CN108178423B - 一种圆筒型螺旋电极生物膜有机污废水反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种圆筒型螺旋电极生物膜有机污废水反应装置，所述装置包括壳体、进水口及出水口，所述壳体为圆筒型，壳体内部形成一反应槽，反应槽内设有螺旋环形式反应器，所述螺旋环形式反应器包括设置在所述反应槽中平行并立等距的螺旋环形的正极板和负极板，所述负极板表面裹绕若干层生物膜；反应槽中心设有搅动器，所述搅动器包括搅动叶片和绝缘搅动轴承，所述搅动叶片表面裹绕若干层生物膜，所述绝缘搅动轴承间连接有接电套管，所述进水口设置在所述壳体下部外侧并与壳体内反应槽连通；所述出水口设置在所述壳体顶部边缘。本发明装置对于高浓度有机废水的处理效果好，反应区域大，同时电耗降低，处理成本降低。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，特别涉及一种利用电催化和生物膜技术处理有机污废水的装置。
背景技术
电催化氧化反应技术是利用电化学方法持续产生具有高活性的羟基自由基，使有机物得以降解矿化。传统的金属氧化物电极反应装置采用的是多组极板装配在同一反应槽中，存在传质效果差，电流效率低，水力停留时间短以及能耗高等缺点。现有的电催化氧化反应装置有很多不足，例如：多组电极同时工作时，水力停留时间过长，处理效果和处理效率低下；阳极板的活性表面层利用率较低；现有反应装置进水布水设备形式单一，废水容易在反应装置内形成水力学短流或死角，影响处理效果；现有反应装置在使用过程中会放出大量的热，随着工作时间的延长，装置内的温度会不断升高，严重影响装置的工作效率和使用寿命。
膜生物反应器技术，因其取代传统生物处理工艺中的二沉池，实现高污泥浓度运行，且具有出水水质好、运行维护简单、占地面积小、污泥浓度高、剩余污泥产量低等优点，在废水处理领域得到广泛应用。虽然该技术拥有许多传统活性污泥法所不具有的优点。但是，其能耗高、成本高仍是阻碍其发展的两大瓶颈。高昂的膜价格以及频繁的膜污染造成的膜组件清洗、更换是导致该技术运行成本高的主要原因。而膜污染造成的膜使用寿命缩短、频繁的化学清洗、膜通量下降以及操作费用的增加等问题，大大限制了该技术的推广和应用。
可见，现有技术中的上述两种水处理技术均具有相应的问题和不足。
发明内容
为解决上述问题，本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种将电催化氧化方法和生物膜方法相结合的反应装置，具有传质效率高，反应区域大，处理效率高，造价低廉，操作简便的特点。
电极-生物膜技术是将电化学法与生物膜法相结合而发展起来的更高效、更经济、更具有竞争性的技术。它采用在物理电极上进行微生物挂膜、微生物电流驯化等手段制得附有生物膜的电极，然后在电极间通以直流电进行电解，电解时阴极表面产出的氢被固着在阴极表面的反硝化生物膜所高效利用，达到反硝化效果。同时，铵离子通过电流作用，在生物膜表面形成一个高浓度的氨氮区，增加生物膜利用铵态氮的效果，从而达到更高效的氨氮去除效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种圆筒型螺旋电极生物膜有机污废水反应装置，所述装置包括壳体、进水口及出水口，所述壳体为圆筒型，壳体内部形成一反应槽，反应槽内设有螺旋环形式反应器，所述螺旋环形式反应器包括设置在所述反应槽中平行并立等距的螺旋环形的正极板和负极板，所述负极板表面裹绕若干层生物膜；反应槽中心设有搅动器，所述搅动器包括搅动叶片和绝缘搅动轴承，所述搅动叶片表面裹绕若干层生物膜，所述绝缘搅动轴承间连接有接电套管，所述进水口设置在所述壳体下部外侧并与壳体内反应槽连通；所述出水口设置在所述壳体顶部边缘。
进一步，所述正极板为钛基锌掺杂二氧化铅电极，所述负极板为草酸改性的钛极板。
进一步，所述正极板与负极板各为一个整体式极板，且各自容置在壳体上相应设置的极板槽中，并各自与壳体外壁设置的接电柄电连接。
进一步，所述进水口的进水方平行于所述极板的螺旋旋转方向。
进一步，所述壳体上部设置堰型净水出口，所述堰型净水出口的外侧下部设置有出水导流槽，所述出水导流槽与所述出水口连通。
进一步，所述壳体的底部设有排渣口及截止阀。
进一步，所述壳体的顶部上方设有泡沫清除器，所述泡沫清除器包括平行于所述壳体的顶面旋转清除刮板，以及用于将所述旋转清除刮板同所述绝缘搅动轴承相连的连接器。
进一步，所述壳体高400～600cm，直径Φ200～400cm；所述正极板与负极板的间距为2～10cm；所述正极板和负极板厚度为2～10mm；正极板和负极板的宽度为圆筒直径的1/4～1/3；螺旋间距为正负极板间距的两倍，以保持正负极间距一致；所述搅动叶片到所述绝缘搅动轴承的长度为圆筒直径的1/10～1/8。
进一步，所述正极板与负极板的间距为2～5cm；所述正极板和负极板的厚度为2～5mm；所述接电柄尺寸为100×50mm。
与现有技术相比，本发明具有有如下优势：
采用本发明的圆筒型电极生物膜反应装置来处理有机物废水，有效解决了废水处理不完全导致正电极表面容易沉积杂质和有机积碳的不足，废水处理效果提高，特别是对于高浓度有机废水的处理效果增强，反应区域大，同时电耗降低，处理成本降低；本发明不需要外加搅拌装置，无需外源供氢，氢气利用率高，简化了操作流程；反应器的良好密封性为微生物的生长提供了缺氧条件，可以有效去除水体中多种氧化性污染物。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为根据本发明的圆筒型电极生物膜反应装置的俯视结构示意图；
图2为根据本发明的圆筒型电极生物膜反应装置的立体结构示意图；
图3为根据本发明的圆筒型电极生物膜反应装置的内部剖面示意图；
其中：1、壳体；2、进水口；3、出水口；30、堰型净水出口；31、出水导流槽；4、裹绕生物膜的搅动叶片；40、绝缘搅动轴承；41、接电套管；5、极板；50、极板槽；51、正极板；52、正极板接电柄；53、裹绕生物膜的负极板；54、负极板接电柄；6、排渣口；60、截止阀。
具体实施方式
下面，将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
参见图1-3，本发明的用于圆筒型螺旋电极生物膜有机污废水反应装置主要包括壳体1、进水口2、出水口3、所述壳体1为圆筒型并形成一反应槽，反应槽内设有螺旋环形式反应器，所述螺旋环形式反应器包括设置在所述反应槽中平行并立等距的螺旋环形的正极板51和负极板53，所述负极板表面裹绕若干层生物膜。所述正极板51和负极板53各为一个整体式极板，且所述壳体1内仅装备一对平行并立等距的螺旋环形的正极板51和负极板53。并且，所述正极板51和负极板53容置于壳体1的内壁上的极板槽50并垂直于壳体1内壁，以插接或焊接方式同所述极板槽50相连接固定。反应槽中心设有搅动器，所述搅动设备包括搅动叶片4和绝缘搅动轴承40，所述搅动叶片4表面裹绕若干层生物膜，所述绝缘搅动轴承间连接有接电套管41，搅动叶片4以插接或焊接方式同所述接电套管41相连接，所述接电套管41与所述绝缘搅动轴承40相套接。
本实施例中，例举装置的如下尺寸规格：如下所述圆筒的尺寸可为高600cm，上下圆筒直径400cm。所述正极板51和负极板53螺旋环绕平行并立，正极板51与负极板53的间距为3cm；正极板51和负极板53的厚度为2mm；正极板51和负极板53的宽度为圆筒直径的1/4；螺旋间距为正负极板间距的两倍，以保持正负极间距一致，此实施例中为6cm。所述圆筒的边缘分别焊接有一个100*50mm的正极接电柄52和一个100*50mm的负极接电柄54，所述正极接电柄52和所述负极接电柄55横向设置并从所述壳体1穿出。所述搅动叶片4到所述绝缘搅动轴承40的长度为圆筒直径的1/8。
在本实施例中，所述搅动叶片表面裹绕若干层的生物膜4与所述负极板表面裹绕若干层的生物膜53可选耐高浓度有机污废水的生物膜。本发明工作前要先进行微生物的挂膜驯化，定期向反应器内加入含一定浓度的硝酸盐和溴酸盐废水进行挂膜培养，并适当补充营养物质以保证微生物正常生长。
在本发明中，所述正极板51可选钛基锌掺杂二氧化铅电极，极板表面金属氧化物晶粒的平均粒径可为400nm±50nm。所述负极板53可选草酸改性的钛极板。
其中钛基锌掺杂二氧化铅电极和草酸改性的钛极板的制备方法与流程如下：
钛基锌掺杂二氧化铅电极的制备包括三大部分：(一)钛基体电极的表面处理，(二)电沉积液的制备以及(三)锌掺杂二氧化铅涂层的制备。(一)钛基体电极的表面处理。用200～400目的粗砂纸将钛基板打磨至平滑，然后选择800目以上的细砂纸抛光去除基板表面氧化层；将打磨好的钛基板放入沸腾的NaOH溶液(m/m,5％)浸泡0.5～1h，清洗后在沸腾的含有草酸(m/m,1％)的溶液中浸泡1～2h，再放入含有草酸(m/m,0.1％)的溶液中浸泡备用，防止钛基板二次氧化。此操作后即可制得草酸改性的钛极板。(二)电沉积液的配制方法。以去离子水为溶液，投加100～200gL-1硝酸铅，0.1～1.0gL-1氟化钠，0.1～4.0gL-1硝酸锆，选用硝酸调节溶液pH值至2.0～2.5，在60℃水浴环境下保持搅拌直至溶液充分混合。(三)钛基锌掺杂二氧化铅电极制备操作条件。以处理好的钛基体为正极，钛基板作为负极，沉积温度30～75℃，电流密度为10～30mA cm-2，沉积时间为0.5～2h，极板间距为3～5cm，在沉积过程中保持匀速搅拌沉积液，搅拌速度<100rpm，并注意清理阴极表面产生的铅单质以防止槽电压突变，沉积时间结束后用去离子水清洗电极，自然晾干后备用。
继续参考图1-图3，所述进水口2是设置在所述壳体1的下部的外侧，且所述进水口2的进水方向平行于所述极板的螺旋旋转方向。所述进水口2的内直径可为30cm，且所述进水口2的数量可为1～2个，本实施例中选择为1个。并且，在所述壳体1的顶部的边缘形成有堰型净水出口30，在所述堰型净水出口30的外侧的下部设置有出水导流槽31，所述出水口3是设置在所述出水导流槽31的外侧。所述出水导流槽的宽度可为20～30cm，所述出水口3的内直径为30cm，所述出水口的数量可为1～2个，本实施例中选择为1个。
在本实施例中，在所述壳体1的底部还设置有排渣口6用以排渣。在所述排渣口6处还可以设置截止阀60，用以控制所述排渣口6的打开/闭合。所述排渣口6在所述电极反应装置运行过程中可间歇排渣，并取样检测所述轮式反应器的处理效率。在处理效率过低时，减小所述动力装置流速或提高所述金属氧化物电极反应装置的接入电流电压；在处理效率过高时，即在本实施例中的排渣口取样检测结果低于检测限，提高所述动力装置流速或降低所述电极反应装置的接入电流电压。
在本实施例中，所述壳体1的顶部上方还设有泡沫清除装置，所述泡沫清除装置可包括平行于所述壳体的顶面的旋转清除刮板以及用于将所述旋转清除刮板同所述绝缘搅动轴承40相连的连接器。所述泡沫消除装置采用链式刮脱或气体吹脱，可以消除装置运行过程产生的泡沫膨胀问题。
在本实施例中，所述正极接电柄52和负极接电柄54分别外接电源动力装置，电源动力装置可采用低压直流电源，电压0～50V，电流0～2A可调。所述搅动叶片4到所述绝缘搅动轴承40外接电源动力装置，电源动力装置可采用低压高流直流电源，电压0～50V，电流0～1000A可调。
在本发明中，有机污废水通过进水管2进入，并经过正极板51，负极板53，搅动叶片表面裹绕若干层的生物膜4和负极板表面裹绕若干层的生物膜53处理后汇入出水导流槽31，从出水口3排出。
对比试验
采用本发明上述实施例的圆筒型电极生物膜反应装置与传统电化学氧化处理装置对农药厂含2,4-二氯苯氧乙酸(简称2,4-D)的有机污废水进行处理。
本发明的装置对有机污废水进行处理的部分条件如下：
1)废水电导率≥1500μS/cm；
2)潜水泵流量为2～3t/h；
3)电压≤15V，电流≤30mA/cm2；
4)泡沫消除装置工作频率为10～次/h。
其他未注明条件参照电极生物膜反应装置常规处理条件。
对比结果见表1。
表1：传统装置与本发明处理有机污废水结果对比
由表可见，处理相同浓度的2,4-D，本发明装置比传统装置在单位时间内处理更多废水，处理效率明显提升，能耗明显下降。在连续运行中，未见阳极板表面有机碳沉淀，而传统装置在连续运行过程中，处理效率下降明显，阳极板表面有机碳沉淀堆积。并且经检验，污废水经过处理后氨氮含量明显减少，对比传统生物膜法，本发明装置处理效果显著增强，且运行状态良好，设备维护方便。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易对本实施例做出各种修改，并把在此说明的原理应用到其它实例施而不必经过创造性劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，不脱离本发明范畴所做出改进和修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种圆筒型螺旋电极生物膜有机污废水反应装置，其特征在于，所述装置包括壳体、进水口及出水口，所述壳体为圆筒型，壳体内部形成一反应槽，反应槽内设有螺旋环形式反应器，所述螺旋环形式反应器包括设置在所述反应槽中平行并立等距的螺旋环形的正极板和负极板，所述正极板与负极板各为一个整体式极板，所述正极板和负极板各自容置于壳体的内壁上相应设置的极板槽中并垂直于壳体内壁，所述负极板表面裹绕若干层生物膜，所述正极板与负极板的间距为2～10cm，所述正极板和负极板厚度为2～10mm，螺旋间距为正负极板间距的两倍；反应槽中心设有搅动器，所述搅动器包括搅动叶片和绝缘搅动轴承，所述搅动叶片表面裹绕若干层生物膜，所述绝缘搅动轴承间连接有接电套管，所述进水口设置在所述壳体下部外侧并与壳体内反应槽连通，所述进水口的进水方向平行于所述极板的螺旋旋转方向；所述出水口设置在所述壳体顶部边缘。
2.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述正极板为钛基锌掺杂二氧化铅电极，所述负极板为草酸改性的钛极板。
3.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述正极板与负极板各自与壳体外壁设置的接电柄电连接。
4.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述壳体上部设置堰型净水出口，所述堰型净水出口的外侧下部设置有出水导流槽，所述出水导流槽与所述出水口连通。
5.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述壳体的底部设有排渣口及截止阀。
6.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述壳体的顶部上方设有泡沫清除器，所述泡沫清除器包括平行于所述壳体的顶面旋转清除刮板，以及用于将所述旋转清除刮板同所述绝缘搅动轴承相连的连接器。
7.如权利要求1-6任一项所述的反应装置，其特征在于，所述壳体高400～600cm，直径Φ200～400cm；正极板和负极板的宽度为圆筒直径的1/4～1/3；所述搅动叶片到所述绝缘搅动轴承的长度为圆筒直径的1/10～1/8。
8.如权利要求7所述的反应装置，其特征在于，所述正极板与负极板的间距为2～5cm；所述正极板和负极板的厚度为2～5mm；所述接电柄尺寸为100×50mm。
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