CN111252887A - 一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器，该反应器包括壳体、阳极、阴极、海绵铁和活性炭填充层、直流电源、进水泵、进水管、排水管、壳体底部设置进水口、壳体上部设置出水口、壳体下部设置总排水口；阴极为圆筒状多孔结构，阳极为圆盘四圆柱型结构，阳极套在阴极中部区域，阳极阴极之间填充海绵铁和活性炭填充层，阳极于直流电源的正极相连，阴极与负极相连。在同一个反应器内，利用电极电解废水产生氢气，营造适宜微生物生长的环境，并提供电子供体和强氧化性的中间体分别进行反硝化和降解布洛芬的作用，达到去除低碳氮比中硝酸氮和布洛芬的目的，具有能耗低、效率高、结构简单、操作简单的优点。

Description

一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器

技术领域

本发明涉及低碳氮比废水处理领域，具体涉及一种三维电极生物膜反应器，特别是一种适用于处理低碳氮比废水和难降解有机物的三维电极生物膜反应器。

背景技术

低C/N废水脱氮受到普遍关注。传统的生物法不适用于该类型废水的深度处理。当水体中有机物不足以支撑自养反硝化所需碳源时，会导致反硝化不完全，并造成亚硝酸盐的积累。额外加入碳源，增加了成本还造成有机物的过剩和残留。

三维电极，是在传统二维电极电解的基础上，增加颗粒物嚯碎屑状的例子导电材料作为空间中的第三维电极。填料会在二维电极电场种带点，进而在电极材料表面带电的同时发生电化学反应，变成无数个微小的电池单位，从而提高整个电化学反应器的反应能效。

生物膜法具有独特的优势，如对处理水质和量都有普遍的适应性，成本较低，产泥量小。缺点：对水温要求高，使用前需培育一层生物膜，抗冲击负荷低。

电极生物膜法是一种将电化学和生物法进行结合的污水处理工艺，该工艺集自养反硝化和异养反硝化为一体，不仅具有电化学高效的特点，还有这传统生物膜法的节能优势。此外，该工艺克服了常用电化学方法的耗能高以及传统生物膜法效率低的缺点，且适用于各类水体的深度脱氮。且易于操作、运行稳定，具有广阔的运行前景。该工艺中，微电流作用促进了微生物的反硝化作用，阴极板电解水产生的H₂作为氢自养反硝化菌的电子供体进行反硝化脱氮。自养菌利用CO₂和部分少量的有机物质作为的电子供体进行自养反硝化。

与传统的二维电极相比，三维电极生物膜技术具有诸多的优点，例如增加了电极的面体比、增强电极之间的导电率、提高电流的利用率等优点，将阴极的电化学产氢作用、颗粒电极的吸附催化功能和氢自养型反硝化菌的生物脱氮过程三者有机结合，在低碳氮比的情况下即可高效、安全去除水中硝氮和布洛芬等难降解有机物的新型反应器。

发明内容

本发明旨在设计一种可更换各类型阳极的圆盘，能满足多种材料对不同水质的处理需求，为新型高效反应器的开发奠定基础。

本发明公开一种三维电极和生物膜反应器，该反应器有效降低了反应器的运行能耗，增加了阳极与废水接触面积，延长了废水与阳极接触时间，提高了废水处理效果。具体方案如下：

一种三维电极生物膜反应器，其特征在于，该反应器包括壳体(1)、阳极(2)、阴极(3)、铁碳填充层(4)、进水口(5)、出水口(6)、进水采样点(7)、中部采样点(8)、电线(9)和直流电源(10)；所述的壳体(1)下端设置进水口(5)，反应器内分部别放置阴极(3)和阳极(2)，并通过(9)分别连接直流电源(10)的正负极，进水口(5)的一头连接蠕动泵，出水口(6)靠重力排出。

优选地，阴极(3)和阳极(2)之间放置填料；阴极(3)和壳体(1)之间放置填料；填料为铁碳填充层(4)，铁碳填充层(4)的铁碳粒径8-10mm。

优选地，阴极(3)置于反应器的下部，以保证阴极(3)电解产生的H₂被微生物充分利用进行反硝化，提高H₂的利用效率。进水采样点(7)设置在进水口(5)处，中部采样点(8)设置在壳体(1)的外表面。

优选地，阳极(2)置于反应器的上部，阳极(2)电解产生的O₂直接往上走，溢出反应器，不会对反应器中厌氧或缺氧环境构成威胁。

优选地，选择高纯度的石墨板作为阳极材料。与金属阳极相比，碳质阳极价格更加便宜，虽然碳质阳极也随电解的进行会逐渐溶解，但是优质的碳材料的溶解速度比金属阳极的腐蚀速度慢得多。在碳质阳极溶解的过程中，会释放一定量的CO₂，溶于水后可以起到pH缓冲作用。同时，CO₂作为自养反硝化的无机碳源，为反硝化微生物提供能源物质，而不会造成二次污染。

优选地，采用石墨板作为阴极材料，相对廉价具有良好的导电性能并且表面粗糙，微生物的亲和性较好。

优选地，选择活性炭(粒径4～6mm)和海绵铁(粒径6～8mm)按照8:1的比例作为颗粒填料。颗粒材料应具有导电性能好、比表面积大、稳定性好微生物亲和性高等特点。

本发明的有益效果：

本发明的反应器：阳极为一铁制圆盘带有五个螺孔，可根据处理水的种类的差当处理低浓度废水异更换不同种类的阳极；进水流速低或处理不含有难降解物质的废水(如，二沉池出水)，可选用一个阳极旋入圆盘的正中间的螺孔。当进水流速高或进水中包含难降解有机物，可通过增加阳极数量，延长了废水与阳极的接触时间。通过更换不同阳极种类，提高反应器运行效率。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

颗粒填料：本发明中，活性炭(粒径4-6mm)和海绵铁(粒径6-8mm)按照8:1的比例被选择作为颗粒填料。活性炭具有强吸附能力，可以吸附大量的微生物。在电解过程中，活性炭能释放CO₂，溶于水后生产CO₃ ^2-和HCO₃ ^-，不仅可以缓冲系统的酸碱度，而且可以作为自养微生物的无机碳源。添加少量的海绵铁作为颗粒填料。海绵铁疏松的结构，具有很大的表面积同时还有一定量的单质铁，在电化学过程中单质铁易被氧化腐蚀生产Fe²⁺和F³⁺，可通过化学絮凝作用去除部分难降解有机物和除磷的效果。

阴极材料：形状为空心圆柱带孔结构，沿反应器器壁放置(如图1所示)。该结构有利于增加自身比表面积，加快了废水在反应器内的流动性，进而提高了废水的电氧化处理效果。该阴极材料为不锈钢材料，具有性质稳定，机械强度高，耐久性号等特点。

阴极电解水产氢，氢从生物膜内向外扩散，在传质方向和传质动力上都得到增强。

阳极材料：该阳极材料可根据处理废水的种类和进水流速选择。主要包括金属阳极和碳质阳极两类。金属阳极(如铁、铝、镍、不锈钢等)具有良好的导电性能，电化学氧化效果非常显著。碳质阳极价格便宜，优质的碳材料的溶解速度比金属阳极的腐蚀速度慢。在运行中，会CO₂，溶于水后可以起到pH缓冲作用。同时，CO₂可以作为自养反硝化的无机碳源，为反硝化微生物提供能源物质。

生物膜：添加实验室成功驯化的硫自养反硝化污泥，阴极板电解水产生的H₂作为氢自养反硝化菌的电子供体进行反硝化脱氮。自养菌利用CO₂和部分少量的有机物质作为的电子供体进行自养反硝化。通过微生物的反硝化能力去除水体的硝酸盐氮，降低了用电能耗。阳极可根据进水流速的大小和不同种类的废水选择不同材料和数量的阳极，阳极呈对称分布在阳极面板的上下左右四个方向，具体示意图如图1所示；本技术核心的技术特征在于“三维电极和生物膜反应器”三维的技术特征是在传统的二维电极设备中的阳极和阴极之间投加颗粒或碎片状的填料作为第三电极，在电场的作用下，这些装载的填料表面带电并产生极化形成三维电极。同时，这些填料的表面吸附了大量的微生物，构成三维电极生物膜反应器(Three-dimension biofilm-electrode,3DBER)，利用电化学与微生物共同作用对污染物进行降解。

附图说明

图1为本发明的三维电极膜生物反应器的三视图；

图2为本发明的三维电极膜生物反应器的流程图；

其中，1-壳体，2-阳极，3-阴极，4-铁碳填充层，5-进水口，6-出水口，7-进水采样点，8-中部采样点，9-电线。

图3为本发明应用实例的装置流程图，11-进水桶；12-进水管；13-进水泵；14-布水斗；15-承托层；16-阴极板；17-填料；18-阳极板；19-出水管；10-直流电源，(箭头方向为水流方向)

具体实施方式

结合附图说明如下：

如图1和2所示，一种三维电极生物膜反应器，它包括一个圆柱形的壳体(1)，侧边下方设有进水口(5)，阴极(3)为空心圆柱带孔结构，连接在直流电源的负极上，阴极的空心圆柱中间的位置放置阳极，阳极为圆盘带螺孔结构。阳极连接在直流电源的正极上，阳极和阴极之间填充铁碳，并在接种一定量的实验室驯化的硫自养微生物，形成生物膜。阴极和壳体之间填充活性炭。排水口设置在壳体上方，通过进水口的蠕动泵调节水力停留时间。

图3所示，3DBER由有机玻璃制成，直径28cm，总高50cm，从下到上分别是底座(12cm)、布水漏斗(5cm)、填料区(28cm)和超高(5cm)，有效体积为16L。阳极板竖直安装在反应器的中心，两块阴极板平行的安装在阳极板的两侧，距离阳极板10cm。极板的材料均采用石墨板，阳极板厚为1cm，阴极板厚为0.6cm。反应器内的填充材料以海绵铁和活性炭颗粒按照1:8的比例混合而成。

壳体(1)的材料为钢衬塑料，阴极(3)材料为不锈钢。

阴极上的孔径为0.5cm。

本发明的反应器结构简单，阳极可以根据处理的废水的种类，浓度，水量自由调节阳极的数量和更换阳极的种类。阴极为空心圆柱带孔结构体，增加了自身的体积比提高了废水在反应器中的流动性，减缓了阴极结垢现象的发生。生物膜的形成降低了反应器的能耗，微电流亦能刺激生物生长繁殖，互为有利。废水的基本特征为：COD＝120mg/L，NO₃ ^--N＝35mg/L，TP＝3mg/L，pH＝7.5，S₂O₃ ^2-＝60mg/L。

3DBER-Fe/S系统的启动分为两个阶段，包括自养启动阶段(43天)和混合营养启动阶段(18天)，共计启动61天。

在自养启动阶段，为保证自养微生物能够更快生长，未向进水中添加葡萄糖，进水COD保持在50mg/L左右。出水COD浓度从158mg/L降低到30mg/L左右，在启动初始阶段出水COD浓度较高可能是因为填料中残留有有机物，并且启动初期微生物活性较低，对COD的降解能力有限。

第二阶段，向进水中添加76.29mg/L的葡萄糖，使进水COD浓度为120mg/L，经过18天的稳定运行，出水COD浓度稳定在27±2mg/L。

启动阶段过后，在水力停留时间为6h,电流为50mA,C/N为1:1，出水的NO₃ ^--N、TN和TP的去除率分别为98.07％、82.09％和79.7％。在进水布洛芬浓度为1000μg/L，其出水去除率可达97.86％。

Claims (10)

1.一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器，其特征在于，该反应器包括壳体(1)、阳极(2)、阴极(3)、铁碳填充层(4)、进水口(5)、出水口(6)、进水采样点(7)、中部采样点(8)、电线(9)和直流电源(10)；所述的壳体(1)下端设置进水口(5)，反应器内分部别放置阴极(3)和阳极(2)，并通过(9)分别连接直流电源(10)的正负极，进水口(5)的一头连接蠕动泵，出水口(6)靠重力排出；

阴极(3)和阳极(2)之间放置颗粒填料；阴极(3)和壳体(1)之间放置颗粒填料；颗粒填料为铁碳填充层(4)，铁碳填充层(4)的铁碳粒径8-10mm；

阴极(3)置于反应器的下部，进水采样点(7)设置在进水口(5)处，中部采样点(8)设置在壳体(1)的外表面；阳极(2)置于反应器的上部。

2.根据权利要求1所述的一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器，其特征在于，所述的阳极(2)和阴极(3)的轴线与所述的壳体(1)的轴线重合。

3.根据权利要求1所述的一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器，其特征在于，所述的壳体(1)为圆柱形的塑料壳体。

4.根据权利要求1所述的一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器，其特征在于，所述的阴极(3)为不锈钢材料。

5.根据权利要求1所述的一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器，其特征在于，所述的阳极(2)为圆盘复合四种不同圆柱型材料的阳极。

6.根据权利要求1所述的一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器器，其特征在于，所述的阳极(2)通过圆盘上的螺孔与四种不同圆柱形材料上端的螺纹相连接。

7.根据权利要求1所述的一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器，其特征在于，所述的阴极(3)上的孔的孔径为0.5cm。

8.根据权利要求1所述的一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器，其特征在于，选择高纯度的石墨板作为阳极材料；采用石墨板作为阴极材料。

9.根据权利要求1所述的一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器，其特征在于，选择活性炭和海绵铁按照8:1的比例作为颗粒填料。

10.根据权利要求9所述的一种处理低碳氮比废水和难降解有机物的生物膜反应器，其特征在于，所述的海绵铁和活性炭填充层接种硫自养微生物并完成挂膜，形成生物膜。

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