CN207483433U - 三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置 - Google Patents
三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置,包括圆柱状的阴极室,阴极室外套设有圆柱状的阳极室,阴极室和阳极室之间由阳离子交换膜分隔开;阳极室底部安装有电解池支架;阳极室底部成形有阳极室出水口和多孔圆柱状的阳极室进水口。本实用新型利用三维电极耦合微生物电解池,进行厌氧消化废水中氨的回收分离,通过在阴极曝气的方式,得到大量氢氧根离子,免去了阴极添加电解质的步骤并节省了添加碱性物质再曝气的费用,经济高效,此外利用多孔圆柱形进水口,一定程度上解决了三维电极粒子沉积问题;上下口交替进水则降低了进水时的能量消耗。
Description
技术领域
本实用新型属于废弃物处理领域,尤其涉及一种三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置。
背景技术
厌氧消化过程相比有氧消化,不需反复消毒处理,节约能耗,简化生产工艺,是目前污泥处理的一个比较合理的手段。但是污泥压滤废水经厌氧消化后仍具有高COD与高氨氮的特点,C/N比严重失调,属于典型的高氨氮废水。目前工业上厌氧消化废水大多不进行处理直接排放,或用吹脱池进行处理,氨氮回收效果并不理想。
微生物电解池(MEC)是一种生物与电化学结合的技术,能够实现低电压回收目标产物。相比于单一的物理法,化学法,生物法处理废水,MEC功能更加广泛,能够处理很多传统方法无法处理的复杂有机物,处理效果更显著。目前MEC主要用来合成氢气等具有应用价值的化合物,回收废水金属离子,处理硝酸盐氮,降解复杂有机物等。将微生物电解池用于氨气回收国内鲜见报道,国外有学者正进行研究。微生物电解池有各种构型与材料,众多专家学者致力于电解池结构和材料的优化,提高反应效率,增大经济价值。这为本实验装置设计提供了较好的参照。
三维电极是一种新型的电化学反应器,又叫粒子电极(particle electrode)或床电极(bed electrode)。它是在传统二维电解槽电极间装填粒状或其他碎屑状工作电极材料,由主电极供给电流,使装填的工作电极材料表面带电,成为新的电极,从而大大增加了工作电极表面积,减小了反应物迁移的距离,提高了电解效率。三维电极法在含金属离子的无机废水处理中已有较长时间的研究,用于处理有机废水是近几年发展起来的。
三维电极的核心为期间装入的颗粒状或其他形式的电极材料,常用的传统方法有颗粒活性炭、沸石和陶粒等材料,但存在催化活性不佳或者容易阻塞的问题。
三维电极用于污水处理的优越性在于电流效率高、时空产率大。但要运用于废水处理的实践之中,取得广泛应用,仍需采取各种措施提高效率,降低处理费用。这就需要从各方面进行一系列的研究,设计出科学而紧凑的床体结构,优化各项操作参数,改进填料、电源方式等等。
实用新型内容
为解决上述问题,本实用新型公开了一种三维电极三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置。本实用新型利用三维电极耦合微生物电解池,进行厌氧消化废水中氨的回收分离,实现了厌氧消化废水中氮元素的回收再利用;通过在阴极曝气的方式,得到大量氢氧根离子,免去了阴极添加电解质的步骤并节省了添加碱性物质再曝气的费用,经济高效,此外利用多孔圆柱形进水口,一定程度上解决了粒子沉积问题;上下口交替进水则降低了进水时的能量消耗。
为实现上述目的,本实用新型的技术方案为:
一种三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置,包括圆柱状的阴极室8,阴极室8外套设有圆柱状的阳极室1,阴极室8和阳极室1之间由阳离子交换膜16分隔开;阳极室1底部安装有电解池支架5;阳极室1底部成形有阳极室出水口4和多孔圆柱状的阳极室进水口6,阳极室1顶部成形有阳极室出气口12和圆柱状的阳极入料口17,阴极室8顶部成形有阴极室出气口14和阴极入料口18;阴极室8内固定有阴极电极10,阳极室1内壁固定有阳极电极19,阳极电极19与阳离子交换膜16之间填充有粒子式三维电极作为第三电极;阳极电极19和阴极电极10均和外加电源13电性连接。
进一步的改进,所述阳极电极19为阳极碳布制成。
进一步的改进,所述阴极电极10由钝化不锈钢网制成。
进一步的改进,所述阳极电极19固定在直径为10cm、高为10cm的封闭圆柱形塑料桶内。
进一步的改进,所述阳离子交换膜16通过离子交换膜支架11固定。
进一步的改进,所述阳极室1连通有透明的液面高度测量管15。
本实用新型的优点:
(1)用三维电极耦合微生物电解池,进行厌氧消化废水中氨的回收,实现了消化作用后的废水中氮元素的回收再利用,有助于废水处理工艺和能源再生方面的研究。
(2)通过在阴极曝气的方式,得到大量氢氧根离子,不仅免去了阴极添加电解质的步骤,也将铵根直接转化为氨气,节省了添加碱性物质再曝气的费用,经济高效。
(3)本实验装置由本组成员阅读大量论文后设计所得,填充第三维电极材料为泡沫镍和石墨颗粒。受三维概念启发,本装置主电极也使用材料本身空隙大的三维状电极材料,阳极材料使用阳极碳布,阴极使用不锈钢网,利于气体析出。
(4)本装置通过改造电解池进口构型及进料方式,利用三个组合的多孔圆柱形进水口,一定程度上解决了粒子沉积问题。同时通过在侧面增设连通管,能较为简单明了地观测到桶内液体高度,方便实验进行。
(5)三维电极的核心为期间装入的颗粒状或其他形式的电极材料,常用的传统方法有颗粒活性炭、沸石和陶粒等材料,但存在催化活性不佳或者容易阻塞的问题。近来,泡沫金属由于其具有的特殊三维网状结构成为新型填充材料,具有比表面积大、比重轻、通透性好、孔隙率高等优点。
(6)混合填充两种不同的三维电极,解决了单一材料三维电极易形成短路电流的问题。
附图说明
图1为本实用新型的立体结构示意图;
图2为本实用新型的正面剖面结构示意图
图3为本实用新型装置的使用流程图。
具体实施方式
实施例1
本实用新型结构如图1和2所示:
1.微生物电解池阴、阳极室
该微生物电解池的构造和反应原理如图1所示。
该电解池规格为一个底面直径为10cm、高为10cm的有机玻璃封闭圆柱桶。电解池阴极室为直径为4cm的圆柱体,阳极室为圆环柱体,与阴极室同轴等高,包围在阴极外侧。阴、阳极室之间由(绿合环保公司,型号CMI-7000)阳离子交换膜分隔开,离子交换膜用带长条状网孔的有机玻璃柱固定。阴极电极为100目不锈钢网紧密缠绕于有机玻璃柱上,缠绕直径为2cm。阳极碳布电极卷成圆筒状在阳极室贴壁放置,阳极室填充直径为0.5-1mm的泡沫镍颗粒和石墨颗粒作为三维电极。阳极室底部有直径均为1.2cm的三个进料口、一个出料口,上部有直径为0.6cm的排气口和直径为1.2cm的进料口各一个,三个进料口从电解池底部开口,向上延伸,成7cm高的侧面多孔圆柱体状,在排气口上安装集气袋。另外,因碳布不透明导致液面不可视,在阳极室外连通一透明有机玻璃管,以测量电解池内液面高度。在阴极室底部有直径均为1.2cm的曝气口和出料口各一个,上部有直径为0.6cm的排气口和直径为1.2cm的进料口各一个。阴极室设一曝气装置以通入空气,氧气将在阴极得电子产生氢氧根,OH-进而和阳极室传递过来的NH4+结合生成一水合氨,以回收分离氨。反应器阳极和阴极两端分别连接直流电源的正负极,并在外电路串联一个5欧姆的电阻以防短路。整个反应在30℃条件下恒温运行。
本装置用碳布做为阳极材料,该材料具有孔隙率大,电阻低,导电性好,可塑性好等特性。其中多孔的表面可为微生物化学反应提供广大的表面积,且微生物附着性好,利于形成生物膜,从而提高反应效率。而良好的可塑性使得该材料可以在外力作用下塑造成各种形状,所以可以按照实验所需,把阳极材料裁剪成约32cm,宽约10cm的矩形,再卷成所设圆柱侧面,紧贴圆柱内壁。阳极室共设三个等间距进料口,进料口为7cm高的圆柱体状向内伸入阳极室,且圆柱状侧面呈多孔状,厌氧消化废水从侧面孔中流入。此种进料方式便于提高填充粒子与废水接触面积,同时小孔出流能够提高流速,推动三维填充粒子在水中发生流动,防止三维电极发生沉积凝结,解决了常规三维电极在反应后期由于沉淀凝结而效率降低的问题。在反应后期,综合考虑效率最大化,从上端进料口进料以降低能耗。另外,考虑到阳极微生物处理有机物过程中会产生二氧化碳等气体,为平衡压强,故在顶部排气口上连接一个集气袋。
除阳极材料使用多孔式电极外,本装置同时在阳极电极与离子交换膜之间填充直径为0.5mm-1mm的泡沫镍颗粒和石墨颗粒作为第三维电极,填充量为每种颗粒各50ml,共计100ml。直径为0.5mm-1mm的泡沫镍颗粒与石墨颗粒的生物附着性好,便于微生物附着生长,且比表面积大,与普通电极相比,提高了微生物附着量,与传统的二维电极相比,该三维电极增大了有效电极面积,而且粒子间距小,传质效果大为改善,提高了电流效率和单位时空产率。且单一电极填充时易形成短路电流,故采用两种不同粒子填充,有效避免了这种情况的发生。
选取100目的钝化不锈钢网做阴极材料,其形状为半径1cm、高7cm的棒状。不锈钢网价格低廉且性能稳定,电化学活性是同表面积平面不锈钢的3倍以上。且钝化处理后的不锈钢网,有效降低了发生局部腐蚀的概率,延长了阴极材料的使用寿命。
3.微生物电解池外加电源
电源是电化学方法处理废水的动力,由于本实验电解池的特殊构型,阴、阳电极不能互换,故采取直流电压的供电方式。
4.微生物电解池阳离子交换膜
离子交换膜作为具有选择性分离特性的功能材料,能够在电解池中实现电解质溶液中的离子分离。本实验所需离子交换膜为CMI-7000阳离子交换膜,规格为长26cm、宽10cm。
5.液面高度观测管
在塑料桶壁靠近顶部和底部各开一个小孔,用防水胶固定一个透明玻璃管,利用连通管效应,可通过玻璃管液面观测得出桶内液面高度,便于控制进水与出水速率。
6.曝气装置
由于阴极曝气既可以增加阴极氢氧根浓度,增加电解质浓度,有利于铵根离子转化为氨气。另一方面曝气也有利于氨气吹脱,故设置本装置。
二.微生物的培养与驯化
从实验室里取出大约3L的厌氧污泥,观察其形态。培养初期用稀释的消化废液进行培养,每两天换一次培养液,观察其沉降性及絮凝情况。同时每天测定铵根离子浓度,pH,COD等指标。驯化一段按时间后,当絮凝良好,菌胶团较分散,污泥浓度达到一定值,COD的去除率达到较高水平时,标志着驯化的完成。将驯化后的细菌液加入电解池中吸附增殖形成生物膜。
三.探究氨气回收变量影响实验
(1)在静态下试运行反应器
实验前采用超声波清洗所用电极材料。实验采取间歇流操作,运行前整个装置均通入约2min高纯氮气以除去体系中的氧气。体系运行恒定在30℃条件下。待运行两个周期后进行单因素实验。
(2)单因素实验
通过控制变量采用单因素实验法,研究不同进料氮浓度、pH、外加电压、HRT、不同电极材料填充量对本实验中三维微生物电解池回收氨的影响。
a.污水浓度实验
污水浓度的不同会极大地影响本实验中氨气回收量,同时污水浓度过高可能会造成电池的堵塞问题,为探寻它的具体影响以及寻找高效通畅反应浓度,故设置本对照组进行探究。取等体积等pH,稀释倍数分别为1,3,5的污水放置在阳极室中,填充等体积的电极材料,施加相同的恒定电压和曝气速率,采用相同的HRT,进行试验。测量各组的氨气产量,COD的去除率,电流密度,记录整理数据。
b.pH实验
阳极室pH会影响微生物生长,影响氢离子浓度等,故设置本实验探究最适pH。取等浓度,等体积,pH值分别为6.5,7,7.5,8,8.5的污水,置于阳极室。填充等质量的电极材料。控制外部电压、曝气速率、HRT及其它变量因素相同。测量在不同PH的情况下,氨气产量,COD的去除率,电流密度,记录整理数据。
c.不同外加电压实验
增大电压有利于增大电流密度,加快氨气生成速率。为寻找最佳的能量效率,故设置本对照组。取等浓度等体积,等pH的污水置于各阳极室,控制等强度曝气速率,填充等质量的电极材料,采用相同的HRT,在外部分别施加0.8V、1.2V、1.6V、2.0V的恒定电压,进行实验。测量氨气的产量,COD的去除率,电流密度,记录整理数据。
d.电极材料不同填充量实验
不同的材料特性不同,对实验的影响不一,故设置本对照组探寻不同填充电极材料的实验影响。取等浓度等体积,等pH的污水置于各阳极室,控制等强度曝气速率,采用相同的HRT和外加电压。设定各对照组泡沫镍和石墨颗粒填充体积分别为各0,20,40,60ml。测量各组的氨气产量,COD的去除率,电流密度,记录整理数据。
e.HRT实验
取等浓度等体积,等pH的污水置于各阳极室,填充等质量的电极材料,采用相同的恒定外加电压,控制等强度曝气速率。设定系列HRT为0.5h、1h、2h、5h、12h、24h进行实验。测定各组实验的氨气产量,COD去除率和电流密度,记录整理数据。
f.曝气速率实验
在电化学氧化降解过程中,通入压缩空气对氨气回收效率起着重要的作用。其一是给阴极带来了充足的氢氧根与铵根结合,其二是有利于吹脱氨气。
故设置本组对照,特别的也设置一通入量为0的空白对照。设定0L/min,0.1L/min,0.2L/min,0.3L/min,0.4L/min,0.5L/min梯度对照组,取等浓度等体积,等pH的污水置于各阳极室,填充等质量的电极材料,采用相同的恒定外加电压和HRT。测定各组实验的氨气产量,COD去除率和电流密度,记录整理数据。
(3)实验分析方法
其中用数据采集器采集负载两端电压和电流大小;COD的测定采用标准方法(国家环保总局,1997;APHA,1998)。pH值测定采用pHS-3C酸度计测定。用去离子水收集氨气,氨气产量通过取样加入1L0.1mol/L H2SO4溶液,测量所得硫酸铵溶液中NH4 +浓度来测得。用850离子色谱仪的Metrosep C-150色谱柱来测量铵根离子浓度。
四.MEC回收氨效率评价
MEC回收氨效率评价:
1.氨气转化率的测定:
是氨气的转化效率,是一定时间内反应产生的氨气物质的量I是电流密度,F是法拉第常数
a.氨气回收率的测定:
是氨气回收效率,是一天内反应产生的氨气物质的量Cin是输入阳极液中的浓度,Cout是输出阳极液中的浓度Qt是平均每小时阳极液输入的体积L/h
3.能量效率的测定:
基于电输入的MEC的能量效率ηE是产出的氨气所含能量与输入能量之比,
式中,WNH3(kJ)为氨气中所含的能量;WE(kJ)为由外加电源提供的能量;是的电子转化为氨气反应中,每摩尔反应的吉布斯自由能;Eap为外加电源提供的电压。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上,但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用,它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域,对于熟悉本领域的人员而言,可容易地实现另外的修改,因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下,本实用新型并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置,包括圆柱状的阴极室(8),其特征在于,阴极室(8)外套设有圆柱状的阳极室(1),阴极室(8)和阳极室(1)之间由阳离子交换膜(16)分隔开;阳极室(1)底部安装有电解池支架(5);阳极室(1)底部成形有阳极室出水口(4)和多孔圆柱状的阳极室进水口(6),阳极室(1)顶部成形有阳极室出气口(12)和圆柱状的阳极入料口(17),阴极室(8)顶部成形有阴极室出气口(14)和阴极入料口(18);阴极室(8)内固定有阴极电极(10),阳极室(1)内壁固定有阳极电极(19),阳极电极(19)与阳离子交换膜(16)之间填充有粒子式三维电极作为第三电极;阳极电极(19)和阴极电极(10)均和外加电源(13)电性连接。
2.如权利要求1所述的三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置,其特征在于,所述阳极电极(19)为阳极碳布制成。
3.如权利要求1所述的三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置,其特征在于,所述阴极电极(10)由钝化不锈钢网制成。
4.如权利要求1所述的三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置,其特征在于,所述阳极电极(19)固定在直径为10cm、高为10cm的封闭圆柱形塑料桶内。
5.如权利要求1所述的三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置,其特征在于,所述阳离子交换膜(16)通过离子交换膜支架(11)固定。
6.如权利要求1所述的三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置,其特征在于,所述阳极室(1)连通有透明的液面高度测量管(15)。
7.如权利要求1所述的三维电极微生物电解池处理厌氧消化废水回收氨气装置,其特征在于,所述阴极室(8)底部通过曝气口(20)连通有气泵(21);阴极室(8)底部还成形有阴极室出水口(22)。
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