CN112794409A - 一种三维电极生物膜反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及废水处理技术领域，且公开了一种三维电极生物膜反应器，包括反应器，所述反应器的底部两侧固定安装有支撑腿，反应器的外壁固定安装有出水管，反应器的底部设置有布水斗，布水斗的底部固定连接有进水管，进水管的末端设置有进水桶，进水管的内部设置有进水泵，反应器的内部相对设置有两块阴极板，两块阴极板之间设置有阳极板，阳极板使用石墨板，不仅腐蚀速度较慢，在溶解时还会释放二氧化碳，溶于水后可以起到缓冲PH值的作用，同时，二氧化碳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，而不是造成二次污染，阴极板使用石墨板，不仅具有良好的导电性，表面也比较粗糙，有利于微生物的附着生长。

Description

一种三维电极生物膜反应器

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体为一种三维电极生物膜反应器。

背景技术

随着我国工农业生产的发展和城市化水平的提高，城市污水排水量迅速增加，大量未经处理或经过处理但出水氮磷仍然难以达标的城市污水排入城市湖泊、河流，使水体中氮磷污染日趋严重，其直接后果是导致了水体富营养化。

水体中的氮主要以有机氮和无机氮的形式存在。有机氮包括蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等，有机氮经过微生物的分解转化为无机氮，主要为氨氮、亚硝态氮和硝态氮。废水中氮素的去除主要通过硝化和反硝化工艺，使各种形态的氮转化为气态氮(N2、N2O等)逸出水体而使水体得到净化。针对低碳氮比高氨氮废水处理，在传统生物硝化和反硝化过程中存在碱度和碳源不足等问题，有必要开发新的脱氮途径。

传统生物脱氮过程即是利用废水中的有机物，或者通过投加有机物甲醇、乙醇等，作为电子供体来进行反硝化，将硝酸盐氮转化为无毒的氮气。通过投加有机物，可以获得较高的反硝化速率，但出水中会有残余有机物，既影响了出水水质又增加了运行费用。对于氨氮含量高的废水，如污水处理厂的污泥析出液和垃圾渗滤液等，采用传统生物脱氮方法处理时，需投加有机碳源以满足异养反硝化的需要，能耗大、处理费用高。

电极生物膜法是另一种极具潜力的脱氮方法。该技术利用氢自养菌进行反硝化，在少量或无有机碳源的条件下，能够实现对氮的去除。由于产物清洁，不会增加出水负担；更重要的是，它克服了外部直接供氢气造成的剩余气体流失和不易操作等弱点，将复杂的生物化学反应过程用简单的电流调节进行控制，能耗低，操作方便。

但是，目前的电极生物膜法的脱氮除磷效果，仍然不够理想，基于此，我们提出了一种三维电极生物膜反应器，希冀解决现有技术中的不足之处。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种三维电极生物膜反应器，具备能够高效脱氮除磷的优点。

(二)技术方案

为实现上述能够高效脱氮除磷的目的，本发明提供如下技术方案：一种三维电极生物膜反应器，包括反应器，所述反应器的底部两侧固定安装有支撑腿，所述反应器的外壁固定安装有出水管，所述反应器的底部设置有布水斗，所述布水斗的底部固定连接有进水管，所述进水管的末端设置有进水桶，所述进水管的内部设置有进水泵；

所述反应器的内部相对设置有两块阴极板，两块所述阴极板之间设置有阳极板。

作为本发明的一种优选技术方案，所述阳极板竖直安装在反应器的中心处，两块所述阴极板平行安装在阳极板的两侧。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括交流电源和导线，所述阴极板和阳极板均通过导线与交流电源电性连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述阴极板和阳极板均是石墨板，且外壁还铺设有碳毡。

作为本发明的一种优选技术方案，所述填料是活性炭和海绵铁的混合料，混合比例是8：1。

作为本发明的一种优选技术方案，所述活性炭包括以下处理步骤：

S1：将颗粒活性炭浸泡在pH＝3的稀硫酸溶液中24小时；

S2：将浸泡好的颗粒活性炭用清水清洗后，加热煮沸30分钟，冷却后再用清水冲洗，直到清洗液呈中性且没有粉末和杂质；

S3：将清洗干净后的颗粒活性炭放入105℃的烤箱中烘干。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种三维电极生物膜反应器，具备以下有益效果：

1、该三维电极生物膜反应器，通过阳极板的电解作用产生氢气，氢气自养微生物利用氢气作为电子供体实现反硝化从而去除硝酸盐氮，脱氮除磷效果更好。

2、该三维电极生物膜反应器，阳极板使用石墨板，不仅腐蚀速度较慢，在溶解时还会释放二氧化碳，溶于水后可以起到缓冲PH值的作用，同时，二氧化碳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，而不是造成二次污染。

3、该三维电极生物膜反应器，阴极板使用石墨板，不仅具有良好的导电性，表面也比较粗糙，微生物的亲和性较好，有利于微生物的附着生长。

4、该三维电极生物膜反应器，填料使用活性炭和海绵铁8：1的混合料，其中，活性炭具有很强的吸附能力，可以吸附大量的微生物，同时在电解过程中，活性炭也能释放二氧化碳，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，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⁺，通过化学絮凝作用具有高效的除磷效果。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明COD去除效果示意图；

图3为本发明硝酸盐氮去除效果示意图；

图4为本发明NO₂ ^--N和NH₄ ⁺-N出水浓度以及pH变化示意图；

图5为本发明TN去除效果示意图；

图6为本发明TP去除效果示意图。

图中：1-反应器、2-支撑腿、3-出水管、4-布水斗、5-进水管、6-进水桶、7-进水泵、8-阴极板、9-阳极板、10-交流电源、11-填料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，一种三维电极生物膜反应器，包括反应器1，反应器1用圆柱形有机玻璃制成，直径28cm，总高50cm，反应器1的底部两侧固定安装有支撑腿2，反应器1的外壁固定安装有出水管3，反应器1的底部设置有布水斗4，布水斗4的底部固定连接有进水管5，进水管5的末端设置有进水桶6，进水管6的内部设置有进水泵7；

反应器1的内部相对设置有两块阴极板8，两块阴极板8之间设置有阳极板9。

本实施例中，阳极板9竖直安装在反应器1的中心处，两块阴极板8平行安装在阳极板9的两侧，距离阳极板9十厘米。

本实施例中，还包括交流电源10和导线，阴极板8和阳极板9均通过导线与交流电源10电性连接。

本实施例中，阳极是电解过程的不断被消耗的电极，其材料种类繁多，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，但是，电解过程中金属材料很容易腐蚀，同时效率会受到电絮凝作用的影响，且较为昂贵，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，还会释放一定量的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，而不是造成二次污染。因此，本实施例中选择高纯度的石墨板作为阳极材料。

阴极在电解过程中获得电子，不会因为电解时间的延长而被消耗，所以阴极材料的选择相对更加广泛，通常选择相对廉价、表面粗糙、导电性能良好的材料。不锈钢等金属材料和石墨、碳纤维等碳质材料是目前应用最广泛的阴极材料，不锈钢具有良好的导电性能、较高的机械强度，但是表面较为光滑，不易于微生物在其表面附着生长，碳质材料如石墨、碳纤维等，具有良好的导电性能并且表面粗糙，微生物的亲和性较好，作为电解产氢的阴极，是反硝化脱氮过程中主要区域，因此大量的反硝化微生物将生长附着在阴极区，因此，本实施例中采用石墨板作为阴极材料。

阳极板9和阴极板8均采用石墨板，阳极板9厚为1cm，阴极板8厚为0.6cm，为了防止形成短路电流，在阳极板9和阴极板8的两侧还铺设一层碳毡。

本实施例中，作为第三电极的填料11，同时也是微生物的栖息场所，是微生物附着的载体，因此，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。活性炭是用得最多的颗粒之一，因其具有很强的吸附能力，可以吸附大量的微生物。同时在电解过程中，活性炭也能释放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。本实施例中，为提高TP的去除效率，少量的海绵铁也被添加作为填料11，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⁺，通过化学絮凝作用具有高效的除磷效果，因此，本实施例中，活性炭(粒径4-6mm)和海绵铁(粒径6-8mm)按照8：1的比例被选择作为填料11。

活性炭中通常含有较多的杂质，如灰分、细菌以及某些有毒有害物质等，在加入反应器1之前，需要对其进行预处理，以降低这些成分对启动初期性能影响，具体处理步骤为：

步骤1：将颗粒活性炭浸泡在pH＝3的稀硫酸溶液中24小时；

步骤2：将浸泡好的颗粒活性炭用清水清洗后，加热煮沸30分钟，冷却后再用清水冲洗，直到清洗液呈中性且没有粉末和杂质；

步骤3：将清洗干净后的颗粒活性炭放入105℃的烤箱中烘干。

本实施例中，为了检验反应装置脱氮除磷的效果，进水桶6中储存有模拟废水，硝酸盐氮(NO₃ ^--N)含量为35mg/L，总磷(TP)为3mg/L，硫代硫酸钠为60mg/L，COD/N为2，进水pH值为7.5-8.0。进水泵7采用连续进水运行模式，启动期水力停留时间(HRT)设置为8h，交流电源10的电流强度从0mA逐渐增加到60mA，出水稳定后视为启动成功。

反应装置经过50天的驯化后，其COD、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和总磷的出水效果稳定，视为启动成功。

如图2所示，启动阶段COD去除效果，启动过程COD进水浓度为50-60mg/L，出水基本保持在30mg/L。

如图3所示，启动阶段NO₃ ^--N去除效果，可以观察到启动初期NO₃ ^--N的出水浓度较高，运行10天左右的时间去除率达到了85％左右，但是波动较大，到30天左右，NO₃ ^--N出水趋于稳定，去除率高达97％。

如图4所示，启动阶段NO₂ ^--N和NH₄ ⁺-N出水浓度以及pH变化，可以看出，启动初期NO₂ ^--N和NH₄ ⁺N积累量不是很高，这是因为反应装置刚启动微生物活性不强导致反应不完全，之后积累量升高，随着反应装置的运行，NO₂ ^--N和NH₄ ⁺N积累量逐渐下降，最终分别保持在1.6mg\L和1.8mg\L左右。启动期出水pH值增加，这是应为电流强度增加，导致氢自养微生物活性增加，因为氢自养反硝化过程产生碱度。

如图5所示，启动阶段TN去除效果，可以看出启动初期系统对TN的出水浓度超过了30mg\L，去除率低于17％。但是经过50天的运行后，出水TN浓度稳定在4.5mg\L左右，去除率为86％左右。

如图6所示，启动阶段TP去除效果，总磷的去除率主要靠海绵铁和活性炭对磷酸盐的吸附沉淀作用，随着反应装置的运行，最终TP去除率约为82％。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种三维电极生物膜反应器，包括反应器(1)，其特征在于：所述反应器(1)的底部两侧固定安装有支撑腿(2)，所述反应器(1)的外壁固定安装有出水管(3)，所述反应器(1)的底部设置有布水斗(4)，所述布水斗(4)的底部固定连接有进水管(5)，所述进水管(5)的末端设置有进水桶(6)，所述进水管(6)的内部设置有进水泵(7)；

所述反应器(1)的内部相对设置有两块阴极板(8)，两块所述阴极板(8)之间设置有阳极板(9)。

2.根据权利要求1所述的一种三维电极生物膜反应器，其特征在于：所述阳极板(9)竖直安装在反应器(1)的中心处，两块所述阴极板(8)平行安装在阳极板(9)的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种三维电极生物膜反应器，其特征在于：还包括交流电源(10)和导线，所述阴极板(8)和阳极板(9)均通过导线与交流电源(10)电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种三维电极生物膜反应器，其特征在于：所述阴极板(8)和阳极板(9)均是石墨板，且外壁还铺设有碳毡。

5.根据权利要求1所述的一种三维电极生物膜反应器，其特征在于：所述填料(11)是活性炭和海绵铁的混合料，混合比例是8：1。

6.根据权利要求5所述的一种三维电极生物膜反应器，其特征在于：所述活性炭包括以下处理步骤：

S1：将颗粒活性炭浸泡在pH＝3的稀硫酸溶液中24小时；

S2：将浸泡好的颗粒活性炭用清水清洗后，加热煮沸30分钟，冷却后再用清水冲洗，直到清洗液呈中性且没有粉末和杂质；

S3：将清洗干净后的颗粒活性炭放入105℃的烤箱中烘干。

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