CN113651414B

CN113651414B - 一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器及其使用方法

Info

Publication number: CN113651414B
Application number: CN202110922908.8A
Authority: CN
Inventors: 王志伟; 李胄彦; 王雪野; 任乐辉; 查文桂
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2041-08-12
Also published as: CN113651414A

Abstract

本发明公开了一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器及其使用方法，属于污水处理技术领域。该反应器包括进水管、进水泵、反应器壳体、三维碳基电极组件、直流电源、搅拌装置、泥水分离装置、污泥回流管、污泥回流泵、排泥管、出水管、流量计；三维碳基电极组件以适当间隔置于反应器内，并交替与直流电源的正、负极连接；污泥回流泵将反应器内的悬浮污泥经回流管从水泥分离装置底端回流至反应器前端。本发明反应器经功能菌接种并启动运行稳定后，在连续流模式下运行时，可以高效地实现半导体行业有机废水中四甲基氢氧化铵分解以及其他难降解有机物的转化，显著提高污水可生化性，满足了后续生化工艺对有机物高效去除和深度脱氮的需求。

Description

一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器及其使用方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器及其使用方法。

背景技术

半导体行业是我国发展信息产业的基础和重要一环，对国家经济发展、工业布局和产业升级具有重大战略意义，随着相关产业在我国的迅猛发展，产生了大量半导体行业废水，其对环境的压力势必增加。其中，半导体行业有机废水(以下简称“有机废水”)因污染物种类繁多、毒性强、难降解等特点，成为半导体行业废水中处理难度最高的一类废水，其高效处理成为了半导体行业的难点、痛点。有机废水中含有大量四甲基氢氧化铵等毒性强的典型有机污染物，其排放受到相关标准的强制限制，但常用的处理方法(包括活性污泥法、高级氧化法、吸附法等技术)通常对这些典型有机污染物的去除效果并不理想，且技术经济性较差。

生物电化学反应器是一类新兴的污水处理技术，其可以通过在电极间施加一个微弱的电压刺激体系内的某些电活性微生物，实现包括四甲基氢氧化铵在内的难降解污染物转化，提升体系处理效能。其中，电活性微生物可以通过细胞色素、鞭毛、某些外膜蛋白等途径接收阴极提供的电子，并将其利用到污染物的转化过程中，进而克服污染物转化能垒、提高污染物转化速率。而产电微生物可以利用某些有机污染物，并将污染物中的电子释放出来并传递到阳极上。此外，通过废水生物毒性的降低、有机中间产物的产生、胞外聚合物的分泌等相互作用，电活性微生物可以与非电活性微生物建立互营共生关系。

发明内容

针对半导体行业有机废水水质特征，本发明提供了一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器及其使用方法，该反应器采用三维碳基电极组件，通过稳压直流电源施加微弱的电压刺激体系内的某些电活性微生物，并通过废水生物毒性的降低、有机中间产物的产生、胞外聚合物的分泌等相互作用，使电活性微生物与非电活性微生物建立互营共生关系。在连续流模式下操作运行时，实现包括四甲基氢氧化铵在内的难降解污染物转化，提升体系处理效能。

为实现以上技术目的，本发明的提供以下技术方案：一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器，包括进水管、进水泵、反应器壳体、若干个三维碳基电极组件、直流电源、搅拌装置、泥水分离装置、污泥回流管、污泥回流泵、排泥管、出水管、流量计；所述进水管一端置于所述反应器壳体前端；所述若干个三维碳基电极组件以2cm-5cm间隔放置于反应器内，并交替与所述直流电源的正、负极连接，所述泥水分离装置通过污泥回流管与所述反应器内设置所述若干个三维碳基电极组件的反应空间连通；所述污泥回流泵设置于所述污泥回流管上，将反应器内的悬浮污泥经所述污泥回流管从所述泥水分离装置的底端回流至所述若干个三维碳基电极组件的反应空间所在的反应器前端，以保持反应器内污泥浓度。

进一步地，所述三维碳基电极组件是采用一种在保护气氛围下经高温碳化、具有高比表面积和三维微米级孔道结构的平板式碳基电极材料。

进一步地，所述直流电源为直流稳压电源，电压范围为0.3～1.2V。

进一步地，反应器壳体内的水力停留时间为4～24小时。

进一步地，污泥龄为10～30天。

本发明还提供上述一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器的使用方法，包括以下步骤：

S1：接种阶段，使用活性污泥和功能菌剂接种，此阶段不进水和出水，保持反应器内较均匀混合，需3～7天；

S2：启动阶段，反应器在连续流模式下运行，连续进水和出水，正常排泥，需10～60天启动运行至污染物去除率达到稳定且电流上升并达到稳定；

S3：稳定运行阶段，反应器在连续流模式下运行，连续进水和出水，正常排泥，可以高效地实现废水中四甲基氢氧化铵分解以及其他难降解有机物的转化。

本发明的原理：本发明所公开的反应器可以通过在若干个三维碳基电极组件间施加一个微弱的电压刺激体系内的功能电活性微生物，实现包括四甲基氢氧化铵在内的难降解污染物转化，提升体系处理效能。其中，电活性微生物可以通过细胞色素、鞭毛、某些外膜蛋白等途径接收阴极提供的电子，并将其利用到污染物的转化过程中，进而克服污染物转化能垒、提高污染物转化速率。而产电微生物可以利用某些有机污染物，并将污染物中的电子释放出来并传递到阳极上。此外，通过废水生物毒性的降低、有机中间产物的产生、胞外聚合物的分泌等相互作用，电活性微生物可以与非电活性微生物建立互营共生关系。所述反应器内形成的微生物生态系统可以实现如下反应路径图所示的四甲基氢氧化铵向低取代度的有机胺和氨氮高效转化，及有机废水中其他难降解有机物的转化、矿化，有效提高有机废水可生化性，具有实现半导体行业有机废水低耗、高效处理的潜力。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1、本发明提供的反应器通过施加在电极间施加一个微弱的电压刺激体系内的功能电活性微生物，实现包括四甲基氢氧化铵在内的难降解污染物转化，且处理效率更高。

2、本发明提供的反应器内，产电微生物、电活性微生物及非电活性微生物构成互营共生的微生物生态系统，功能相互补充，协同处理四甲基氢氧化铵等难降解有机物。

3、四甲基氢氧化铵在本发明提供的反应器内微生物系统作用下，可以向低取代度的有机胺和氨氮高效转化，且在后续处理中被常规生物处理方法更容易被有效脱除。

4、本发明提供的反应器可以实现有机废水中四甲基氢氧化铵等难降解有机物的转化及部分矿化，同时有效提高有机废水可生化性。

5、本发明提供的反应器采用一体化设计，结构简单、紧凑，易制成成套化装备。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明提供的反应器的结构示意图；

附图标记：

1.进水管；2.进水泵；3.反应器壳体；4.三维碳基电极组件；5.直流电源；6.搅拌装置；7.泥水分离装置；8.污泥回流管；9.污泥回流泵；10.排泥管；11.出水管；12.流量计。

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。

实施例1：

如图1所示，为本发明提供的一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器，包括进水管1、进水泵2、反应器壳体3、三维碳基电极组件4、直流电源5、搅拌装置6、泥水分离装置7、污泥回流管8、污泥回流泵9、排泥管10、出水管11、流量计12；进水管1一端置于反应器壳体3前端；三维碳基电极组件3以适当间隔放置于反应器内，并交替与直流电源5的正、负极连接；污泥回流泵9将反应器内的悬浮污泥经回流管8从水泥分离装置6底端回流至反应器3前端，以保持反应器内污泥浓度。

本发明所采用的三维碳基电极组件4是采用商购的一种在保护气氛围下经高温碳化、具有高比表面积和三维微米级孔道结构的平板式碳基电极材料。

直流电源为直流稳压电源，电压范围为0.3～1.2V，反应器壳体内的水力停留时间为4～24小时，污泥龄为10～30天。具体的工作时直流电压、反应器壳体内的水力停留时间以及污泥龄可以根据实际所要达到的有机废水处理效果在上述各自的范围内进行选择。

利用上述电促生物反应器处理含四甲基氢氧化铵的实际半导体行业有机废水，其使用方法，包括以下步骤：

S3：稳定运行阶段，反应器在连续流模式下运行，连续进水和出水，正常排泥，可以高效地实现废水中四甲基氢氧化铵分解以及其他难降解有机物的转化。具体S1步骤所需要的天数以及S2步骤所需要的天数根据实际使用需求进行选择。

实验工况为：在连续流模式下运行，进水TOC为300mg/L，四甲基氢氧化铵为450mg/L，进水pH为10，水力停留时间为24h。结果显示，出水TOC为200mg/L，四甲基氢氧化铵浓度为25mg/L，出水氨氮浓度为60mg/L，出水pH为7.5。

实施例2：

利用与实施例1相同的电促生物反应器处理含四甲基氢氧化铵的实际半导体行业有机废水，实验工况为：在连续流模式下运行，进水TOC为300mg/L，四甲基氢氧化铵为450mg/L，进水pH为11，水力停留时间为12h。结果显示，出水TOC为250mg/L，四甲基氢氧化铵浓度为75mg/L，出水氨氮浓度为40mg/L，出水pH为8.0。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。任何熟悉此类技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有技术知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器，其特征在于，包括进水管（1）、进水泵（2）、反应器壳体（3）、若干个三维碳基电极组件（4）、直流电源（5）、搅拌装置（6）、泥水分离装置（7）、污泥回流管（8）、污泥回流泵（9）、排泥管（10）、出水管（11）、流量计（12）；所述进水管（1）一端置于所述反应器壳体（3）前端；所述若干个三维碳基电极组件（4）以2 cm-5 cm间隔放置于反应器内，并交替与所述直流电源（5）的正、负极连接，所述泥水分离装置（7）通过污泥回流管（8）与所述反应器内设置所述若干个三维碳基电极组件（4）的反应空间连通；所述污泥回流泵（9）设置于所述污泥回流管（8）上，将反应器内的悬浮污泥经所述污泥回流管（8）从所述泥水分离装置（7）的底端回流至所述若干个三维碳基电极组件（4）的反应空间所在的反应器前端，以保持反应器内污泥浓度；

所述三维碳基电极组件（4）是采用一种在保护气氛围下经高温碳化、具有高比表面积和三维微米级孔道结构的平板式碳基电极材料；

所述反应器采用三维碳基电极组件，通过稳压直流电源施加微弱的电压刺激体系内的电活性微生物，并通过废水生物毒性的降低、有机中间产物的产生、胞外聚合物的分泌相互作用，使电活性微生物与非电活性微生物建立互营共生关系；在连续流模式下操作运行时，实现包括四甲基氢氧化铵在内的难降解污染物转化；

其中，电活性微生物通过细胞色素、鞭毛、外膜蛋白途径接收阴极提供的电子，并将其利用到污染物的转化过程中；而产电微生物利用有机污染物，并将污染物中的电子释放出来并传递到阳极上；

所述的一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器使用方法，包括以下步骤：

S1：接种阶段，使用活性污泥和功能菌剂接种，此阶段不进水和出水，保持反应器内较均匀混合，需3~7天；

S2：启动阶段，反应器在连续流模式下运行，连续进水和出水，正常排泥，需10~60天启动运行至污染物去除率达到稳定且电流上升并达到稳定；

S3：稳定运行阶段，反应器在连续流模式下运行，连续进水和出水，正常排泥，实现废水中四甲基氢氧化铵分解以及其他难降解有机物的转化。

2.如权利要求1所述的一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器，其特征在于，所述直流电源（5）为直流稳压电源，电压范围为0.3~1.2 V。

3.如权利要求1所述的一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器，其特征在于，反应器壳体（3）内的水力停留时间为4~24小时。

4.如权利要求1所述的一种用于半导体行业有机废水处理的电促生物反应器，其特征在于，污泥龄为10~30天。