CN109516557A - 一种大面积电极微生物双流化床反应器及废水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积电极微生物双流化床反应器，包括厌氧流化床和好氧流化床，厌氧流化床的上部通过滤网通道与好氧流化床连通；厌氧流化床的底部设有进水口，好氧流化床的上部设有出水口，好氧流化床的底部设有曝气口；厌氧流化床和好氧流化床内部各自分别设有内筒，所述内筒为上下开放的筒状结构，由至少四个电极板两两相连围成，相对的两电极板分别连接电源的正极和负极，形成正负电极对。本发明还公开了基于所述大面积电极微生物双流化床反应器的废水处理方法。本发明会较大程度提升污染物降解能力和效率。

Description

一种大面积电极微生物双流化床反应器及废水处理方法

技术领域

本发明涉及环保技术领域，尤其涉及一种大面积电极微生物双流化床 反应器及废水处理方法。

背景技术

废水的回收利用对缓解城市水资源短缺具有重要作用，废水经过适当 的再生处理，可重复利用于景观用水、绿化灌溉、工业冷却等多种用途， 实现水资源再利用。其中，高浓度氨氮废水是工业废水中较难处理的一种， 其来源广且排放量大，也成为相关行业发展的制约因素之一。

氨氮是指水中以游离氨(NH₃)和铵离子(NH⁴⁺)形式存在的氮。氨氮是水 体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物， 对鱼类及某些水生生物有毒害，常以符号NH₃-N表示。总氮是指水中各种 形态无机和有机氮的总量，包括NO^3-、NO^2-和NH⁴⁺等无机氮和蛋白质、氨 基酸和有机胺等有机氮。水中的总氮含量是衡量水质的重要指标之一，用 来评价水体被污染和自净状况，地表水中氮、磷物质超标时，微生物大量 繁殖，浮游生物生长旺盛，出现富营养化状态。常被用来表示水体受营养 物质污染的程度，以符号TN表示。这种富氮废水存在各种来源，包括垃 圾填埋场渗滤液、农业用地的流出物、各种工业生产过程的排出物、市政 废水及畜牧业废水等。

经典的处理方法中，生物化学法能有效去除富氮有机废水中的硝态氮、 臭味，降低废水色度，并且在工程应用上比较成熟，运行成本低，管理方 便，但生物化学法对成分复杂的有毒有害难降解污染物的降解速度慢，分 解不彻底。而另外一种常用的物理化学处理方法，基本上是利用电化学的 原理进行废水处理，通过电化学燃烧或电化学转化，快速高效地与废水中 的污染物通过获得或失去电子而发生氧化还原反应，使难降解有机物转化降解成二氧化碳和水或较简单的有机物。电化学技术发展迅速，处理能力 强且反应设备简单，操作容易，易于控制。电化学方法一般不受反应物生 物毒性的影响，可以安全高效处理高毒性、高腐蚀性有机废水。

因此总结上述两种传统方法的优缺点，可以将电化学和生物法相结合， 电生物法综合了生物化学法处理成本低、电化学法处理难降解有毒污染物 效果好的特点，而且可将电化学反应中引起电流效率降低的电解水产氧、 产热等有效地促进生物的反应过程，因此在整个复合技术的系统内使电流 效率和处理效果大幅提高，同时降低处理成本。

然而，电极-生物膜法过程中由于电极表面生物膜比表面积较小，生 物膜易脱落等原因，反硝化效率提高效果有限，使得电极-生物膜法强化 处理难降解有机物的方法在实际应用中较少。

公开号为CN104860397A的中国专利文献公开了一种电化学-生物流 化床反应器及其废水处理方法，是对传统生物流化床进行改进的一种成功 尝试，该反应器包括厌氧流化床和好氧流化床，厌氧流化床和好氧流化床 的下部通过第一电极组连接，厌氧流化床和好氧流化床的上部通过第二电 极组连接；厌氧流化床设有第一进水口和第一出水口，好氧流化床设有第 二进水口和第二出水口，第一出水口与第二进水口之间通过污水管道连接；好氧流化床的底部设有曝气头。其废水处理方法是在有机废水中加入电解 质后，依次送入厌氧流化床和好氧流化床进行处理。该发明在常规的电化 学体系中引入生物降解，取得电化学和生物降解相结合的氧化还原作用， 但该专利只是简单的将电化学反应和生物反应组合到一个反应器中，电化 学反应和生物反应各自独立起作用，没有形成协同效应，电极表面没有形 成生物膜。而且电极表面积较小，阴极和阳极分别在两个反应器中，电极 间距大，导致整个电路中电阻较大，能耗较大。

因此，目前迫切需要优化好氧流化床和厌氧流化床的设计，以增强厌 氧、好氧循环反应的过程、电催化中电化学的反应效率、强度以及电生物 法的结合程度。

发明内容

本发明提供了一种大面积电极微生物双流化床反应器，该反应器以流 化床作为基础结构，巧妙地利用电极板构成流化床内筒，在流化床中引入 生物降解以及活性炭负载生物膜降解，在电场作用下激活生物膜活性，达 到电化学和生物降解协同的氧化还原作用，较好的提升了反应效率和反应 强度，促进富氮废水处理。

具体技术方案如下：

一种大面积电极微生物双流化床反应器，包括厌氧流化床和好氧流化 床，厌氧流化床的上部通过滤网通道与好氧流化床连通；厌氧流化床的底 部设有进水口，好氧流化床的上部设有出水口，好氧流化床的底部设有曝 气口；

厌氧流化床和好氧流化床内部各自分别设有内筒，所述内筒为上下开 放的筒状结构，由至少四个电极板两两相连围成，相对的两电极板分别连 接电源的正极和负极，形成正负电极对。

厌氧流化床和好氧流化床顶部设有密封盖。

优选的，所述厌氧流化床和好氧流化床一体化设置。

优选的，所述内筒由四个电极板两两相连围成。

在厌氧流化床和好氧流化床内部，电极板通过绝缘连接件两两相连围 成内筒，电极板之间相互不接触，例如，可将电极板插入有机玻璃或者塑 料卡槽中进行固定，两两相连围成内筒。正对的两电极板分别连接电源的 正、负极，整个内筒形成两个正负电极对，在内筒内部形成面积较大的均 匀分布的电场空间。

优选的，所述的电极板尺寸相同，均为矩形结构，其长宽比为6～10∶1。 该长宽比有利于厌氧流化床和好氧流化床内部形成良好的水力场、电场和 流化状态。优选的，所述的电极对中，阳极电极包括但不限于钛片、形稳 阳极或石墨电极；阴极电极包括但不限于钛片、不锈钢片或石墨电极。

优选的，所述内筒的两个正负电极对分别连接不同的电源，两正负电 极对之间互不干扰。

所述的电源为直流电源。

所述厌氧流化床与好氧流化床分别包括外筒和内筒，内筒设于外筒内， 且内筒底部与外筒底部相通，内筒的外壁和外筒的内壁之间形成环形空间。 内筒的内外侧形成反应区。

所述外筒的底部为锥形结构，上部为倒锥形结构，中部为与内筒相对 于的筒状结构。

外筒的上部为倒锥形结构，在该处时废水流速减缓，便于泥水分离， 形成泥水分离区。

优选的，在所述厌氧流化床和好氧流化床内部分散有活性炭颗粒。

通过挂膜处理后，电极板和活性炭颗粒表面会负载有生物膜，负载有 生物膜的活性炭颗粒在内筒形成的均匀分布的电场空间作用下，形成一个 个微电极，这就使得双流化床不仅在宏观状态下进行电化学微生物同时反 应，并且在微观结构上微电极也进行电化学微生物协同反应。

优选的，所述大面积电极微生物双流化床反应器设有循环装置，所述 循环装置包括：

中转水槽，与好氧流化床的出水口相连；

扬程泵，设置在厌氧流化床的进水口与所述中转水槽之间的管路上， 用于将中转水槽中的废水引流入厌氧流化床中。

整个大面积电极微生物双流化床反应器的工作流程如下：通过扬程泵 将中转水槽中的富氮废水引流入厌氧流化床中进行厌氧电化学微生物反 应，反应结束后通过双流化床上部带有滤网的通道流入好氧流化床中进行 曝气电化学微生物反应，反应结束后如果水质达到排放要求则通过好氧流 化床上部的出水口直接排除，如果水质达不到排放要求则通过管道排到中 转水槽中，再通过扬程泵将中转水槽中的废水重新引入厌氧流化床中进行 二次处理，直至好氧流化床出水达标。

循环装置的设置可以使得厌氧流化床和好氧流化床将废水进行多次 处理，有效提升废水的处理效果。中转水槽用于储存目标废水并且作为循 环中转站，为双流化床循环提供持续废水水源，中转水槽内可添加适量的 电解质并混合均匀，降低溶液电阻，进而降低能耗。

好氧流化床通过曝气口与外接曝气泵连接，曝气口与曝气泵之间设有 气体流量计。好氧流化床底部曝气口同时可作为排污口使用。

本发明还提供了一种基于所述大面积电极微生物双流化床反应器的 废水处理方法，包括以下步骤：

(1)向厌氧流化床和好氧流化床内加入活性炭颗粒，再分别接种厌 氧活性污泥和好氧活性污泥，加入营养液；

(2)接通内筒中各个电极对的电源，循环流化，使电极板表面和活 性炭颗粒表面生长具有电活性的生物膜；

(3)根据待处理废水的初始电导率向其中加入电解质，并调节其pH 至7.0～7.5；

(4)将待处理废水通过所述进水口泵入所述大面积电极微生物双流 化床反应器中进行电化学微生物反应，将处理后的净化水从所述出水口排 出。

上述处理过程在常温下进行。

优选的，步骤(1)中，所述营养液中包含葡萄糖、NH₄C1、KH₂PO₄、 MgSO₄、CaCl₂和NaHCO₃；所述营养液中COD、N元素、P元素的质量 比为100∶5～10∶1～5；所述营养液的pH值为7.0～7.5。

优选的，步骤(2)中，厌氧流化床中的溶解氧浓度在0.5mg/L以下， 好氧流化床中溶解氧浓度在1.5mg/L以上；进一步优选的，电流密度为 0.1～0.5mA/cm²。

优选的，步骤(2)中，厌氧流化床和好氧流化床中，生物膜的浓度 为2～5g/L时，循环流化结束。

待电极板和活性炭颗粒表面挂膜成功后将待处理废水引入双流化床 反应器中进行电化学微生物处理，电流密度与处理效率有着密切的联系， 随着电流密度增大，处理效率逐渐提高。但通入的电流密度有个极限，即 当电流密度超过极限电流密度时，微生物的活性受到明显的抑制，处理效 率反而下降。

步骤(3)中，所述的电解质为硫酸钠或碳酸钠。

优选的，步骤(3)中，电流密度为0.2～0.4mA/cm²；进一步优选的， 电流密度为0.3mA/cm²。

在该电流密度范围内，微生物活性不受抑制，处理效率较高。

基于所述大面积电极微生物双流化床反应器的废水处理方法的原理 如下：废水处理机理主要为电化学氧化还原作用、生物降解及其协同作用。 在外加电场作用下，一部分微生物在大电极表面生长，形成具有电活性的 生物膜，其中阴极表面附着生长的是厌氧生物膜，阳极表面附着生长的是 好氧生物膜(因为阳极表面可以产生氧气，阴极表面产生氢气，虽然厌氧 流化床中是厌氧环境，但紧贴阳极表面的区间有氧气产生，可以使好氧生物膜存活；好氧流化床中同理。)，电极与生物膜间存在电子转移，电极表 面产生的氧气或氢气分别为好氧微生物或厌氧微生物提供营养元素，生物 降解作用和电催化作用可以取得“1+1＞2”的效果。同时电化学微生物流 化床反应器中的活性炭在电场作用下表面正负电荷发生分离，形成大量的 活性炭微电极，在电化学和生物协同作用下进一步促进了废水降解。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)巧妙地采用电极板构建流化床内筒，两个流化床中均存在双阳 级和双阴极，既增大了电极面积，又使内筒内形成均匀的电场空间，有利 于流化的活性炭颗粒在电场作用下发生极化，形成活性炭颗粒微电极，大 大提高了处理效率，同时降低了能耗。

(2)本发明采用了协同双流化床的大面积电化学微生物反应系统， 电化学作用和生物作用不是简单的相加，而是直接在电极表面生长具有电 活性的生物膜，即阳极表面生长好氧生物膜，阴极表面生长厌氧生物膜， 双流化床中的大面积电极板为电极表面的大量生物膜提供电子供体或受 体，生物膜与电极之间进行电子传递，取得“1+1＞2”的效果。在两个流 化床中充分应用电化学降解和微生物降解协同作用，强化电极与生物膜结 合作用，此外流化床中活性炭微电极在电场作用下也发挥较高的作用，上 述若干方法协同工作提高了反应效率，降低所需能耗。

综上，相比于现有技术中电极面积，本发明中大电极表面更易附着生 长生物膜，使得电化学角色加强并且提高与微生物的结合程度；流化床中 加入活性炭，在大面积电极的电场作用下形成大量微电极，同样会提供大 量微电极生物膜，因此本发明会较大程度提升污染物降解能力和效率。

附图说明

图1为本发明大面积电极微生物流化床反应器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是， 以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本发明的大面积电极微生物流化床反应器包括双流化床 设计的厌氧流化床1和好氧流化床2，双流化床是做成一个便携式整体结 构，厌氧流化床1和好氧流化床2内部构造相似，都是由上下开放的内筒 和外筒有机玻璃壁组成；厌氧流化床1的底部是整个流化床的进水口4， 厌氧流化床1的上部通过带滤网的通道与好氧流化床2相连，好氧流化床 2的底部设有曝气口5，好氧流化床的上部设有带滤网的出水口7，两个流 化床的顶部都有密封盖以隔绝空气。进水口4和曝气口5处均设有阀门6。

内筒为上下开放的矩形结构，内筒分别由四个电极板3两两固定相连 围成。电极板3插入有机玻璃或者塑料卡槽中，形成封闭的内筒，电极板 间互相不接触。正对的电极板3分别连接电源的正、负极，每个内筒中形 成两个正负电极对，两个电极对分别连接到不同的电源上，互不干扰，形 成面积较大的均匀分布的电场空间。

厌氧流化床中围成内筒的电极板组包括钛片阴极、钛片阳极，钛片阴 极、钛片阳极之间通过直流电源连接；好氧流化床中围成内筒的电极板组 包括钛片阴极、钛片阳极，钛片阴极和钛片阳极之间通过直流电源连接； 厌氧流化床和好氧流化床中，各电极板的尺寸相同，长度为800mm，宽 度为100mm。

外筒则是由有机玻璃制成的上部为倒锥形结构，中部矩形结构与内筒 高度相对应，底部是锥形结构，且内筒底部与外筒底部相通，内筒的外壁 和外筒的内壁之间形成环形空间；内筒的内外侧为反应区；外筒的上部为 倒锥形结构，减缓水流速度，内筒和外筒中间区分散有活性炭颗粒，活性 炭表面负载生物膜，并且在均匀分布的电场空间作用下，形成一个个微电 极，这就使得双流化床不仅在宏观状态下进行电化学微生物同时反应，并且在微观结构上微电极也进行电化学微生物协同反应。

好氧流化床和厌氧流化床顶部密封盖均有小孔以供电线通过。

本实施例中，所采用厌氧流化床和好氧流化床的具体结构参数如下： 反应区(反应区包含内筒内部和与外筒间的区域，即反应区边长为整个流 化床外筒的边长)的边长b＝200mm；反应区的高度H＝800mm；反应区 的体积V₁＝33.4L(含底部锥的体积)；泥水分离区(倒锥部)的体积V₂＝ 3.2L；内筒所围成正方形的边长d＝100mm。

反应启动期，在厌氧流化床1和好氧流化床2内部添加适量的活性炭 颗粒，并分别引入厌氧活性污泥和好氧活性污泥，加入营养液，在内筒电 场作用下进行微生物驯化，使电极板表面和活性炭颗粒表面生长具有电活 性的生物膜，每个活性炭附着微生物之后在通电的情况下会形成微电极结 构，这就使得双流化床不仅在宏观状态下进行电化学微生物同时反应，并 且在微观结构上微电极也进行电化学微生物协同反应，增加电化学效率。驯化结束形成稳定的生物膜后，再将待处理废水引入流化床反应器进行处 理。

双流化床体系中运行设有循环部件，厌氧流化床的底部连接着进水口 4，进水动力是外置扬程泵9，保证进水的动力和稳定的流量。进水口4 处设有控制进水开关阀6，扬程泵9与厌氧流化床中间设有转子流量计。 好氧流化床出水口7和中转水槽8之间通过管道连接，以及中转水槽8和 进水口4之间通过扬程泵9相连。中转水槽8用于储存目标废水并且作为 循环中转站，为双流化床循环提供持续废水水源，中转水槽8内可添加适 量的电解质并混合均匀，为电化学反应提供导电介质，降低溶液电阻能耗， 转子流量计可以定量改变废水流量大小。

水样在厌氧流化床1中反应结束后会通过双流化床上部中间带滤网的 通道流向好氧流化床2中进行曝气反应，水样在好氧流化床2中进行曝气 电化学微生物反应，之后通过好氧流化床2顶部出水口7进入中转水槽。 双流化床循环水槽的设置，可以使得厌氧流化床和好氧流化床将废水进行 多次处理，有效提升废水的处理效果。

好氧流化床的底部锥形和内筒下部区域为曝气反应区，曝气头位于锥 形区域的底部，曝气头尾部通过气体管道外接曝气泵，曝气泵和曝气头之 间设有气体流量计；好氧流化床的曝气头外接口同时也是一个排污阀，复 合设计可以做到一物两用，节省空间和材料。该流化床中，外接曝气泵提 供反应所需空气，通过曝气头输送到好氧流化床反应区域，气体流量计可 以定量改变气体流量大小。

基于所述大面积电极微生物双流化床反应器的废水处理方法包括以 下步骤：

(1)向厌氧流化床和好氧流化床内加入活性炭颗粒，再分别接种厌 氧活性污泥和好氧活性污泥，加入营养液；

(2)接通内筒中各个电极对的电源，循环流化，使电极板表面和活 性炭颗粒表面生长具有电活性的生物膜；

(3)根据待处理废水的初始电导率向其中加入电解质，并调节其pH 至7.0～7.5；

(4)将待处理废水通过所述进水口泵入所述大面积电极微生物双流 化床反应器中进行电化学微生物反应，将处理后的净化水从所述出水口排 出。

本实施例中，为获得理想的微生物挂膜条件，在驯化阶段采用培养液， 以葡萄糖、NH₄C1、KH₂PO₄为原料，按照实验所需质量比COD/N/P＝100/5/1 人工配制；同时为保证微生物的生长需要，添加了适量的MgSO₄，CaCl₂， NaHCO₃等作为矿物质来源。实验所用活性污泥取自杭州市某污水处理厂。 培养液pH值为7.0～7.5；电流密度控制在0.1～0.5mA/cm²，厌氧流化床中溶 解氧＜0.5mg/L，好氧流化床中溶解氧在1.5mg/L以上。

待挂膜成功后将模拟废水引入双流化床进行处理，电流密度与处理效 率有着密切的联系，随着电流密度增大，处理效率逐渐提高。但通入的电 流密度有个极限，即当电流密度超过极限电流密度时，微生物的活性受到 明显的抑制，处理效率反而下降。当电流密度为0.3mA/cm²，厌氧流化床 和好氧流化床中生物膜浓度为3.0g/L，废水COD去除率达到80％，反硝化 效率达到92％，总氮去除率达到83％，废水能够达标排放。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明， 应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡 在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在 本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大面积电极微生物双流化床反应器，其特征在于，包括厌氧流化床和好氧流化床，厌氧流化床的上部通过滤网通道与好氧流化床连通；厌氧流化床的底部设有进水口，好氧流化床的上部设有出水口，好氧流化床的底部设有曝气口；

厌氧流化床和好氧流化床内部各自分别设有内筒，所述内筒为上下开放的筒状结构，由至少四个电极板两两相连围成，相对的两电极板分别连接电源的正极和负极，形成正负电极对。

2.根据权利要求1所述的大面积电极微生物双流化床反应器，其特征在于，所述的电极板尺寸相同，均为矩形结构，其长宽比为6～10：1。

3.根据权利要求1或2所述的大面积电极微生物双流化床反应器，其特征在于，所述的电极对中，阳极电极为钛片、形稳阳极或石墨电极；阴极电极为钛片、不锈钢片或石墨电极。

4.根据权利要求1所述的大面积电极微生物双流化床反应器，其特征在于，在所述厌氧流化床和好氧流化床内部分散有活性炭颗粒。

5.根据权利要求1、2或4所述的大面积电极微生物双流化床反应器，其特征在于，设有循环装置，所述循环装置包括：

中转水槽，与好氧流化床的出水口相连；

扬程泵，设置在厌氧流化床的进水口与所述中转水槽之间的管路上，用于将中转水槽中的废水引流入厌氧流化床中。

6.一种基于权利要求1～5任一项所述大面积电极微生物双流化床反应器的废水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)向厌氧流化床和好氧流化床内加入活性炭颗粒，再分别接种厌氧活性污泥和好氧活性污泥，加入营养液；

(2)接通内筒中各个电极对的电源，循环流化，使电极板表面和活性炭颗粒表面生长具有电活性的生物膜；

(3)根据待处理废水的初始电导率向其中加入电解质，并调节其pH至7.0～7.5；

(4)将待处理废水通过所述进水口泵入所述大面积电极微生物双流化床反应器中进行电化学微生物反应，将处理后的净化水从所述出水口排出。

7.根据权利要求6所述的废水处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述营养液中包含葡萄糖、NH₄Cl、KH₂PO₄、MgSO₄、CaCl₂和NaHCO₃；所述营养液中COD、N元素、P元素的质量比为100∶5～10∶1～5；所述营养液的pH值为7.0～7.5。

8.根据权利要求6所述的废水处理方法，其特征在于，步骤(2)中，厌氧流化床中的溶解氧浓度在0.5mg/L以下，好氧流化床中溶解氧浓度在1.5mg/L以上；进一步优选的，电流密度为0.1～0.5mA/cm²。

9.根据权利要求6或8所述的废水处理方法，其特征在于，步骤(2)中，厌氧流化床和好氧流化床中，生物膜的浓度为2～5g/L时，循环流化结束。

10.根据权利要求6所述的废水处理方法，其特征在于，步骤(3)中，电流密度为0.2～0.4mA/cm²。