)的电源连接，阴极电极板接电源负极，阳极电极板接电源正极。
7.如权利要求1或6所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，所述各电极板中的阴极电极为碳毡；阳极电极为钛板；电极板形状均为圆形。
8.如权利要求1所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，所述布水区阴阳极电极板(30)设于布水区排气管(29)下方、布水区循环旋流管(31)上方；各级反应单元中的阴极电极板设于对应排气管下方、循环旋流管上方；分离区阴阳极电极板(9)设于分离区排气管(10)下方、分离区循环旋流管(8)上方。
9.如权利要求1所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，所述反应段(II)内设有2～6个反应单元。
10.如权利要求1所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，所述布水区椭圆挡板(27)、第1-n级反应单元中的椭圆挡板、分离区椭圆挡板(12)大小、形状相同，相邻椭圆挡板相互错开，且从下至上顺时针120°螺旋排列。
11.如权利要求1所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，所述的布水段(I)、各级反应单元、分离区(III)相邻两者之间采用法兰连接。
12.如权利要求1所述的CO2产物原位电化学还原厌氧反应器，其特征在于，上柱体(35)、各级单元柱体与下柱体(34)的直径相同。
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