CN106946405B - 生物电化学系统与uasb耦合的废水处理装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于阴极电势调控的生物电化学耦合上流式厌氧生物反应装置及使用方法。该装置中，上流式厌氧生物反应器污泥层中设置环形电极，生物电极系统为所述的上流式厌氧生物反应器筒体内阴极附近的微生物提供能量较高的电子用于污染物的降解。参比电极通过紧固螺栓固定于生物阴极附近，并通过导线与在线检测仪和计算机连接，用于实时监测耦合反应器生物阴极的阴极电势。可根据不同污染物降解所需的吉布斯自由能通过能斯特方程计算反应所需的电势差，并通过调节生物电化学系统的外加电压将阴极电势控制在略低于所需电势差的范围内，达到低能耗，高效率地降解氯代硝基苯等难降解有机污染物的目的。

Description

生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置及其方法
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置及其方法。
背景技术
在废水生物处理领域，厌氧生物处理技术应用范围广、运行能耗低、容积负荷高、污泥产量少、并具有产沼产能作用，是废水处理工艺中最广泛应用的工艺之一。其中上流式厌氧污泥床反应器（UASB），因其具有有机负荷和去除率高，抗负荷冲击和温度、pH 变化能力强等特点，已成为厌氧生物处理的主流工艺装置。对氯代硝基苯、偶氮染料等有机废水也具有一定的还原转化能力，但是存在着启动周期长、还原速率慢、还原效率低等问题。
生物电化学系统的基础是阳极生物膜上的产电能力，生长在阳极表面的产电微生物氧化底物产生电子，除用于自身生长代谢外，还可将电子传递给阳极表面，通过外电路到达阴极还原电子受体。若阴极反应的电势要高于阳极反应，则电子可以通过外电路自发地从阳极流向阴极，反之电子则不能自发流向阴极，需要外加一定的电压，克服此能量壁垒使电子流向阴极。
阴极微生物获得电子的同时所获得的能量正比于电子受体与电子供体之间的电势差，通过对阴极电势控制能够促进原本热力学上不能自发的反应发生。因此，生物电化学系统逐渐运用到硝基苯、含氯化合物、偶氮染料、硝酸盐、重金属离子等污染物的还原降解当中，成为了一个具有资源回收、污染物去除、化合物电合成等多功能的技术平台。
生物电化学耦合厌氧生物反应装置能够显著地提高难降解有机废水的处理性能，具有较高的应用价值。但是，耦合系统缺乏一套高效的运行调控方式。
发明内容
本发明的目的是在于克服上述技术中存在的不足，提供一种基于阴极电势调控的生物电化学耦合上流式厌氧生物反应装置及使用方法
生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置，包括生物电极系统和UASB反应器筒体，所述的UASB反应器筒体底部设有进水口，进水口前端的进水管路上设有水泵； UASB反应器筒体中由下至上依次设有布水板、污泥床和三相分离器；三相分离器的顶部环绕设有溢流堰，溢流堰与UASB反应器筒体上部之间夹持形成一个底部封闭顶部敞开的出水区，并在出水区外壁上设置出水口；生物电极系统设置于布水板上方的污泥床中，包括一组环形布置的生物电极对，生物电极对的中心为生物阳极，周围环绕生物阴极，生物阳极和生物阴极分别通过导线与外部的直流电源的正极与负极相连；石墨毡阴极附近固定有参比电极，参比电极通过依次与在线检测仪和计算机相连接，用于测定生物阴极的阴极电势。
作为优选，三相分离器的气体出口通过管路连接水封瓶，然后再通入湿式气体流量计中；
作为优选，生物阳极采用石墨纤维刷阳极，所述的生物阴极采用圆筒壁状的石墨毡阴极，石墨纤维刷阳极与石墨毡阴极同轴设置。进一步的，生物阳极半径为2cm，所述的生物阴极与生物阳极之间的距离为2cm。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述装置的废水处理方法，具体为：根据待处理的目标污染物降解所需的吉布斯自由能，通过能斯特方程计算反应所需的电势差；在利用该装置对废水进行处理的过程中，通过调节生物电极系统中外部的直流电源的电压将阴极电势控制在略低于所需电势差的范围内，达到目标污染物的目的。
作为优选，目标污染物为氯代硝基苯。
作为优选，所述的阴极电势通过石墨毡阴极附近固定的参比电极实时监测，并通过在线监测仪和计算机读取。
本发明的有益效果在于：生物电化学耦合厌氧生物反应器能够有效地促进氯代硝基苯等难降解有机物的还原转化降解，并加速厌氧污泥颗粒化，实现反应器的快速启动。基于阴极电势调控方法能够低能耗，高效率地提高污染物降解效率的性能。
附图说明
图1是生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置的结构示意图；
图2是生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置填充污泥后的示意图；
其中：1.进水泵、2.进水口、3.布水板、4.生物阴极、5.生物阳极、6.参比电极、7.污泥床、8. UASB反应器筒体、9三相分离器、10.溢流堰、11.出水口、12.水封瓶、13.湿式气体流量计、14.直流电源、15.在线监测仪、16.计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
本发明的核心在于在厌氧反应器的污泥床位置设置了一组生物电极。通过对阴极电势控制能够促进原本热力学上不能自发的反应发生，加快对含氯含硝基芳烃等难降解有机物的还原转化。
如图1所示，一种生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置，该装置包括生物电极系统和UASB反应器筒体8。UASB反应器筒体8呈三段式设计，下部和上部均为直筒形，但上部直筒的直径大于下部直筒，两个直筒之间通过管径逐渐扩大的倒梯台状连接段相连。UASB反应器筒体8底部设有进水口2，进水口2前端的进水管路上设有进水泵1，用于提供进水的动力。 UASB反应器筒体8中由下至上依次设有布水板3、污泥床7和三相分离器9。污泥床7为布水板3上方的腔体，在反应器运行前需要预先向其中填充活性污泥，作为污水处理过程中的床体，如图2所示。三相分离器9呈倒漏斗状，底部开口位于管径扩大段，含有活性污泥和气体的废水上升至此处时，气体进入三相分离器9，污泥由于流速下降而下沉，澄清废水继续向两侧上升。三相分离器9的顶部环绕设有溢流堰10，溢流堰10与UASB反应器筒体8上部之间夹持形成一个底部封闭顶部敞开的出水区，并在出水区外壁上设置出水口11。生物电极系统设置于布水板3上方的污泥床7中，包括一组环形布置的生物电极对，生物电极对的中心为生物阳极5，周围环绕生物阴极4。生物阳极5采用石墨纤维刷阳极，所述的生物阴极4采用圆筒壁状的石墨毡阴极，石墨纤维刷阳极与石墨毡阴极同轴设置。生物阳极5半径为2cm，生物阴极4与生物阳极5之间的距离为2cm。生物阳极5和生物阴极4分别通过导线与外部的直流电源14的正极与负极相连。生物阴极4附近通过紧固螺栓固定有一个参比电极6，参比电极6通过依次与在线检测仪15和计算机16相连接，在线检测仪15同时需要连接至电源的负极，在线检测仪15接收参比电极6测定得到的数据，并将其反馈至计算机16，实现对生物阴极4的阴极电势测定。另外，为了测定反应器排出的气体量和其中的组分，三相分离器9的气体出口还通过管路连接水封瓶12，然后再通入湿式气体流量计13中。
本发明中生物电极系统能够为UASB反应器筒体内阴极附近的微生物提供能量较高的电子用于污染物的降解。阴极电势是驱动生物电化学系统阴极反应的本征参数，但不同构型和尺寸的反应器因阻抗不同，获得相同阴极时所需的外加电压不同。该反应装置能够通过在线监测仪和计算机实时监测阴极电势。
使用该装置的废水处理方法为：根据待处理的目标污染物降解所需的吉布斯自由能，通过能斯特方程计算反应所需的电势差；在利用该装置对废水进行处理的过程中，通过调节生物电极系统中外部的直流电源14的电压将阴极电势控制在略低于所需电势差的范围内，达到低能耗，高效率地降解氯代硝基苯等难降解有机污染物的目的。废水处理过程中，阴极电势可以通过石墨毡阴极附近固定的参比电极6实时监测，并通过在线监测仪和计算机读取。阴极电势低于所需电势差的具体取值需要通过试验进行确定。
在厌氧生物反应器内部设置生物电极，不是厌氧反应器和电化学技术的简单叠加，而是可形成耦合作用。（1）生物阳极强化微生物代谢作用，从而提高有机废水COD 去除性能。（2）生物阴极可提供较高能量的电子，利于氯代硝基苯等难降解有机物的还原转化。（3）消耗具有氧化性质的物质，降低厌氧反应器内的氧化还原电位，有利于产甲烷菌的代谢生长和还原反应的进行。（4）发生析氢反应，产生许多微生物能够高效利用的电子供体H2。下面基于该装置，通过具体实施例说明本发明对废水的处理效果。
实施例
本实施例中的装置具体结构如前所述，在此不再赘述。利用上述装置进行厌氧反应器启动过程，运行三组废水处理装置进行对比。装置参数如下；UASB反应器上部内径19cm，下部内径11cm，高50cm，总体积6.6L，有效容积6.38L。处理废水为含氯代硝基苯的废水。
 三组装置中：R1组为对传统的UASB反应器（不含生物电极系统），R2组为阴极电势控制在-450mV的本发明废水处理装置，R3组为阴极电势控制在-660mV的本发明废水处理装置。三组反应器（R1，R2，R3）在水力停留时间24 h、有机负荷0.5 kg COD•m-3•d-1条件下运行。
当氯代硝基苯2,4-DClNB进水负荷为50mg•L-1•d-1时，阴极电势为-660mV的R3组反应器中，脱氯率为78.46±6.14%，明显高于阴极电势-450mV的R2组反应器（脱氯率为71.44±4.97%）以及R1组反应器（脱氯率为63.66±3.19%）。结果表明，本发明反应器相对于传统的UASB反应器而言，能够强化2,4-DNClB还原脱氯；而且调控阴极电势控制在略低于所需电势差后，较低的阴极电势具有更好的脱氯性能（R3组的脱氯率远远高于R2组），有利于反应限速步骤四氯苯胺4-ClAn的还原脱氯。

Claims (5)

1.一种利用生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置处理废水的方法，其特征在于：生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置包括生物电极系统和UASB反应器筒体（8），所述的UASB反应器筒体（8）底部设有进水口（2），进水口（2）前端的进水管路上设有水泵（1）；UASB反应器筒体（8）中由下至上依次设有布水板（3）、污泥床（7）和三相分离器（9）；三相分离器（9）的顶部环绕设有溢流堰(10)，溢流堰(10)与UASB反应器筒体（8）上部之间夹持形成一个底部封闭顶部敞开的出水区，并在出水区外壁上设置出水口（11）；生物电极系统设置于布水板（3）上方的污泥床（7）中，包括一组环形布置的生物电极对，生物电极对的中心为生物阳极（5），周围环绕生物阴极（4），生物阳极（5）和生物阴极（4）分别通过导线与外部的直流电源（14）的正极与负极相连；生物阴极（4）附近固定有参比电极（6），参比电极（6）通过依次与在线检测仪（15）和计算机（16）相连接，用于测定生物阴极（4）的阴极电势；
具体处理方法如下：根据待处理的目标污染物降解所需的吉布斯自由能，通过能斯特方程计算反应所需的电势差；在利用该装置对废水进行处理的过程中，通过调节生物电极系统中外部的直流电源（14）的电压将阴极电势控制在低于所需电势差的范围内，达到目标污染物的目的；
所述目标污染物为氯代硝基苯。
2.如权利要求1所述的处理废水的方法，其特征在于：所述的三相分离器（9）的气体出口通过管路连接水封瓶（12），然后再通入湿式气体流量计（13）中。
3.如权利要求1所述的处理废水的方法，其特征在于：所述的生物阳极（5）采用石墨纤维刷阳极，所述的生物阴极（4）采用圆筒壁状的石墨毡阴极，石墨纤维刷阳极与石墨毡阴极同轴设置。
4.如权利要求3所述的处理废水的方法，其特征在于：所述的生物阳极（5）半径为2cm，所述的生物阴极（4）与生物阳极（5）之间的距离为2cm。
5.如权利要求1所述的处理废水的方法，其特征在于，所述的阴极电势通过生物阴极（4）附近固定的参比电极（6）实时监测，并通过在线监测仪和计算机读取。
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