CN207596570U - 三维电极耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三维电极耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置，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排泥口和上凸圆拱状进水口。本实用新型利用三维电极耦合微生物电解池，进行含氨氮废水中氨的回收。通过在阴极曝气的方式，得到大量氢氧根离子，并将NH₄ ⁺以氨气形式回收分离，经济高效。此外由泵带动泥水内循环，利用上凸圆拱状进水口和其顶部均匀分布的若干小孔，增大了阳极材料、三维粒子与泥水的接触效率，利于前期挂膜和后期废水处理。

Description

三维电极耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置

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耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置。

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，又叫粒子电极或床电极。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。

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耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置。本实用通过在阴极曝气的方式，得到大量氢氧根离子，并将NH₄ ⁺以氨气形式分离，经济高效。此外由泵带动泥水内循环，利用上凸圆拱状进水口和其顶部均匀分布的若干小孔，增大了阳极材料、三维粒子与泥水的接触效率，利于前期挂膜和后期废水处理。

本实用新型利用三维电极耦合微生物电解池，实现了氨氮废水中氨的回收。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种三维电极耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置，包括圆柱状的阴极室，阴极室外套设有圆柱状的阳极室1，阴极室和阳极室1之间由阳离子交换膜12分隔开；阳极室1底部安装有电解池支架2；阳极室1上部侧臂成形有阳极室出水口9，底部成形有上凸圆拱状进水口3，上凸圆拱状进水口3上分布有若干出射孔或集流出射口14，阳极室1内上部固定有环形网16；上凸圆拱状进水口3插接连接有透明管15，透明管15通过泵6与环形网16上方的阳极室1内部连通；阳极室1顶部成形有阳极室出气口4；阴极室顶部成形有阴极室出气口11；阴极室底部成形有阴极出入水口13；阴极室内固定有阴极电极5，阳极室1内壁固定有阳极电极17，阳极电极17与阳离子交换膜12之间填充有粒子式三维电极作为第三电极；阳极电极17和阴极电极5均和外加电源10电性连接。

进一步的改进，所述阳极电极17为石墨碳毡制成。

进一步的改进，所述阴极电极5由钝化不锈钢网制成。

进一步的改进，所述阳极电极17固定在直径为10cm、高为15cm的封闭圆柱形有机玻璃桶内。

进一步的改进，所述阴极室底部通过曝气口18连通有气泵19。

进一步的改进，阳极室底部安装有排泥口20。

进一步的改进，泵6通过阀门7与阳极室1连通。

本实用新型的优点：

(1)用三维电极耦合微生物电解池，进行氨氮废水中氨的回收，实现了废水中氮元素的回收再利用，并且大大提高回收效率，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，将铵根离子以氨气形式回收分离，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活性炭和少量玻璃珠。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，阳极材料使用石墨碳毡，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，利用上凸圆拱状入水口和其顶部均匀分布有若干集流出射口，利于泥水与电极材料充分接触，便于长膜和废水处理。

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；

图4为实施例2的结构示意图。

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

拟进行的实验所设计的电解池分为阴极室和阳极室。

阳极室以间歇式通入待处理的厌氧消化废水。阴极前期通入0.1mol/L NaSO4作为电解液，通过曝气装置向阴极通入空气，氧气将在阴极得电子变成氢氧根，成为主要的电解质，在外加电源的驱动下，铵根离子将通过阳离子交换膜进入阴极结合氢氧根生成氨气。该电解池阴极室为圆柱体状，阳极室为同轴圆环柱体状，与阴极室同轴等高，包围在阴极外侧。阴、阳极室之间由离子交换膜(绿合环保公司，CMI-7000阳离子交换膜)分隔开。整个实验装置大体成一个底面直径约为10cm、高约为15cm的有机玻璃封闭圆柱桶状。

本装置阳极主电极将接种电活性细菌，较大的电极表面积利于微生物附着，故选择石墨碳毡做阳极材料，该材料具有孔隙率大，电阻低，造价低，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，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15cm的矩形，再卷成所设圆柱侧面，紧贴圆柱内壁。采用颗粒活性炭作为填充电极材料。颗粒活性炭导电性好、易极化，此外，颗粒活性炭生物附着性好，有利于微生物在其表面的生长，维持反应器内拥有更多的生物量。单一的颗粒活性炭作为填充电极材料时，易形成短路电流，降低反应器的电流效率，因此，本反应器采用颗粒活性炭和玻璃珠的混合物作为填充电极材料。填充高度为5cm，填充比例为10:1(体积比)，其中玻璃珠粒径1～2mm，活性炭粒径1～1.2mm。反应器阳极和阴极分别与直流稳压电源的正负极相接，并通过电流表随时监测电流变化。

阳极室共设计四个进水口、一个出水口、一个排泥口20和一个出气口，出气口处用集气袋收集气体。进水口参照花洒模型，设置成上凸圆拱形，底面半径1cm，高1cm。方便分散布水。同时参考水射器模型，选择在圆拱上开均匀分布的出射口。(分别与水平方向呈5°，30°，60°，85°，90°)，近五个出射口的方向见示意图，兼顾两个维度，便于泥水与粒子充分混合。出射口直径0.8mm，方便形成射流同时避免三维粒子堵塞。可以通过调整泵的流量扬程确定利于微生物电解池运行的泵的最佳参数。在阳极顶部附近的两侧对称位置开口接管，连接小功率泵的入水口。在距离上顶约5cm处，布置一张约20目的环形网遮住阳极区，可以避免在内循环抽水时三维粒子被抽走造成堵塞。

选取钝化不锈钢网做阴极材料，其形状为半径1cm、高约10cm的棒状。不锈钢网是目前最常用的含镍金属材料，其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。但是当不锈钢所在的阴极室中存在侵蚀性阴离子(如氯离子)时，不锈钢会发生点腐蚀，故本组成员在使用不锈钢网作阴极前，需对其使用硝酸钝化处理。

若不考虑离子交换膜的厚度，阴极室呈底面直径约为4cm、高约15cm的圆柱体状，在阴极室下底部做一个直径为1.2cm的进出料口，在阴极室上方电极旁，设置同等规格的出气口，阴极产气为氨气，阴极出气通入电解池外部去离子水溶液中，氨气以一水合氨形式密封保存。

在启动阶段(启动阶段分为三个部分：挂膜期、驯化期和稳定期。)进料口接管连接泵的出水口，间歇开启，形成污泥的内循环，泥水混合，整个阳极材料和三维填充粒子都能与污泥充分且较为平稳地接触，便于挂膜，同时也利于药剂混合均匀，方便污泥生长。污泥与阳极材料和三维电极材料充分接触，便于形成生物膜。

实验阶段，关闭装置侧壁水管上的阀门。将泵入水口改到待处理的废水，泵出水口依然通过进料口进料。在每次进料或加药后，都进行一次为期10min的内循环，便于混合。停止循环后的水力停留时间内，装置内水流保持相对稳态。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设置一个集气袋。处理过后的水从上部出水口排出。

2.微生物电解池电极

为更高效地处理污水和回收氨，故使用两种形式三维电极组合以取代传统的二维电极。

本装置阳极主电极将接种电活性细菌，较大的电极表面积利于微生物附着，故选择石墨碳毡做阳极材料，该材料具有孔隙率大，电阻低，造价低，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，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15cm的矩形，再卷成所设圆柱侧面，紧贴圆柱内壁。

粒子表面的生物膜可以使粒子彼此绝缘，减少短路电流的产生。本反应器采用颗粒活性炭作为填充电极材料。颗粒活性炭导电性好、易极化，此外，颗粒活性炭生物附着性好，有利于微生物在其表面的生长，维持反应器内拥有更多的生物量。单一的颗粒活性炭作为填充电极材料时，易形成短路电流，降低反应器的电流效率，因此，本反应器采用颗粒活性炭和玻璃珠的混合物作为填充电极材料。填充高度为5cm，填充比例为10:1(体积比)，其中玻璃珠粒径1-2mm，活性炭粒径1～1.2mm。反应器阳极和阴极分别与直流稳压电源的正负极相接，并通过电流表随时监测电流变化。

反应器采用间歇式运行，反应器设有阳极至阳极的内回流，泥水充分混合，便于污泥生长。同时，整个阳极材料和三维填充粒子都能与污泥充分且较为平稳地接触，便于前期挂膜和后期处理。

选取钝化不锈钢网做阴极材料，其形状为半径1cm、高约10cm的棒状。不锈钢网是目前最常用的含镍金属材料，其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。但是当不锈钢所在的阴极室中存在侵蚀性阴离子(如氯离子)时，不锈钢会发生点腐蚀，故本组成员在使用不锈钢网作阴极前，需对其使用硝酸钝化处理。

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阳离子交换膜，规格为长26cm、宽15cm。

5.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通电驯化，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以及曝气时间对本实验中三维微生物电解池回收氨的影响。

a.污泥量实验

污泥量的不同会极大地影响本实验中氨气回收速率，同时污泥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1，2，3的污泥放置在阳极室中，填充等质量的电极材料，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5,5.5,6,6.5,7,7.5,8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。但是为了避免阳极水解产气，故控制电压在水解电压1.23v以下。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0.7，0.8V，0.9v，1.0v，1.2V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.不同电极材料填充量实验

粒子填充量是本实验一个十分重要的变量。设置一组空白对照组，用于探究对比二维电极与三维电极的效率。同时设置系列梯度的粒子质量，填充粒子多有利于电流导率，但过多的填充粒子可能会引起电阻增大，单次进水过少等影响。取等浓度等体积，等pH的污水置于各阳极室，填充体积高度分别为阳极总高度1/3；3/5；5/8的三维颗粒。控制外部电压、HRT、曝气速率及其它变量因素相同。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。

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0.25d,0.5d,1d,1.5d,2d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，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。

实施例2

如图4所示，在实施例1的基础上，将管状的出射口修改为孔状的出射孔。并且上凸圆拱状入水口3为四个，每两个上凸圆拱状入水口3连通一个泵6。必要时可以在圆拱上覆盖一层相同小孔位置的橡胶膜，即只允许单侧进水，有效地阻挡污泥沉像圆拱内沉积，防止堵塞。

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 (5)

1.一种三维电极耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置，包括圆柱状的阴极室，其特征在于，阴极室外套设有圆柱状的阳极室(1)，阴极室和阳极室(1)之间由阳离子交换膜(12)分隔开；阳极室(1)底部安装有电解池支架(2)；阳极室(1)上部侧壁成形有阳极室出水口(9)，底部成形有上凸圆拱状进水口(3)，上凸圆拱状进水口(3)上分布有若干出射孔或集流出射口(14)，阳极室(1)内上部固定有环形网(16)；上凸圆拱状进水口(3)插接连接有透明管(15)，透明管(15)通过泵(6)与环形网(16)上方的阳极室(1)内部连通；阳极室(1)顶部成形有阳极室出气口(4)；阴极室顶部成形有阴极室出气口(11)；阴极室底部成形有阴极进出水口(13)；阴极室内固定有阴极电极(5)，阳极室(1)内壁固定有阳极电极(17)，阳极电极(17)与阳离子交换膜(12)之间填充有粒子式三维电极作为第三电极；阳极电极(17)和阴极电极(5)均和外加电源(10)电性连接。

2.如权利要求1所述的三维电极耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置，其特征在于，所述阳极电极(17)为石墨碳毡制成。

3.如权利要求1所述的三维电极耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置，其特征在于，所述阴极电极(5)由钝化不锈钢网制成。

4.如权利要求1所述的三维电极耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置，其特征在于，所述阴极室底部通过曝气口(18)连通有气泵。

5.如权利要求1所述的三维电极耦合微生物电解池处理氨氮废水回收氨气装置，其特征在于，泵(6)通过阀门(7)与阳极室(1)连通。