CN116332324B - 一种电化学强化好氧微生物无隔膜废水电解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水处理领域，公开了一种电化学强化好氧微生物无隔膜废水电解装置，包括电解池单元，曝气单元和电化学供电单元。其中，电解池单元包括外层支撑壳体，阴极壳体和阳极柱；阴极壳体设于外层支撑壳体内；阳极柱设于外层支撑壳体内且不与阴极壳体接触；阳极柱上负载有好氧微生物；曝气单元通过管路与所述外层支撑壳体的底部连通。本发明为单室结构的无隔膜废水电解装置，可有效降低内阻，从而增大有机污染物处理量。本发明装置中设有好氧微生物，在有游离氧存在下降解有机物速度较快，废水停留时间较短，对有机物降解更为完全，去除率高于厌氧微生物；处理过程中散发的臭气较少；对电流和电压的极限较高。
Description
技术领域
本发明涉及水处理领域，尤其涉及一种电化学强化好氧微生物无隔膜废水电解装置。
背景技术
医药农药化工企业生产废水治理难度高，需要投入大量的人力以及物力，导致企业运营成本的升高，排放到自然环境中会造成严重危害性，给当前生态环境保护和社会经济发展造成影响。
微生物处理装置常用于农药医药废水处理，其利用微生物的新陈代谢作用，将废水中的有机污染物逐级降解为二氧化碳，水和简单无机物等。但医药农药废水组成复杂，污染物浓度高，常含有毒性物质，使得装置处理效果不稳定，维护成本高，效率低下。
微生物电解池(MEC)作为一种强化微生物处理工艺技术，涉及微生物学、电化学等多个学科交叉领域。其在阴阳极之间施加外电压，以微生物作为主体，电极与微生物之间存在相互的电子迁移，进而实现某种化学反应，降解水中有机污染物。
微生物电解池装置作为一种新型的化工废水处理装置，其目前研究的重点为：优化处理参数或改进其结构设计，以提高水处理性能。传统微生物电解池装置多以双室的型式出现，其中阴阳极所在两室由离子交换膜材料分开。但离子交换膜材料的存在，增大了反应器的内阻，影响了系统内电荷循环。离子交换膜材料本身成本较高，且在运行过程中存在膜污染的可能，会降低装置的水处理能力，限制大规模工业化应用。
此外，传统微生物电解池多为厌氧微生物装置，其缺点在于：(1)废水停留时间较长、有机物分解不完全等缺点；(2)在降解过程中会产生大量的臭气；(3)电流具有区间性，超过一定的电压电流极限(厌氧活性污泥电压极限通常为0.5-1V，电流极限为10mA)，，处理效率就会大幅下降。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电化学强化好氧微生物无隔膜废水电解装置，本发明为单室结构的无隔膜废水电解装置，可有效降低内阻，从而增大有机污染物处理量。本发明装置中设有好氧微生物，相对于厌氧微生物，好氧微生物在有游离氧(分子氧)存在的条件下降解有机物，其反应速度较快，废水停留时间较短，对有机物降解更为完全，去除率通常高于厌氧微生物；处理过程中散发的臭气较少；对电流和电压的极限较高。
本发明的具体技术方案为：一种电化学强化好氧微生物无隔膜废水电解装置，包括：电解池单元，包括：
外层支撑壳体；所述外层支撑壳体上设有进水管路和出水管路；
作为阴极的阴极壳体，设于所述外层支撑壳体内；
作为阳极的阳极柱，设于所述外层支撑壳体内且不与阴极壳体接触；所述阳极柱上负载有好氧微生物；
曝气单元，通过管路与所述外层支撑壳体的底部连通；
电化学供电单元，分别与所述阳极和阴极电连接。
本发明装置尤其适用于医药农药化工企业生产的废水，其工作原理为：废水和气体由外层支撑壳体底部的进水管路进入，在上升过程中，在电化学以及好氧微生物的双重作用下，废水中的有机物高效地发生降解，逐级降解为二氧化碳、水和简单无机物等，降解后的废水通过外层支撑壳体顶部的出水管路排出。
本发明对现有双室结构(含隔膜)的微生物电解池装置进行改进，取消了隔膜的设计，整个装置为单室结构，因此能够减少内阻，能够增大有机污染物处理量。
此外，传统微生物电解池多为厌氧微生物装置，而本发明在阳极柱上负载的是好氧微生物，相对于厌氧微生物，好氧微生物在有游离氧(分子氧)存在的条件下降解有机物，其反应速度较快，废水停留时间较短，对有机物降解更为完全，去除率通常高于厌氧微生物；处理过程中散发的臭气较少；对电流和电压的极限较高。并且在此基础上辅以曝气单元供氧，可进一步有利于好氧微生物的代谢和繁殖。在运行状态下，好氧微生物扩散至水中以悬浮状态分布，不会发生分层和沉降。其原因在于：(1)在曝气单元的曝气下，水体自身可快速流动传质，使得细小微生物可悬浮于水中；(2)溶解氧含量充足，微生物活性好，不会出现死亡沉降的现象。
作为优选，所述阳极柱上设有用于负载好氧微生物且不与阴极壳体接触的阳极填料。
阳极填料的存在可以提高微生物菌落和电极的接触面积，更好地进行直接电子传递和间接电子传递，促进电化学强化微生物的效果，进而增加废水处理能力。每根阳极柱上的阳极负载填料之间可以相互接触，但不可与阴极桶接触以免发生短路造成装备的损坏。
作为优选，所述阳极填料以多层形式串设于阳极柱轴向上。
作为优选，所述阳极填料为导电材料，进一步优选为碳纤维。
作为优选，所述阳极柱的数量为一个或多个并联。
阳极柱多组并联可提高装置的电化学作用效果。
作为优选，所述好氧微生物为短芽孢杆菌，命名为JSCW-2022-A1324，已于2022年05月12日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，其微生物保藏编号为CGMCC No.24887，微生物分类命名为短芽孢杆菌Brevibacillus.sp。
本发明选用的好氧微生物为筛选而得的短芽孢杆菌，该菌株与现有的其他短芽孢杆菌相比，具有更强的耐盐、耐碱和耐电流能力，因此能完美适配本发明的应用场景(高浓医药农药化工废水通常具有高盐高碱的特点，以及电解处理过程中会产生电流)。具体地，本发明菌株可耐受8％盐浓度、pH＝12的废水，并且在80mA电流下仍可存活7天以上，且仍具有降解污染能力。故本装置电流最大载荷为70mA，电压最大载荷4V，高于一般的微生物电解池的电压电流(0.5-1V，10mA)。
作为优选，所述电化学供电单元中集成有用于检测所述阴极电流和阳极电流的电流数控检测器。
电流数控检测装置用于实时控制输出电流和电压大小，并向配套的计算机输出多项电化学参数与设备运行参数，该装置可采用本领域的现有技术。
作为优选，所述阴极壳体的下方设有布气布水板；所述布气布水板的高度高于进水管路。
布气布水板的作用是可使通入装置的气体和废水均匀分布，保持均质状态，促进反应的进行。
作为优选，所述曝气单元中集成有气量调节监控器。
气量调节监控器可可实时调节曝气量，确保好氧微生物拥有足够氧气并保持悬浮状态。
作为优选，所述进水管路上设有进水流量调节监控器；所述出水管路上设有出水流量调节监控器。
进水流量调节监控器用于实时调节废水的进水流量，出水流量调节监控器可实时调节废水的出水流量，该设备为本领域的现有技术。
作为优选，所述外层支撑壳体呈圆桶状。
作为优选，所述阴极壳体呈顶部和顶部均开口的圆桶状，材质为不锈钢或钛合金。
作为优选，所述阳极柱的材质为石墨或镀钌铱氧化物钛合金。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
(1)本发明为单室结构的无隔膜废水电解装置，可有效降低内阻，从而增大有机污染物处理量。
(2)本发明装置中设有好氧微生物，相对于厌氧微生物，好氧微生物在有游离氧存在的条件下降解有机物，其反应速度较快，废水停留时间较短，对有机物降解更为完全，去除率通常高于厌氧微生物；处理过程中散发的臭气较少；对电流和电压的极限较高。
(3)本发明设有曝气单元，可有利于好氧微生物的代谢和繁殖，并且可维持好氧微生物在水中以悬浮状态分布，不会发生分层和沉降。
(4)本发明采用自筛而得的好氧微生物——短芽孢杆菌JSCW-2022-A1324，该菌株与现有的其他短芽孢杆菌相比，具有更强的耐盐、耐碱和耐电流能力，因此能完美适配本发明的应用场景。
(5)本发明在阳极柱上设有阳极填料，可以提高微生物菌落和电极的接触面积，更好地进行直接电子传递和间接电子传递，促进电化学强化微生物的效果，进而增加废水处理能力。
附图说明
图1为本发明电化学强化好氧微生物无隔膜废水电解装置的一种透视结构图；
图2为本发明菌株在不同盐度(2％，4％，6％，8％)下的生长曲线图；
图3为本发明菌株在不同pH(5，7，9，12)下的生长曲线图；
图4为本发明菌株在不同电流作用下(0mA，10mA，30mA，50mA)下的生长曲线图；
图5为本发明菌株的菌落形态照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
总实施例
一种电化学强化好氧微生物无隔膜废水电解装置，包括电解池单元、曝气单元6和电化学供电单元7。其中：
电解池单元包括呈顶部开口圆桶状的外层支撑壳体1、作为阴极的阴极壳体4和作为阳极的阳极柱5。外层支撑壳体的底部设有进水管路2，顶部设有出水管路3。进水管路上设有进水流量调节监控器12；出水管路上设有出水流量调节监控器13。
阴极壳体设于外层支撑壳体内，呈顶部和底部均开口的圆桶状；。材质为不锈钢或钛合金。阴极壳体的下方设有布气布水板10，其高度高于进水管路。
阳极柱的数量为一个或多个并联，设于阴极壳体内且不与阴极壳体接触。材质为石墨或镀钌铱氧化物钛合金。阳极柱的轴向上设有多层阳极填料8(导电材料，优选碳纤维)，阳极填料不与阴极壳体接触且其上负载有好氧微生物(短芽孢杆菌Brevibacillus.spJSCW-2022-A1324，微生物保藏编号为CGMCC No.24887)。
曝气单元设于外层支撑壳体外，通过管路与外层支撑壳体的底部连通。曝气单元中集成有气量调节监控器11。
电化学供电单元设于外层支撑壳体外，分别与阳极和阴极电连接用于供电。电化学供电单元中集成有用于检测阴极电流和阳极电流的电流数控检测器9。
实施例1
如图1所示，一种电化学强化好氧微生物无隔膜废水电解装置，包括电解池单元、曝气单元6和电化学供电单元7。其中：
电解池单元包括呈圆桶状的外层支撑壳体1、阴极壳体4和阳极柱5。外层支撑壳体的底部设有进水管路2，顶部设有出水管路3。进水管路上设有进水流量调节监控器12；出水管路上设有出水流量调节监控器13。
阴极壳体设于外层支撑壳体内，呈顶部和底部均开口的圆桶状。材质为不锈钢。阴极壳体的下方设有布气布水板10，其高度高于进水管路。
阳极柱的数量为四个并联，设于阴极壳体内且不与阴极壳体接触。材质为石墨。阳极柱的轴向上设有多层阳极填料8(碳纤维材质)，阳极填料不与阴极壳体接触且其上负载有好氧微生物(短芽孢杆菌Brevibacillus.sp JSCW-2022-A1324，微生物保藏编号为CGMCCNo.24887)。
曝气单元设于外层支撑壳体外，通过管路与外层支撑壳体的底部连通。曝气单元中集成有气量调节监控器11。
电化学供电单元设于外层支撑壳体外，分别与阳极和阴极电连接用于供电。电化学供电单元中集成有用于检测阴极电流和阳极电流的电流数控检测器9。
本实施例上述的工作原理为：废水和气体由外层支撑壳体底部的进水管路进入阴极壳体底部，进一步经布气布水板均匀上升进入阴极壳体内部以及周围，在电化学以及好氧微生物的双重作用下，废水中的有机物高效地发生降解，逐级降解为二氧化碳、水和简单无机物等，降解后的废水通过外层支撑壳体顶部的出水管路排出。
实施例2
一种电化学强化好氧微生物无隔膜废水电解装置，包括电解池单元、曝气单元6和电化学供电单元7。其中：
电解池单元包括呈圆桶状的外层支撑壳体1、阴极壳体4和阳极柱5。外层支撑壳体的底部设有进水管路2、顶部设有出水管路3。进水管路上设有进水流量调节监控器12；出水管路上设有出水流量调节监控器13。
阴极壳体设于外层支撑壳体内，呈顶部和底部均开口的圆桶状。材质为钛合金。阴极壳体的下方设有布气布水板10，其高度高于进水管路。
阳极柱的数量为一个，设于阴极壳体内且不与阴极壳体接触。材质为镀钌铱氧化物钛合金。阳极柱的轴向上设有多层阳极填料8(碳纤维材质)，阳极填料不与阴极壳体接触且其上负载有好氧微生物(短芽孢杆菌Brevibacillus.sp JSCW-2022-A1324，微生物保藏编号为CGMCC No.24887)。
曝气单元设于外层支撑壳体外，通过管路与外层支撑壳体的底部连通。曝气单元中集成有气量调节监控器11。
电化学供电单元设于外层支撑壳体外，分别与阳极和阴极电连接用于供电。电化学供电单元中集成有用于检测阴极电流和阳极电流的电流数控检测器9。
微生物鉴定及性能测试
(一)菌株JSCW-2022-A1324的鉴定
(1)形态学特征：
在LB液体培养基中好氧培养2d后，菌液呈浅黄色，有粘附性。如图5所示，菌落呈黄白色、圆形、湿润、边缘整齐、表面光滑。菌株的革兰氏染色结果为阴性。
(2)生理生化特征：
好氧，水解蔗糖，葡萄糖，麦芽糖，接触酶，氧化酶反应阳性。生长温度范围为0℃-50℃(实际工程使用，零下温度时，仍然自身产热生存)。
(3)16S rDNA：菌株JSCW-2022-A1324的16S rDNA基因序列如SEQ ID NO：1所示，具体如下：
综合上述形态学特征、生理生化特征和16S rDNA比对结果，推断菌株JSCW-2022-A1324为短芽孢杆菌属内的一个新种，暂定名称为Brevibacillus.sp JSCW-2022-A1324，已在2022年5月12日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏单位地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏编号为CGMCC No.24887。
(二)对短芽孢杆菌JSCW-2022-A1324对盐度、pH以及电流的耐受性进行测试：
(1)在不同盐度下的生长状况：
图2为本菌株在不同盐度(2％，4％，6％，8％)下的生长曲线。由图2可以看出，在2-4％盐度变化下，菌活性随盐度升高而升高，在盐度4％左右，菌活性达到峰值。在4-8％盐度变化下，菌活性随盐度升高而降低，本菌株在极高盐度情况下仍然可以保持较高活性。
(2)在不同pH下的生长状况：
图3为本菌株在不同pH(5，7，9，12)下的生长曲线。由图3可以看出，在pH为7左右时菌活性最高。当pH＜7时为酸性环境，例如pH为5时，菌活性明显下降5h后曲线持续走低，说明本菌种在酸性条件活性明显抑制，菌种不适合在酸性条件生存和培养。当pH>7时为碱性环境，例如pH为9时，菌种活性相对于中性略有下降，但仍保持较高的活性。当pH为12时，碱性环境增强，菌种活性降低，但也依然能够保持一定的活性，不会出现酸性条件时受到抑制的情况。
(3)在不同电流下的生长状况：
图4为本菌株在不同电流作用下(0mA，10mA，30mA，50mA)下的生长曲线。由图4可以看出，菌活性随电流的增大而逐渐呈现增大的趋势，在50mA时菌活性最高。充分说明了电流对菌种活性的促进作用。
实际应用案例
实施例1的装置处理医药农药生产废水的COD(化学需氧量)范围为3000-40000mg/L，总氮范围为100-2000mg/L，氨氮范围为100-2000mg/L，TDS盐分范围为0.5-8％，pH酸碱性范围为7-12，进水可含有少量固体悬浮物质。
以处理江苏某化工厂医药废水为例。装置进水(即未处理废水)COD为19060mg/L，总氮1150mg/L，氨氮206mg/L，TDS为2.4％，pH为8，控制电流50mA。好氧微生物投加量为水样离心后沉淀微生物体积占总水体的0.5％左右。进水速率7L/24h(总容积40L)，出水速率与进水保持一致，装置连续运行15天数据见表1。
| 运行天数 | COD(mg/L) | 总氮(mg/L) | 氨氮(mg/L) | TDS(％) | pH |
| 3 | 3778 | 1050 | 860 | 2.4 | 8 |
| 5 | 3888 | 980 | 880 | 2.3 | 7.9 |
| 7 | 3542 | 976 | 906 | 2.2 | 7.6 |
| 9 | 3458 | 968 | 951 | 2.3 | 7.5 |
| 11 | 3496 | 953 | 941 | 2.5 | 7.9 |
| 13 | 3410 | 943 | 940 | 2.6 | 7.3 |
| 15 | 3398 | 930 | 920 | 2.5 | 7.5 |
由上表可以看到，本装置主要降解水质指标为COD和有机氮(总氮数值-氨氮数值)，可提高水体的整体可生化性，平均COD去除率为81.2％，平均有机氮除去率为93.9％。装置处理后的出水可进入低浓度生化废水处理系统，做进一步处理。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种电化学强化好氧微生物无隔膜废水电解装置，其特征在于包括：
电解池单元，包括：
外层支撑壳体（1）；所述外层支撑壳体上设有进水管路（2）和出水管路（3）；
作为阴极的阴极壳体（4），设于所述外层支撑壳体内；
作为阳极的阳极柱（5），设于所述外层支撑壳体内且不与阴极壳体接触；所述阳极柱上负载有好氧微生物；所述好氧微生物为短芽孢杆菌，命名为JSCW-2022-A1324，已于2022年05月12日在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏，其微生物保藏编号为CGMCC No.24887，微生物分类命名为短芽孢杆菌Brevibacillus.sp；
曝气单元（6），通过管路与所述外层支撑壳体的底部连通；
电化学供电单元（7），分别与所述阳极和阴极电连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述阳极柱上设有用于负载好氧微生物且不与阴极壳体接触的阳极填料（8）。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述阳极填料以多层形式串设于阳极柱轴向上。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述阳极填料为导电材料。
5.如权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于：所述阳极柱的数量为一个或多个并联。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电化学供电单元中集成有用于检测所述阴极电流和阳极电流的电流数控检测器（9）。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述阴极壳体的下方设有布气布水板（10）；所述布气布水板的高度高于进水管路。
8.如权利要求1或7所述的装置，其特征在于：所述曝气单元中集成有气量调节监控器（11）。
9.如权利要求1或7所述的装置，其特征在于：所述进水管路上设有进水流量调节监控器（12）；所述出水管路上设有出水流量调节监控器（13）。
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