CN108002517B - 一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统及其净化方法 - Google Patents
一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统及其净化方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108002517B CN108002517B CN201711357408.4A CN201711357408A CN108002517B CN 108002517 B CN108002517 B CN 108002517B CN 201711357408 A CN201711357408 A CN 201711357408A CN 108002517 B CN108002517 B CN 108002517B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stage
- cathode
- water
- anode
- bioelectrochemical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 title claims abstract description 84
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 title claims abstract description 82
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 26
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 163
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000008213 purified water Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000000108 ultra-filtration Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 claims description 27
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims description 23
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 22
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N ammonia nh3 Chemical compound N.N XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims description 14
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 14
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 14
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims description 14
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 12
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 10
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 10
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 claims description 10
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 9
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 claims description 8
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 7
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 7
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 7
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 7
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 6
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 6
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 claims description 4
- 238000010992 reflux Methods 0.000 claims description 4
- IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M Nitrite anion Chemical compound [O-]N=O IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 7
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 7
- JXTHNDFMNIQAHM-UHFFFAOYSA-N dichloro-acetic acid Natural products OC(=O)C(Cl)Cl JXTHNDFMNIQAHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- -1 polypropylene Polymers 0.000 description 6
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- YNJBWRMUSHSURL-UHFFFAOYSA-N trichloroacetic acid Chemical compound OC(=O)C(Cl)(Cl)Cl YNJBWRMUSHSURL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 5
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 4
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- FOCAUTSVDIKZOP-UHFFFAOYSA-N chloroacetic acid Chemical compound OC(=O)CCl FOCAUTSVDIKZOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 229960005215 dichloroacetic acid Drugs 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 125000000896 monocarboxylic acid group Chemical group 0.000 description 3
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 3
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 2
- 235000012206 bottled water Nutrition 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000006298 dechlorination reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 2
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000001728 nano-filtration Methods 0.000 description 2
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 239000002352 surface water Substances 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 241001052560 Thallis Species 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000001651 autotrophic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 231100000693 bioaccumulation Toxicity 0.000 description 1
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 description 1
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GBAOBIBJACZTNA-UHFFFAOYSA-L calcium sulfite Chemical compound [Ca+2].[O-]S([O-])=O GBAOBIBJACZTNA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 235000010261 calcium sulphite Nutrition 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000005660 chlorination reaction Methods 0.000 description 1
- 231100000085 chronic toxic effect Toxicity 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- UWIVMLUBHUNIBC-MJSUFJGSSA-N dcaa Chemical compound Cl.CN1C2=CC=CC=C2C2([C@@H](C34)OC(=O)CCl)[C@@H]1[C@@H]1CC3[C@H](CC)[C@@H](OC(=O)CCl)N1[C@H]4C2 UWIVMLUBHUNIBC-MJSUFJGSSA-N 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005695 dehalogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003933 environmental pollution control Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 231100001240 inorganic pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 229910000000 metal hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004692 metal hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 231100000219 mutagenic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003505 mutagenic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004005 nitrosamines Chemical class 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 230000002085 persistent effect Effects 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/005—Combined electrochemical biological processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
- C02F1/444—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by ultrafiltration or microfiltration
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/10—Inorganic compounds
- C02F2101/16—Nitrogen compounds, e.g. ammonia
- C02F2101/163—Nitrates
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
本发明涉及一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统及其净化方法，其特征在于，所述系统包括第一级生物电化学系统（1）、第二级生物电化学系统（2）、阳极一（3）、隔膜一（4）、阴极一（5）、内置水流导筒（6）、阳极二（7）、隔膜二（8）、阴极二（9），直流电源一（10），直流电源二（11），自动控制器（12），参比电极（13），循环泵（14）、负载（15）、阳极室密封盖（16）、高压开关（17）、超滤膜柱（18）、压力储水桶（19）、进水电磁阀（20）、流量调控开关（21）、水流开关（22）、进水口一（23）、净化水出口一（24）、进水口二（25）、净化水出口二（26）、反冲洗排水口（27）、反冲洗阀（28）、阳极室冲洗口（29）、阳极室冲洗阀（30）。本发明主要应用于家庭饮用水的净化，特别是针对硝酸盐、消毒副产物浓度高的饮用水净化。
Description
技术领域
本发明涉及水净化领域，特别涉及饮用水净化领域，具体涉及一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统以及净化方法。
技术背景
我国经过30多年的经济高速发展，资源与能源的过度消耗导致大量的污染物进入自然环境中。其中可溶性的有机、无机污染物、重金属离子大量进入地表水体、地下水系统。水体中由于缺乏足够的电子供体，氨氮经生物硝化后，大多以硝酸盐形式存在于水体中，特别是地下水中硝酸盐显著积累。此外，许多难降解、难于转化的芳香类或含取代基的芳香类污染物(POPs)、重金属离子等在地表水、地下水中长期滞留，这些污染物一旦经饮用水源进入饮用水系统，将对人体健康造成严重的威胁。饮用水厂主要采用混凝、沉淀或澄清、过滤和加氯消毒对饮用水进行处理。这种常规的处理工艺至今仍被世界大多数国家所采用。受污染饮用水源水经常规处理净化，只能去除水中20-30％的有机污染物。由于有机污染物去除效率有限，氯气消毒产生大量的对人体有害的消毒副产物，如卤乙酸(HAAs)、卤甲烷(THMs)、亚硝胺、致诱变化合物(MX)等产物大幅增加。残留的余氯不仅造成人体感官严重不适，还造成输水管道内大量铅、锌、镉等重金属离子的溶出。这些污染物都具有浓度低、环境持久、生物累积、慢性毒性效应和高生物毒性的特点。
在家庭用水终端，各类净水器用于饮用水的净化，主要包括超滤、活性炭吸附、反渗透等主要工艺，其中还结合亚硫酸钙、KDF合金脱氯工艺强化净水效率。消毒副产物大多是一些小分子的污染物，常规的过滤膜对其净化效率非常有限(“纳滤/反渗透分离中有机物的特征参数对截留率的影响研究，膜科学与技术，2006，26，36-40”，“反渗透、纳滤膜技术脱除小分子有机物的研究进展，膜科学与技术，2009，29，1-10”)。超滤膜、活性炭以及反渗透膜自身不能降解污染物，随着使用时间的延长，污染物的积累、孔隙堵塞造成净水效率大幅下降，过滤膜的频繁更换大幅增加了家庭净水的成本。此外，饮用水中的余氯会快速降解以聚酰胺为基材的反渗透膜，给反渗透出水带来安全隐患。
饮用水中的大量有机污染物可通过微生物降解、转化得以去除(“臭氧生物活性炭技术的工艺设计与运行管理，给水排水，2007，33，13-19”，”臭氧-生物活性炭技术在饮用水深度处理中的应用进展，河南化工，2014，31，25-30”，“氯代有机污染物在厌氧条件下还原脱氯的研究进展，环境污染治理技术与设备，2003，4，43-48”，“Removal of haloaceticacids by ozone and biologicallyactive carbon，ScienceAsia，2008，34 293-298”，“Reductive Dehalogenation of Trichloroacetic Acid byTrichlorobacterthiogenesgen.nov.,sp.nov.，AEM,2000,66,2297-2301”，”Biodegradation of Haloacetic AcidsbyBacterial Isolates andEnrichment Cultures from DrinkingWater Systems，Environ.Sci.Technol.2009,43,3169–3175”)。其中，生物膜工艺、臭氧-生物活性炭是饮用水源水净化的主要工艺，目前，仅有少数饮用水厂(约占2％)采用了臭氧-生物活性炭、或生物膜的处理工艺对饮用水源水进行深度净化。
而对于来源于地下水含有过量硝酸盐(>10mg/L)的饮用水来说，由于饮用水自身缺乏足够的有机碳作为电子供体，因此，研究开发硝酸盐的自养反硝化技术一直以来都是该领域的热点。许多文献研究表明，采用零价铁纳米粒子能够快速还原硝酸盐(Kineticsof nitrate reductive denitrification by nanoscalezero-valent iron，ProcessSafety and Environmental Protection，2010,88,439-445,Evaluation on theNanoscaleZero Valent Iron Based MicrobialDenitrification for NitrateRemovalfrom Groundwater，Scientific Reports，5:12331，DOI:10.1038/srep12331)，不足的是，零价铁纳米粒子合成、投加操作繁琐、复杂，铁及其杂质离子的溶出增加了二次污染。此外，零价铁纳米粒子氧化产生过量的氢气等电子供体，造成硝酸盐过度还原积累氨氮。一些电化学系统也用于饮用水硝酸盐的还原，其中电子供体来源于阳极水的电解，更负的阴极电势下，致使阴极产氢并催化硝酸盐的还原或反硝化，在电化学反硝化过程中同样存在氨的积累。
发明内容
本发明针对家庭等供水终端饮用水含有的微量有机污染物、消毒副产物、硝酸盐以及余氯等污染物的现状，常规的物理、化学工艺成本高、能耗高，滤芯频繁更换的问题。硝酸盐、消毒副产物的还原需要足够多的电子供体，正在开发的零价铁纳米粒子、电化学硝酸盐还原工艺操作复杂、电流效率低下，过量氢气导致严重的氨氮积累等弊端。本发明提供一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统及净化方法，该发明主要应用于家庭饮用水的净化，特别是针对硝酸盐、消毒副产物浓度高的饮用水净化。也可应用于学校、宾馆、办公场所等供水终端的饮用水硝酸盐净化领域。该系统能有效地除去饮用水中含有的硝酸盐、微量有机污染物、消毒副产物、余氯等污染物、避免各类副产物的积累。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统，其特征在于，所述系统包括第一级生物电化学系统(1)、第二级生物电化学系统(2)、阳极一(3)、隔膜一(4)、阴极一(5)、内置水流导筒(6)、阳极二(7)、隔膜二(8)、阴极二(9)，直流电源一(10)，直流电源二(11)，自动控制器(12)，参比电极(13)，循环泵(14)、负载(15)、阳极室密封盖(16)、高压开关(17)、超滤膜柱(18)、压力储水桶(19)、进水电磁阀(20)、流量调控开关(21)、水流开关(22)、进水口一(23)、净化水出口一(24)、进水口二(25)、净化水出口二(26)、反冲洗排水口(27)、反冲洗阀(28)、阳极室冲洗口(29)、阳极室冲洗阀(30)；
所述第一级生物电化学系统内置阳极一、阴极一和隔膜一，从内到外分别是阳极一、隔膜一和阴极一，其中隔膜一将阳极一和阴极一分开；系统上部设置进水口一与净化水出口一，进水口一端设置有反冲洗排水口以及反冲洗阀，进水口一与进水电磁阀和水流开关连接，净化水出水口一与第二级生物电化学系统的进水口二连接；直流电源一通过自动控制器与阴极一和阳极一连接；
所述第二级生物电化学系统的阳极二位于阳极室中，阴极二位于阴极室中，阳极室和阴极室间壁中下部设置隔膜二，隔膜二采用质子交换膜，阳极二和阴极二之间通过自动控制器构建2条回路，其中第一条回路是利用负载形成的电池回路，第二条回路则是利用直流电源二形成的反向电压回路；
第一级生物电化学系统与第二级生物电化学系统互相串联，其中第一级生物电化学系统饮用水净化后的净化出水进入第二级生物电化学系统，经第二级生物电化学系统净化后，通过超滤膜柱直接使用或储存于压力储水桶内备用。两级系统通过循环泵以及回流管路将第二级生物电化学系统的净化出水回流至第一级生物电化学系统，经净化后再进入第二级生物电化学系统。
优选地，第一级生物电化学系统的阳极一采用选自石墨片、石墨毡、无定形碳纤维或活性炭颗粒构建的三维电极，三维电极内部设置水流通道；
优选地，第一级生物电化学系统的阴极一采用选自不锈钢网、板、不锈钢壳体、石墨毡、无定形碳纤维或其组合而成的电极；
优选地，第一级生物电化学系统的隔膜一采用无纺布、离子交换膜、单层或双层塑料网，优选采用无纺布；
在第二级生物电化学系统中，直流电源二的正极连接系统的阴极二，负极连接系统的阳极二，反向电压主要是控制金属阳极的氧化腐蚀速率。
第二级生物电化学系统的外加电源二通过自动控制器分别与阳极二和阴极二相连；阴极室底部设置有进水口二，上部设置净化水出口二，净化水出口二连接外置的超滤膜柱，经超滤膜过滤的出水连接压力储水桶，在超滤膜柱与压力储水桶之间设置高压开关；阳极室底部设置阳极室冲洗阀，阴极室内部设置参比电极，阳极室上部设置密封盖。
进一步地，第二级生物电化学系统的阳极二采用金属材料，其选自铁及其合金中的一种；阳极优选采用纯铁和35钢。阴极二采用金属材料或者碳素材料，金属材料选自不锈钢；碳素材料选自碳毡、碳纸、活性炭或无定形碳钎维。
进一步地，负载采用10-5000Ω的电阻；
此外，第二级生物电化学系统除阳极室与阴极室如上述并联构建外，还可以直接把阳极室作为独立单元嵌入到阴极室内；当以这样的方式时，隔膜二固定在阳极室的壳体上。
优选地，第一级生物电化学系统和第二级生物电化学系统的壳体采用不锈钢、玻璃钢、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等制造。
优选地，第二级生物电化学系统的阳极室、阴极室、阳极室密封盖采用选自(PP)、聚乙烯(PE)、玻璃钢、聚四氟乙烯或有机玻璃材料构建。
直流电源采用线性直流稳压电源或非线性直流稳压电源；直流电源采用AC-DC或DC-DC电源模块；直流电源既可独立手动启闭，也可与水流开关联动，通过自动控制器启闭。
进一步地，高压开关与进水电磁阀调控生物电化学偶联系统的进水，水流开关通过自动控制器调控直流电源的开启，流量调控开关调控生物电化学系统的流量大小；
进一步地，自动控制器采用附带PLC控制的电源控制芯片、集成电路控制器组成；此外，自动控制器可以采用控制按钮面板、多参数数据显示面板。
进一步地，本发明还提供利用上述生物电化学偶联系统净化饮用水的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一、利用所述第一级生物电化学系统，在净化饮用水过程中，直流电源一与水流开关联动通过自动控制器启闭；所述直流电源一也可保持常开或手动启闭；所述直流电源一的外加电压控制在0.1-1.5V之间；饮用水在第一级生物电化学系统内的停留时间为3-30分钟；
步骤二，系统采用从上部进出水方式，水流从上往下流动过程中，污染物迁移并通过阴阳极降解转化，水相中的污染物分别迁移到阳极和阴极进行氧化还原反应，其中有机污染物、氨氮在阳极经电活性微生物催化氧化释放电子到电极，电子从外电路传递到阴极被氯气、氧气接受并还原过程中形成电流；水流到达底部后再通过内置水流导筒向上部流动，并经上部净化水口排出；
步骤三、经第一级生物电化学系统净化的出水流入第二级生物电化学系统，自动控制器接通电化学系统电池回路，阳极室内的金属阳极氧化腐蚀产生的电流经电池回路传递到阴极室中的阴极，阴极及其表面生长的微生物菌群将流经阴极室饮用水中的氯气、硝酸盐、消毒副产物还原。经净化后的饮用水经净化水出口排出，并经超滤膜柱过滤后使用。
步骤四、为了解决第一级生物电化学系统电子供体不足限制余氯与消毒副产物的还原、以及第二级生物电化学系统电子供体氢气产生过多导致氨的积累等问题，两极系统间经回流管路，通过循环泵进行回流。具体来说，是将第二级生物电化学系统净化水出口的饮用水通过回流管路以及循环泵回流至第一级生物电化学系统的进水口。回流饮用水内积累的氨氮、亚硝酸盐、氢气在第一级生物电化学系统阳极生长的微生物菌群催化氧化为硝酸盐，氢气则通过阳极氧化释放电子在阴极进行反硝化、氯气以及消毒副产物的还原。
进一步地，循环泵运行通过自动控制器来控制，其中每次运行间隔时间为0.5-12小时，每次运行时间为0.5-2分钟。
步骤五、本发明还提供了一种控制阳极氧化腐蚀速率并维持阴极电势在合适范围的反向电压控制方法。在两级生物电化学系统回流运行过程中，控制第二级生物电化学系统阴极二电势在0—-400mV(vs Ag/AgCl)之间，当阴极二电势下降到-400mV(vs Ag/AgCl)以下时，自动控制器启动直流电源二接通反向电压回路，其中阳极二和阴极二间的反向电压控制在0.1-0.5V之间。当阴极二电势上升到0mV(vs Ag/AgCl)以上时，通过自动控制器断开直流电源二。
步骤六、生物电化学偶联系统经长期运行后，系统内积累较多的微生物菌体以及杂质，本发明提供了系统的反冲洗方法。反冲洗操作既可手动控制，也可通过自动控制器控制，反冲洗水源可利用压力储水桶的净化饮用水，也可利用旁通管道利用未净化的饮用水，反冲洗间隔周期为10-60天，每次反冲洗时间为0.1-2分钟。进行反冲洗操作时，先关闭第一级生物电化学系统的进水电磁阀，开启反冲洗阀，反冲洗水依次从第二级生物电化学系统的阴极室净化水出口二进入阴极室，再经进水口二、净化水出口一进入第一级生物电化学系统，最后通过进水口一、反冲洗排水口流出。
进一步的，经过额定的使用期限后，第二级生物电化学系统的阳极氧化不足以维持阴极的负电势范围时，需要更换阳极和阳极液。先关闭系统电源，再关闭饮用水进水阀门，依次开启阳极室的密封盖，阳极室冲洗阀排出沉积在阳极室内的金属氢氧化物沉淀以及残留的阳极液，随后关闭阳极室冲洗阀，卸下残留的阳极，更换新的阳极、新阳极液至设定液位。更换完毕后，重新启动系统。
进一步的，阳极液为含盐电解质，含盐量(以NaCl计)为0.1-10％。
优选地，在步骤一和步骤二中，通过自动控制器采集外电路的电流强度数据，通过与水相中的污染物指标—化学耗氧量的分析进行对比换算，将电流强度转化为饮用水的化学耗氧量指标数据，以实时表征生物电化学系统的进水污染程度；
优选地，在步骤一中，通过对生物电化学系统净水效率与进水化学耗氧量指标的换算，将电流数据进一步转换为生物电化学系统的净化水化学耗氧量指标；
优选地，在步骤一中，饮用水的进水以及净化水的化学耗氧量等指标数据通过自动控制器的多参数显示屏显示出来。
在自动控制器采集水质数据时，关闭循环泵的电源。
该发明主要应用于家庭、学校、宾馆、办公场所的饮用水的净化，特别是针对硝酸盐、消毒副产物浓度高的饮用水净化领域。
本发明的技术原理如下：
在生物电化学偶联系统内：
第一级生物电化学系统
阳极反应(乙酸代表有机碳)：
CH3COOH+2H2O→2CO2+8H++8e-
NH3+H2O→NO2 -+5H++6e-
NO2 -+H2O→NO3 -+2H++2e-
H2→2H++2e-
阴极反应：
NO3 -+2H++2e-→NO2 -+H2O
NO2 -+6e-+8H+→N2↑+4H2O
O2+4e-+4H+→2H2O
2ClO-+2e-+4H+→Cl-+2H20
消毒副产物(HAAs)在阴极的还原反应：
Cl3CCOOH+H++e-→Cl2CHCOOH+Cl-
Cl2CHCOOH+H++e-→ClCH2COOH+Cl-
ClCH2COOH+H++e-→CH3COOH+Cl-
第二级生物电化学系统阳极反应(M代表金属单质)：
M→M2++2e-
M2++2H2O→M(OH)2+2H+
阴极反应：
2NO3 -+4H++4e-→2NO2 -+2H2O
NO2 -+6e-+8H+→N2↑+4H2O
O2+4e-+4H+→2H2O
2ClO-+2e-+4H+→Cl-+2H20
2H++2e-→H2
NO3 -+10H++8e-→NH4 ++3H2O
有益效果
相比现有技术而言，本发明具有如下技术效果：
1、本发明针对饮用水中硝酸盐、余氯、消毒副产物等还原过程缺乏电子供体，以及金属电子供体还原硝酸盐过程中严重积累氨氮等难题。通过两级生物电化学系统间饮用水的水流，既可把第二级系统金属电子供体产生的氢气和积累的少量氨氮回流到第一级系统，通过第一级系统的生物催化氧化去除氨氮、氢气，同时又为第一级系统余氯、消毒副产物以及硝酸盐的还原提供了充分的电子供体。
2、本发明通过两级生物电化学系统系统间的回流以及配套的氧化还原电位的控制方法，将两个生物电化学系统都控制在适宜的氧化还原电位，不仅有效解决了两个系统电子供体供求不平衡的难题，同时大幅减少了副产物的积累。
3、本发明既解决了饮用水硝酸盐还原缺乏电子供体的难题，同时又避免了金属氧化腐蚀对于饮用水可能的二次污染，同时也避免了零价铁纳米粒子还原过程分批次、按比例投加带来的繁琐操作缺陷。
4、本发明的第二级生物电化学系统的阳极和阴极通过隔膜完全分开，并且采用不同的材料，其优化了电解质的环境，金属的氧化腐蚀效率大大提高；阳极室内充填的阳极液中氯离子可破坏阳极表面包裹的氧化物钝化层，促进阳极的氧化，有效解决了金属材料在传统饮用水净化过程中的活性较低的难题。
5、本发明在第二级生物电化学系统内采用反向电压的方式，控制阳极室内电解质环境中的阳极腐蚀速率，延长阳极寿命，结合两级系统间的饮用水回流，有效解决了第二级生物电化学系统阴极电势偏低，积累氨氮等副产物的难题。
6、第二级电化学系统阴阳极室采用质子交换膜作为隔膜，彻底杜绝了阳极室内氧化的产物向阴极室迁移造成的二次污染。
7、通过两级生物电化学系统的净化，还可产生碱性负离子水，有益人体健康。
附图说明：
图1：本发明的净化饮用水的生物电化学偶联系统结构图；
图2：有机碳污染物与消毒副产物在本发明生物电化学系统内的氧化还原过程原理图；
其中TCAA为三氯乙酸，DCAA为二氯乙酸，MCAA为一氯乙酸。
图3：本发明生物电化学系统运行过程中通过数据采集的电流强度实时变化示意图。
在图1中，各附图标记如下：(1)第一级生物电化学系统；(2)第二级生物电化学系统；(3)阳极一；(4)隔膜一；(5)阴极一；(6)内置水流导筒；(7)阳极二；(8)隔膜二；(9)阴极二；(10)直流电源一；(11)直流电源二；(12)自动控制器；(13)参比电极；(14)循环泵；(15)负载；(16)阳极室密封盖；(17)高压开关；(18)超滤膜柱；(19)压力储水桶；(20)进水电磁阀；(21)流量调控开关；(22)水流开关；(23)进水口一；(24)净化水出口一；(25)进水口二；(26)净化水出口二；(27)反冲洗排水口；(28)反冲洗阀；(29)阳极室冲洗口；(30)阳极室冲洗阀。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不限于下列实施例。
实施例1：生物电化学偶联系统的构建
如附图1所示，本实施例的第一级生物电化学系统1以聚丙烯(PP)作为筒状的净水器壳体(直径130mm，长600mm)，其中阳极一3位于壳体的内侧，阳极一3外侧依次包裹隔膜一4和阴极一5。阳极一3由1层或多层石墨毡构建，石墨毡厚度2-10mm，每层石墨毡之间间隔2-10mm，不锈钢网作为阴极一5，隔膜一4采用无纺布。第一级生物电化学系统1的进水口一23与净化水出口一24均位于壳体顶端，进水口一23端包括进水电磁阀20、水流开关22、流量调控开关21，在进水口一23端还通过三通设置了反冲洗排水口27以及反冲洗阀28。净化水出口一24与第二级生物电化学系统的进水口二25相连。阳极一3与阴极一5分别通过钛丝与净水器壳体上的电源固定螺栓连接直流电源一10，直流电源一10采用开关电源，直流电源一10通过自动控制器12控制。
第二级生物电化学系统2以5mm厚的聚丙烯(PP)板作为电化学系统的壳体(长240mm，宽140mm，高250mm)，其中阳极室长80mm，宽130mm，高250mm，阴极室长140mm,宽130mm,高250mm。阳极室与阴极室之间的间壁设置隔膜二8，隔膜二8采用质子交换膜(Nafion 117，140mm，宽80mm)，隔膜二下端距壳体底部20mm。阳极二7采用100×100×5mm的纯铁板，通过钛丝和钛螺栓固定于阳极室的密封盖上，阳极室底部设置一个阳极室冲洗阀30。阴极室底部设置进水口二25、上部设置净化水出口二26，阴极二9采用1层或多层100×200×5mm石墨毡，石墨毡之间间隔2-10mm，石墨毡通过钛丝、螺栓固定于阴极室顶部。阴极室内设置一个Ag/AgCl参比电极13，电极线同样固定于阴极室顶部。阳极二7、阴极二9分别与负载(500Ω的电阻)15、直流电源二11构建为电池回路以及反向电压回路，两条回路以及参比电极13分别连接自动控制器12。(参见说明书附图1)
第二级生物电化学系统净化水出口二26连接超滤膜柱18，经超滤膜柱18过滤的出水连接压力储水桶19，在超滤膜柱18与压力储水桶19之间设置一个高压开关17，高压开关17与进水电磁阀20偶联调控生物电化学偶联系统的进水，水流开关22通过自动控制器12调控直流电源一10的开启，流量调控开关21调控生物电化学偶联系统的流量大小。
第二级生物电化学系统的净化水出口二26端还设置了一个三通，三通的一端连接超滤膜柱18，另一端连接净化水回流管路，回流管路与循环泵14连接，循环泵14采用屏蔽泵(流量20L/min)，回流管路连接第一级生物电化学系统的进水口一23。(参见说明书附图1)。
实施例2生物电化学偶联系统净化家庭饮用水
采用实施例1构建的生物电化学偶联系统，配制2.5L的的电解液(2％NaCl)，注入到第二级生物电化学系统的阳极室内，封闭阳极室。将家庭饮用水通过管道接入生物电化学偶联系统，通过自动控制器控制第一级生物电化学系统的直流电源一外加电压为1.0V，同时连接第二级生物电化学系统的电池回路。在系统运行过程中，通过自动控制器控制直流电源二对第二级生物电化学系统的阴极电势进行调控以达到0—-400mV(vs Ag/AgCl)的范围，利用流量调控开关控制系统饮用水停留时间为30分钟，在系统启动驯化过程中，市政与家庭饮用水管道内生存的微生物在生物电化学偶联系统内定殖、生长并形成稳定的菌群。在系统运行过程中，设置循环泵的间隔运行时间为30分钟，每次运行时间1分钟。经过1-2个月的驯化后，生物电化学系统达到正常的运行与饮用水净化效果。
对生物电化学偶联系统的饮用水净化效果进行分析，采集500mL水样，利用氮气吹脱2-5分钟以除去水中的氧气、氯气。对水样进行CODmn检测表明，未净化的饮用水CODmn在2.5-6.5mg/L之间，经净化后的饮用水CODmn在0-1.5mg/L之间。
UV254可以作为总有机碳(TOC)、溶解性有机碳(DOC)，以及三卤甲烷(YHMs)的前驱物(THMEP)等指标的替代参数，是衡量微污染饮用水中有机物的一个重要参数。对生物电化学系统净化后的饮用水水样经UV254检测表明，未净化的饮用水UV254在0.035-0.045/cm之间，经净化后的饮用水UV254降到0.01-0.015/cm之间。
采集饮用水水样，采用气相色谱仪(配电子捕获检测器)进行消毒副产物HAAs(三氯乙酸、二氯乙酸、一氯乙酸)的分析，结果表明，未净化的饮用水中三氯乙酸50-80ug/L，经生物电化学偶联系统净化后，未检测到三氯乙酸、二氯乙酸和一氯乙酸。
采集饮用水水样，采用国标方法分析其中的含氮污染物，结果表明，未净化的饮用水氨氮浓度0.2-0.5mg/L之间，硝酸盐在7-12mg/L之间，经本发明的生物电化学偶联系统净化后，硝酸盐浓度为0-0.5mg/L，氨氮、亚硝酸盐未检出。
实施例3：生物电化学偶联系统实时水质检测分析
以实施例1的生物电化学偶联系统在饮用水净化过程中，在关闭循环泵12小时后，通过数据采集器实时采集直流电源的电流数据(见附图3)，通过与进出水的CODmn换算，其进水CODmn在3.0-4.5mg/L，出水CODmn为0.5-0.7mg/L。
对比实施例1：除仅采用第一级生物电化学系统外，其余同实施例1。
采集饮用水水样，采用国标方法分析其中的含氮污染物，结果表明，水中氨氮浓度0.1-0.2mg/L之间，硝酸盐在2-5mg/L之间。
对比实施例2：除仅采用第二生物电化学系统外，其余同实施例1。
采集饮用水水样，采用国标方法分析其中的含氮污染物，结果表明，水中氨氮浓度0.15-0.3mg/L之间，硝酸盐在3-5.5mg/L之间。
由此可见，本发明的生物电化学偶联系统相比采用单一的生物电化学系统净化水的效果更优。
本发明的一种用于净化饮用水的生物电化学系统以及净化方法已经通过具体的实例进行了描述，本领域技术人员可借鉴本发明内容，适当改变原料、工艺条件等环节来实现相应的其它目的，其相关改变都没有脱离本发明的内容，所有类似的替换和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本发明的范围之内。
Claims (6)
1.一种生物电化学偶联系统净化饮用水的方法，其特征在于，所述系统包括第一级生物电化学系统(1)、第二级生物电化学系统(2)、阳极一(3)、隔膜一(4)、阴极一(5)、内置水流导筒(6)、阳极二(7)、隔膜二(8)、阴极二(9)，直流电源一(10)，直流电源二(11)，自动控制器(12)，参比电极(13)，循环泵(14)、负载(15)、阳极室密封盖(16)、高压开关(17)、超滤膜柱(18)、压力储水桶(19)、进水电磁阀(20)、流量调控开关(21)、水流开关(22)、进水口一(23)、净化水出口一(24)、进水口二(25)、净化水出口二(26)、反冲洗排水口(27)、反冲洗阀(28)、阳极室冲洗口(29)、阳极室冲洗阀(30)；
所述第一级生物电化学系统内置阳极一、阴极一和隔膜一，从内到外分别是阳极一、隔膜一和阴极一，其中隔膜一将阳极一和阴极一分开；系统上部设置进水口一与净化水出口一，进水口一端设置有反冲洗排水口以及反冲洗阀，进水口一与进水电磁阀和水流开关连接，净化水出水口一与第二级生物电化学系统的进水口二连接；直流电源一通过自动控制器与阴极一和阳极一连接；
所述第二级生物电化学系统的阳极二位于阳极室中，阴极二位于阴极室中，阳极室和阴极室间壁中下部设置隔膜二，隔膜二采用质子交换膜，阳极二和阴极二之间通过自动控制器构建2条回路，其中第一条回路是利用负载形成的电池回路，第二条回路则是利用直流电源二形成的反向电压回路；
第一级生物电化学系统与第二级生物电化学系统互相串联，其中第一级生物电化学系统饮用水净化后的净化出水进入第二级生物电化学系统，经第二级生物电化学系统净化后，通过超滤膜柱直接使用或储存于压力储水桶内备用，两级系统通过循环泵以及回流管路将第二级生物电化学系统的净化出水回流至第一级生物电化学系统，经净化后再进入第二级生物电化学系统；
第二级生物电化学系统的阳极二采用金属材料，其选自铁及其合金中的一种；阴极二采用金属材料或者碳素材料，金属材料选自不锈钢；碳素材料选自碳毡、碳纸、活性炭或无定形碳钎维；
所述方法包括如下步骤：
步骤一、利用所述第一级生物电化学系统，在净化饮用水过程中，直流电源一与水流开关联动通过自动控制器启闭；所述直流电源一保持常开或手动启闭；所述直流电源一的外加电压控制在0.1-1.5V之间；饮用水在第一级生物电化学系统内的停留时间为3-30分钟；
步骤二，系统采用从上部进出水方式，水流从上往下流动过程中，污染物迁移并通过阴阳极降解转化，水相中的污染物分别迁移到阳极和阴极进行氧化还原反应，其中有机污染物、氨氮在阳极经电活性微生物催化氧化释放电子到电极，电子从外电路传递到阴极被氯气、氧气接受并还原过程中形成电流；水流到达底部后再通过内置水流导筒向上部流动，并经上部净化水口排出；
步骤三、经第一级生物电化学系统净化的出水流入第二级生物电化学系统，自动控制器接通电化学系统电池回路，阳极室内的金属阳极氧化腐蚀产生的电流经电池回路传递到阴极室中的阴极，阴极及其表面生长的微生物菌群将流经阴极室饮用水中的氯气、硝酸盐、消毒副产物还原，经净化后的饮用水经净化水出口排出，并经超滤膜柱过滤后使用；
步骤四、将第二级生物电化学系统净化水出口的饮用水通过回流管路以及循环泵回流至第一级生物电化学系统的进水口；回流饮用水内积累的氨氮、亚硝酸盐、氢气在第一级生物电化学系统阳极生长的微生物菌群催化氧化为硝酸盐，氢气则通过阳极氧化释放电子在阴极进行反硝化、氯气以及消毒副产物的还原；
在两级生物电化学系统运行过程中，控制第二级生物电化学系统阴极二电势在0—-400mV vs Ag/AgCl之间，当阴极二电势下降到-400mV vs Ag/AgCl以下时，自动控制器启动直流电源二接通反向电压回路，其中阳极二和阴极二间的反向电压控制在0.1-0.5V之间，当阴极二电势上升到0mV以上时，通过自动控制器断开直流电源二。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一级生物电化学系统的阳极一采用选自石墨片、石墨毡、无定形碳纤维或活性炭颗粒构建的三维电极，三维电极内部设置水流通道；第一级生物电化学系统的阴极一采用选自不锈钢网、不锈钢板、不锈钢壳体、石墨毡、无定形碳纤维或其组合而成的电极；第一级生物电化学系统的隔膜一采用无纺布、离子交换膜、单层或双层塑料网。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二级生物电化学系统的外加电源二通过自动控制器分别与阳极二和阴极二相连；阴极室底部设置有进水口二，上部设置净化水出口二，净化水出口二连接外置的超滤膜柱，经超滤膜过滤的出水连接压力储水桶，在超滤膜柱与压力储水桶之间设置高压开关；阳极室底部设置阳极室冲洗阀，阴极室内部设置参比电极，阳极室上部设置密封盖。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，阳极室作为独立单元嵌入到阴极室内；隔膜二固定在阳极室的壳体上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高压开关与进水电磁阀调控生物电化学偶联系统的进水，水流开关通过自动控制器调控直流电源的开启，流量调控开关调控生物电化学系统的流量大小。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，循环泵运行通过自动控制器来控制，其中每次运行间隔时间为0.5-12小时，每次运行时间为0.5-2分钟。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711357408.4A CN108002517B (zh) | 2017-12-16 | 2017-12-16 | 一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统及其净化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711357408.4A CN108002517B (zh) | 2017-12-16 | 2017-12-16 | 一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统及其净化方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108002517A CN108002517A (zh) | 2018-05-08 |
| CN108002517B true CN108002517B (zh) | 2023-10-24 |
Family
ID=62059218
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711357408.4A Active CN108002517B (zh) | 2017-12-16 | 2017-12-16 | 一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统及其净化方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108002517B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL2022065B1 (en) * | 2018-11-23 | 2020-06-05 | Hyet Holding B V | Cell plate assembly for a solid-state compressor, solid-state compressor and method for operating a solid-state compressor |
| CN109399812A (zh) * | 2018-12-20 | 2019-03-01 | 大连理工大学 | 一种电化学除垢器 |
| CN110255699B (zh) * | 2019-06-25 | 2022-02-11 | 常熟理工学院 | 一种在常温及无外接电压条件下从高氨氮废液中回收氢气的方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101624226A (zh) * | 2008-07-11 | 2010-01-13 | 中国科学院生态环境研究中心 | 催化电化学生物氢自养反硝化去除硝酸盐的方法和反应器 |
| CN103811791A (zh) * | 2014-01-29 | 2014-05-21 | 中国科学院成都生物研究所 | 一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学装置及方法 |
| CN204625269U (zh) * | 2015-02-16 | 2015-09-09 | 陕西长岭电子科技有限责任公司 | 具有自净化功能的饮用水电解反应器 |
| CN106957102A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-07-18 | 广东工业大学 | 一种环带式生物膜电极电化学装置及其应用 |
| CN209259762U (zh) * | 2017-12-16 | 2019-08-16 | 傲自然成都生物科技有限公司 | 一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统 |
-
2017
- 2017-12-16 CN CN201711357408.4A patent/CN108002517B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101624226A (zh) * | 2008-07-11 | 2010-01-13 | 中国科学院生态环境研究中心 | 催化电化学生物氢自养反硝化去除硝酸盐的方法和反应器 |
| CN103811791A (zh) * | 2014-01-29 | 2014-05-21 | 中国科学院成都生物研究所 | 一种从废弃物和废水中提取还原能的生物电化学装置及方法 |
| CN204625269U (zh) * | 2015-02-16 | 2015-09-09 | 陕西长岭电子科技有限责任公司 | 具有自净化功能的饮用水电解反应器 |
| CN106957102A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-07-18 | 广东工业大学 | 一种环带式生物膜电极电化学装置及其应用 |
| CN209259762U (zh) * | 2017-12-16 | 2019-08-16 | 傲自然成都生物科技有限公司 | 一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108002517A (zh) | 2018-05-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102786183B (zh) | 垃圾渗滤液的处理方法 | |
| Arends et al. | Enhanced disinfection of wastewater by combining wetland treatment with bioelectrochemical H2O2 production | |
| CN101723549B (zh) | 一种焦化废水回用处理方法 | |
| CN102786182B (zh) | 垃圾渗滤液的处理装置 | |
| CN107935161A (zh) | 一种用于净化饮用水的生物电化学系统以及净化方法 | |
| CN108002517B (zh) | 一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统及其净化方法 | |
| CN104016547A (zh) | 一种焦化污水深度处理零排放工艺 | |
| CN207375910U (zh) | 一种垃圾渗滤液的处理系统 | |
| Chung et al. | A submerged membrane bioreactor under unprecedentedly short hydraulic retention time enabled by non-woven fabric pre-filtration and electrochemical membrane cleaning | |
| CN108002518B (zh) | 一种用于净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统及净化方法 | |
| WO2012028778A1 (en) | Method for purifying water | |
| CN201834821U (zh) | 净水装置 | |
| CN208378515U (zh) | 一种用于净化饮用水硝酸盐的生物电化学系统 | |
| CN109179592A (zh) | 一种阳极可再生的电化学净水系统 | |
| CN202610073U (zh) | 垃圾渗滤液的处理装置 | |
| CN107935130B (zh) | 一种用于净化饮用水的电化学系统以及净化方法 | |
| CN209259762U (zh) | 一种用于净化饮用水的生物电化学偶联系统 | |
| CN208378503U (zh) | 一种用于净化饮用水的电化学系统 | |
| JP2008086852A (ja) | 水処理装置 | |
| KR101458177B1 (ko) | 합금촉매장치를 이용한 이온성물질 및 난분해성 물질을 처리하는 수처리 시스템 | |
| CN209259761U (zh) | 一种用于净化饮用水的生物电化学系统 | |
| CN202671334U (zh) | 一种双膜法重金属废水净化处理回用装置 | |
| CN215208908U (zh) | 一种基于电化学电解技术提升二次供水水质的装置 | |
| CN101717159A (zh) | 含氰电镀废水的分子微电解处理方法 | |
| CN212864409U (zh) | 一种水体脱氮吸附除磷深度净化系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |