CN117263364B - 一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法，属于污水处理技术领域，包括箱体，箱体上方设有盖板，盖板上设有把手，把手与盖板之间活动连接，箱体内部设有多孔磁性正极、多孔自发光磁性膜负极、微生物负载填充物、发光机构、电源、进水口加热机构，多孔磁性正极与多孔自发光磁性膜负极分别与电源的正极和负极相连接，微生物负载填充物均匀分布在多孔磁性正极和负极之间。本发明采用上述的一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法，采用电磁驯化微生物技术、光催化和膜过滤相结合，实现含有机磷、有机氯及苯系有机污染物高浓度有机废水的多级净化。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其是涉及一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法。
背景技术
伴随着工业的不断发展，工业生产过程产生的各类污染物质对生产企业周边水质情况造成了重大污染，在有机污染物处理领域，水中有机磷、有机氯及苯系污染物的处理水平直接关系到生产环境周边的生态健康状况，同时也反映出当地的污水处理技术。污水中的有机磷主要包括脂肪、脂肪酸、蛋白质、氨基酸和核酸等。
其中脂肪和脂肪酸在水中以两种形式存在：一是游离脂肪酸，它以游离形式存在；二是脂类化合物中的脂肪，包括甘油三酯和磷脂。游离脂肪酸不仅在众多微生物的新陈代谢过程中发挥作用，而且可直接作为水中微生物的食物来源，从而进一步促进微生物的生长繁殖。水中有机氯化合物主要指三氯甲烷、四氯化碳、五氯乙烯、六氯苯酚、七氯苯酚和八氯苯酚等有机氯化合物。其具有的高毒性特点使得其对人类生命健康安全产生严重威胁，当人体摄入有机氯化合物超过一定浓度时可能引起癌变、神经功能损伤等严重身体机能问题。
苯系污染物是指苯、二甲苯等三种以上苯系物的总称，主要来源于石油化工产品，例如汽油、油漆、溶剂等，也有部分来自于煤的燃烧，其具有的难降解苯环结构及其高毒害性使其成为现今水污染治理体系中迫需解决的重大难点问题。此类有机废水在人类生活、畜禽养殖、工业生产等领域生产广泛，其具有高毒性、难降解、成分复杂的特点，针对有机废水的处理，多采用生物法对其中的大分子有机污染物进行降解，常见的处理方法有活性污泥法、生物转盘法等。但常见的生物处理方法对此类难降解有机物的处理能力较为薄弱，有机氯及苯系污染物的存在抑制了绝大部分微生物的处理能力。在微生物的处理上，有学者研究发现通过外加电场、磁场等物理外场的作用能够使得污水中的微生物的种群结构发生演变，同时使得污水处理系统中的微生态环境发生变化，使得演化后形成的微生物群落在利用污水中有机磷的同时还大幅度提高了其对有机废水中有机氯及苯系有机污染物的降解效果。
CN201810068556.2发明了一种电场强化膜生物污水处理器，包括钛基体钌铱涂层电极或钛基体二氧化锰涂层电极、不锈钢电极或石墨电极、平板膜或帘式中空纤维膜、曝气模块，阳极电极和阴极电极依次排列，中空膜组件位于所排列的阳极和阴极之间，但是该发明所使用的电极造价较高且使用寿命短，在污水处理的过程中增加了处理系统的总体造价，且单考虑单一电场对微生物处理废水效率的提升，在不同有机污染物的处理上也难以实现对工业有机废水中有机氯及苯系污染物的高效去除。
CN202121971898.9提出了一种化工污水处理用微电场加载厌氧平台在处理化工废水方面的运用，通过对厌氧平台外加负载电压的方法为污水处理提供微电场，在污泥的排除设置上虽有新意，但长时间利用外加电流产生微电场的方法使得所施加电流不能完全转化为可以对微生物处理有机废水产生作用的微电场，对电能消耗较大，且仅考虑单一电场对微生物处理污水中有机物去除效率的提升，而没有考虑其他外加物理场同样可以对微生物处理有机废水有着明显的提升作用，其处理技术岁能实现有机污水中有机磷的去除，但不能实现对于有机氯、苯系污染物的高效去除效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法，首次采用电磁驯化微生物技术、光催化和膜过滤相结合，实现含有机磷、有机氯及苯系有机污染物高浓度有机废水的多级净化，其适用于绝大多数含此类污染物质高浓度有机废水的处理，无需任何额外添加剂；该组件的箱式结构属于组件式，可以实现多个处理单元的串并联使用，在降低处理成本的同时大幅度提升了含有机磷有机氯及苯系物废水的处理效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置，包括箱体，所述箱体上方设有盖板，所述盖板上设有把手，所述把手与所述盖板之间活动连接，所述箱体内部设有多孔磁性正极、多孔自发光磁性膜负极、微生物负载填充物、发光机构、电源、进水口加热机构，所述多孔磁性正极与所述多孔自发光磁性膜负极分别与所述电源的正极和负极相连接，所述微生物负载填充物均匀分布在多孔磁性正极和多孔自发光磁性膜负极之间。
优选的，所述多孔磁性正极的孔径大小为0.7-1.2mm，孔隙密度为10-30ppi。
优选的，所述微生物负载填充物为活性炭、火山石、生物挂膜中的一种。
优选的，所述电源电压水平控制在1.25-3.25V。
本发明提供了一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置制备方法，包括多孔磁性正极制备方法和多孔自发光磁性膜负极制备方法。
优选的，所述多孔磁性正极制备方法为：将导电磁性材料研磨至粒径小于200目，粉碎后的材料置于质量浓度为15％-45％的乙醇溶液中制得0.1-0.4g/ml导电材料-乙醇混合物，在400-1500rpm下搅拌混合均匀后，加入PANI活性粘黏剂，PANI粘黏剂在乙醇溶液中的浓度为0.1～0.8g/mL，在400-1500rpm下搅拌10-15min后，加入研磨至300目以下的磁性材料，磁性材料在乙醇溶液中的浓度为0.1-0.4g/mL，在40～80℃继续搅拌混合40-80min得到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为0.1-10cm的片状固体，干燥后制得多孔磁性正极。
优选的，所述多孔自发光磁性膜负极制备方法为：将导电磁性材料研磨至粒径小于200目，将粉碎后的材料置于质量浓度为15％-45％的乙醇溶液当中，在400-1500rpm下搅拌混合均匀后，加入加入PANI活性粘黏剂，PANI粘黏剂在乙醇溶液中的浓度为0.1-0.8g/mL，在400-1500rpm下搅拌10-15分钟后，加入研磨至200目以下的荧光材料和光催化材料，荧光材料和光催化材料在乙醇溶液中的浓度为0.2-0.4g/ml与0.1-0.3g/ml，在40-80℃继续搅拌混合40-80分钟的到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为1-10mm的片状固体，干燥后制得多孔自发光磁性膜负极。
优选的，所述导电磁性材料为硅钢、45坡莫合金、78坡莫合金、超坡莫合金中的一种。
优选的，所述光催化材料为二氧化钛、硫化锌、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉中的一种，所述荧光材料为DPVBi、硫化钡、硫化钙中的一种。
本发明中的装置的技术原理为集合电磁场强化微生物代谢活性及种群结构改变处理技术、光催化自发光膜电极产强氧化物降解有机物处理技术与膜过滤处理技术。在生物膜形成阶段，含有有机磷有机氯及苯系物的污水进入箱体后将箱体出口封闭，在电磁强化作用下对有机氯及苯系物有更高耐受性的微生物可以通过污水中的有机磷获取养分，并大量繁殖，最终形成大量含有对有机氯及苯系物有更高处理活性的生物膜。
在污水处理阶段，进入体系内的高浓度有机废水首先经过正极电极的筛滤作用除去污水中所含的大颗粒物质，随后进入正极与负极间的微生物处理区域通过电磁场调控作用对微生物处理活性及微生物种群结构进行增强处理，使得大分子有机磷及难降解氯化物、苯系物获得初步降解，经过微生物降解得到的小分子有机物来到多孔自发光磁性膜负极膜，通过光催化反应在负极膜表面生成强氧化物质对小分子有机物进行氧化，最终通过多孔自发光磁性膜负极膜的过滤作用将有机物降解后形成的碳基物质进行过滤析出，最终得到纯净的出水。
因此，本发明采用上述一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明过滤组件制备简单，制造成本低，具有良好的微型有机化合物过滤效果。
(2)本发明通过外加电磁场激发微生物代谢活性、优化处理体系中微生物群落结构，大幅度提升微生物对污水当中有机磷、有机氯及苯系有机污染物的处理效果。
(3)本发明采用外加光源间歇式刺激多孔自发光磁性膜负极膜产生光催化效应降经微生物初步降解后得到的小分子有机物，在光照停止后膜负极自发光仍可继续产生光催化效应。
(4)本发明采用立方体箱式外形，多个生物反应器可以进行串联或并联使用，且可进行堆叠排放。
(5)本发明采用电极间材料填充方式为水处理过程中微生物提供更大的比表面积而使得微生物在处理水体中实现均匀分布。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法实施例的装置结构示意图。
附图标记
1、进水口；2、流量控制阀；3、微生物负载填充物；4、多孔自发光磁性膜负极；5、刚性支架；6、光源；7、出水口；8、支撑卡槽；9、多孔磁性正极；10、电源；11、把手；12、箱体；13、进水口加热机构。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置，包括进水口1、流量控制阀2、微生物负载填充物3、多孔自发光磁性膜负极4、刚性支架5、光源6、出水口7、支撑卡槽8、多孔磁性正极9、电源10、把手11、箱体12、进水口加热机构13。多孔磁性正极9与多孔自发光磁性膜负极4分别与电源10的正极和负极相连接，电源10电压为2V。微生物负载填充物3均匀分布在多孔磁性正极9和多孔自发光磁性膜负极4之间，微生物负载填充物3为活性炭。整体构造采用箱式构造，箱体12上方设有盖板，盖板上设有可放倒的把手11，方便电极的更换。
本发明提供了一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置制备方法，其中多孔磁性正极的制备方法为：将硅钢研磨至粒径小于200目，粉碎后的材料置于质量浓度为20％的乙醇溶液当中，在800rpm下搅拌混合均匀后，加入质量浓度为10％的PANI活性粘黏剂，在800rpm下搅拌10分钟后，在50℃继续搅拌混合50分钟得混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为8mm的片状固体，干燥后制得多孔磁性正极，制备出的多孔磁性正极的孔径大小为0.7mm，孔隙密度为10ppi。
多孔自发光磁性膜负极的制备方法为：将硅钢研磨至粒径小于200目，将粉碎后的材料置于质量浓度为20％的乙醇溶液当中，在800rpm下搅拌混合均匀后，加入质量浓度为10％的PANI活性粘黏剂，在800rpm下搅拌10分钟后，加入研磨至200目以下的DPVBi和二氧化钛，在50℃继续搅拌混合50分钟的到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为8mm的片状固体，干燥后制得多孔自发光磁性膜负极。导电材料与活性粘黏剂的体积比为1:10，多个装置可进行串并联进行使用及叠放。
当待处理废水中有机磷含量为7640mg/L，有机氯含量为3650mg/L，苯系物含量为180mg/L，色度和浊度分别为27700和3280，有机废水的温度为19℃，pH为3时，使用本发明中的装置处理，处理方式为：将本实施例所研究体系用于处理含高浓度养殖废水，废水流量控制在2L/min，在电磁强化微生物和光催化效应的共同作用下对污水进行处理，检测其对污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物的去除效果。随后对经体系处理后的出水进行指标检测。检测结果表示该合成体系对高浓度苯酚废水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物的去除效果分别达到99.5％、99.9％、99.9％，色度和浊度的去除效果均达到99.9％；经体系处理后的废水经由后续处理后便可以进行排放。
实施例二
在本实施例中，多孔磁性正极的制备方法为：将45坡莫合金研磨至粒径小于200目，粉碎后的材料置于质量浓度为15％的乙醇溶液当中，在1000rpm下搅拌混合均匀后，加入质量浓度为15％的PANI活性粘黏剂，在1000rpm下搅拌15分钟后，在60℃继续搅拌混合50分钟的到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为10mm的片状固体，干燥后制得多孔磁性正极，制备出的多孔磁性正极的孔径大小为0.9mm，孔隙密度为10ppi。
多孔自发光磁性膜负极的制备方法为：将45坡莫合金研磨至粒径小于200目，将粉碎后的材料置于质量浓度为15％的乙醇溶液当中，在1000rpm下搅拌混合均匀后，加入质量浓度为15％的PANI活性粘黏剂，在1000rpm下搅拌15分钟后，加入研磨至200目以下的硫化钡和硫化锌，在60℃继续搅拌混合50分钟的到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为10mm的片状固体，干燥后制得多孔自发光磁性膜负极。
导电材料与活性粘黏剂的体积比为1:5，所使用的的电源电压控制在2.5V，微生物负载填充物为火山石。
当待处理废水中有机磷含量为2000mg/L、有机氯含量为210mg/L、苯系物含量为125mg/L，所处理的高农斧制药废水温度为27℃，pH为4.5时，使用本发明的装置对高浓度废水进行处理，处理方式为：将本实施例所研究体系用于处理含有机磷、有机氯、苯系物的高浓度苯酚废水，废水流量控制在2.5L/min，在电场强化微生物和光催化效应的共同作用下对污水进行处理，检测其对污水中苯酚、有机磷、有机氯、苯系物的去除效果。随后对经体系处理后的出水进行指标检测，检测结果表示该合成体系对高浓度苯酚废水中苯酚、有机磷、有机氯、苯系物的去除效率分别为99.87％、99.99％、99.99％、99.74％，经体系处理后的废水经由后续处理后便可以进行排放。
实施例三
在本实施例中，多孔磁性正极的制备方法为：将78坡莫合金研磨至粒径小于200目，粉碎后的材料置于质量浓度为20％的乙醇溶液当中，在1500rpm下搅拌混合均匀后，加入质量浓度为20％的PANI活性粘黏剂，在1500rpm下搅拌20分钟后，在70℃继续搅拌混合50分钟的到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为10mm的片状固体，干燥后制得多孔磁性正极，制备出的多孔磁性正极的孔径大小为1mm，孔隙密度为20ppi。
多孔自发光磁性膜负极的制备方法为：将78坡莫合金研磨至粒径小于200目，将粉碎后的材料置于质量浓度为20％的乙醇溶液当中，在1500rpm下搅拌混合均匀后，加入质量浓度为20％的PANI活性粘黏剂，在1500rpm下搅拌20分钟后，加入研磨至200目以下的硫化钙和氧化锌，在70℃继续搅拌混合50分钟的到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为10mm的片状固体，干燥后制得多孔自发光磁性膜负极。
导电材料与活性粘黏剂的体积比为1:4，所用电源电压控制在2.5V，微生物负载填充物为生物挂膜。
当待处理废水中TOC含量为24380mg/L、COD含量为22350mg/L、有机磷含量为12740mg/L、有机氯含量为1040mg/L、苯系物含量为470mg/L，所处理的高浓度有机废水的温度为35℃，pH为5时，使用本发明的装置对高浓度有机废水进行处理，处理方式为：将本实施案例所研究体系用于处理丝绸生产企业所产生的高浓度有机废水，进水流量控制在3L/min，在电场强化微生物和光催化效应的共同作用下对污水进行处理，检测其对污水中TOC、COD、有机磷、有机氯、苯系物的去除效率，随后对经体系处理后的出水进行指标检测。检测结果表示该合成体系对丝绸生产企业所生产高浓度有机废水当中TOC、COD、有机磷、有机氯、苯系物的去除效率分别为99.37％、99.56％、99.86％、99.74％、99.75％，经体系处理后的废水经由后续处理后便可以进行排放。
因此，本发明采用上述一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置及装置制备方法，首次采用电磁驯化微生物技术、光催化和膜过滤相结合，实现含有机磷、有机氯及苯系有机污染物高浓度有机废水的多级净化，其适用于绝大多数含此类污染物质高浓度有机废水的处理，无需任何额外添加剂；该组件的箱式结构属于组件式，可以实现多个处理单元的串并联使用，在降低处理成本的同时大幅度提升了含有机磷有机氯及苯系物废水的处理效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置，其特征在于：包括箱体，所述箱体上方设有盖板，所述盖板上设有把手，所述把手与所述盖板之间活动连接，所述箱体内部设有多孔磁性正极、多孔自发光磁性膜负极、微生物负载填充物、发光机构、电源、进水口加热机构，所述多孔磁性正极与所述多孔自发光磁性膜负极分别与所述电源的正极和负极相连接，所述微生物负载填充物均匀分布在多孔磁性正极和多孔自发光磁性膜负极之间；
包括多孔磁性正极制备方法和多孔自发光磁性膜负极制备方法；
所述多孔自发光磁性膜负极制备方法为：将导电磁性材料研磨至粒径小于200目，将粉碎后的材料置于质量浓度为15％-45％的乙醇溶液当中，在400-1500rpm下搅拌混合均匀后，加入PANI活性粘黏剂，PANI粘黏剂在乙醇溶液中的浓度为0.1-0.8g/mL，在400-1500rpm下搅拌10-15分钟后，加入研磨至200目以下的荧光材料和光催化材料，荧光材料和光催化材料在乙醇溶液中的浓度为0.2-0.4g/ml与0.1-0.3g/ml，在40-80℃继续搅拌混合40-80分钟的到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为1-10mm的片状固体，干燥后制得多孔自发光磁性膜负极；
所述多孔磁性正极制备方法为：将导电磁性材料研磨至粒径小于200目，粉碎后的材料置于质量浓度为15％-45％的乙醇溶液中制得0.1-0.4g/ml导电材料-乙醇混合物，在400-1500rpm下搅拌混合均匀后，加入PANI活性粘黏剂，PANI粘黏剂在乙醇溶液中的浓度为0.1～0.8g/mL，在400-1500rpm下搅拌10-15min后，加入研磨至300目以下的磁性材料，磁性材料在乙醇溶液中的浓度为0.1-0.4g/mL，在40～80℃继续搅拌混合40-80min得到混合浆料，将制得的混合浆料置于对辊机下反复对辊碾压成厚度为0.1-10cm的片状固体，干燥后制得多孔磁性正极；
所述导电磁性材料为硅钢、45坡莫合金、78坡莫合金、超坡莫合金中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置，其特征在于：所述多孔磁性正极的孔径大小为0.7-1.2mm，孔隙密度为10-30ppi。
3.根据权利要求1所述的一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置，其特征在于：所述微生物负载填充物为活性炭、火山石、生物挂膜中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置，其特征在于：所述电源电压水平控制在1.25-3.25V，所述发光机构为光源。
5.根据权利要求1所述的一种外场协同微生物降解污水中有机磷、有机氯及苯系有机污染物装置，其特征在于：所述光催化材料为二氧化钛、硫化锌、氧化锌、氧化锡、二氧化锆、硫化镉中的一种，所述荧光材料为DPVBi、硫化钡、硫化钙中的一种。
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