CN108821507A - 用于电解氧化-好氧生物处理的反应装置及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于电解氧化‑好氧生物处理的反应装置及其处理方法，包括第一反应区、第一调节区、第二反应区和第二调节区；污水自进水口进入第一反应区进行电解氧化，再由第一反应区流入第一调节区进行缓质调节，然后进入第二反应区进行好氧生物处理，再由第二反应区流入至第二调节区进行沉降后，最后由出水口排出。本发明其利用电场对污水内含有的无机物氧化分解，降低好氧进水的COD，提高可生化性，将电能转化为热能，维持好氧运行相对稳定的温度，再通过好氧活性颗粒污泥对有机物生物降解，将污水中的有机物彻底氧化为二氧化碳和水，达到污水净化的目的。

Description

用于电解氧化-好氧生物处理的反应装置及其处理方法

技术领域

本发明涉及一种通过好氧颗粒污泥进行污水处理的方法，属于污水生物处理技术领域。

背景技术

好氧颗粒污泥是微生物自凝聚形成的一种特殊形式的活性污泥，具有良好的沉降性能、密实的结构、较高浓度的微生物种群、较高的冲击负荷和抵抗有毒有害物质等优势，因此在污水处理领域具有较好的应用前景。好氧颗粒污泥的试验研究是始于20世纪80年代末，到目前国内外有关学者利用现代分子生物学技术做了大量实验研究，最终得出有关好氧活性污泥形成的四步途径和三种假说(涉及晶核、细胞表面疏水性、真菌/丝状菌、胞外聚合物、阶段形成)的一致性结果，根据这个假说，多数研究认为影响好氧颗粒污泥形成的因素主要包括：接种污泥的类型、底物组成、有机负荷、PH值和游离氨、反应器类型、水流方向、曝气强度和运行温度等。虽然实验室研究取得了较好的成果，但工程应用进展缓慢，目前只有荷兰推出的Nereda等少数几个工艺成功应用于工程实践，国内未见稳定运行的工程实例。

中国专利文献CN101698533A公开了一种处理低温污水的好氧颗粒污泥反应器及其水处理方法，其中，反应器的上升管与下降管同轴线套装，上升管的底部设置有曝气头，曝气头与空气压缩机连通，出水管安装在反应器主体的2/5～3/5高度处，上升管在距离反应器主体底部的1/4～3/4高度处开有连接孔，上升管和下降管的高度与管内径的比值均为9～15；水处理方法主要步骤为进水、曝气、泥水分离、排水和闲置。该发明解决了现有的低温条件下好氧颗粒污泥反应器的启动与稳定运行性能差、好氧污泥性能差及低温污泥膨胀的问题，为控制低温污水氮磷的排放提供了有效的方法，广泛应用于低温污水的同步氮磷的去除。该方法并未明确处理低温污水的原理，以及为何能取得如此好的效果，而且在实际工程中，由于好氧颗粒污泥总停留时间短，这种结构较复杂，并不易于控制污泥的培养，也不利于大规模的工程应用。

发明内容

为了克服已有好氧颗粒污泥处理方式稳定性较差的问题，并进一步强化污染物去除效率，本发明提供一种用于电解氧化-好氧生物处理的反应装置及其处理方法，其利用电场对污水内含有的无机物氧化分解，降低好氧进水的COD，提高可生化性，将电能转化为热能，维持好氧运行相对稳定的温度，再通过好氧活性颗粒污泥对有机物生物降解，将污水中的有机物彻底氧化为二氧化碳和水，达到污水净化的目的。

本发明的技术方案如下：

一种用于电解氧化-好氧生物处理的反应装置，包括第一反应区、第一调节区、第二反应区和第二调节区；第一反应区内设有竖向布置的阴极板、阳极板、进气管路，以及布置于阴极板和阳极板之间的催化剂填料，进气管路的出气端位于第一反应区的底部，阴极板、阳极板分别通过导线外接直流电源的正、负极，以形成电解通路；第二反应区内设有填料层和好氧颗粒污泥，底部布置有第二曝气单元；反应装置的进水口设置在第一反应区，出水口设置在第二调节区，污水自进水口进入第一反应区进行电解氧化，再由第一反应区流入第一调节区进行缓质调节，然后进入第二反应区进行好氧生物处理，再由第二反应区流入至第二调节区进行沉降后，最后由出水口排出。

作为一种优选方案，该反应装置还包括用于检测电解通路中的电流表和电压表。

作为一种优选方案，该反应装置还包括伸入第一反应区内的反洗水路，用于对第一反应区进行冲洗。

作为一种优选方案，该反应装置还包括与第一反应区底部连通的排渣管路和位于第二调节区底部的排渣口。

作为一种优选方案，该反应装置还包括用于检测第二反应区内溶解氧量的溶解氧仪。

作为一种优选方案，该反应装置为柱状结构，分为相互独立的上下两段，第一反应区和第一调节区均布置于柱状结构的下段，并通过第一反应区和第一调节区之间设有的溢流口连通，第二反应区和第二调节区布置于柱状结构的上段，并通过第二反应区和第二调节区之间均设有的溢流口连通；所述第一调节区和第二反应区之间设有连通管和提升泵，以将第一调节区内的水泵入第二反应区，从而形成一体化的整体结构。

作为一种优选方案，该反应装置还包括设置于连通管上的过滤装置。

作为一种优选方案，所述阳极板的材质为Ti/Co/SnO2复合极板，所述阴极板的材质为石墨。

作为一种优选方案，所述催化剂填料为电解石。

本发明还公开一种污水处理系统，采用具有上述特征的的反应装置对污水中的无机物的氧化分解和有机物的生物降解。

本发明还公开一种基于具有上述特征的的反应装置的污水处理方法，包括如下步骤：

S1、预处理后的污水由进水口进入第一反应区，开启第一曝气单元进行微量曝气，开启外部直流电源为阳极板和阴极板供电，污水在电场及催化剂的共同作用下发生强电解氧化反应；

S2、经第一反应区电解氧化反应后的污水流入第一调节区进行缓质调节；

S3、经第一调节区缓质调节后的污水进入第二反应区，开启第二曝气单元对接种的颗粒污泥进行曝气和驯化；

S4、经第二反应区内活性颗粒污泥进行好氧生物降解处理后的污水进入第二调节区沉降，实现泥水分离后通过出水口将污水排出。

作为一种优选方案，第一反应区内，第一曝气单元的曝气量为1～10L/min，电解通路的电流稳定在10～100A，在第一反应区的反应时间为15～30min；第二反应区内，颗粒污泥的颗粒浓度设置为4000mg/l，驯化温度为20～30℃；，通过第二曝气单元维持溶解氧为2～4mg/l，在第二反应区的反应时间为20～60天。

与现有技术比较，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明与常规好氧颗粒污泥反应器相比，可以提高生化的处理效果，适应性强，并能够解决现有好氧颗粒污泥驯化时负荷波动大、低温污泥膨胀、驯化时间长的技术问题。

(2)本发明将电解石的催化、电场的氧化、好氧生物降解、沉淀等多种作用有效耦合一体，可实现对污水中有机物的高效去除，降低了反应时间。

(3)本发明通过对电场电流的调节，可以有效地控制进入第二反应区的有机负荷相对稳定，缩短污泥停留时间。

(4)本发明采用电场传导介质，可以有效维持相对稳定的温度，提高了污水的适应性和处理效果。

(5)本发明可将电解氧化与好氧颗粒反应区设置为一体化设备，有效的节约了占地面积。

(6)本发明工艺先进、运行稳定、操作简单，设备易于管理操作，具有较强的实用性、经济性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图：

图中：1、进气管；2、排渣管；3、进水口；4、反洗水管；5、排渣口；6、阳极板；7、阴极板；8、催化剂填料；9、滤头；10、提升泵；11、曝气系统；12、好氧颗粒污泥；13、填料层；14、出水口；15、电流表；16、电压表；17、直流电源；18、第一反应区；19、第二反应区；20、反应器本体；21、第一调节区；22、第二调节区；23、溢流口；24、连通管；25、溶解氧仪。

具体实施方式

如图1所示，实施例中公开一种用于电解氧化-好氧生物处理的一体化反应器(简称反应器)，反应器本体20为一圆柱体结构，分为上、下两段，下段包括第一反应区18及第一调节区21，上段包括第二反应区19及第二调节区22。

进水口3位于反应器的底部侧壁，与第一反应区18连通，出水口14位于反应器的顶部侧壁，与第二调节区22连通。具体的，进水口3设置在第一反应区18底部侧壁处，出水口14设置在第二调节区22上部的侧壁处。

第一反应区18主要包括阳极板6、阴极板7和催化剂填料8，第一反应区18通过溢流口23与第一调节区21连通。

在第一反应区18内，阳极板电极6和阴极板电极7均插入到第一反应区18内的污水中并固定于反应器底部。阳极板的材质为Ti/Co/SnO2复合极板，阴极板的材质为石墨。在阴阳极板之间还添加有催化剂填料8，具体可选用电解石作为填料，以增大污水与极板接触的比表面积。污水充当导电溶液，催化剂填料8充当催化剂，含有的污染物质充当电解质。

在第一反应区18外部接直流电源17、电压表16和电流表15。阳极板6和阴极板7通过导线分别与外部的直流电源17的正负极连接，并通过电压表16和电流表15检测该电路中的电压、电流值。

在第一反应区的上部还设置有反洗水管4，反洗水管4伸入至阴阳极板之间，通过反洗进水管4的进水定期对催化剂填料8进行清洗。

在第一反应区的底部还设置有进气管1和排渣管2，进气管1的出气端设有曝气单元，用于增加污水与催化剂、极板的充分接触，充分搅动，防止极板钝化，排渣管2伸入催化剂填料8的底部，用于排除在反应过程中产生的固体物质。

第二反应区19主要包括活性颗粒污泥12、填料13和曝气系统11。填料13位于第二反应区19内部，颗粒污泥12与经过一段时间曝气搅拌后会附着在填料13上，即散布于填料13中，形成污泥床。

曝气系统11位于第二反应区19的底部，与阴阳极板的下界连接，用于维持水中溶解氧含量在2～4mg/l左右，适宜好氧微生物生长繁殖，从而处理水中污染物质。

第二调节区22与第二反应区19通过溢流方式连通。第二调节区22的底部还设有排渣口5。

在第一调节区21与第二反应区19之间通过连通管24连接，并在连通管24设置滤头9与提升泵10，通过提升泵10将第一调节区21内的水泵入第二反应区19的顶部，并渗入第一调节区21内的填料层13。滤头9用于过滤大的杂质颗粒，防止将泵堵塞。

工作原理：

来水首先通过进水口3进入反应器，经过在第一段反应区18(即电解氧化反应区)一段时间充分氧化后通过溢流口23进入第一调节区21，起到均质缓存的作用，然后经过过滤头9及提升泵10，经过第一反应区18的出水从第一调节区21泵入第二反应区19(即生物降解反应区)，经过好氧颗粒污泥12及填料层13发生生物降解反应处理后，产水再从第二反应区19溢流进入第二调节区22，经过第二调节区22的沉降后，从排水口14自流排出反应器。

其中，在第一反应区18内发生电解氧化反应时，利用电场进行强氧化反应，污水充当导电溶液，含有的污染物质充当电解质，在多维电场之下，多维电极释放出电子，电子在电场的作用之下由阳极向阴极移动，电子在移动的过程中会穿过液态污染物质，并轰击污水中难降解的污染物，从而使污染物中难降解的大分子有机物转变为可降解的小分子有机物，电子在污水中继续穿插的时候，也会穿过水分子、供给的氧气以及降解后的小分子污染物，水分子和氧气被分解的时候就会产生大量的氢自由基、氧自由基和氢氧自由基，这些新生态的自由基具有非常强的氧化性，可以将污水中的有机物彻底氧化为二氧化碳和水，降低好氧进水的COD，提高可生化性，同时还能维持好氧运行相对稳定的温度。

由于电场氧化对污染物的去除是有限的，在有限的范围内电流小，对污染物去除率低，电流大，对污染物去除率高，相对应的成本也会增高。在第一反应区18内，可通过对电场电流的调节，有效地控制进入第二反应区19的有机负荷相对稳定，缩短污泥停留时间。此外，Aeehenius等提出不同的温度对活性污泥微生物的影响，结果显示在30℃时，微生物新陈代谢处于旺盛期，20～30摄氏度时，变化不大，但温度低于20℃时，微生物的生长繁殖、生命活动就会收到限制。采用电场传导介质，可以有效维持相对稳定的温度。因为，水温与导体的电阻有关，而电阻可以通过电压、电流来控制调节，这样就能调节进入第二反应区19的温度相对稳定，从而提高了污水的适应性和处理效果。

其中，在第二反应区19内发生生物降解反应：利用好氧微生物(包括兼性微生物)在有氧气存在的条件下进行生物代谢以降解有机物，使其稳定、无害化的处理方法。微生物利用水中存在的有机污染物为底物进行好氧代谢，经过一系列的生化反应，逐级释放能量，最终以低能位的无机物稳定下来，达到无害化的要求，以便返回自然环境或进一步处理。

实施例中还公开一种利用该好氧颗粒污泥一体化反应器的水处理方法，具体包括以下步骤：

S1、在低温条件下0℃～15℃左右将污水由进水口3进入第一反应区18内，开启进气管1连接的曝气单元进行微量曝气，曝气量为1～10L/min。

S2、开启直流电源17为阳极板6和阴极板7供电；根据电流表显示调整电压表，使电流稳定在10～100A左右，污水在电场及催化剂的共同作用下发生强电解氧化反应。

S3、反应15～30min后，第一反应区18内的液体从溢流口23排出至第一调节区21，然后通过滤头9提升泵10将第一反应区18产水泵入第二反应区19，对接种的颗粒污泥12进行曝气14，通过溶解氧仪25监测，并维持溶解氧2～4mg/l，颗粒浓度设置为4000mg/l，对颗粒污泥进行驯化，实际驯化温度在20～30℃为宜。

S4、经过活性颗粒污泥的生化处理后的污水自流进入第二反应区22，经过沉降实现泥水分离后通过出水口14流出反应器。在第二反应区22的时间需根据具体水质的实验确定，例如20天～60天。

经过10～30天通过反洗水管4对第一反应区18进行反洗，并将沉淀的污染物质从排渣管2排出反应器，第二调节区5的污染物质从排渣口5排出反应器。

需要说明的是，电氧化反应是随着电荷的移动在电极表面发生的非均相催化反应，本发明预选直流稳压电源的电流为10-100A。停留时间也是电解化学工艺在处理污水的一个主要影响因素，本发明经大量试验后，设定在第一反应区18内的时间为15-30min，设定颗粒污泥的实际驯化温度为20℃。另外，根据实际工况及具体要求，可设定反洗时间为10～30天。在本实施例中，步骤S1中曝气量为2L/min，维持电流在20A；步骤S3中确定反应时间在20min；步骤S5中确定不影响工况正常运行的最长排渣时间为22天。

通过上述在一种利用好氧颗粒污泥一体化反应器处理污水，能在进水温度较低的情况下运行良好，通过多次试验检测进出水水质中的化学需氧量、生化需氧量、氨氮量和色度，若进水污水中的化学需氧量、生化需氧量、氨氮量、色度分别为1000mg/l、300mg/l、50mg/l、200倍，处理后出水分别为50mg/l、20mg/l、10mg/l、30倍。这与同等条件下直接预处理+生化的对比试验相比，采用本发明处理的污水对综合指标的去除率明显提高了，对应的化学需氧量、生化需氧量、氨氮、色度分别提高了25％、30％、10％、10％。

需要特别说明的是，实施例中，采用的是将第一反应区、第二反应区、第一调节区和第二调节区集成在一个柱状结构成，形成一体化的整体结构，这种结构设计紧凑，对空间进行了很好的利用，大大节约了占地面积。另外，至于第一反应区和第一调节区，第二反应区和第二调节区在装置内如何分布设置并非本发明的重点，例如，可设置成类似套筒状结构，或用分隔板分开等。在实际应用过程中，如果对占地面积没有限制，也可以将第一反应区、第二反应区、第一调节区和第二调节区设计成多个四个相互连通的独立结构，或者将第一反应区和第一调节区设计成一个整体，将第二反应区和第一调节区设计成一个整体，两者相互连通即可。

综上可见，本发明弥补了反应器内会有温度低、负荷不稳定、不易生物降解的缺陷，具有在低温条件下正常运行、耐负荷冲击、处理效果稳定等优点。

对于本人领域技术而言，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电解氧化-好氧生物处理的反应装置，其特征在于，包括第一反应区、第一调节区、第二反应区和第二调节区；

第一反应区内设有竖向布置的阴极板、阳极板、进气管路，以及布置于阴极板和阳极板之间的催化剂填料，进气管路的出气端位于第一反应区的底部，阴极板、阳极板分别通过导线外接直流电源的正、负极，以形成电解通路；第二反应区内设有填料层和好氧颗粒污泥，底部布置有第二曝气单元；

反应装置的进水口设置在第一反应区，出水口设置在第二调节区，污水自进水口进入第一反应区进行电解氧化，再由第一反应区流入第一调节区进行缓质调节，然后进入第二反应区进行好氧生物处理，再由第二反应区流入至第二调节区进行沉降后，最后由出水口排出。

2.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，还包括用于检测电解通路中的电流表和电压表。

3.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，还包括伸入第一反应区内的反洗水路，用于对第一反应区进行冲洗。

4.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，还包括与第一反应区底部连通的排渣管路和位于第二调节区底部的排渣口。

5.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述反应装置为柱状结构，分为相互独立的上下两段，第一反应区和第一调节区均布置于柱状结构的下段，并通过第一反应区和第一调节区之间设有的溢流口连通，第二反应区和第二调节区布置于柱状结构的上段，并通过第二反应区和第二调节区之间均设有的溢流口连通；所述第一调节区和第二反应区之间设有连通管和提升泵，以将第一调节区内的水泵入第二反应区，从而形成一体化的整体结构。

6.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述阳极板的材质为Ti/Co/SnO2复合极板，所述阴极板的材质为石墨。

7.如权利要求1所述的反应装置，其特征在于，催化剂填料为电解石。

8.一种污水处理系统，其特征在于，采用如权利要求1至7任意一项所述的反应装置对污水中的无机物的氧化分解和有机物的生物降解。

9.一种污水处理方法，其特征在于，基于如权利要求1至7任意一项所述的反应装置，包括如下步骤：

S1、预处理后的污水由进水口进入第一反应区，开启第一曝气单元进行微量曝气，开启外部直流电源为阳极板和阴极板供电，污水在电场及催化剂的共同作用下发生强电解氧化反应；

S2、经第一反应区电解氧化反应后的污水流入第一调节区进行缓质调节；

S3、经第一调节区缓质调节后的污水进入第二反应区，开启第二曝气单元对接种的颗粒污泥进行曝气和驯化；

S4、经第二反应区内活性颗粒污泥进行好氧生物降解处理后的污水进入第二调节区沉降，实现泥水分离后通过出水口将污水排出。

10.如权利要求9所述的污水处理方法，其特征在于，

第一反应区内，第一曝气单元的曝气量为1～10L/min，电解通路的电流稳定在10～100A，在第一反应区的反应时间为15～30min；

第二反应区内，颗粒污泥的颗粒浓度设置为4000mg/l，驯化温度为20～30℃；，通过第二曝气单元维持溶解氧为2～4mg/l，在第二反应区的反应时间为20～60天。