CN108147524A - 一种水解酸化耦合微生物电解装置及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及废水处理技术领域，具体地说是一种水解酸化耦合微生物电解装置，包括水解酸化区、电化学区和排水室，其中水解酸化区包括污泥沉降室和气水分离室，且污泥沉降室下端设有进水口，气水分离室内设有用于排出水解酸化产生气体的下集气室，电化学区包括阴极室和阳极室，两极之间设置合理间距，且阴极室内设有使废水中有机物被还原的阴极，阳极室内设有使废水中有机物被氧化的阳极，排水室上设有排气管和出水口，装置工作时废水由进水口进入后依次经过污泥沉降室、气水分离室、阴极室、阳极室和排水室。本发明用水解酸化将大分子有机物转化为乙酸等小分子有机物，为后续BES的阳极产电微生物提供营养成分，降低了进水中乙酸的投加量，节约成本。

Description

一种水解酸化耦合微生物电解装置及其处理方法

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体地说是一种水解酸化耦合微生物电解装置及其处理方法。

背景技术

随着化工行业的快速发展，人工合成的有机物种类与数量与日俱增，随之而来的是大量难降解有机废水的产生。这些废水中含有大量的卤代芳烃、多环芳烃、硝基化合物、偶氮化合物等难降解有机污染物，这些污染物一般不能被微生物降解，或需要较长的时间才能被降解，一旦进入到环境中，会给人类健康和生态环境带来严重危害，因此迫切需要采取有效的手段对这类工业废水进行处理，以此控制废水中难降解有机污染物的排放。

对于主要含有硝基苯类化合物的废水来说，其处理方法主要有生物法、物理法和化学氧化法等，其中以生化处理工艺研究最为广泛且应用最为普遍。一般情况下，硝基苯类污染物不能作为营养物质被微生物利用，微生物对这些污染物的降解需要通过共代谢作用实现。然而，硝基苯类废水中所含有的易降解有机物非常少，其B/C往往非常低，很难直接采用生化处理工艺直接进行处理，需要引入新的方法和技术对其进行改进。

微生物电化学系统是近年来能源和环境领域中兴起的研究热点，是在电化学、微生物学、过程工艺学等学科交叉与综合的基础上构建的体系。在BES(即微生物电化学系统)中，电化学活性细菌具有其独特的生理特性，可以以电极作为细胞代谢过程中的电子供体或电子受体，因此可利用这一特点，构建用于处理硝基苯类废水的生物阴极，以电极作为电子供体，驱动其对硝基苯类污染物的还原降解。目前，关于运用BES的生物阴极还原一些污染物比如硝基苯、氯酚、氯乙烯、铬酸盐、高氯酸盐、温室气体N₂O、偶氮染料和硝酸盐等都取得了很好的处理效果。

BES应用于废水处理过程中受到制约的主要因素包括污染物的结构及废水组成。传统的微生物电化学系统主要是利用生物阴极去还原一些具有氧化性或是带有吸电子基团的有机物，如硝基、偶氮键等。然而，BES对于废水成分复杂、其中不具有被还原性质的有机物却不能有效的降解。因此，研发一种提高难降解硝基苯类废水的降解活性的技术是加速微生物电化学推广应用的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水解酸化耦合微生物电解装置及其处理方法，利用水解酸化作用能够有效将大分子有机物转化为乙酸等小分子有机物，为后续BES的阳极产电微生物提供营养成分，大大降低了进水中乙酸的投加量，节约成本，同时本发明也解决了水解酸化过程中因产生的气体造成微生物电解装置的阴极底部废水的接触面积减小而导致污染物去除率降低的技术难题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种水解酸化耦合微生物电解装置，包括水解酸化区、电化学区和排水室，其中所述水解酸化区包括污泥沉降室和气水分离室，且所述污泥沉降室下端设有进水口，所述气水分离室内设有用于排出水解酸化产生气体的下集气室，所述电化学区包括阴极室、过渡室和阳极室，且所述阴极室内设有使废水中有机物被还原的阴极，所述阳极室内设有使废水中有机物被氧化的阳极，所述排水室上设有排气管和出水口，装置工作时废水由所述进水口进入后依次经过所述污泥沉降室、气水分离室、阴极室、阳极室和排水室，且处理后的废水由所述出水口排出，废气由所述排气管排出。

所述污泥沉降室下端呈锥状且锥端设有止水阀，所述污泥沉降室上端设有第一法兰，所述气水分离室下端设有第二法兰与所述第一法兰固连。

所述气水分离室一侧设有下集气室管路，且气体经由下集气室进入所述下集气室管路中并排出至装置外，在所述下集气室管路的输出端设有排气三通阀。

所述气水分离室一侧设有第一取样口，所述气水分离室上端设有第三法兰，所述阴极室下端设有第四法兰与所述第三法兰固连，所述气水分离室上端出水口直径小于等于下集气室的最大直径。

所述阴极和阳极分别通过电路与电源相连，且在所述电源和阳极之间的电路上串联有一个电阻；所述阴极室与阳极室之间一侧设有参比电极。

所述排水室包括第一腔室和第二腔室，所述第一腔室上端由下向上伸入至所述第二腔室中，所述第二腔室上端中部设有上集气室，且所述上集气室下端伸入至所述第一腔室上端端部内，所述排气管与所述上集气室相通，所述第二腔室下端一侧设有所述出水口。

所述阳极室上端设有第五法兰，所述第一腔室下端设有第六法兰与所述第五法兰固连。

所述第二腔室上端设有第七法兰，在所述第七法兰中部设有上集气室，在所述第七法兰上侧固连有第八法兰，且所述排气管穿过所述第八法兰后与所述上集气室相通。

一种采用所述水解酸化耦合微生物电解装置的处理方法，其特征在于：废水从进水口进入水解酸化区，其中在所述气水分离室中，水解酸化产生气体的经由下集气室排出，下沉的污泥沉积在污泥沉降室中，微生物及废水的混合液与污泥实现固液分离，水解酸化区出水进入电化学区的阴极室，并通过阴极通电作用使废水中的有机物被还原，所述阴极室出水再经过所述过渡室后进入阳极室，并通过阳极通电作用使有机物被氧化分解，且水力停留时间12～24h，处理后的出水由阳极室出水进入排水室排出。

所述废水经水解酸化处理后的乙酸浓度为1.0～1.5g/L；所述阴极和阳极的外加电压为0.3～0.5V。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明将水解酸化工艺与微生物电化学相结合，与传统的生物电催化系统相比较，有效减少进水中乙酸的投加量。

2、本发明在水解酸化区嵌入下集气室等气体导排装置，增加废水与阴极底部的接触面积，并且电化学区为无膜结构，减小反应器的内阻，提高了反应器的运行性能，使难降解废水的处理得以实现。

3、本发明在废水经过阴极室时，有机物在阴极上被还原，还原产物为低毒性的化合物，既可以作为阳极的可生化有机碳源被彻底分解与利用，同时也可以实现对废水的进一步深度降解。

4、本发明设计独特，操作简便，具有实用性，有利于推广应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为图1中的筒体内部示意图，

图3为本发明试验过程中水解酸化区产乙酸的效率图，

图4本发明为试验过程中对废水中2-硝基-4-甲砜-苯甲酸的降解效率以及产物的生成效率图，

图5为本发明试验过程中阴极与阳极的电位、电流密度随进水2-硝基-4-甲砜-苯甲酸浓度的变化曲线图。

其中，1为电化学区，2为水解酸化区，3为污泥沉降室，4为排水室，5为气水分离室，6为下集气室，7为上集气室，8为阳极，9为阴极，10为参比电极，11为电源，12为电阻，13为阳极室，14为阴极室，15为进水口，16为出水口，17为排气管，18为排气三通阀，19为止水阀，20为第八法兰，21为第七法兰，22为第六法兰，23为第五法兰，24为第四法兰，25为第三法兰，26为第二法兰，27第一法兰，28为第二取样口，29为第一取样口，30为过渡室，31为第二腔室，32为第一腔室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～2所示，本发明包括由下到上依次设置的水解酸化区2、电化学区1和排水室4，其中所述水解酸化区2由下到上依次设有污泥沉降室3和气水分离室5，且所述污泥沉降室3下端设有进水口15，所述气水分离室5内设有下集气室6，所述电化学区1由下到上依次设有阴极室14和阳极室13，且所述阴极室14内设有阴极9，所述阳极室13内设有阳极8，所述排水室4上设有排气管17和出水口16。装置工作时，废水由所述进入口15进入水解酸化区2中，且水解酸化产生的气体经由所述下集气室6排出，所述水解酸化区2出水进入电化学区1中的阴极室14内，并经阴极9通电作用使废水中的有机物被还原，所述阴极室14的出水经过渡室30进入阳极室13内，并经阳极8通电作用使有机物进一步被氧化，所述阳极室13的出水经由排水室4的出水口16排出，同时气体由排气管17排出。

如图1～2所示，所述污泥沉降室3下端呈锥状且锥端设有止水阀19，所述污泥沉降室3上端设有第一法兰27。

如图1～2所示，所述气水分离室5下端设有第二法兰26与所述污泥沉降室3上端的第一法兰27固连，所述气水分离室5一侧设有下集气室管路，气体经由下集气室6进入所述下集气室管路中并排出至装置外，在所述下集气室管路的输出端设有排气三通阀18，所述气水分离室5另一侧设有第一取样口29，所述气水分离室5上端出水口直径小于等于下集气室6的最大直径，在所述气水分离室5上端设有第三法兰25。

如图1～2所示，所述电化学区1内的阴极室14、过渡室30和阳极室13均通过隔板隔开，且所述隔板上均布由多个小孔供废水流过，所述阴极室14下端设有第四法兰24与所述气水分离室5上端的第三法兰25固连，在所述阳极室13上端设有第五法兰23。

如图1所示，所述阴极9和阳极8分别通过电路与电源11相连，且在所述电源11和阳极8之间的电路上串联有一个电阻12，所述阴极9、电源11、电阻12、阳极8和废水介质一起形成一个闭合回路。

如图1所示，所述排水室4截面近似成T型，包括第一腔室32和第二腔室31，其中所述第一腔室32下端设有第六法兰22与所述阳极室13上端的第五法兰23固连，所述第一腔室32上端由下向上伸入至所述第二腔室31中，所述第二腔室31上端设有第七法兰21，在所述第七法兰21中部设有上集气室7，且所述上集气室7下端伸入至所述第一腔室32上端端部内，在所述第七法兰21上侧固连有第八法兰20，且所述排气管17穿过所述第八法兰20后与所述上集气室7相通，在所述第二腔室31下端一侧设有所述出水口16。

本实施例中，水解酸化区2出水中乙酸浓度控制在1.0～1.5g/L，电源11外加电压为0.3～0.5V，阴极9与阳极8材料均为石墨棒，且石墨颗粒粒径范围为3～6mm，阳极室13内水力停留时间12～24h，固连在一起的法兰之间均设有硅胶垫圈保证密封。

本发明的工作原理为：

本实施例中，电源11外加电压为0.5V，电阻12为10Ω，废水从本发明底部的进水口15进入水解酸化区2，水解酸化区2出水接着进入电化学区1的阴极室14，并通过阴极9通电作用使废水中的有机物被还原，所述阴极室14出水再经过所述过渡室30后进入阳极室13，并通过阳极8通电作用使有机物进一步被氧化，且水力停留时间12～24h，处理后的废水由阳极室13出水进入排水室4，并由排水室4的出水口16排出。另外水解酸化产生的气体在气水分离室5中被分离后经由所述下集气室6排出，阳极室13内排出的气体经由所述上集气室7进入排气管17排出。

本实施例中，所述废水为米斯通废水，且所述废水中2-硝基-4-甲砜-苯甲酸浓度为30～250mg/L，乙酸浓度为0.2～0.9g/L，NaH₂PO₄·2H₂O浓度为2.77g/L，Na₂HPO₄·12H₂O浓度为11.55g/L，KCl浓度为0.13g/L，NH₄Cl浓度为0.31g/L，维生素浓度为1ml/L，矿质元素浓度为1ml/L。

图3是本发明试验过程中水解酸化区2产乙酸的效率图，图中表示进水COD浓度，表示出水乙酸浓度；

如图3所示，随着进水浓度由30mg/L逐渐提升至250mg/L，本发明进水负荷由60g/m³·d增至720g/m³·d，对2-硝基-4-甲砜-苯甲酸的去除率保持在98％左右，出水2-硝基-4-甲砜-苯甲酸浓度在5mg/L以下。

在水解酸化耦合微生物电解装置中，阳极电化学活性微生物催化有机底物乙酸在阳极发生氧化反应，产生电子，并将电子通过外电路传递给阴极，用于2-硝基-4-甲砜-苯甲酸的还原；2-硝基-4-甲砜-苯甲酸在阴极得到电子并与质子结合，发生加氢反应还原生成2-氨基-4-甲砜-苯甲酸。本试验对2-氨基-4-甲砜-苯甲酸的含量进行测定，得出产物生成率，用于评价2-硝基-4-甲砜-苯甲酸在水解酸化耦合微生物电解装置中的定向转化，结果如图3所示，2-氨基-4-甲砜-苯甲酸的生成率均在90％以上，表明水解酸化耦合微生物电解装置能够有效的将2-硝基-4-甲砜-苯甲酸定向转化为2-氨基-4-甲砜-苯甲酸。

2-氨基-4-甲砜-苯甲酸容易被氧化，可实现难降解废水的进一步处理，有利于后续的深度处理。

图4是本发明试验过程中对废水中2-硝基-4-甲砜-苯甲酸的降解效率以及产物的生成效率图，图中表示进水2-硝基-4-甲砜-苯甲酸浓度，表示出水2-硝基-4-甲砜-苯甲酸浓度，表示2-硝基-4-甲砜-苯甲酸进水负荷，表示2-氨基-4-甲砜-苯甲酸浓度，表示2-硝基-4-甲砜-苯甲酸去除率，表示2-氨基-4-甲砜-苯甲酸生成率；

图5是本发明试验过程中阴极9与阳极8的电位、电流密度随进水2-硝基-4-甲砜-苯甲酸浓度的变化曲线图，图中表示阳极电位，表示阴极电位，表示电流密度。

本实验中对水解酸化耦合微生物电解装置中的电化学参数进行监测，结果如图4～5所示。随着进水2-硝基-4-甲砜-苯甲酸浓度的增加，阳极电位保持在-480mV左右，无明显变化，由于系统恒定外加电压为0.5V阴极电位也无明显变化，保持在-980mV左右，说明电极上的微生物富集效果比较好，有利于2-硝基-4-甲砜-苯甲酸在阴极的还原。同时，随着2-硝基-4-甲砜-苯甲酸浓度由30mg/L提升至250mg/L的过程中，电流密度由2.8A/m³逐渐升高至25A/m³，该过程是由于随着2-硝基-4-甲砜-苯甲酸进水浓度的不断增加，单位时间内进入反应器的2-硝基-4-甲砜-苯甲酸逐渐增加，单位时间内参与电化学反应的2-硝基-4-甲砜-苯甲酸增加，产生的电子增加，导致电流增大，说明该反应器能够耐受冲击负荷。

以上结果可以看出，通过阴极的还原反应，结合阳极的氧化作用，将废水中2-硝基-4-甲砜-苯甲酸降解为易生物氧化处理的2-氨基-4-甲砜-苯甲酸。在这个过程中，阴极发挥了还原脱毒的作用，阳极则氧化乙酸、2-氨基-4-甲砜-苯甲酸的同时为阴极提供电子，本实验能够实现米斯通废水的处理，且具有效率高、速度快、稳定性好、价格低廉、结构紧凑、易于扩大化和规模化的优势。

Claims (10)

1.一种水解酸化耦合微生物电解装置，其特征在于：包括水解酸化区(2)、电化学区(1)和排水室(4)，其中所述水解酸化区(2)包括污泥沉降室(3)和气水分离室(5)，且所述污泥沉降室(3)下端设有进水口(15)，所述气水分离室(5)内设有用于排出水解酸化产生气体的下集气室(6)，所述电化学区(1)包括阴极室(14)、过渡室(30)和阳极室(13)，且所述阴极室(14)内设有使废水中有机物被还原的阴极(9)，所述阳极室(13)内设有使废水中有机物被氧化的阳极(8)，所述排水室(4)上设有排气管(17)和出水口(16)，装置工作时废水由所述进水口(15)进入后依次经过所述污泥沉降室(3)、气水分离室(5)、阴极室(14)、阳极室(13)和排水室(4)，且处理后的废水由所述出水口(16)排出，废气由所述排气管(17)排出。

2.根据权利要求1所述的水解酸化耦合微生物电解装置，其特征在于：所述污泥沉降室(3)下端呈锥状且锥端设有止水阀(19)，所述污泥沉降室(3)上端设有第一法兰(27)，所述气水分离室(5)下端设有第二法兰(26)与所述第一法兰(27)固连。

3.根据权利要求1所述的水解酸化耦合微生物电解装置，其特征在于：所述气水分离室(5)一侧设有下集气室管路，且气体经由下集气室(6)进入所述下集气室管路中并排出至装置外，在所述下集气室管路的输出端设有排气三通阀(18)。

4.根据权利要求1所述的水解酸化耦合微生物电解装置，其特征在于：所述气水分离室(5)一侧设有第一取样口(29)，所述气水分离室(5)上端设有第三法兰(25)，所述阴极室(14)下端设有第四法兰(24)与所述第三法兰(25)固连，所述气水分离室(5)上端出水口直径小于等于下集气室(6)的最大直径。

5.根据权利要求1所述的水解酸化耦合微生物电解装置，其特征在于：所述阴极(9)和阳极(8)分别通过电路与电源(11)相连，且在所述电源(11)和阳极(8)之间的电路上串联有一个电阻(12)；所述阴极室(14)与阳极室(13)之间一侧设有参比电极(10)。

6.根据权利要求1所述的水解酸化耦合微生物电解装置，其特征在于：所述排水室(4)包括第一腔室(32)和第二腔室(31)，所述第一腔室(32)上端由下向上伸入至所述第二腔室(31)中，所述第二腔室(31)上端中部设有上集气室(7)，且所述上集气室(7)下端伸入至所述第一腔室(32)上端端部内，所述排气管(17)与所述上集气室(7)相通，所述第二腔室(31)下端一侧设有所述出水口(16)。

7.根据权利要求6所述的水解酸化耦合微生物电解装置，其特征在于：所述阳极室(13)上端设有第五法兰(23)，所述第一腔室(32)下端设有第六法兰(22)与所述第五法兰(23)固连。

8.根据权利要求6所述的水解酸化耦合微生物电解装置，其特征在于：所述第二腔室(31)上端设有第七法兰(21)，在所述第七法兰(21)中部设有上集气室(7)，在所述第七法兰(21)上侧固连有第八法兰(20)，且所述排气管(17)穿过所述第八法兰(20)后与所述上集气室(7)相通。

9.一种采用权利要求1所述的水解酸化耦合微生物电解装置的处理方法，其特征在于：废水从进水口(15)进入水解酸化区(2)，其中在所述气水分离室(5)中，水解酸化产生气体的经由下集气室(6)排出，下沉的污泥沉积在污泥沉降室(3)中，微生物及废水的混合液与污泥实现固液分离，水解酸化区(2)出水进入电化学区(1)的阴极室(14)，并通过阴极(9)通电作用使废水中的有机物被还原，所述阴极室(14)出水再经过所述过渡室(30)后进入阳极室(13)，并通过阳极(8)通电作用使有机物被氧化分解，且水力停留时间12～24h，处理后的出水由阳极室(13)出水进入排水室(4)排出。

10.根据权利要求9所述的水解酸化耦合微生物电解装置的处理方法，其特征在于：所述废水经水解酸化处理后的乙酸浓度为1.0～1.5g/L；所述阴极(9)和阳极(8)的外加电压为0.3～0.5V。