CN202116364U - 生物电化学强化废水处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生物电化学强化废水处理装置，其特征是：在曝气池内固定设置浸没于水下、且均匀分布的阳极，阳极通过导线与漂浮于水体表面的阴极相连接，在导线上串联设置一电阻器。本实用新型集电化学和生物处理技术于一体，可直接利用空气中的分子氧，省去或减少废水生物处理过程的曝气，废水处理效果好、能耗低、电极寿命长、投资小。

Description

生物电化学强化废水处理装置

技术领域

本实用新型涉及废水处理装置，更具体地说是一种生物电化学强化废水处理装置。

背景技术

曝气池和氧化沟是当前应用最广泛的废水生物处理技术，在曝气设备持续供氧的条件下，好氧和兼氧微生物将复杂有机化合物降解为简单化合物，其最终产物为二氧化碳，从而削减废水的COD和BOD浓度。生物降解过程中产生的电子还原水中的溶解氧生成水。废水中的溶解氧来源于曝气设备引入水中的空气，在曝气过程中需消耗大量能耗。据统计，依据废水水质，曝气装置消耗的能耗占城市污水处理厂总能耗的30％～70％。过去的几十年，虽然鼓风机和曝气装置的技术性能有了很大的提高，如采用微孔曝气技术，显著地提高了氧转移效率，降低了曝气能耗，但由于生物污垢等的影响，实际能耗仍很高。

生物电化学技术(简称BEC)是一种经济的和环境友好的强化废水中有机污染物降解的废水处理方法。包括阳极、阴极和一条导线连接的电路，各种类型的BEC设计和研究报告显示了其可以提高碳氢化合物、酚和其他有机污染物的生物降解效率(杰弗里·莫里斯等，微生物燃料电池强化柴油的厌氧降解.化学工程，2009，146：161-167.；骆海萍等，微生物燃料电池降解苯酚.化学工程，2009，147：259-264.；张翠萍等，微生物燃料电池降解嘧啶.毒物学杂质，2009，172：465-471.)。生物电化学技术也被应用于地下水和地表水中有机物的去除，并同时产电(斯科特等，以海水沉积物为原料产电的燃料电池阴极材料研究.生物化学科技，2008，83：1244-1254.；安等，从水及沉积相共生有机物中同步产电的多维电极微生物燃料电池.环境科学技术，2010，44：7145-7150.)。上述研究中，在阳极室厌氧区域，微生物降解有机污染物产生并转移电子至阳极，通过导线将这些电子传输到阴极，与阴极区域的电子受体结合而消耗，多数情况下，终端电子受体为溶解氧。这些类型的BEC系统中阴极区、阳极区由质子交换膜或盐桥分离，它允许质子在阳极和阴极之间转移，同时尽量减少氧气与阳极的接触。但由于使用质子交换膜或盐桥，不仅增加了BEC系统的构建难度和成本，而且限制了BEC系统的构建规模，难以应用于工程实践。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有生物电化学技术的不足之处，提供一种处理效率高、能耗低、电极寿命长、材料廉价的生物电化学强化废水处理装置。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型生物电化学强化废水处理装置的结构特点是在曝气池内设置浸没于水下、且均匀分布的阳极，所述阳极通过导线与漂浮于水体表面的阴极相连接，在所述导线上串联设置一电阻器。

本实用新型生物电化学强化废水处理装置的结构特点也在于：

所述漂浮于水体表面的阴极是以辅助件保持在水体与空气的界面上，阴极以其保持为湿润的表面暴露在环境空气中。

所述电阻器为可调电阻器。

所述阴极为多孔材料制成。

所述阴极的立面为多层结构。

BEC的电子转移机制可以通过两种途径提高废水中有机物的降解率。首先，高导电电极的存在和阴极周围的空气可以维持一个快速的电子转移，加快废水中有机物降解过程产生的电子提取，阴极与空气的直接接触消除或减弱了废水处理过程曝气的必要性。其次，有机物降解过程产生的电子只有少部分被微生物自身利用，其余大部分可通过电极传输产生电能，因此，在微生物降解有机污染物的过程中增加一个有竞争力的电子接收器，将会进一步刺激微生物，实现更高的有机物生物降解速率，因此，BEC技术可以显著提高有机污染物的降解速率，从而提高废水处理效率。与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型集电化学和生物处理技术于一体，处理效果好、能耗低、电极寿命长、投资省；

2、本实用新型采用浮动阴极，克服了曝气池运行过程水位变化的影响，能直接和充分利用空气中的氧气为电子受体，省去或减少曝气，有效降低水处理能耗；

3、本实用新型采用多孔材料制成阴极，或设置阴极的立面为多层结构，可以显著增大电极比表面积，提高电流效率，降低能耗和废水处理成本；

4、本实用新型采用浸没式分布均匀的阳极，使阳极与废水接触充分，能快速及时收集和传输有机物降解过程产生的电子，并为微生物提供栖息场所，提高曝气池微生物浓度，增大容积负荷率，提高废水处理速率和效率；

5、本实用新型阳极和阴极处于同一水体环境，省去了质子交换膜，不仅大大节约了构建成本，而且完全摆脱了构建规模的限制，解决了生物电化学废水处理技术难于规模化实际应用的难题。

附图说明

图1为本实用新型在污水处理厂曝气池内的应用实例平面示意图。

图2为本实用新型在污水处理厂曝气池内的应用实例立面示意图。

图3为本实用新型与传统曝气池、厌氧池处理高浓度有机废水COD去除效果的对比图。

图中标号：1曝气池；2阴极；3阳极；4导线；5电阻器；6锚锭；7水体表面；8焊接点；9辅助件。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例是在曝气池1内设置浸没于水下、且均匀分布的阳极3，阳极3由锚锭6固定设置，阳极3通过导线4与漂浮于水体表面的阴极2相连接，在导线4上串联设置一电阻器5。

阳极3是采用碳布、不锈钢纤维、不锈钢丝网或袋装石墨颗粒等导电材料加工成比如多孔，多层等三维立体形状，形成较大比表面积，安装在曝气池1中，由锚锭6加以固定，防止阳极在曝气池1内漂移或妨碍位于曝气池底部的曝气机正常运行，锚锭6为塑料件或外表包覆有绝缘材料的金属件；

如图2所示，漂浮于水体表面的阴极2是以辅助件9保持在水体与空气的界面上，阴极2以其湿润的表面暴露在环境空气中；阴极2采用碳布、不锈钢网、不锈钢板、三维不锈钢笼等导电材料制成，加工成比如多孔，多层等三维立体形状，形成较大比表面积；阴极2是由辅助件9的浮力的承托漂浮于曝气池1的水体表面，辅助件9采用发泡胶、软木、海绵等吸水的浮力材料制作；使阴极2既能保持表面湿润，又能使表面与环境空气能充分接触；

电阻器5设置为可调电阻器，电阻器5安置于曝气池1的水体表面之上，或设置在曝气池以外的岸边，电阻器5的阻值在10～10000欧姆可以调节，以适应BEC系统不同运行期对外界电阻的需求；

导线4中的导电体采用不锈钢、钛、铜等导电材料，导线4的两端分别与阳极3和阴极2焊接连接，焊接点8所在位置处采用环氧树脂或硅胶进行密封；

废水中的有机物在曝气池1内通过微生物的降解作用，产生电子、质子，电子由微生物传递至阳极3，经导线4和电阻器5传输至阴极2的表面，质子通过扩散到达阴极2表面，在阴极2的表面，电子、质子和空气中的分子氧化合生成水。

电阻器5的两端的电压值一般在0.01mV-300mV，BEC系统投入运行后的初始阶段，一般电压很低，表明产电微生物数量占曝气池内的微生物比例很少，或微生物不够活跃，随着电阻器5两端的电压值逐渐升高，表明产电微生物的数量逐渐增多，活性逐渐增强。因此，电阻器5两端的电压值可间接表明BEC中微生物的活跃程度和数量。

通常，在BEC系统安装和运行初期，调节电阻器至低值范围，以允许电路中的电流快速流动，激发产电微生物的活性，提高产电微生物的增值速率。当电阻器两端的电压增大至20mV以上时，调节电阻器5至一个较大的电阻值，有助于在阳极3上形成生物膜，电阻器5的电阻值可以根据废水处理的具体需要而增加或减少。

此外，具体实施中，可根据实际需处理的废水化学需氧量COD浓度，按COD容积负荷计算所需曝气池1的有效容积和阳极3的数量，并根据COD的去除总量计算所需阴极2的表面积，确定阴极2的数量和是否需要辅助曝气及曝气量。

BEC系统在实验室中进行了小规模测试。在2000毫升的广口玻璃瓶中，有3种处理：厌氧(不曝气，图3中的方块图标)，正常曝气(图3中的菱形图标)，以及BEC装置(图3中的三角图标。实验进行了11天，包括了开始的启动期。结果如图3所示。厌氧条件下，化学需氧量(COD)11天从约6000毫克升降到4000毫克升。这一条件模拟没有曝气的情况下COD降解率(33％)。在正常曝气条件下，COD11天从约6500毫克升降到约2000毫克升。这一条件模拟一般污水处理厂正常曝气情况下的COD降解率(69％)。在BCE装置启动，没有曝气条件下，COD11天从约6500毫克升降到约500毫克升。这一条件模拟污水处理厂在安装BEC但不曝气情况下的COD降解速率(92％)。不曝气条件下BEC系统在降解COD时是无能耗的。在规模使用中，预计BEC可以替代或减少部分曝气，实现节能效益和增加的污水处理率。

Claims (5)

1.一种生物电化学强化废水处理装置，其特征是在曝气池(1)内设置浸没于水下、且均匀分布的阳极(3)，所述阳极(3)通过导线(4)与漂浮于水体表面的阴极(2)相连接，在所述导线(4)上串联设置一电阻器(5)。

2.根据权利要求1所述的生物电化学强化废水处理装置，其特征是：所述漂浮于水体表面的阴极(2)是以辅助件(9)保持在水体与空气的界面上，阴极(2)以其保持为湿润的表面暴露在环境空气中。

3.根据权利要求1所述的生物电化学强化废水处理装置，其特征是所述电阻器(5)为可调电阻器。

4.根据权利要求1所述的生物电化学强化废水处理装置，其特征是所述阴极(2)为多孔材料制成。

5.根据权利要求1所述的生物电化学强化废水处理装置，其特征是阴极(2)的立面为多层结构。

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