CN109748386A - 一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统 - Google Patents

一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,包括生物光电还原降解反应器(9)、有机污染物料液循环子系统(29)和恒温可调式循环水温控子系统(30),生物光电还原降解反应器(9)为系统的关键核心部件。所述的有机污染物料液循环子系统(29)和恒温可调式循环水温控子系统(30)二者皆自成回路,与生物光电还原降解反应器(9)三者共同形成一个能实现复杂有机污染物非特异降解的有机统一整体。在有机污染物料液循环子系统内部循环的料液,流速可以通过调节阀来进行调节,系统的压力可以通过压力表读出,并根据反应最佳参数要求进行调节,磁力振子可以提高料液内成分的均匀度并减小循环料液的内部温差。

Description

一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应 器系统
技术领域
本发明属于污水处理及生态修复装备领域,特别涉及一种用于非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统。
背景技术
环境中大量存在的有机污染物,特别是持久性有机污染物(POPs)、四溴双酚A等激素类污染物、四氯乙烯等卤代化合物、有机农药、印染废水等对人类健康的危害极大。对于这些有机污染物,传统上是采用物理法和化学法等进行处理;近年来,人们越来越倾向于开发和使用生物法;与传统的物理化学方法相比,生物法因具有成本低廉、易于操作、环境友好等独特优点,已经受到越来越多的重视,并具有良好的应用前景。
但是目前的生物脱卤、染料降解等都是通过降解酶进行的特异性降解,这种降解的专一性限制了生物法对实际环境中复杂污染物的处理效果,因此关于广谱性的非特异生物降解机制的研究及其反应器的开发就显得特别重要,如何在目前特异性研究成果的基础上,尽快研究出能高效、经济、广谱而非特异性地降解复杂有机污染物的处理方法,并研制出相应的反应器及反应系统势在必行。
产电微生物(Exoelectrogen)可以利用多种有机物作为碳源,通过自身的厌氧呼吸作用,将代谢产生的电子释放到周围环境,这些电子可以直接或间接地传递给胞外电子受体,完成异化厌氧呼吸的同时,实现有机物的还原降解。但是,目前产电微生物释放的电子能量较低,严重制约了其对复杂有机污染物的还原修复能力。因此,研究如何提高产电微生物所释放电子的能量及方法,并研制出相应的技术及装备迫在眉睫。
发明内容
本发明旨在提出一种能够用于高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,利用该反应器系统来处理复杂有机污染物,能有效克服复杂有机物降解的特异性和专一性,确保复杂有机物的非特异性降解,为复杂有机物的降解处理探索新的途径,并提供一条新的装备设计思路。为了达到上述目的,本发明采取了如下的技术方案:
一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,包括生物光电还原降解反应器(9)、有机污染物料液循环子系统(29)和恒温可调式循环水温控子系统(30)三部分;
所述恒温可调式循环水温控子系统(30)包括恒温控制器(1)、热水循环槽(2)、加热器(3)、磁力泵(5)、以及流量计(8);清水先放置在热水循环槽(2)内,恒温控制器(1)调节热水循环槽(2)内清水温度;在磁力泵(5)进口负压的作用下,清水从热水循环槽(2)经过加热器(3)加热并进入磁力泵(5),在磁力泵(5)出口正压力的作用下,通过流量计(8)后流入到生物光电还原降解反应器(9)的恒温循环水进口管(28),经过恒温水腔(25)、最后从恒温循环水出口管(22)流出;
生物光电还原降解反应器(9)通过布置在两端的隔板将本体分割成上中下三个区域,包括料液进口管(24)、蛇形管(23)、恒温水腔(25)、料液出口管(17)、恒温循环水进口管(28)、恒温循环水出口管(22)、多孔介质带(31);
生物光电还原降解反应器(9)从底部到顶部开有若干与三部分腔体区域不连通的通孔,生物光电还原降解反应器(9)顶部每个通孔内各放置有一根能发出特定频率光谱的灯管(21),生物光电还原降解反应器(9)中部每个通孔管壁(20)的中间部分各缠绕着一根透明的螺旋形状的蛇形管(23),蛇形管(23)的上下两个端口在上隔板(19)、下隔板(26)处分别与生物光电还原降解反应器(9)的上下两区域相连,每根蛇形管(23)的内部各布置有多孔介质带(31);下隔板(26)下部是料液腔(27);
所述有机污染物料液循环子系统(29)包括料液循环槽(11)、磁力泵(13);含有有机污染物的料液先放置在料液循环槽(11)内,在磁力泵(13)进口负压的作用下,料液从料液循环槽(11)的出口吸出并进入磁力泵(13),在磁力泵(13)出口正压力的作用下,料液流入到生物光电还原降解反应器(9)的料液进口管(24),最后依次经过蛇形管(23)、料液出口管(17)流出。
进一步,在灯管(21)所发出特定频率光谱的催化作用下,促使预先固定在多孔介质带(31)上的大量产电微生物菌种产生大量的电子,在这些电子的电化学作用下,当在有机污染物料液循环子系统(29)内循环流动的有机污染物流经蛇形管(23)时,有机污染物被非特异性地厌氧降解,达到复杂有机污染物的生物光电还原及非特异降解。
进一步,多孔介质带(31)为一长条形由光催化纳米疏松材料制成的高透光性多孔介质带(31)。
进一步,管壁(20)由透明材料制成。
进一步,生物光电还原降解反应器(9)整体呈圆柱形或方形。
进一步,生物光电还原降解反应器(9)顶部开有可供检测料液水质取样的小出口管,以便在出口管安装取样所需要的阀门。
进一步,所述的有机污染物料液循环子系统(29)还包括第二个磁力振子(12)、温度计(10)、第二个调节阀(14)、第二个压力表(15)以及第二个流量计(16);第二个磁力振子(12)、温度计(10)设在料液循环槽(11)内,磁力振子(12)用于提高料液内成分的均匀度并减小循环料液的内部温差;磁力泵(13)和料液进口管(24)之间依次设有第二个调节阀(14)、第二个压力表(15)以及第二个流量计(16);料液首先通过第二个调节阀(14),然后到第二个压力表(15),压力数据被采样并显示或读出,通过第二个流量计(16)后流入到生物光电还原降解反应器(9)的料液进口管(24)。
进一步,恒温可调式循环水温控子系统(30)还包括第一个磁力振子(4)、第一个调节阀(6)、第一个压力表(7),第一个磁力振子(4)设在热水循环槽(2)内,磁力泵(5)和流量计(8)之间依次设有第一个调节阀(6)、第一个压力表(7),在子系统内部循环的液体,流速通过第一个调节阀(6)来进行调节,系统的压力通过第一个压力表(7)读出,并根据反应最佳参数要求进行调节,第一个磁力振子(4)能够降低恒温液体的内部温差,并降低实际温度与所设定温度之间的误差。
本发明所述的非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,具有以下有益效果:
(1)通过预先在每根蛇形管内部的光催化纳米疏松带上固定产电微生物菌种,利用特定灯管所发出光的光催化作用,促使蛇形管内的产电微生物菌种产生大量的电子,使循环流经蛇形管的有机污染物发生非特异性厌氧降解,高效实现复杂有机污染物的生物光电还原及非特异降解。(2)蛇形管内的产电微生物菌种被大量地附着在光催化纳米疏松多孔介质带上,能保证形成最大的接触面积,有利于复杂有机物的高效还原降解。
附图说明
图1为本发明的高效生物光电还原降解反应器系统示意图。
图2为本发明的生物光电还原降解反应器的三维示意图。
图3为本发明的生物光电还原降解反应器的二维中截面图。
图4为本发明的纳米多孔介质光催化材料示意图。
图中:1.恒温控制器,2.热水循环槽,3.加热器,4.磁力振子,5.磁力泵,6.调节阀,7.压力表,8.流量计,9.生物光电还原降解反应器,10.温度计,11.料液循环槽,12.磁力振子,13.磁力泵,14.调节阀,15.压力表,16.流量计,17.料液出口管,18.反应器本体,19.上隔板,20.管壁,21.灯管,22.恒温循环水出口管,23.蛇形管,24.料液进口管,25.恒温水腔,26.下隔板,27.料液腔,28.恒温循环水进口管,29.有机污染物料液循环子系统,30.恒温可调式循环水温控子系统,31.多孔介质带。
具体实施方式
下面结合附图1~图4以及具体实施例,对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
图1为本发明所述的高效生物光电还原反应器系统示意图。该系统由生物光电还原反应器(9)、有机污染物料液循环子系统(29)和恒温可调式循环水温控子系统(30)三部分组成。其中,生物光电还原反应器(9)为系统的关键核心部件;有机污染物料液循环子系统(29)包括温度计(10)、料液循环槽(11)、磁力振子(12)、磁力泵(13)、调节阀(14)、压力表(15)以及流量计(16)、料液进口管(24)、蛇形管(23)以及料液出口管(17)等;恒温可调式循环水温控子系统(30),包括恒温控制器(1)、热水循环槽(2)、加热器(3)、磁力振子(4)、磁力泵(5)、调节阀(6)、压力表(7)以及流量计(8)等。
图2与图3分别为本发明的生物光电还原反应器(9)的三维示意图及其二维中截面示意图。反应器(9)整体呈圆柱形(或方形),通过布置在两端的隔板将本体分割成上中下三个区域,其中中间区域最长,是反应器的主体部分,上下两个区域呈薄型,主要起配流作用。包括料液出口管(17)、反应器本体(18)、上隔板(19)、灯管孔管壁(20)、灯管(21)、恒温循环水出口管(22)、蛇形管(23)、料液进口管(24)、恒温水腔(25)、下隔板(26)、料液腔(27)以及恒温循环水进口管(28)等。其中,料液进口管(24)、蛇形管(23)、料液出口管(17)属于有机污染物料液循环子系统(29)回路的一部分;恒温循环水进口管(28)、恒温循环水出口管(22)属于恒温可调式循环水温控子系统(30)的一部分。
如图1所示,本发明的有机污染物料液循环子系统(29)在高效生物光电还原反应器(9)之外部分的连接关系与料液的流动方向为:含有有机污染物的料液先放置在料液循环槽(11)内,在磁力泵(13)进口负压的作用下,料液从料液循环槽(11)的出口吸出并进入磁力泵(13),在磁力泵(13)出口正压力的作用下,料液首先通过调节阀(14),然后到压力表(15),压力数据被采样并显示或读出,最后通过流量计(16)后流入到生物光电还原降解反应器(9)。
如图1所示,本发明的恒温可调式循环水温控子系统(30)在高效生物光电还原反应器(9)之外部分的连接关系与恒温液体的流动方向为:干净的清水先放置在热水循环槽(2)内,在磁力泵(5)进口负压的作用下,清水从热水循环槽(2)的出口吸出并进入磁力泵(5),在磁力泵(5)出口正压力的作用下,清水首先通过调节阀(6),然后到压力表(7),压力数据被采样并显示或读出,最后通过流量计(8)后流入到生物光电还原降解反应器(9)。
如图1和图2所示,在本发明所述的高效生物光电还原反应器(9)的下部料液腔(27)区域的侧壁上开有一个安装料液进口管(24)的小孔,在上部料液腔(27)区域的对角线位置对应的侧壁上开有一个安装料液出口管(17)的小孔,上下两个区域通过若干蛇形管(23)相连通,由有机污染物料液循环子系统(29)进来的料液首先进入下部料液腔(27),经过分流进入蛇形管(23),然后通过上部料液腔(27)区域汇流后,从料液出口管(17)流回料液循环槽(11),形成闭环式料液循环子系统(29)。闭环式料液循环子系统(29)的流速可以通过调节阀(14)来进行调节,系统的压力可以通过压力表(15)读出,并根据反应最佳参数要求进行调节,磁力振子(12)可以提高料液内成分的均匀度并减小循环料液的内部温差。
如图1和图2所示,本发明所述的高效生物光电还原反应器(9)的中间恒温水腔(25)区域也在其底部侧壁上开有一个安装恒温供水进口管(28)的小孔,在中间恒温水腔(25)区域的上部对角线位置对应的侧壁上同样开有一个安装恒温供水出口管(22)的小孔,由恒温可调式循环供水子系统(30)流过来的液体从下孔进入,自下而上流经中间区域的恒温水腔(25),并从上孔流出最终回到恒温热水循环槽(2),形成闭环式恒温热水循环子系统(30)。该闭环式恒温热水循环子系统(30)的流速可以通过调节阀(6)来进行调节,系统的压力可以通过压力表(7)读出,并根据反应最佳参数要求进行调节,磁力振子(4)可以降低恒温液体的内部温差,并降低实际温度与所设定温度之间的误差。
如图2所示,本发明所述的高效生物光电还原反应器(9)的内部,从底部到顶部开有若干通孔,每个通孔的管壁(20)由透明有机材料制成,每个通孔内各放置有一根能发出特定频率光谱的灯管(21)。每根蛇形管(23)内各布置有一长条形由光催化纳米疏松材料制成的高透光性多孔介质带(31),可根据所降解的有机污染物种类的需要,预先在光催化纳米疏松带上处理并固定有大量产电微生物菌种;由于每根灯管孔壁(20)外表面都包围着一根蛇形管(23),灯管(21)所发出的光具有光催化作用,能促使蛇形管(23)内的产电微生物菌种产生大量的电子,使得循环流经蛇形管(23)的有机污染物发生厌氧反应,实现有机污染物的生物光电还原及高效非特异降解。
如图2所示,在本发明所述的高效生物光电还原反应器(9)的顶部,通常可以开有可供检测料液水质取样的小出口管,可以在该出口管处安装取样所需要的阀门,以便能按时从本生物光电还原反应器(9)内取样,并检验料液水质状况及复杂有机污染物的非特异性处理效果。
图3为本发明所述的高效生物光电还原反应器的本体轴截面图。可以看出,生物光电还原反应器(9)上安装灯管(21)的灯管孔管壁(20)外包围了一圈蛇形管(23),该处的蛇形管(23)为其轴截面投影图。为方便安装并提高光照效果,蛇形管(23)的内径与灯管孔管壁(20)的外径之间留有3~5mm的间隙。为加强光催化效果并提高复杂有机污染物的非特异性降解效率,圈蛇形管(23)的直径也以8~12mm为宜。
图4为本发明所述的高效光电还原反应器(9)的蛇形管(23)内所布置的长条形光催化纳米多孔介质带(31)的材料结构图。
本发明所述的非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,具有以下特点:
(1)充分利用产电微生物能以复杂有机物为碳源的厌氧呼吸作用,将代谢产生的电子释放到周围环境,并直接或间接地使其传递给胞外电子受体完成异化厌氧呼吸,实现复杂有机物的还原降解。(2)蛇形管内的产电微生物菌种被大量地附着在光催化纳米疏松多孔介质带上,能保证形成最大的接触面积,有利于复杂有机物的高效还原降解。(3)整套装置结构紧凑,所有连接生物光电还原反应器的管路系统,采用下进上出的方式,换热与保温效果好。(4)可以通过增加带有温度反馈的电磁阀流量调节闭环回路以及相应上位机自动控制软硬件系统,实现该非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统的全自动运转。
综上,本发明的一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,主要由生物光电还原降解反应器、有机污染物料液循环子系统以及恒温可调式循环水温控子系统三部分组成。其中,生物光电还原降解反应器整体呈圆柱形,包括料液出口管、反应器本体、上隔板、灯管孔管壁、灯管、恒温循环水出口管、蛇形管、料液进口管、恒温水腔、下隔板、料液腔以及恒温循环水进口管等;反应器内部被上下两块隔板将反应器本体分割成上中下三个区域,中间区域最长,是反应器的主体部分,上下两个区域呈薄型,主要起配流作用。有机污染物料液循环子系统包括料液循环槽、温度计、磁力振子、磁力泵、调节阀、压力表以及流量计等零部件;由有机污染物料液循环子系统进来的料液进入反应器本体下部区域后经过分流进入蛇形管,然后通过上部区域汇流后从出口管流回料液瓶,实现料液子系统的闭式循环。恒温可调式循环水温控子系统包括热水循环槽、加热器、恒温控制器、磁力振子、磁力泵、调节阀、压力表以及流量计等零部件;由恒温可调式循环供水子系统流过来的液体自下而上流经反应器中间区域,并从上孔流出最终回到恒温热水瓶,实现恒温热水循环子系统的闭式循环。反应器内部从底部到顶部开有的若干透明通孔内各放置有一根能发出特定频率光谱的灯管,在灯管所发光的光催化作用下,各灯管壁外缠绕的蛇形管内安放的长条形纳米多孔介质带上固定产电微生物菌种释放出的大量电子,使得循环流经蛇形管的有机污染物发生强烈的厌氧降解,实现了有机污染物的生物光电还原及非特异降解。
最后,应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,其特征在于:包括生物光电还原降解反应器(9)、有机污染物料液循环子系统(29)和恒温可调式循环水温控子系统(30)三部分;
所述恒温可调式循环水温控子系统(30)包括恒温控制器(1)、热水循环槽(2)、加热器(3)、磁力泵(5)、以及流量计(8);清水先放置在热水循环槽(2)内,恒温控制器(1)调节热水循环槽(2)内清水温度;在磁力泵(5)进口负压的作用下,清水从热水循环槽(2)经过加热器(3)加热并进入磁力泵(5),在磁力泵(5)出口正压力的作用下,通过流量计(8)后流入到生物光电还原降解反应器(9)的恒温循环水进口管(28),经过恒温水腔(25)、最后从恒温循环水出口管(22)流出;
生物光电还原降解反应器(9)通过布置在两端的隔板将本体分割成上中下三个区域,包括料液进口管(24)、蛇形管(23)、恒温水腔(25)、料液出口管(17)、恒温循环水进口管(28)、恒温循环水出口管(22)、多孔介质带(31);
生物光电还原降解反应器(9)从底部到顶部开有若干与三部分腔体区域不连通的通孔,生物光电还原降解反应器(9)顶部每个通孔内各放置有一根能发出特定频率光谱的灯管(21),生物光电还原降解反应器(9)中部每个通孔管壁(20)的中间部分各缠绕着一根透明的螺旋形状的蛇形管(23),蛇形管(23)的上下两个端口在上隔板(19)、下隔板(26)处分别与生物光电还原降解反应器(9)的上下两区域相连,每根蛇形管(23)的内部各布置有多孔介质带(31);下隔板(26)下部是料液腔(27);
所述有机污染物料液循环子系统(29)包括料液循环槽(11)、磁力泵(13);含有有机污染物的料液先放置在料液循环槽(11)内,在磁力泵(13)进口负压的作用下,料液从料液循环槽(11)的出口吸出并进入磁力泵(13),在磁力泵(13)出口正压力的作用下,料液流入到生物光电还原降解反应器(9)的料液进口管(24),最后依次经过蛇形管(23)、料液出口管(17)流出。
2.根据权利要求1所述的一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,其特征在于:在灯管(21)所发出特定频率光谱的催化作用下,促使预先固定在多孔介质带(31)上的大量产电微生物菌种产生大量的电子,在这些电子的电化学作用下,当在有机污染物料液循环子系统(29)内循环流动的有机污染物流经蛇形管(23)时,有机污染物被非特异性地厌氧降解,达到复杂有机污染物的生物光电还原及非特异降解。
3.根据权利要求1所述的一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,其特征在于:多孔介质带(31)为一长条形由光催化纳米疏松材料制成的高透光性多孔介质带(31)。
4.根据权利要求1所述的一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,其特征在于:管壁(20)由透明材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,其特征在于:生物光电还原降解反应器(9)整体呈圆柱形或方形。
6.根据权利要求5所述的一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,其特征在于:生物光电还原降解反应器(9)顶部开有可供检测料液水质取样的小出口管,以便在出口管安装取样所需要的阀门。
7.根据权利要求1所述的一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,其特征在于:所述的有机污染物料液循环子系统(29)还包括第二个磁力振子(12)、温度计(10)、第二个调节阀(14)、第二个压力表(15)以及第二个流量计(16);第二个磁力振子(12)、温度计(10)设在料液循环槽(11)内,磁力振子(12)用于提高料液内成分的均匀度并减小循环料液的内部温差;磁力泵(13)和料液进口管(24)之间依次设有第二个调节阀(14)、第二个压力表(15)以及第二个流量计(16);料液首先通过第二个调节阀(14),然后到第二个压力表(15),压力数据被采样并显示或读出,通过第二个流量计(16)后流入到生物光电还原降解反应器(9)的料液进口管(24)。
8.根据权利要求1所述的一种非特异性高效降解复杂有机污染物的生物光电还原反应器系统,其特征在于:恒温可调式循环水温控子系统(30)还包括第一个磁力振子(4)、第一个调节阀(6)、第一个压力表(7),第一个磁力振子(4)设在热水循环槽(2)内,磁力泵(5)和流量计(8)之间依次设有第一个调节阀(6)、第一个压力表(7),在子系统内部循环的液体,流速通过第一个调节阀(6)来进行调节,系统的压力通过第一个压力表(7)读出,并根据反应最佳参数要求进行调节,第一个磁力振子(4)能够降低恒温液体的内部温差,并降低实际温度与所设定温度之间的误差。
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