CN110407324A - 一种生物膜电极耦合人工湿地反应器及其污水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物膜电极耦合人工湿地反应器及其污水处理方法，采用生物膜电极耦合人工湿地反应器以人工湿地上层加以石墨为阳极，下层厌氧环境加入钢丝网和活性炭作为复合阴极对污水进行处理，通过引入一定的微电流能加强反应器的脱氮和微囊藻毒素去除效率。本发明装置简单、运行管理方便、处理效果良好且占地面积小，可以显著提高对含氮和微囊藻毒素污水的处理效果。

Description

一种生物膜电极耦合人工湿地反应器及其污水处理方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体是涉及一种生物膜电极耦合人工湿地反应器及其污水处理方法。
背景技术
近年来随着化肥、洗涤剂、农药等各种化学物质的广泛使用和大量生活污水排放，一些没有被消减的氮以硝酸盐的形式进入水环境中，地下水中硝酸盐浓度的逐步上升，我国部分地区的已达到40mg/L。而我国《生活饮用水水质标准》中硝酸盐的限值小于20mg/L。由此看来传统的生物处理工艺，已经不能满足对氮的去除。同时近年来，作为废水深度处理的三级处理工程，人工湿地可以进一步减少区域水污染物排放，在我国也得到了积极的发展。
水环境(尤其饮用水水源)中微囊藻毒素和硝酸盐污染是目前国际上普遍关注的环境问题。MCs能引发肝癌或急性肝功能障碍；而硝酸盐含量与MCs含量呈正相关关系，也对人类健康存在较大危险。常规自来水处理工艺和加热煮沸不能有效去除MCs和硝酸盐。人工湿地(CW)被认为是有前景的多目标污染物去除技术，但需要对CW进行工艺改进以提高对这两种污染物的处理效果。
生物膜电极(BE)耦合CW的研究思路。生物膜电极耦合人工湿地反应器(BE-CWR)所需要的氧化还原电位梯度根据水流方向和湿地深度的不同可以在CW系统中自发形成。在BE-CWR中，阳极氧化作用直接提高难降解/毒性有机废水处理效率，还可提高废水可生化性，有利于湿地微生物过程的进一步降解；阴极还原过程产生的某些副产物如氢气等也可被微生物用于反硝化，形成内部供氢的方法(氢利用率高、安全)。从而，BE耦合CW可能是一种有效的同时处理MCs和硝酸盐的技术。人工湿地与微生物燃料电池结合的报道近些年逐渐增多，但与生物膜电极结合的研究几乎未见报道。
为此，现需要一种生物膜电极耦合人工湿地反应器及其污水处理方法，来开展生物膜电极耦合人工湿地反应器(BE-CWR)强化MC-LR氧化和硝酸盐还原的研究，为消除水体(尤其是饮用水水源)中MCs和硝酸盐提供新技术。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种生物膜电极耦合人工湿地反应器及其污水处理方法。
本发明的技术方案是:一种生物膜电极耦合人工湿地反应器，主要包括反应器主体、布水管、阳极生物膜、阴极生物膜、电源；
所述反应器主体左侧面下端设有进水口，反应器主体右侧面上端设有出水口，所述出水口下方的反应器主体右侧面上等间距设有多个取水口；
所述布水管设在反应器主体内底面，所述阴极生物膜、阳极生物膜分别设在反应器主体内下部、内上部，所述反应器主体被阴极生物膜、阳极生物膜从上到下依次分隔出底层填料区、中层填料区、上层填料区；
所述电源的正极通过导线与所述阳极生物膜电性连接，电源的负极通过导线与所述阴极生物膜电性连接。
进一步地，所述阳极生物膜为石墨；所述阴极生物膜为不锈钢网包裹活性炭；所述底层填料区为孔隙率为0.526的大粒径火山石；所述中层填料区为孔隙率为0.49的活性炭；所述上层填料区为孔隙率为0.37的小粒径火山石，其中大粒径火山石粒径为5-8mm，小粒径火山石粒径为3-6mm。
更进一步地，所述中层填料区中部设有玻璃棉；所述上层填料区上种植有植物。
进一步地，所述布水管包括布水总管、布水支管；所述布水总管呈环形或方形围绕反应器主体内壁设置，布水总管内环面等间距设有多个连接孔，所述布水支管等间距周向设置在布水总管内环面，且与布水总管可拆卸连接。通过布水总管与布水支管的可拆卸连接，可以方便进行日常维护等，提高装置的工作效率。
更进一步地，所述布水支管包括管体、布水头组件、动力组件，所述布水头组件设有多个，布水头组件等间距嵌于管体的上管壁，且与管体可拆卸连接；所述动力组件与管体尾部可拆卸连接；布水头组件、动力组件与管体的可拆卸连接设计可以减少布水支管的维修成本，便于快速维修，使装置再次投入使用；
所述布水头组件包括布水片、转动轴、从动锥齿轮、疏通转杆；所述布水片中心处设有轴孔，所述轴孔外侧的布水片上周向设有多个布水孔，所述布水孔上方设有疏通支架，所述疏通支架上设有疏通杆，所述疏通杆上端设有端片，所述端片与疏通支架之间的疏通杆上设有第一弹簧，所述转动轴穿过轴孔且通过轴套与其转动连接，所述疏通转杆与转动轴上端固定连接，所述从动锥齿轮与转动轴下端固定连接；布水头组件通过多个布水孔和疏通支架的配合设计，通过转动轴转动进行疏通处理，无需电力设备，适用环境广，疏通效率高；
所述动力组件包括动力杆、转动叶、载板；所述动力组件左侧与管体通过螺纹连接并密封，动力组件右侧与外界连通，所述载板位于动力组件内中部，载板中心处设有杆孔，载板上部设有斜孔，所述载板内部与斜孔位置对应处设有板槽，所述板槽内置有活动控板，所述动力组件与活动控板位置对应处的左侧动力组件上壁设有液位触发柱，所述液位触发柱与动力组件内部连通，且其内设有浮块，所述浮块上端通过第二弹簧与液位触发柱内上顶面连接，浮块下端通过传动绳与活动控板上端连接，所述动力杆穿过杆孔且通过轴套与其转动连接，所述转动叶与动力杆右端固定连接，动力杆左部与每个从动锥齿轮位置对应处各设有一个主动锥齿轮与其啮合传动。采用此设计的布水支管可以有效防止布水孔堵塞的情况，布水均匀且可以自动解堵，无需电力设备，适用性更强，可显著提高了本发明反应器的工作效率，防止了在长时间使用中，出现布水管拥堵等情况影响反应器的整体运行处理效果，使反应器进行污水处理时，时刻处于高效净化的状态。
更进一步地，所述布水头组件上端、动力组件后端均设有网罩，所述动力杆左部设有若干稳固支架，所述稳固支架与管体内壁连接，且中心处与动力杆通过轴套活动连接；所述疏通杆上顶端设有滚珠，所述疏通转杆截面呈倒梯形。设置稳固支架可以提高动力杆转动稳定性，提高布水支管疏通时的稳定性，在疏通杆顶端设置有滚珠可以提高疏通转杆对疏通杆的作用效果，减少横向阻力，提高疏通的效率。
更进一步地，所述动力杆左部还等间距设有多个清洁固定架，所述清洁固定架穿套在动力杆上且与其固定连接，所述清洁固定架两侧各设有一个清洁刷头，所述清洁刷头通过连接杆与清洁固定架的配合孔活动连接，所述连接杆底端通过第三弹簧与配合孔内底面连接。通过在动力杆上设置有多组清洁固定架可以对管体进行清洁处理，同时通过配合孔、连接杆、第三弹簧的共同作用，可以使清洁刷头时刻贴合管体内壁，由于本发明管体并非规则形状，因此此设计可有效提高对管体的清洁效果。
一种生物膜电极耦合人工湿地反应器的污水处理方法，主要包括以下步骤:
S1：采集污泥在25℃、pH7.0±2间歇曝气的条件下培养微生物，并人工配制营养物质，进行生物膜的培养；通过进水泵将污水泵入布水管，在反应器中连续运行20天进行挂膜；
S2：反应器启动成功后，控制有机污染物负荷(COD)为100-200mg/L，氨氮污染物(NH4 +-N)负荷为6-10mg/L，微囊藻毒素MC-LR负荷(COD)为8-10mg/L，温度为20-30℃，并打开电源(5)控制电流为0-2.5mA；通过反应器对污水进行净化处理。
更进一步地，所述方法中，HRT为4.6h，进水pH为7.00±2，溶解氧为4.1mg/L。
更进一步地，所述方法中，有机污染物(COD)负荷为150mg/L，氨氮污染物(NH4 +-N)负荷为9.5mg/L，微囊藻毒素MC-LR负荷(COD)为8-10mg/L，温度为30℃，电流为0.1mA。
本发明反应器的工作方法为：将污水通过进水泵泵入布水管，布水管通过布水总管将污水分布至每个布水支管，通过布水支管将污水均匀分布至上方反应器中；
布水支管通过布水头组件将污水布水至上方的底层填料区，当出现布水头组件堵塞时，由于进水泵泵吸功率不变，相应的就造成了布水支管内水压增大，因此液位触发柱内的浮块上移，腔内空气通过液位触发柱上顶面设有的气孔进行交换，继而浮块通过传动绳拉动活动控板沿着板槽向上移动，斜孔打开；污水通过斜孔斜射入转动叶，拖动转动叶转动，继而动力杆转动，动力杆通过主动锥齿轮与从动锥齿轮的啮合传动，带动每个转动轴转动，转动轴带动疏通转杆转动，继而通过疏通转杆转动挤压疏通杆，疏通杆沿着疏通支架向下运动对布水孔进行疏通，当疏通杆未受到疏通转杆的挤压时，通过第一弹簧作用使疏通杆恢复，当进行疏通完成后，污水可继续通过布水头组件进行布水工作，此时液位触发柱的浮块受到的水压减小，通过第二弹簧作用使浮块恢复至常位，活动控板通过自身重力回复至原位堵住斜孔；
动力杆转动期间，清洁固定架随之转动，清洁固定架通过两侧设有的清洁刷头对管体进行清洁，由于第三弹簧的作用可以使清洁刷头实时贴合管体内壁，保证清洁的效果。
本发明方法的工作原理为：利用填料作为微生物载体，将反硝化细菌固定在阴极表面，在低压直流电作用下，通过对微生物的富集，发生硝化和反硝化作用其中阴极表面电解水产生氢气直接被反硝化菌利用进行还原反应，使污水中的污染物转化为硝酸盐，水、氮气等无害的物质，而阳极微生物同时将微藻毒素矿化为二氧化碳和水，从而达使污水中的污染物得到去除并循环利用的目的。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的生物膜电极耦合人工湿地反应器，装置简单、运行管理方便、处理效果良好且占地面积小，可以显著提高对含氮和微囊藻毒素污水的处理效果。
(2)本发明的布水器布水均匀，且可以自动解堵，无需大功率电力设备，适用性更强，可显著提高了本发明反应器的工作效率，防止了在长时间使用中，出现布水管拥堵等情况影响反应器的整体运行处理效果。
(3)本发明方法在处理硝酸盐氮污染的地下水和饮用水中，通过微电解产生的氢是最初以原子形式吸附在电极上，因此可以直接用于还原硝态氮，而无需像外加氢气那样需要经过溶解传质吸附、解离成原子等一系列过程。所以生物膜中的微生物能高效的利用氢进行反硝化作用。且阴极上产生的氢气又通过生物膜溢出，在生物膜附近形成了缺氧环境，有利于反硝化细菌的生长。同时克服了需要外加氢气所面临的缺点，是解决常规水处理工艺硝酸盐累积问题一个很好的选择，同时也能利用阳极微生物膜同时将微囊藻毒素矿化为二氧化碳和水，达到去除微囊藻毒素毒性的目的。
附图说明
图1是本发明反应器整体结构示意图。
图2是本发明布水管(环形)俯视示意图。
图3是本发明布水管(方形)俯视示意图。
图4是本发明布水支管俯视示意图。
图5是图4的A-A处剖面示意图。
图6是图5的B-B处剖面示意图。
图7是图5的C-C处剖面示意图。
图8是图5的D-D处剖面示意图。
图9是三组污染物负荷对氨氮去除率图。
图10是三组污染物负荷对TN去除率图。
图11是三组污染物负荷对硝态氮去除率图。
图12是三组污染物负荷对COD去除率图。
图13是不同污染物负荷去除率图。
图14是不同温度下三组反应器氨氮去除效果图。
图15是不同温度下三组反应器TN去除效果图。
图16是不同温度下三组反应器硝态氮去除效果图。
图17是不同温度下三组反应器COD去除效果图。
图18是不同温度去除率图。
图19是在0.5mA下运行1h，0mA下运行10min电压与时间关系图。
图20是不同电流通入反应器氨氮去除效果图。
图21是不同电流通入反应器TN去除效果图。
图22是不同电流通入反应器硝态氮去除效果图。
图23是不同电流通入反应器COD去除效果图。
图24是不同电流强度下四种污染物去除率。
图25是微囊藻毒素在有无复合工艺条件的去除动力学。
图26是不同电流强度下微囊藻毒素去除率。
其中，1-反应器主体、11-进水口、12-出水口、13-取水口、14-底层填料区、15-中层填料区、16-上层填料区、17-玻璃棉、2-布水管、3-阳极生物膜、4-阴极生物膜、5-电源、6-布水总管、61-连接孔、7-布水支管、71-管体、72-网罩、8-布水头组件、81-布水片、811-轴孔、812-布水孔、82-转动轴、83-从动锥齿轮、84-疏通转杆、85-疏通支架、851-疏通杆、852-端片、853-第一弹簧、854-滚珠、9-动力组件、91-动力杆、92-转动叶、93-载板、931-杆孔、932-斜孔、933-板槽、934-活动控板、94-液位触发柱、95-浮块、96-第二弹簧、97-主动锥齿轮、98-稳固支架、10-清洁固定架、101-清洁刷头、102-连接杆、103-配合孔、104-第三弹簧。
具体实施方式
如图1所示，一种生物膜电极耦合人工湿地反应器，主要包括反应器主体1、布水管2、阳极生物膜3、阴极生物膜4、电源5；反应器主体1左侧面下端设有进水口11，反应器主体1右侧面上端设有出水口12，出水口12下方的反应器主体1右侧面上等间距设有多个取水口13；布水管2设在反应器主体1内底面，阴极生物膜4、阳极生物膜3分别设在反应器主体1内下部、内上部，反应器主体1被阴极生物膜4、阳极生物膜3从上到下依次分隔出底层填料区14、中层填料区15、上层填料区16；电源5的正极通过导线与阳极生物膜3电性连接，电源5的负极通过导线与阴极生物膜4电性连接。阳极生物膜3为石墨；阴极生物膜4为不锈钢网包裹活性炭；底层填料区14为孔隙率为0.526的大粒径火山石；中层填料区15为孔隙率为0.49的活性炭；上层填料区16为孔隙率为0.37的小粒径火山石，其中大粒径火山石粒径为5-8mm，小粒径火山石粒径为3-6mm。中层填料区15中部设有玻璃棉17；上层填料区16上种植有植物。
如图2或3所示，布水管2包括布水总管6、布水支管7；布水总管6呈环形或方形围绕反应器主体1内壁设置，布水总管6内环面等间距设有多个连接孔61，布水支管7等间距周向设置在布水总管6内环面，且与布水总管6可拆卸连接。通过布水总管6与布水支管7的可拆卸连接，可以方便进行日常维护等，提高装置的工作效率。布水支管7包括管体71、布水头组件8、动力组件9，布水头组件8设有多个，布水头组件8等间距嵌于管体71的上管壁，且与管体71可拆卸连接；动力组件9与管体71尾部可拆卸连接；布水头组件8、动力组件9与管体71的可拆卸连接设计可以减少布水支管7的维修成本，便于快速维修，使装置再次投入使用；
如图4-8所示，布水头组件8包括布水片81、转动轴82、从动锥齿轮83、疏通转杆84；布水片81中心处设有轴孔811，轴孔外侧的布水片81上周向设有多个布水孔812，布水孔812上方设有疏通支架85，疏通支架85上设有疏通杆851，疏通杆852上端设有端片852，端片852与疏通支架85之间的疏通杆851上设有第一弹簧853，转动轴82穿过轴孔811且通过轴套与其转动连接，疏通转杆84与转动轴82上端固定连接，从动锥齿轮83与转动轴82下端固定连接；布水头组件8通过多个布水孔812和疏通支架85的配合设计，通过转动轴82转动进行疏通处理，无需电力设备，适用环境广，疏通效率高；布水头组件8上端、动力组件9后端均设有网罩72，动力杆91左部设有若干稳固支架98，稳固支架98与管体71内壁连接，且中心处与动力杆91通过轴套活动连接；疏通杆851上顶端设有滚珠854，疏通转杆84截面呈倒梯形。设置稳固支架98可以提高动力杆91转动稳定性，提高布水支管7疏通时的稳定性，在疏通杆851顶端设置有滚珠854可以提高疏通转杆84对疏通杆851的作用效果，减少横向阻力，提高疏通的效率。
如图5、8所示，动力组件9包括动力杆91、转动叶92、载板93；动力组件9左侧与管体71通过螺纹连接并密封，动力组件9右侧与外界连通，载板93位于动力组件9内中部，载板93中心处设有杆孔931，载板93上部设有斜孔932，载板93内部与斜孔932位置对应处设有板槽933，板槽933内置有活动控板934，动力组件9与活动控板934位置对应处的左侧动力组件9上壁设有液位触发柱94，液位触发柱94与动力组件9内部连通，且其内设有浮块95，浮块95上端通过第二弹簧96与液位触发柱94内上顶面连接，浮块95下端通过传动绳与活动控板934上端连接，动力杆91穿过杆孔931且通过轴套与其转动连接，转动叶92与动力杆91右端固定连接，动力杆91左部与每个从动锥齿轮83位置对应处各设有一个主动锥齿轮97与其啮合传动。采用此设计的布水支管7可以有效防止布水孔812堵塞的情况，布水均匀且可以自动解堵，无需电力设备，适用性更强，可显著提高了本发明反应器的工作效率，防止了在长时间使用中，出现布水管拥堵等情况影响反应器的整体运行处理效果，使反应器进行污水处理时，时刻处于高效净化的状态。
如图5、7所示，动力杆91左部还等间距设有多个清洁固定架10，清洁固定架10穿套在动力杆91上且与其固定连接，清洁固定架10两侧各设有一个清洁刷头101，清洁刷头101通过连接杆102与清洁固定架10的配合孔103活动连接，连接杆102底端通过第三弹簧104与配合孔103内底面连接。通过在动力杆91上设置有多组清洁固定架10可以对管体71进行清洁处理，同时通过配合孔103、连接杆102、第三弹簧104的共同作用，可以使清洁刷头101时刻贴合管体71内壁，由于本发明管体71并非规则形状，因此此设计可有效提高对管体71的清洁效果。
上述反应器的工作方法为：将污水通过进水泵泵入布水管2，布水管2通过布水总管6将污水分布至每个布水支管7，通过布水支管7将污水均匀分布至上方反应器中；
布水支管7通过布水头组件8将污水布水至上方的底层填料区14，当出现布水头组件8堵塞时，由于进水泵泵吸功率不变，相应的就造成了布水支管7内水压增大，因此液位触发柱94内的浮块95上移，腔内空气通过液位触发柱94上顶面设有的气孔进行交换，继而浮块95通过传动绳拉动活动控板934沿着板槽933向上移动，斜孔932打开；污水通过斜孔932斜射入转动叶92，拖动转动叶92转动，继而动力杆91转动，动力杆91通过主动锥齿轮97与从动锥齿轮83的啮合传动，带动每个转动轴82转动，转动轴82带动疏通转杆84转动，继而通过疏通转杆84转动挤压疏通杆851，疏通杆851沿着疏通支架85向下运动对布水孔812进行疏通，当疏通杆851未受到疏通转杆84的挤压时，通过第一弹簧853作用使疏通杆851恢复，当进行疏通完成后，污水可继续通过布水头组件8进行布水工作，此时液位触发柱94的浮块95受到的水压减小，通过第二弹簧96作用使浮块95恢复至常位，活动控板934通过自身重力回复至原位堵住斜孔932；
动力杆91转动期间，清洁固定架10随之转动，清洁固定架10通过两侧设有的清洁刷头101对管体71进行清洁，由于第三弹簧104的作用可以使清洁刷头101实时贴合管体71内壁，保证清洁的效果。
实施例1
一种生物膜电极耦合人工湿地反应器的污水处理方法，主要包括以下步骤:
S1：采集污泥在25℃、pH7.0间歇曝气的条件下培养微生物，并人工配制营养物质，进行生物膜的培养；通过进水泵将污水泵入布水管2，在反应器中连续运行20天进行挂膜；
S2：反应器启动成功后，HRT为4.6h，进水pH为7.00，溶解氧为4.1mg/L。有机污染物负荷(COD)为100mg/L，氨氮污染物(NH4 +-N)负荷为6mg/L，微囊藻毒素MC-LR负荷(COD)为8mg/L，温度为20℃，并打开电源5控制电流为0.5mA；通过反应器对污水进行净化处理。
实施例2
一种生物膜电极耦合人工湿地反应器的污水处理方法，主要包括以下步骤:
S1：采集污泥在25℃、pH7.0间歇曝气的条件下培养微生物，并人工配制营养物质，进行生物膜的培养；通过进水泵将污水泵入布水管2，在反应器中连续运行20天进行挂膜；
S2：反应器启动成功后，HRT为4.6h，进水pH为7.00，溶解氧为4.1mg/L。有机污染物(COD)负荷为150mg/L，氨氮污染物(NH4 +-N)负荷为9.5mg/L，微囊藻毒素MC-LR负荷(COD)为9mg/L，温度为30℃，并打开电源5控制电流为0.1mA；通过反应器对污水进行净化处理。
上述方法的工作原理为：利用填料作为微生物载体，将反硝化细菌固定在阴极表面，在低压直流电作用下，通过对微生物的富集，发生硝化和反硝化作用其中阴极表面电解水产生氢气直接被反硝化菌利用进行还原反应，使污水中的污染物转化为硝酸盐，水、氮气等无害的物质，而阳极微生物膜同时将微囊藻毒素矿化为二氧化碳和水，从而达使污水中的污染物得到去除并循环利用的目的。
实施例3
一种生物膜电极耦合人工湿地反应器的污水处理方法，主要包括以下步骤:
S1：采集污泥在25℃、pH7.0间歇曝气的条件下培养微生物，并人工配制营养物质，进行生物膜的培养；通过进水泵将污水泵入布水管2，在反应器中连续运行20天进行挂膜；
S2：反应器启动成功后，HRT为4.6h，进水pH为7.00，溶解氧为4.1mg/L。有机污染物负荷(COD)为200mg/L，氨氮污染物(NH4 +-N)负荷为10mg/L，微囊藻毒素MC-LR负荷(COD)为10mg/L，温度为25℃，并打开电源5控制电流为2.5mA；通过反应器对污水进行净化处理。
实验论证
1)实验原水：向经过除氯后的自来水中投加苯甲酸钠、氯化钠、氯化铵、氯化钙、氯化镁、硫酸钠以配制一定污染物负荷浓度的原水；
2)实验装置：方形反应器与圆形反应器的壁厚均为10mm，承托层高度分别为9cm、20cm粒径为5～8mm孔隙率为0.526的大粒径火山石，中部填充孔隙率为0.49的活性炭，上部填充孔隙率为0.37粒径为3～6mm的小粒径火山石高度分别为20cm、24cm。实验装置如图1所示。水箱中的原水在蠕动泵的作用下，从反应器底部进入，与滤料、生物膜的接触在最高溢流口流出，流回水箱，如此反复进行；
3)实验设备仪器、材料和试剂：仪器设备：消解仪、CHI660E电化学分析仪、分光光度计、离心机、高温灭菌锅等。试剂：硫酸-硫酸银、重铬酸钾、硫酸汞、纳氏试剂、酒石酸钾钠、氢氧化钠、盐酸、高锰酸钾、1+9硫酸、碘化钾、硫代硫酸钠、氯化钠、苯甲酸钠、氯化铵、微囊藻毒素等；
4)实验方案：采用2套完全相同的圆形反应器和1套方形反应器，由于形状不同和填料体积的不同，通过改变水力负荷与污染物负荷等因素使实验装置的达到效果一致。其中方形反应器连接电极。通过变化进水污染物浓度、温度、电流强度观察反应器对污水的处理效果。以探究生物膜电极耦合人工湿地反应器的处理效果
5)挂膜培养：从西山水库、污水厂、花鸟鱼市场等多地采集污泥在25℃、pH7.0±2间歇曝气的条件下培养微生物，并人工配置营养物质，进行生物膜的培养。配置人工污水，温度25℃连续曝气的条件下，连续运行三个反应器20天进行挂膜；
6)主要影响因素：生物膜电极耦合人工湿地反应器对污水的处理影响因素有很多种，比如温度、电流强度、污染物负荷、水力停留时间、水力负荷、有机碳源和有毒物质等。在本文中，主要选取污染物负荷、电流强度、温度3个主要影响因素。3个影响因素采用单变量分析方法，每组实验只改变一个参数，保持其他参数不变。每个影响因素实验完毕后，更换原水尽可能保证原始变量相同，达到稳定后再开始测定出水结果。实验过程中未注明条件时的实验参数均为：HRT 4.6h，进水pH 7.00±2，溶解氧：4.1mg/L；
7)分析方法：NO3--N值采用紫外分光光度法；COD值采用快速消解分光光度法；NH4 +-N值采用纳氏试剂分光光度法；TN值采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；微囊藻毒素值采用酶联免疫吸附测定法。
实验结果如下：
污染物负荷的影响
本实验是研究的是对低污染物负荷的污水的初步处理，所以控制进水污染物负荷的COD值分别为100mg/L、150mg/L、200mg/L。保证其他变量相同。每间隔一个水力停留时间即4.6h取样，测试COD、氨氮、硝态氮、TN指标，以去除率作图呈现；
如图9-13所示随着时间的推移氨氮值逐步下降，中间存在上升点可能在取样或测定过程中存在误差但总体处理效果均呈下降趋势。总氮、氨氮值均在前10小时内持续下降，10小时后硝态氮开始呈波动状态且污染物负荷为100mg/L、150mg/L的波动状态几乎相同。COD值随着时间的推移逐步下降，且污染物负荷为200mg/L的处理效果明显优于其他两种。在进水COD浓度150mg/L时对总氮和硝态氮的去除效果最好；在进水COD浓度为100mg/L时对氨氮的去除效果最好；污染物负荷越大对COD的去除效果越好。总体来说去除效率均在50％以上。
硝化细菌是化能自养的细菌对环境的变化很敏感依靠二氧化碳和碳酸氢盐等无机碳源促进微生物生长，它的生理活性不需要有机营养物质，二氧化碳和碳酸盐都可以用作碳源，能量的来源可以是无机物的氧化。异养反硝化需要有机碳源来促进微生物的生长和能量。1号反应器靠窗放置后期由于太阳照射等原因水体富营养化产生藻类使水中其他的异养微生物可能生长的速度较快，3号系统中溶解氧浓度过高或过低不利于硝化细菌生长，进而影响硝化过程。
温度的影响
温度是影响反硝化效果的一个重要因素。反硝化速率一般随温度的升高而加快，但超过一定温度时，反硝化速率的增加不明显。自养反硝化菌生长的最适温度24-32℃。本试验温度控制在20℃、25℃、30℃。在此温度下探究自养反硝化菌的活性从而找到能够取得较好的处理效果的温度。
由图14-18所示，可以明显的看出随着温度的增加系统中各项指标的去除效率增加且均在70％以上。COD去除率从46.7％提高到71.0％。其中硝态氮略有回升，可能是所在的环境更适合氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的硝化作用导致了硝态氮的堆积，从而影响硝态氮的去除效果。自养反硝化菌的最适生长温度为24～32℃。研究发现，其他条件一定时，反硝化速率一般随温度的升高而增大，一但超过了某一温度时，提高的效果就不明显了。随着温度进一步升高，脱氮效果下降。阳极氧化有机物，产生的电子转移到电子供体进行自养反硝化。此外，增加进水C/N比可以加快异养反硝化细菌的生长与繁殖，但其对自养反硝化细菌的影响尚不清楚还需要考虑。根据先前的一项研究结果，BE-CW在接近30℃的条件下，有最高的反硝化效率，这与实验结果是完全吻合的。
电流强度的影响
电流强度在生物膜电极反应器中是一个最重要的参数，它不仅影响电化学氧化，还影响颗粒电极的极化行为，进而影响颗粒电极的电吸附和氧化作用。Flora和Panarese对BER除硝酸盐的试验中发现电流的增加可以导致氮气产量的增加，证明了电流可促进和控制反硝化的过程。接通方形反应器电极，分别分析在0mA、0.1mA、0.5mA、2.5mA电流对COD、氮去除效果的影响，每改变一次电流条件进行4天的稳定实验，改变生物群落后，每间隔一个水力停留时间即4.6h取样，测试COD、氨氮、硝态氮、TN指标，以去除率作图呈现。
如图19-24可以看出，在0～2.5mA的范围内，随电流强度的增加，TN、COD等各项指标的去除率均是是先增加后降低。反应器在电流强度为0.1mA下取得了最佳处理效果，NO3-N、TN、氨氮、COD的去除率分别为96.7％，82.9％，92.4％，68.4％。当电流超过0.1mA增加到2.5mA时，各项指标的去除率明显降低。根据文献报道，推测当电流过高时，电极生物膜会发生氢抑制作用导致了生物膜的脱落，电场对迁移速度的影响增大，阻碍了向阴极的扩散，所以电流强度在0.1mA～2.5mA这一阶段内的脱氮速率反而下降。
有研究表明提高异养反硝化菌的脱氮效率可以通过电流的刺激实现。当电流较大时，微生物间会发生阻氢作用，导致该阶段反硝化速率降低。郝桂玉研究了生物膜电极法对反硝化的影响因素。结果表明，在微电流电解条件下，阴极生物膜具有较好的反硝化效果。阴极生物膜的培养时间和条件、水中溶解氧含量和温度对反硝化效果有一定影响。邱凌峰和陈远铭采用电极生物膜法对微污染的水进行了脱氮预处理。结果表明，生物膜电极法与单纯的的生物膜法来说，对硝酸盐氮的去除效率提高了20％～30％。对硝酸盐氮有60％以上的去除效率，可以有效地降低微污染水中的含氮量。
如图25、26所示，微囊藻毒素去除的对照试验表明，生物膜电极耦合人工湿地反应器在电流为0.1mA条件下去除率达到94.7％，而未通电情况下对照反应器仅为73.1％，该发明技术方案提高了21.6％的微囊藻毒素去除率。不同电流值条件下的去除率试验表明，0.1mA时微囊藻毒素去除率最高(94.7％)，其次为0.5mA条件(83.8％)，再次为2.5mA条件下(77.6％)与未通电情况下对照反应器接近。
结论如下：在污染物负荷为150mg/L时对污染物的去除效果最适宜。20℃～30℃区间内，随着温度升高系统整体处理效果升高。污染物去除率随电流强度的变化而随之改变,本试验中0.1mA为理想电流强度。当＞0.1mA时，各项指标的去除率均下降，微生物的活性受到了抑制。本工艺具有装置简单、运行管理方便、处理效果良好和占地面积小的特点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种生物膜电极耦合人工湿地反应器，其特征在于，主要包括反应器主体(1)、布水管(2)、阳极生物膜(3)、阴极生物膜(4)、电源(5)；
所述反应器主体(1)左侧面下端设有进水口(11)，反应器主体(1)右侧面上端设有出水口(12)，所述出水口(12)下方的反应器主体(1)右侧面上等间距设有多个取水口(13)；
所述布水管(2)设在反应器主体(1)内底面，所述阴极生物膜(4)、阳极生物膜(3)分别设在反应器主体(1)内下部、内上部，所述反应器主体(1)被阴极生物膜(4)、阳极生物膜(3)从上到下依次分隔出底层填料区(14)、中层填料区(15)、上层填料区(16)；
所述电源(5)的正极通过导线与所述阳极生物膜(3)电性连接，电源(5)的负极通过导线与所述阴极生物膜(4)电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种生物膜电极耦合人工湿地反应器，其特征在于，所述阳极生物膜(3)为石墨；所述阴极生物膜(4)为不锈钢网包裹活性炭；所述底层填料区(14)为孔隙率为0.526的大粒径火山石；所述中层填料区(15)为孔隙率为0.49的活性炭；所述上层填料区(16)为孔隙率为0.37的小粒径火山石，其中大粒径火山石粒径为5-8mm，小粒径火山石粒径为3-6mm。
3.根据权利要求2所述的一种生物膜电极耦合人工湿地反应器，其特征在于，所述中层填料区(15)中部设有玻璃棉(17)；所述上层填料区(16)上种植有植物。
4.根据权利要求1所述的一种生物膜电极耦合人工湿地反应器，其特征在于，所述布水管(2)包括布水总管(6)、布水支管(7)；所述布水总管(6)呈环形或方形围绕反应器主体(1)内壁设置，布水总管(6)内环面等间距设有多个连接孔(61)，所述布水支管(7)等间距周向设置在布水总管(6)内环面，且与布水总管(6)可拆卸连接。
5.根据权利要求4所述的一种生物膜电极耦合人工湿地反应器，其特征在于，所述布水支管(7)包括管体(71)、布水头组件(8)、动力组件(9)，所述布水头组件(8)设有多个，布水头组件(8)等间距嵌于管体(71)的上管壁，且与管体(71)可拆卸连接；所述动力组件(9)与管体(71)尾部可拆卸连接；
所述布水头组件(8)包括布水片(81)、转动轴(82)、从动锥齿轮(83)、疏通转杆(84)；所述布水片(81)中心处设有轴孔(811)，所述轴孔外侧的布水片(81)上周向设有多个布水孔(812)，所述布水孔(812)上方设有疏通支架(85)，所述疏通支架(85)上设有疏通杆(851)，所述疏通杆(852)上端设有端片(852)，所述端片(852)与疏通支架(85)之间的疏通杆(851)上设有第一弹簧(853)，所述转动轴(82)穿过轴孔(811)且通过轴套与其转动连接，所述疏通转杆(84)与转动轴(82)上端固定连接，所述从动锥齿轮(83)与转动轴(82)下端固定连接；
所述动力组件(9)包括动力杆(91)、转动叶(92)、载板(93)；所述动力组件(9)左侧与管体(71)通过螺纹连接并密封，动力组件(9)右侧与外界连通，所述载板(93)位于动力组件(9)内中部，载板(93)中心处设有杆孔(931)，载板(93)上部设有斜孔(932)，所述载板(93)内部与斜孔(932)位置对应处设有板槽(933)，所述板槽(933)内置有活动控板(934)，所述动力组件(9)与活动控板(934)位置对应处的左侧动力组件(9)上壁设有液位触发柱(94)，所述液位触发柱(94)与动力组件(9)内部连通，且其内设有浮块(95)，所述浮块(95)上端通过第二弹簧(96)与液位触发柱(94)内上顶面连接，浮块(95)下端通过传动绳与活动控板(934)上端连接，所述动力杆(91)穿过杆孔(931)且通过轴套与其转动连接，所述转动叶(92)与动力杆(91)右端固定连接，动力杆(91)左部与每个从动锥齿轮(83)位置对应处各设有一个主动锥齿轮(97)与其啮合传动。
6.根据权利要求5所述的一种生物膜电极耦合人工湿地反应器，其特征在于，所述布水头组件(8)上端、动力组件(9)后端均设有网罩(72)，所述动力杆(91)左部设有若干稳固支架(98)，所述稳固支架(98)与管体(71)内壁连接，且中心处与动力杆(91)通过轴套活动连接；所述疏通杆(851)上顶端设有滚珠(854)，所述疏通转杆(84)截面呈倒梯形。
7.一种生物膜电极耦合人工湿地反应器的污水处理方法，其特征在于，主要包括以下步骤:
S1：采集污泥在25℃、pH7.0±2间歇曝气的条件下培养微生物，并人工配制营养物质，进行生物膜的培养；通过进水泵将污水泵入布水管(2)，在反应器中连续运行20天进行挂膜；
S2：反应器启动成功后，控制有机污染物负荷(COD)为100-200mg/L，氨氮污染物(NH4 +-N)负荷为6-10mg/L，微囊藻毒素MC-LR负荷(COD)为8-10mg/L，温度为20-30℃，并打开电源(5)控制电流为0-2.5mA；通过反应器对污水进行净化处理。
8.根据权利要求7所述的一种生物膜电极耦合人工湿地反应器的污水处理方法，其特征在于，所述方法中，HRT为4.6h，进水pH为7.00±2，溶解氧为4.1mg/L。
9.根据权利要求7所述的一种生物膜电极耦合人工湿地反应器的污水处理方法，其特征在于，所述方法中，氨氮污染物(NH4 +-N)负荷为6-10mg/L，微囊藻毒素MC-LR负荷(COD)为8-10mg/L。
10.根据权利要求7所述的一种生物膜电极耦合人工湿地反应器的污水处理方法，其特征在于，所述方法中，有机污染物(COD)负荷为150mg/L，氨氮污染物(NH4 +-N)负荷为9.5mg/L，微囊藻毒素MC-LR负荷(COD)为8-10mg/L，温度为30℃，电流为0.1mA。
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