CN109928584A - 一种同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水处理技术领域，涉及一种同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，根据不同阴阳极材质条件下，电化学反应及产物完全不同的原理，将反应器分成三个功能区，先在第一功能区中实现阴极产氢和阳极炭解的电化学反应，为第二功能区中颗粒电极层的氢自养反硝化菌还原硝酸氮提供条件，在前两个功能区中产生的电化学反应和生化反应产物进入第三功能区后利用阳极氧化作用，将水中的微量有机成份和残留的氨氮等污染物进行氧化分解，达到综合处理的目的，在三个功能区中的化学反应各不相同，并且电极材质也可以根据需要进行更换设置，从而实现针对原水中不同类型的微量有机物类型，能达到高效去除的目的。
Description
技术领域：
本发明属于水处理技术领域，涉及一种包括电化学氧化、微生物自养反硝化、水解产氢以及活性炭吸附多功能组合的水处理工艺，特别是一种同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，采用组合式三维生物膜电化学反应器同时有效去除微污染水源中的硝酸氮和微量有机物。
背景技术：
由于工业废水和城镇污水的大量排放，导致水源已受到较为严重的污染，硝酸氮含量超标的水源中往往伴随着微量有机物浓度超标，使得此种水源水质的净化难度更加增大，对人体健康和工农业生产也造成较为持久的负面影响。
目前，微污染水源的主要处理技术有：物化法、生物法、生物电化学法等。物化法包括吸附法、混凝沉淀法以及膜分离法等，其中吸附只能转移微污染物，并没有将其分解和消除；混凝沉淀法是通过投加混凝剂使水中胶体和细小悬浮物聚集成絮凝体，再通过沉淀进行固液分离，常常会引入二次污染；膜分离法是存在着造价高、能耗高、选择性差的缺点。生物处理技术是利用微生物的代谢作用，将水中有机污染物及硝酸氮等转化成无机的CO2、H2O和N2，达到净化的目的，但由于微污染水源中的有机物和硝酸氮浓度较低，因此单一的生物处理技术效率低，效果差，水中存在的难降解有机物对微生物的活性产生抑制作用，使生物处理过程难以有效运行。生物膜电化学法是近年来在电化学技术基础上，将生物膜引入电极表面，形成生物膜电极，利用电化学的电子转移与生物氧化相结合，实现了具有选择性高，处理效果好的新型地下水处理技术。
早期的生物膜电化学反应器主要用于去除水中的硝酸氮，原理是利用阴极产氢，并在阴极区接种形成氢自养反硝化菌，通过反硝化作用将硝酸氮还原为氮气，这种反应器通常在阴阳电极之间装填颗粒状活性炭，形成三维生物膜电化学反应器(3D-BER)。但现有的研究和应用主要集中于对水中硝酸氮的去除，通常只考虑阴极的还原作用，而对阳极的氧化作用考虑较少，这就使得以往的3D-BER反应器的电效率较低，并且不能有效的将阳极对有机物的氧化去除作用与生物膜阴极对硝酸氮的反硝化作用有机结合，尤其是面对复合型污染水源时，反应器无法对水中硝酸氮及微量有机物实现同步去除，而且现有的研究成果也很少对生物电化学反应器的结构进行深入研究。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，同时发挥生物膜电化学反应器中的阳极氧化作用和阴极还原作用，从而实现对地下水中硝酸氮和微量有机物的同步一体化处理。
为了实现上述目的，本发明在生物膜电化学反应器中实现，具体过程为：
(1)反应器启动：反应器在运行前，需要先进行启动，向反应器中接种氢自养反硝化菌，接种过程为：先将培养好的自养反硝化菌液置于菌液箱中密闭存放，依次通过接种泵和进水阀连接到反应器的底部，关闭出水阀，打开回流阀，再开启接种泵进行循环接种，同时打开电源，调整反应器的电压为24V，循环接种48小时后将菌液箱和接种泵移除，并将进水管接到进水阀上；
(2)反应器运行：反应器接种完毕后，进入运行状态，打开进水阀和出水阀，调节回流阀，使微污染原水进入反应器的下部，水流在反应器内由下向上流动，先在第一功能区进行电化学预处理，去除部分氨氮和有机物，再进入第二功能区，通过自养反硝化菌去除水中的硝酸氮，最后进入第三功能区，氧化去除水中的微量有机物，一部分出水经反应器顶部的出水阀排出，另一部分出水通过回流阀再次回到反应器下部与微污染原水混合后，经过布水器均匀分布到反应器底部，回流能够对进水水质进行缓冲，反应器产生的气体通过自动放气阀排出，整个运行过程中的电压由电源供给，并通过电压调节器进行调节；运行过程中控制反应器的水力停留时间为8～10h，电流强度为20～40mA，微污染原水的pH为6～8，硝酸氮浓度为20～40mg/L；
(3)反应器维护：反应器运行一年后，需要更换活性炭填料和电极，反应器的活性炭填料通过填料投加口进行补充和更换，反应器的电极更换则通过电极安装法兰进行更换。
本发明所述自养反硝化菌液的培养过为：将150L污水处理厂反硝化段的活性污泥泥用160r/min的搅拌机搅拌15min然后静置10min，使其沉淀，取其上清液100L，再重复以上搅拌、沉淀操作3次，得到50L的菌液，然后用0.8％的NaCl水稀释1倍，制成接种所需的自养反硝化菌液。
本发明所述生物膜电化学反应器的主体结构包括反应器、第一阳极、活性炭填料、第一阴极、不锈钢电极棒、填料投加孔、第二阴极、第二阳极、自动放气阀、电源、电压调节器、布水器、回流阀、进水管、出水管、回流管和出水阀；反应器的外壳采用玻璃钢材质制成，反应器内分为第一功能区、第二功能区和第三功能区三个反应功能区，其中第一功能区和第三功能区为两个独立的生物膜电化学反应区，第一功能区的下部和上部分别设置均为平板式结构的第一阳极和第一阴极，第三功能区的下部和上部分别设置均为平板式结构的第二阴极和第二阳极；第一阴极、第二阴极并联后通过导线与电源的负极相连，第一阳极、第二阳极并联后通过导线与电源的正极相连，第一阳极与电源之间、第二阳极与电源之间均设置有电压调节器，分别用于调节第一功能区和第三功能区的电压；第二功能区为三维生物膜阴极，第一阴极的表面垂直均匀安装直径为5mm的不锈钢电极棒以增大与活性炭填料的接触面积，增加阴极空间效率，通过向第二功能区接种自养反硝化菌，利用三维生物膜阴极产氢和第一功能区阳极产生的无机碳源提供给自养反硝化菌脱氮；三个功能区内均填充活性炭填料，活性炭填料通过设置在各个功能区右侧的填料投加孔进行填充，活性碳填料与下部电极相接触，与上部电极距离为2-5cm；反应器顶部的出水管上垂直安装自动排气阀，用以排除反应器内产生的剩余气体，出水管端部设有出水阀；出水管与回流管连通，回流管将部分出水回流至反应器底部，回流管与反应器底部的进水管相通，回流管上靠近进水管处安装有控制回流阀，反应器的底部设置有与进水管连接的布水器。
本发明所述第一阳极采用石墨材质，通过电极反应产生溶解性CO2，为投加到第二功能区的自养型反硝化菌提供无机碳源；同时在第一阳极产生的少量O2，通过第一功能区内活性炭填料上的微生物吸收作用加以利用去除。
本发明所述第二阳极由具有催化氧化功能的钛板或镀氧化钌钛网制成，用于催化阳极，通过电极反应产生氧化自由基对水中的微量有机物进行降解。
本发明所述活性炭填料为粒径2-4mm的果壳活性炭，一方面通过吸附过滤作用去除水中的杂质，另一方面通过电场的极化作用形成颗粒电极，辅助电化学去除硝酸根及有机物。
本发明所述第一功能区为预氧化及产碳区，上部的第一阴极采用不锈钢网，第一阳极上部填充活性炭填料组成三维阳极结构，在第一功能区内发生的阳极反应为：C+2H2O＝CO2+4H++4e，H2O＝1/2O2+2H++2e；
阴极反应为：2H2O+2e＝H2+2OH-；好氧降解反应为C6H5OH+7O2＝6CO2+3H2O。
本发明所述第二功能区为氢自养反硝化区，第二功能区由上部的第二阴极和活性炭填料组成，第二阴极采用不锈钢网，第二阴极表面设置伸向活性炭填料层的不锈钢电极棒，以增大不锈钢和活性炭的接触面积，提高阴极与活性炭表面自养反硝化菌的接触和电子传递面积，第二功能区内发生的反应为：2NO3 -+5H2＝N2+4H2O+2OH-；2H2O+2e＝H2+2OH-。
本发明所述第三功能区为微量有机物去除区及产氧区，第二阴极在下，第二阳极在上，在电场作用下，第二阳极表面放电生成具有强氧化作用的.OH，能快速氧化去除水中一部分微量有机污染物，另一部分微量有机污染物通过负载在活性炭填料上的生物膜吸附和降解作用加以去除；在第三功能区内发生的阳极反应为：C6H5O+RuO2(.OH)＝6CO2+RuO2+H++e-；阴极反应为：2H2O+2e＝H2+2OH-；脱氮反应为2NO3 -+5H2＝N2+4H2O+2OH-。
本发明通过接种和驯化过程，在第二功能区的第二阴极活性炭填料层表面形成一层由自养反硝化菌组成的生物膜，利用电化学反应产氢以及第一功能区阳极反应产生的无机碳源进行自养反硝化反应，去除水中的硝酸氮；整个反应器通过调节电流强度控制反应器的产氢量，从而控制反硝化反应的进行。
本发明所述电源为将220V电压转化成的24V直流电源，并施加与反应器的第一功能区和第三功能区的两组正负电极上，形成电化学反应器。
本发明所述微污染原水在进入反应器底部前，先与部分反应器出水进行混合，混合比通过回流阀进行控制，回流水中会含有部分氧及碳酸盐，有利于第一功能区的阳极氧化作用，并能缓冲电极反应pH，提高电流效率；微污染原水进入反应器的底部采用逆向流的方式，从下向上流动，通过布水器将微污染原水均匀分布到第一功能区底部，并匀速向上通过第一功能区的阳极。
本发明根据水源中硝酸氮和微量有机物的去除过程和机理各不相同，其中硝酸氮的去除需要利用生物膜阴极的电化学产氢协同自养反硝化菌的生物作用来完成，而微量有机物的去除则主要是通过阳极氧化作用来实现，根据不同阴阳极材质条件下，电化学反应及产物完全不同的原理，将反应器分成三个功能区，先在第一功能区中实现阴极产氢和阳极炭解的电化学反应，为第二功能区中颗粒电极层的氢自养反硝化菌还原硝酸氮提供条件，在前两个功能区中产生的电化学反应和生化反应产物进入第三功能区后利用阳极氧化作用，将水中的微量有机成份和残留的氨氮等污染物进行氧化分解，达到综合处理的目的，在三个功能区中的化学反应各不相同，并且电极材质也可以根据需要进行更换设置，从而实现针对原水中不同类型的微量有机物类型，能达到高效去除的目的。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是生物膜电化学反应器的新型结构使阳极氧化作用和阴极还原作用同时发挥，实现在同一反应器内对微污染地下水的硝酸氮和微量有机物的同时去除，二是使用活性炭作为颗粒电极，提高了微污染地下水的处理效果；三是首次采用不同阳极的组合结构，使一个反应器具有不同的功能区，解决了对水源中不同污染物同时去除的难题；四是在第二功能区的阴极采用了新型的立体多针型结构，提高了生物膜阴极的电化学效果。
附图说明：
图1为本发明所述生物膜电化学反应器的主体结构原理示意图。
图2为本发明所述氢自养反硝化菌接种原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例：
本实施例在生物膜电化学反应器实现同时去除水中硝酸氮和微量有机物，其具体过程为：
(1)反应器启动：反应器在运行前，需要先进行启动，向反应器中接种氢自养反硝化菌，接种过程为：先将培养好的自养反硝化菌液置于菌液箱18中密闭存放，依次通过接种泵19和进水阀20连接到反应器的底部，关闭出水阀17，打开回流阀13，再开启接种泵进行循环接种，同时打开电源10，调整反应器的电压为24V，循环接种48小时后将菌液箱18和接种泵19移除，并将进水管14接到进水阀20上；
(2)反应器运行：反应器接种完毕后，进入运行状态，打开进水阀20和出水阀17，调节回流阀13，使微污染原水进入反应器的下部，水流在反应器内由下向上流动，先在第一功能区Ⅰ进行电化学预处理，去除部分氨氮和有机物，再进入第二功能区Ⅱ，通过自养反硝化菌去除水中的硝酸氮，最后进入第三功能区Ⅲ，氧化去除水中的微量有机物，一部分出水经反应器顶部的出水阀17排出，另一部分出水通过回流阀13再次回到反应器下部与微污染原水混合后，经过布水器12均匀分布到反应器底部，回流能够对进水水质进行缓冲，反应器产生的气体通过自动放气阀9排出，整个运行过程中的电压由电源10供给，并通过电压调节器11进行调节；运行过程中控制反应器的水力停留时间为8～10h，电流强度为20～40mA，微污染原水的pH为6～8，硝酸氮浓度为20～40mg/L；
(3)反应器维护：反应器运行1年左右后，需要更换活性炭填料和电极，反应器的活性炭填料通过填料投加口6进行补充和更换，反应器的电极更换则通过电极安装法兰进行更换。
本实施例所述自养反硝化菌液的培养过为：将150L污水处理厂反硝化段的活性污泥泥用160r/min的搅拌机搅拌15min然后静置10min，使其沉淀，取其上清液100L左右，再重复以上搅拌、沉淀操作3次，得到约50L的菌液，然后用0.8％的NaCl水稀释1倍，制成反应器接种所需的自养反硝化菌液。
本实施例所述生物膜电化学反应器的主体结构包括反应器1、第一阳极2、活性炭填料3、第一阴极4、不锈钢电极棒5、填料投加孔6、第二阴极7、第二阳极8、自动放气阀9、电源10、电压调节器11、布水器12、回流阀13、进水管14、出水管15、回流管16和出水阀17；反应器1的外壳采用玻璃钢材质制成，反应器1内分为第一功能区Ⅰ、第二功能区Ⅱ和第三功能区Ⅲ三个反应功能区，其中第一功能区Ⅰ和第三功能区Ⅲ为两个独立的生物膜电化学反应区，第一功能区Ⅰ的下部和上部分别设置均为平板式结构的第一阳极2和第一阴极4，第三功能区Ⅲ的下部和上部分别设置均为平板式结构的第二阴极7和第二阳极8；第一阴极4、第二阴极7并联后通过导线与电源10的负极相连，第一阳极2、第二阳极8并联后通过导线与电源10的正极相连，第一阳极2与电源10之间、第二阳极8与电源10之间均设置有电压调节器11，分别用于调节第一功能区Ⅰ和第三功能区Ⅲ的电压；第二功能区Ⅱ为三维生物膜阴极，第一阴极4的表面垂直均匀安装直径为5mm的不锈钢电极棒5以增大与活性炭填料3的接触面积，增加阴极空间效率，通过向第二功能区Ⅱ接种自养反硝化菌，利用三维生物膜阴极产氢和第一功能区Ⅰ阳极产生的无机碳源提供给自养反硝化菌脱氮；三个功能区内均填充活性炭填料3，活性炭填料3通过设置在各个功能区右侧的填料投加孔6进行填充，活性碳填料3与下部电极相接触，与上部电极距离为2-5cm；反应器1顶部的出水管15上垂直安装自动排气阀9，用以排除反应器内1产生的剩余气体，出水管15端部设有出水阀17；出水管15与回流管16连通，回流管16将部分出水回流至反应器1底部，回流管16与反应器1底部的进水管14相通，回流管16上靠近进水管14处安装有控制回流阀13，反应器1的底部设置有与进水管14连接的布水器12。
本实施例所述第一阳极2采用石墨材质，通过电极反应产生溶解性CO2，为投加到第二功能区Ⅱ的自养型反硝化菌提供无机碳源；同时在第一阳极产生的少量O2，通过第一功能区Ⅰ内活性炭填料3上的微生物吸收作用加以利用去除。
本实施例所述第二阳极8由具有催化氧化功能的钛板或镀氧化钌钛网制成，用于催化阳极，通过电极反应产生氧化自由基对水中的微量有机物进行降解。
本实施例所述活性炭填料3为粒径2-4mm的果壳活性炭，一方面通过吸附过滤作用去除水中的杂质，另一方面通过电场的极化作用形成颗粒电极，辅助电化学去除硝酸根及有机物。
本实施例所述第一功能区Ⅰ为预氧化及产碳区，上部的第一阴极4采用不锈钢网，第一阳极2上部填充活性炭填料3组成三维阳极结构，在第一功能区Ⅰ内发生的阳极反应为：C+2H2O＝CO2+4H++4e，H2O＝1/2O2+2H++2e；
阴极反应为：2H2O+2e＝H2+2OH-；好氧降解反应为C6H5OH+7O2＝6CO2+3H2O。
本实施例所述第二功能区Ⅱ为氢自养反硝化区，第二功能区Ⅱ由上部的第二阴极7和活性炭填料3组成，第二阴极7采用不锈钢网，第二阴极7表面设置伸向活性炭填料层的不锈钢电极棒5，以增大不锈钢和活性炭的接触面积，提高阴极与活性炭表面自养反硝化菌的接触和电子传递面积，第二功能区Ⅱ内发生的反应为：2NO3 -+5H2＝N2+4H2O+2OH-；2H2O+2e＝H2+2OH-。
本实施例所述第三功能区Ⅲ为微量有机物去除区及产氧区，第二阴极7在下，第二阳极8在上，在电场作用下，第二阳极8表面放电生成具有强氧化作用的.OH，能快速氧化去除水中一部分微量有机污染物，另一部分微量有机污染物通过负载在活性炭填料3上的生物膜吸附和降解作用加以去除；在第三功能区Ⅲ内发生的阳极反应为：C6H5O+RuO2(.OH)＝6CO2+RuO2+H++e-；阴极反应为：2H2O+2e＝H2+2OH-；脱氮反应为2NO3 -+5H2＝N2+4H2O+2OH-。
本实施例通过接种和驯化过程，在第二功能区Ⅱ的第二阴极7活性炭填料层表面形成一层由自养反硝化菌组成的生物膜，利用电化学反应产氢以及第一功能区Ⅰ阳极反应产生的无机碳源进行自养反硝化反应，去除水中的硝酸氮；整个反应器通过调节电流强度控制反应器的产氢量，从而控制反硝化反应的进行。
本实施例所述电源10为将220V电压转化成的24V直流电源，并施加与反应器的第一功能区Ⅰ和第三功能区Ⅲ的两组正负电极上，形成电化学反应器。
本实施例所述微污染原水在进入反应器底部前，先与部分反应器出水进行混合，混合比通过回流阀13进行控制，回流水中会含有部分氧及碳酸盐，有利于第一功能区Ⅰ的阳极氧化作用，并能缓冲电极反应pH，提高电流效率；微污染原水进入反应器的底部采用逆向流的方式，从下向上流动，通过布水器12将微污染原水均匀分布到第一功能区Ⅰ底部，并匀速向上通过第一功能区Ⅰ的阳极。
本实施例采用所述生物电化学反应器对模拟的山东某微污染地下水进行处理，水中主要微污染物质为硝酸根和苯酚(C6H6O)，处理前的地下水水质如表1所示，
在水力停留时间10h，电流强度40mA，进水pH为6.5-7.1，进水硝酸氮浓度为30mg/L，进水苯酚浓度为0.05mg/L的条件下运行反应器，反应器出水中硝酸氮的浓度低于10mg/L，出水苯酚浓度低于0.002mg/L，说明该生物电化学反应器可以同时有效去除此微污染地下水中硝酸氮和微量苯酚有机物。
Claims (9)
1.一种同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，其特征在于在生物膜电化学反应器中实现，具体过程为：
(1)反应器启动：反应器在运行前，需要先进行启动，向反应器中接种氢自养反硝化菌，接种过程为：先将培养好的自养反硝化菌液置于菌液箱中密闭存放，依次通过接种泵和进水阀连接到反应器的底部，关闭出水阀，打开回流阀，再开启接种泵进行循环接种，同时打开电源，调整反应器的电压为24V，循环接种48小时后将菌液箱和接种泵移除，并将进水管接到进水阀上；
(2)反应器运行：反应器接种完毕后，进入运行状态，打开进水阀和出水阀，调节回流阀，使微污染原水进入反应器的下部，水流在反应器内由下向上流动，先在第一功能区进行电化学预处理，去除部分氨氮和有机物，再进入第二功能区，通过自养反硝化菌去除水中的硝酸氮，最后进入第三功能区，氧化去除水中的微量有机物，一部分出水经反应器顶部的出水阀排出，另一部分出水通过回流阀再次回到反应器下部与微污染原水混合后，经过布水器均匀分布到反应器底部，回流能够对进水水质进行缓冲，反应器产生的气体通过自动放气阀排出，整个运行过程中的电压由电源供给，并通过电压调节器进行调节；运行过程中控制反应器的水力停留时间为8～10h，电流强度为20～40mA，微污染原水的pH为6～8，硝酸氮浓度为20～40mg/L；
(3)反应器维护：反应器运行一年后，需要更换活性炭填料和电极，反应器的活性炭填料通过填料投加口进行补充和更换，反应器的电极更换则通过电极安装法兰进行更换。
2.根据权利要求1所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，其特征在于所述自养反硝化菌液的培养过为：将150L污水处理厂反硝化段的活性污泥泥用160r/min的搅拌机搅拌15min然后静置10min，使其沉淀，取其上清液100L，再重复以上搅拌、沉淀操作3次，得到50L的菌液，然后用0.8％的NaCl水稀释1倍，制成接种所需的自养反硝化菌液。
3.根据权利要求1所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，其特征在于所述生物膜电化学反应器的主体结构包括反应器、第一阳极、活性炭填料、第一阴极、不锈钢电极棒、填料投加孔、第二阴极、第二阳极、自动放气阀、电源、电压调节器、布水器、回流阀、进水管、出水管、回流管和出水阀；反应器的外壳采用玻璃钢材质制成，反应器内分为第一功能区、第二功能区和第三功能区三个反应功能区，其中第一功能区和第三功能区为两个独立的生物膜电化学反应区，第一功能区的下部和上部分别设置均为平板式结构的第一阳极和第一阴极，第三功能区的下部和上部分别设置均为平板式结构的第二阴极和第二阳极；第一阴极、第二阴极并联后通过导线与电源的负极相连，第一阳极、第二阳极并联后通过导线与电源的正极相连，第一阳极与电源之间、第二阳极与电源之间均设置有电压调节器，分别用于调节第一功能区和第三功能区的电压；第二功能区为三维生物膜阴极，第一阴极的表面垂直均匀安装直径为5mm的不锈钢电极棒以增大与活性炭填料的接触面积，增加阴极空间效率，通过向第二功能区接种自养反硝化菌，利用三维生物膜阴极产氢和第一功能区阳极产生的无机碳源提供给自养反硝化菌脱氮；三个功能区内均填充活性炭填料，活性炭填料通过设置在各个功能区右侧的填料投加孔进行填充，活性碳填料与下部电极相接触，与上部电极距离为2-5cm；反应器顶部的出水管上垂直安装自动排气阀，用以排除反应器内产生的剩余气体，出水管端部设有出水阀；出水管与回流管连通，回流管将部分出水回流至反应器底部，回流管与反应器底部的进水管相通，回流管上靠近进水管处安装有控制回流阀，反应器的底部设置有与进水管连接的布水器。
4.根据权利要求3所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，其特征在于所述第一阳极采用石墨材质，通过电极反应产生溶解性CO2，为投加到第二功能区的自养型反硝化菌提供无机碳源；同时在第一阳极产生的少量O2，通过第一功能区内活性炭填料上的微生物吸收作用加以利用去除。
5.根据权利要求3所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，其特征在于所述第二阳极由具有催化氧化功能的钛板或镀氧化钌钛网制成，用于催化阳极，通过电极反应产生氧化自由基对水中的微量有机物进行降解。
6.根据权利要求3所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，其特征在于所述活性炭填料为粒径2-4mm的果壳活性炭，一方面通过吸附过滤作用去除水中的杂质，另一方面通过电场的极化作用形成颗粒电极，辅助电化学去除硝酸根及有机物。
7.根据权利要求3所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，其特征在于所述第一功能区为预氧化及产碳区，上部的第一阴极采用不锈钢网，第一阳极上部填充活性炭填料组成三维阳极结构，在第一功能区内发生的阳极反应为：C+2H2O＝CO2+4H++4e，H2O＝1/2O2+2H++2e；
阴极反应为：2H2O+2e＝H2+2OH-；好氧降解反应为C6H5OH+7O2＝6CO2+3H2O。
8.根据权利要求3所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，其特征在于所述第二功能区为氢自养反硝化区，第二功能区由上部的第二阴极和活性炭填料组成，第二阴极采用不锈钢网，第二阴极表面设置伸向活性炭填料层的不锈钢电极棒，以增大不锈钢和活性炭的接触面积，提高阴极与活性炭表面自养反硝化菌的接触和电子传递面积，第二功能区内发生的反应为：2NO3 -+5H2＝N2+4H2O+2OH-；2H2O+2e＝H2+2OH-。
9.根据权利要求3所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的方法，其特征在于所述第三功能区为微量有机物去除区及产氧区，第二阴极在下，第二阳极在上，在电场作用下，第二阳极表面放电生成具有强氧化作用的.OH，能快速氧化去除水中一部分微量有机污染物，另一部分微量有机污染物通过负载在活性炭填料上的生物膜吸附和降解作用加以去除；在第三功能区内发生的阳极反应为：C6H5O+RuO2(.OH)＝6CO2+RuO2+H++e-；阴极反应为：2H2O+2e＝H2+2OH-；脱氮反应为2NO3 -+5H2＝N2+4H2O+2OH-。
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