CN110776097A - 用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器 - Google Patents

用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器 Download PDF

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莫颖慧
杜漫漫
李建新
王虹
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Abstract

本发明公开了一种用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极‑电催化膜反应器，包括电解池，阳离子交换膜将电解池分隔成阳、阴极室，电催化膜将阳极室分隔成阳极进、出水腔体；阴极室设置有填料并附有微生物；直流稳压电源通过导线分别与阳极和阴极连接；阳极料液槽通过管道依次与第二蠕动泵和阳极室进水腔体的底部连接，阳极渗透液槽通过管道与阳极室出水腔体的顶部连接；阴极料液槽通过管道依次与第一蠕动泵和阴极室的底部连接；阴极室顶部一支管道与第一阀门连接后与阴极出水槽连接；另一支管道与第二阀门连接后与阴极料液槽连接；本发明结构简单、操作方便，阳极能降解有机污染物，阴极能反硝化脱氮，具有脱氮除碳双重功能。

Description

用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器
技术领域
本发明属于生物电化学技术、电催化氧化技术及膜分离技术领域，具体涉及一种用于废水处理的具有脱氮除碳双重功能的反硝化生物阴极-电催化膜耦合反应器。
技术背景
电催化氧化法是一种高级电化学氧化技术。近些年来，随着电化学理论的研究深入，电催化氧化法在处理含醛、烃、醚、醇、酚及染料等难降解有机废水中得到广泛的研究应用，逐渐发展为一种颇有前景的难降解有机废水处理方法。其基本原理是在外加电压作用下阳极氧化H2O产生羟基自由基(·OH)等自由基，·OH具有强氧化性且无选择性，可对废水中大多数有机污染物进行氧化分解，生成CO2或小分子有机物，达到废水处理目的。如中国专利CN101597096A公开了一种以导电耐蚀炭膜为基体、金属或金属氧化物为催化剂涂层的电催化膜及由其构建的电催化膜反应器。电催化膜反应器采用电催化复合膜如MnOx/Ti电催化膜作为阳极，不锈钢网作为阴极，在外电压的作用下电催化膜氧化H2O产生·OH等活性物种，同时难降解有机废水在压力驱动下穿过电催化膜，在膜表面及内部被·OH氧化分解为无毒或低毒的小分子有机物或完全矿化。
虽然电催化氧化技术能够利用阳极的强氧化作用高效降解有机污染物，尤其是对碳的去除效果很好，但早期其阴极反应多为水还原为H2(不锈钢网电极)，只是起到辅助阳极氧化反应的作用，没有污染物去除功能。近年来研究者采用碳材料作为阴极，还原O2为H2O2，进一步添加Fe试剂可在阴极实现电芬顿反应，从而在阴极也实现了有机污染物的氧化，如中国专利CN205773789U公开了一种电芬顿与电催化氧化相耦合的废水处理装置，节能环保，同时提高了污染物的降解能力。中国专利CN106145483A公开了一种废水多重氧化处理方法及装置，通过电催化氧化、O2还原产生H2O2和芬顿氧化三种废水氧化处理技术对难降解有机物分子进行破坏，提高废水可生化性，对废水进行深度处理。但是，如何利用电催化氧化反应器阴极的还原作用实现污染物的去除，从而使阳极和阴极兼具污染物去除功能，目前还没有研究报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器。
本发明的第二个目的是提供使用上述反应器对废水进行处理的方法。
本发明的技术方案概述如下：
用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器，包括电解池17，在电解池内设置有阳离子交换膜7，阳离子交换膜将电解池分隔成阳极室4和阴极室2，在阳极室内设置有电催化膜3为阳极，电催化膜将阳极室分隔成阳极进水腔体5和阳极出水腔体6；阴极室2设置有填料1；参比电极18贯穿阴极室的顶壁设置；在阴极室右侧设置有钛丝网9为阴极；直流稳压电源8通过导线分别与阳极的引电材料钽丝11、阴极的引电材料钛片10连接；钽丝11与电催化膜3连接；钛片10与钛丝网9连接；阴极料液槽12通过管道依次与第一蠕动泵15和阴极室的底部连接；阴极室顶部连接的管道分两支，一支与第一阀门21连接后与阴极出水槽19连接；另一支与第二阀门20连接后与阴极料液槽12连接；阳极料液槽14通过管道依次与第二蠕动泵16和阳极进水腔体5的底部连接；阳极渗透液槽13通过管道与阴极出水腔体6的顶部连接。
填料1的材质为石墨毡、活性炭或半焦。
参比电极18为饱和甘汞参比电极或Ag/AgCl参比电极。
阳离子交换膜为聚乙烯阳离子交换膜、聚苯醚阳离子交换膜或偏氟乙烯阳离子交换膜。
使用上述反应器对废水进行处理的方法，包括如下步骤：
1)使用上述反应器；
2)向阳极料液槽14中注入有机废水，向阴极料液槽12中注入含氮废水和微生物营养液组成的混合液，所述微生物营养液与含氮废水的体积比为(5-10):10，曝氮气使混合液的溶解氧浓度小于0.5mg/L；
3)打开第一蠕动泵15和第二蠕动泵16，使阴极室2充满混合液，使阳极室4中充满有机废水；
4)打开直流稳压电源8，控制电压为1.3-2V或控制电流为1-5mA；
5)关闭第一阀门21，打开第二阀门20，阴极室的液体流回到阴极料液槽12，并循环，将污泥接种于阴极料液槽12的液体中，污泥与阴极料液槽内液体的体积比为(5-10):10，每隔2-7天用混合液更换阴极料液槽12中液体，并接种污泥；所述污泥从城市污水处理厂、湖底、河底或生物电化学系统中取得；
6)当阴极相对于参比电极的电势升高并稳定时，停止接种污泥，反应器对有机废水及含氮废水进行处理，关闭第二阀门20，打开第一阀门21，阴极室的液体排入阴极出水槽19；阳极出水腔体6的液体排入阳极渗透液槽13。
微生物营养液配方为：Na2HPO4或K2HPO4·3H2O 1-10g/L、NaH2PO4·H2O或KH2PO4 1-10g/L、NaHCO31-4 g/L、MgCl2·6H2O 0.08-0.24g/L、CaCl2·2H2O 0.08-0.24g/L，余量为水。
微生物营养液配方还可以包括：4-10mL/L维生素水溶液，10-26mL/L微量元素水溶液。
维生素水溶液的配方为：生物素1-6mg/L，叶酸1-6mg/L，维生素B6 8-22 mg/L，核黄素4-12mg/L，硫胺4-12mg/L，烟酸4-12mg/L，泛酸4-12mg/L，维生素B12 0.08-0.24mg/L，对氨基苯甲酸4-12mg/L，硫辛酸4-12mg/L，余量为水。
微量元素水溶液的配方为：MgSO4 2.2-6.4g/L，MnSO4·H2O 0.3-1.2g/L，NaCl0.8-2.4g/L，FeSO4·7H2O 0.08-0.24g/L，CoCl2·6H2O 0.08-0.24g/L，ZnCl2 0.1-0.3g/L，CuSO4·5H2O 0.01-0.04g/L，AlK(SO4)2·7H2O 0.01-0.04g/L，H3BO3 0.01-0.04g/L，Na2MoO40.025-0.1g/L，NiCl2·6H2O 0.024-0.1g/L，Na2WO4·2H2O 0.025-0.1g/L，余量为水。
本发明的优点：
本发明的反应器与现有反应器相比具有以下优点：一、反应器设备简单、操作方便，阳极采用电催化膜为电极，氧化H2O产生的具有强氧化能力的羟基自由基(·OH)等活性物种，将有机污染物氧化成CO2或其他小分子有机物，除碳效率高；二、在阴极引入具有反硝化作用的电化学活性微生物作为阴极还原反应的催化剂，在微生物的反硝化作用下将NO3 --N或NO2 --N还原为N2等气体，增加阴极脱氮功能，使反应器具有脱氮除碳双重功能。本发明的反应器去除效率高、成本低、可操作性强、适用范围广。
附图说明
图1为用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器结构示意图。
具体实施方式
微生物营养液配方为：Na2HPO4或K2HPO4·3H2O 1-10g/L、NaH2PO4·H2O或KH2PO4 1-10g/L、NaHCO31-4 g/L、MgCl2·6H2O 0.08-0.24g/L、CaCl2·2H2O 0.08-0.24g/L，余量为水。
微生物营养液配方还可以包括：4-10mL/L维生素水溶液，10-26mL/L微量元素水溶液。
维生素水溶液的配方为：生物素1-6mg/L，叶酸1-6mg/L，维生素B6 8-22 mg/L，核黄素4-12mg/L，硫胺4-12mg/L，烟酸4-12mg/L，泛酸4-12mg/L，维生素B12 0.08-0.24mg/L，对氨基苯甲酸4-12mg/L，硫辛酸4-12mg/L，余量为水。
微量元素水溶液的配方为：MgSO4 2.2-6.4g/L，MnSO4·H2O 0.3-1.2g/L，NaCl0.8-2.4g/L，FeSO4·7H2O 0.08-0.24g/L，CoCl2·6H2O 0.08-0.24g/L，ZnCl2 0.1-0.3g/L，CuSO4·5H2O 0.01-0.04g/L，AlK(SO4)2·7H2O 0.01-0.04g/L，H3BO3 0.01-0.04g/L，Na2MoO40.025-0.1g/L，NiCl2·6H2O 0.024-0.1g/L，Na2WO4·2H2O 0.025-0.1g/L，余量为水。
下面通过附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器，见图1，包括电解池17，在电解池内设置有阳离子交换膜7，阳离子交换膜将电解池分隔成阳极室4和阴极室2，在阳极室内设置有电催化膜3为阳极，所述电催化膜将阳极室分隔成阳极进水腔体5和阳极出水腔体6；阴极室2设置有填料1；参比电极18贯穿阴极室的顶壁设置；在阴极室右侧设置有钛丝网9为阴极；直流稳压电源8通过导线分别与阳极的引电材料钽丝11、阴极的引电材料钛片10连接；钽丝11与电催化膜3连接；钛片10与钛丝网9连接；阴极料液槽12通过管道依次与第一蠕动泵15和阴极室的底部连接；阴极室顶部连接的管道分两支，一支与第一阀门21连接后与阴极出水槽19连接；另一支与第二阀门20连接后与阴极料液槽12连接；阳极料液槽14通过管道依次与第二蠕动泵16和阳极进水腔体5的底部连接；阳极渗透液槽13通过管道与阴极出水腔体6的顶部连接。
填料1的材质为石墨毡。
参比电极18为饱和甘汞参比电极。
阳离子交换膜为偏氟乙烯阳离子交换膜。
电催化膜可以用下方法制成：
将微孔钛膜(商品)置于质量分数为50％的草酸水溶液中超声30min，取出用去离子水洗至中性，在室温下晾干；然后浸泡于质量分数为50％的Mn(NO3)2水溶液中超声30min，平稳地提拉出来在室温下晾干；最后将其置于马弗炉中进行烧结：以0.5℃/min的升温速率从室温升至120℃，接着以5℃/min的升温速率升至350℃/min，保温2h后，在炉内自然冷却,取出用去离子水洗净，得到负载MnOx的钛基电催化膜，即MnOx/Ti电催化膜。
x是表示Mn可能以多种价态存在。电催化膜的制备方法还有很多种，都可以用于本发明。
微孔钛膜(孔径为7μm，孔隙率为22.3％，生产商为：西安思宇金属材料有限公司)实施例2
用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器，(组成反应器的各部件及连接关系同实施例1)。
不同的是：
填料1的材质为活性炭。
参比电极18为Ag/AgCl参比电极。
阳离子交换膜为聚苯醚阳离子交换膜。
电催化膜同实施例1的电催化膜。
实施例3
用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器，(组成反应器的各部件及连接关系同实施例1)。
不同的是：
填料1的材质为半焦。
参比电极18为Ag/AgCl参比电极。
阳离子交换膜为聚乙烯阳离子交换膜。
电催化膜同实施例1的电催化膜。
实施例4
使用实施例1的用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器对废水(同时实现脱氮除碳)进行处理的方法，包括如下步骤：
1)使用实施例1的反应器；其中：
阴极室尺寸为2cm×5cm×11.5cm(长×宽×高)，下部设置布水板，上部采用石墨毡作为阴极填料；阳极室尺寸为3cm×5cm×11.5cm(长×宽×高)，MnOx/Ti电催化膜与阳离子交换膜间距2.3cm。
2)向阳极料液槽14中注入待处理有机废水(150mg/L亚甲基蓝+10g/LNa2SO4)，向阴极料液槽12中注入含氮废水(1.01g/L KNO3)和微生物营养液(配方7)组成的混合液，微生物营养液与含氮废水体积比为1:1，曝氮气使阴极混合液的溶解氧浓度小于0.5mg/L；
3)打开第一蠕动泵15和第二蠕动泵16，使阴极室2充满混合液，使阳极室4中充满有机废水；
4)打开直流稳压电源8，控制电压为1.3V；
5)关闭第一阀门21，打开第二阀门20，阴极室的液体流回到阴极料液槽12，并循环，将污泥接种于阴极料液槽12的液体中，污泥与阴极料液槽内液体的体积比为1:1，每隔3天用混合液更换阴极料液槽中液体，并接种污泥；所述污泥从城市污水处理厂取得；
6)当阴极相对于参比电极的电势升高并稳定在-380mV左右时，停止接种污泥；反应器对有机废水及含氮废水同时进行处理，关闭第二阀门20，打开第一阀门21，阴极室的液体排入阴极出水槽19；阳极出水腔体6的液体排入阳极渗透液槽13。
处理效果：阳极TOC去除率为70％，阴极TN去除率95％。
表1.微生物营养液配方(余量为水)
表2.维生素水溶液的配方(余量为水)
E1 E2 E3
生物素 4mg/L 1mg/L 6mg/L
叶酸 4mg/L 1mg/L 6mg/L
维生素B6 20mg/L 8mg/L 22mg/L
核黄素 10mg/L 4mg/L 12mg/L
硫胺 10mg/L 4mg/L 12mg/L
烟酸 10mg/L 4mg/L 12mg/L
泛酸 10mg/L 4mg/L 12mg/L
维生素B<sub>12</sub> 0.2mg/L 0.08mg/L 0.24mg/L
对氨基苯甲酸 10mg/L 4mg/L 12mg/L
硫辛酸 10mg/L 4mg/L 12mg/L
表3.微量元素水溶液的配方(余量为水)
F1 F2 F3
MgSO<sub>4</sub> 4g/L 2.2g/L 6.4g/L
MnSO<sub>4</sub>·H<sub>2</sub>O 0.8g/L 0.3g/L 1.2g/L
NaCl 1.4g/L 0.8g/L 2.4g/L
FeSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O 0.12g/L 0.08g/L 0.24g/L
CoCl<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O 0.12g/L 0.08g/L 0.24g/L
ZnCl<sub>2</sub> 0.2g/L 0.1g/L 0.3g/L
CuSO<sub>4</sub>·5H<sub>2</sub>O 0.02g/L 0.01g/L 0.04g/L
AlK(SO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>·7H<sub>2</sub>O 0.02g/L 0.01g/L 0.04g/L
H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub> 0.02g/L 0.01g/L 0.04g/L
Na<sub>2</sub>MoO<sub>4</sub> 0.05g/L 0.01g/L 0.1g/L
NiCl<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O 0.048g/L 0.024g/L 0.1g/L
Na<sub>2</sub>WO<sub>4</sub>·2H<sub>2</sub>O 0.05g/L 0.025g/L 0.1g/L
实施例5
使用实施例2的用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器对废水(同时实现脱氮除碳)进行处理的方法，包括如下步骤：
1)使用实施例2的反应器；其中：
阴极室尺寸为2cm×5cm×11.5cm(长×宽×高)，下部设置布水板，上部采用活性炭作为阴极填料；阳极室尺寸为3cm×5cm×11.5cm(长×宽×高)，MnOx/Ti电催化膜与阳离子交换膜间距2.3cm。
2)向阳极料液槽14中注入待处理有机废水(100mg/L酸性橙+15g/LNa2SO4)，向阴极料液槽12中注入含氮废水(3.03g/LNaNO3)和微生物营养液(配方9)组成的混合液，微生物营养液与含氮废水体积比为5:10，曝氮气使阴极混合液的溶解氧浓度小于0.5mg/L；
3)打开第一蠕动泵15和第二蠕动泵16，使阴极室2充满混合液，使阳极室4中充满有机废水；
4)打开直流稳压电源8，控制电压为1.5V；
5)关闭第一阀门21，打开第二阀门20，阴极室的液体流回到阴极料液槽12，并循环，将污泥接种于阴极料液槽12的液体中，污泥与阴极料液槽内液体的体积比为5:10，每隔7天用混合液更换阴极料液槽12中液体，并接种污泥；所述污泥从生物电化学系统中取得；
6)当阴极相对于参比电极的电势升高并稳定在-600mV左右时，停止接种污泥；反应器对有机废水及含氮废水同时进行处理，关闭第二阀门20，打开第一阀门21，阴极室的液体排入阴极出水槽19；阳极出水腔体6的液体排入阳极渗透液槽13。
处理效果：阳极TOC去除率为75％，阴极TN去除率96％。
实施例6
使用实施例3的用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器对废水(同时实现脱氮除碳)进行处理的方法，包括如下步骤：
1)使用实施例3的反应器；其中：
阴极室尺寸为2cm×5cm×11.5cm(长×宽×高)，下部设置布水板，上部采用半焦作为阴极填料；阳极室尺寸为3cm×5cm×11.5cm(长×宽×高)，MnOx/Ti电催化膜与阳离子交换膜间距2.3cm。
2)向阳极料液槽14中注入有机废水(150mg/L亚甲基蓝+15g/LNa2SO4)，向阴极料液槽12中注入含氮废水(5.05g/L KNO3)和微生物营养液(配方8)组成的混合液，微生物营养液与含氮废水体积比为3:5，曝氮气使阴极混合液的溶解氧浓度小于0.5mg/L；
3)打开第一蠕动泵15和第二蠕动泵16，使阴极室2充满混合液，使阳极室4中充满有机废水；
4)打开直流稳压电源8，控制电流为3mA；
5)关闭第一阀门21，打开第二阀门20，阴极室的液体流回到阴极料液槽12，并循环，将污泥接种于阴极料液槽12的液体中，污泥与阴极料液槽内液体的体积比为3:5，每隔2天用混合液更换阴极料液槽12中液体，并接种湖底污泥；
6)当阴极相对于参比电极的电势升高并稳定在-500mV左右时，停止接种污泥；反应器对有机废水及含氮废水同时进行处理，关闭第二阀门20，打开第一阀门21，阴极室的液体排入阴极出水槽19；阳极出水腔体6的液体排入阳极渗透液槽13。
处理效果：阳极TOC去除率为80％，阴极TN去除率98％。
实验证明，步骤4)打开直流稳压电源(8)，控制电压为还可以是2V，或控制电流为1mA或5mA；其它同本实施例，阳极TOC去除率和阴极TN去除率也都较好。
阳极TOC去除率均在70％以上，阴极TN去除率均在95％以上。

Claims (5)

1.用于废水脱氮除碳的反硝化生物阴极-电催化膜反应器，包括电解池(17)，在电解池内设置有阳离子交换膜(7)，所述阳离子交换膜将电解池分隔成阳极室(4)和阴极室(2)，在阳极室内设置有电催化膜(3)为阳极，所述电催化膜将阳极室分隔成阳极进水腔体(5)和阳极出水腔体(6)；阴极室(2)设置有填料(1)；参比电极(18)贯穿阴极室的顶壁设置；在阴极室右侧设置有钛丝网(9)；直流稳压电源(8)通过导线分别与阳极的引电材料钽丝(11)、阴极的引电材料钛片(10)连接；钽丝(11)与电催化膜(3)连接；钛片(10)与钛丝网(9)连接；阴极料液槽(12)通过管道依次与第一蠕动泵(15)和阴极室的底部连接；阴极室顶部连接的管道分两支，一支与第一阀门(21)连接后与阴极出水槽(19)连接；另一支与第二阀门(20)连接后与阴极料液槽(12)连接；阳极料液槽(14)通过管道依次与第二蠕动泵(16)和阳极进水腔体(5)的底部连接；阳极渗透液槽(13)通过管道与阳极出水腔体(6)的顶部连接。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述填料1的材质为石墨毡、活性炭或半焦。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述参比电极(18)为饱和甘汞参比电极或Ag/AgCl参比电极。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于阳离子交换膜为聚乙烯阳离子交换膜、聚苯醚阳离子交换膜或偏氟乙烯阳离子交换膜。
5.使用权利要求1-4之一所述反应器对废水进行处理的方法，其特征是包括如下步骤：
1)使用权利要求1-4之一所述的反应器；
2)向阳极料液槽(14)中注入有机废水，向阴极料液槽(12)中注入含氮废水和微生物营养液组成的混合液，所述微生物营养液与含氮废水的体积比为(5-10):10，曝氮气使混合液的溶解氧浓度小于0.5mg/L；
3)打开第一蠕动泵(15)和第二蠕动泵(16)，使阴极室(2)充满混合液，使阳极室(4)中充满有机废水；
4)打开直流稳压电源(8)，控制电压为1.3-2V或控制电流为1-5mA；
5)关闭第一阀门(21)，打开第二阀门(20)，阴极室的液体流回到阴极料液槽(12)，并循环，将污泥接种于阴极料液槽(12)的液体中，污泥与阴极料液槽内液体的体积比为(5-10):10，每隔2-7天用混合液更换阴极料液槽(12)中液体，并接种污泥；所述污泥从城市污水处理厂、湖底、河底或生物电化学系统中取得；
6)当阴极相对于参比电极的电势升高并稳定时，停止接种污泥，反应器对有机废水及含氮废水进行处理，关闭第二阀门(20)，打开第一阀门(21)，阴极室的液体排入阴极出水槽(19)；阳极出水腔体(6)的液体排入阳极渗透液槽(13)。
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