CN209259761U - 一种用于净化饮用水的生物电化学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于净化饮用水的生物电化学系统，所述系统包括阳极(1)、阴极(2)、隔膜(3)、直流电源(4)、水流开关(5)、自动控制器(6)、反冲阀(7)、超滤膜(8)、净水器壳体(9)，压力储水桶(10)，高压开关(11)，进水电磁阀(12)、流量调控开关(13)、进水口(14)、净化水口(15)与反冲洗口(16)。该系统主要应用于家庭饮用水的生物净化，也可应用于学校、宾馆、办公场所等供水终端的饮用水净化领域。该系统能有效地除去饮用水中含有的微量余氯类物质，以及多种重金属离子。

Description

一种用于净化饮用水的生物电化学系统

技术领域

本实用新型涉及水净化领域，特别涉及饮用水净化领域，具体涉及一种用于净化饮用水的生物电化学系统。

技术背景

自来水厂对原水经过沉降、过滤、消毒等处理后经管网输送到用户，其中氯气消毒是抑制大肠菌群等有害微生物的主要手段。近年来，随着工业化和城市化的发展，大量有机污染物和重金属等无机污染物进入江河、湖泊以及地下水系统，许多城市、城镇饮用水源遭受严重污染。由于现有自来水处理工艺对原水中的有机污染物去除效率有限，氯气消毒产生大量的对人体有害的消毒副产物，如卤乙酸(HAAs)、卤甲烷 (THMs)、亚硝胺、致诱变化合物(MX)等产物大幅增加。残留的余氯不仅造成人体感官严重不适，还造成输水管道内大量铅、锌、镉等重金属离子的溶出。这些污染物都具有浓度低、环境持久、生物累积、慢性毒性效应和高生物毒性的特点。

在家庭用水终端，各类净水器用于饮用水的净化，主要包括超滤、活性炭吸附、反渗透等主要工艺，其中还结合亚硫酸钙、KDF合金脱氯工艺强化净水效率。消毒副产物大多是一些小分子的污染物，常规的过滤膜对其净化效率非常有限(“纳滤/ 反渗透分离中有机物的特征参数对截留率的影响研究，膜科学与技术，2006，26， 36-40”，“反渗透、纳滤膜技术脱除小分子有机物的研究进展，膜科学与技术，2009， 29，1-10”)。超滤膜、活性炭以及反渗透膜自身不能降解污染物，随着使用时间的延长，污染物的积累、空隙堵塞造成净水效率大幅下降，过滤膜的频繁更换大幅增加了家庭净水的成本。此外，饮用水中的余氯会快速降解以聚酰胺为基材的反渗透膜，给反渗透出水带来安全隐患。

大量文献表明，饮用水中的大量有机污染物都可通过微生物降解、转化得以去除(“臭氧生物活性炭技术的工艺设计与运行管理，给水排水，2007，33，13-19”，“臭氧-生物活性炭技术在饮用水深度处理中的应用进展，河南化工，2014，31，25-30”，“氯代有机污染物在厌氧条件下还原脱氯的研究进展，环境污染治理技术与设备，2003，4，43-48”，“Removalof haloacetic acids by ozone and biologicallyactive carbon， ScienceAsia(通过臭氧和生物活性炭去除卤乙酸，科学亚洲)，2008，34，293-298”，“ReductiveDehalogenation of Trichloroacetic Acid byTrichlorobacterthiogenes gen.nov.,sp.nov.(三氯乙酸还原脱卤三氯乙酸)，AEM,2000,66,2297-2301”，“Biodegradation ofHaloacetic Acidsby Bacterial Isolates and Enrichment Cultures fromDrinkingWater Systems，Environ.Sci.Technol(饮用水系统中的细菌分离物和富集培养物对Haloacetic Acids的生物降解，环境科学与技术).2009,43,3169–3175”)。而重金属离子则可通过微生物细胞吸附(“微生物处理重金属废水的研究进展，环境科学与技术，2008，31，58-63”，“电生物膜处理重金属离子有机废水，水处理技术，2005，31，45-48”)。其中，生物膜工艺、臭氧-生物活性炭是饮用水源水净化的主要工艺，目前，仅有少数饮用水厂(约占2％)采用了臭氧-生物活性炭、或生物膜的处理工艺对原水进行深度净化。

然而，针对饮用水中存在的消毒副产物如余氯、卤乙酸(HAAs)、卤甲烷(THMs)、亚硝胺、致诱变化合物(MX)等产物，以及重金属离子，由于我们通常认为饮用水为“寡营养”环境，因此生物电化学系统通常仅仅用于有机污染物浓度高的净化过程，截止目前尚未有利用生物电化学系统在家庭供水终端净化饮用水的方法，同时也未出现利用生物电化学系统来净化饮用水的相关报道。

发明内容

本实用新型针对家庭等供水终端饮用水含有大量的微量有机、无机污染物，而目前常规的物理、化学净水工艺效果有限，滤芯频繁更换、净水成本高的问题，本实用新型提供一种净化饮用水的生物电化学系统以及净化方法，该发明主要应用于家庭饮用水的生物净化，也可应用于学校、宾馆、办公场所等供水终端的饮用水净化领域。该系统能有效地除去饮用水中含有的微量有机污染物、余氯类物质，以及多种重金属离子。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种用于净化饮用水的生物电化学系统，其特征在于，所述系统包括阳极(1)、阴极(2)、隔膜(3)、直流电源(4)、水流开关(5)、自动控制器(6)、反冲阀(7)、超滤膜(8)、净水器壳体(9)，压力储水桶(10)，高压开关(11)，进水电磁阀(12)、流量调控开关(13)、进水口(14)、净化水口(15)与反冲洗口(16)；

所述净水器壳体中内置阳极、阴极和隔膜，从内到外分别是阳极、隔膜和阴极，其中隔膜将阳极和阴极分开；净水器壳体底部设置反冲洗口与反冲阀，壳体下部设置进水口；进水口与进水电磁阀和水流开关连接；直流电源与阴极和阳极连接，直流电源采用开关电源；净水器壳体上部设置出水口，出水口连接外置的超滤膜柱，经超滤膜过滤的出水连接压力储水桶，在超滤膜柱与压力储水桶之间设置高压开关，高压开关与进水电磁阀偶联调控净水器壳体的进水，水流开关通过自动控制器调控直流电源的开启，流量调控开关调控生物电化学系统的流量大小；

进一步的，除上述结构外，所述净水器也可采用进水口、净化水口以及反冲洗口均设置在顶部的方式；

进一步的，采用顶部进出水以及反冲的净水器，可采用多路阀控制系统来设置进水口、净化水出口以及反冲洗水出口；

进一步的，采用顶部进出水以及反冲的净水器，也可采用集成式进、出水装置，采用这一装置的净水器可将2个以上的净水器串联；

阳极采用选自石墨片、石墨毡、无定形碳纤维或活性炭颗粒构建的三维电极；

进一步的，三维电极内部设置水流通道；

阴极采用选自不锈钢网、板、不锈钢壳体、石墨毡、无定形碳纤维或其组合而成的电极。

隔膜采用无纺布、离子交换膜、单层或双层塑料网；所述离子交换膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜；

优选地，隔膜采用无纺布；

直流电源采用线性直流稳压电源或非线性直流稳压电源；直流电源采用AC-DC 或DC-DC电源模块；直流电源既可独立手动启闭，也可与水流开关联动，通过自动控制器启闭。

水流开关采用活塞式、涡轮式或挡板式水流传感器。

自动控制器采用通过PLC编程的单片机组成。优选地，自动控制器可集成控制按钮、多参数显示屏。

反冲阀采用手动控制的球阀、截止阀，以及自动控制的电磁阀；反冲阀通过与自动控制器的联用控制启闭。

优选地，超滤膜材料采用聚烯烃类、聚砜类、聚氯乙烯类或陶瓷；其组件采用管式、板式、卷式以及中空纤维膜；其作用主要用于过滤系统内的微生物菌体、悬浮物等颗粒。

净水器壳体采用不锈钢、玻璃钢、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等制造。

此外，超滤膜还可以可内置于净水器壳体内。

流量调控采用流量控制阀，主要用于调控进入生物电化学系统的水量，以维持合适的水力停留之间。

进一步地，本实用新型还提供利用上述生物电化学系统净化饮用水的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、利用所述生物电化学系统，在净化饮用水过程中，生物电化学系统的直流电源与水流开关联动通过自动控制器启闭；所述直流电源保持常开或手动启闭；所述直流电源的外加电压控制在0.1-1.5V之间；饮用水在生物电化学系统内的停留时间为3-30分钟；

步骤二、供水管道中的饮用水进入系统后，水流从下往上流动过程中，水相中的污染物通过隔膜渗透到阳极和阴极表面被降解转化，阴阳离子在电压驱动下透过隔膜向阳极或阴极迁移，净化后的水流经上部的净水出口排出；

步骤三，在生物电化学系统净水过程中，水相中的污染物分别迁移到阳极和阴极进行氧化还原反应，其中有机污染物、氨氮在阳极经电活性微生物催化氧化释放电子到电极，电子从外电路传递到阴极被氯气、氧气接受并还原过程中形成电流；

步骤四，根据水质情况和设计要求，生物电化学系统的反冲洗间隔周期为2-60天，每次反冲洗时间为0.1-2分钟；反冲洗过程中，关闭净化水出口阀，开启反冲洗废水阀。

优选地，在步骤一中，通过自动控制器控制直流电源时，当上游来水通过管道时，水流开关(5)检测到水流并发出电流信号通过自动控制器(6)启动直流电源(4)；当管道内没有来水时，水流开关(5)发出电流信号通过自动控制器(6)关闭直流电源(4)；其直流电源(4)的自动化控制还可设计在水流开关检测没有来水的电流信号后，延迟5-30分钟关闭。

优选地，在步骤二中，系统采用从上部进出水方式，水流从上往下流动过程中，污染物迁移并通过阴阳极降解转化，水流到达底部后再通过内置水流导筒(17)向上部流动，并经上部净化水口排出；

优选地，在步骤二中，采用离子交换膜作为隔膜的系统，系统的进水从上部先进入阳极室、水流向下流动并经阳极氧化后从下部进入阴极室，在阴极室内向上流动，经阴极还原后从上部排出系统；也可以同样的进水方式先进入阴极室，再进入阳极室，最后排出系统。

优选地，在步骤三中，通过自动控制器采集外电路的电流强度数据，通过与水相中的污染物指标—化学耗氧量的分析进行对比换算，将电流强度转化为饮用水的化学耗氧量指标数据，以实时表征生物电化学系统的进水污染程度；

优选地，在步骤三中，通过对生物电化学系统净水效率与进水化学耗氧量指标的换算，将电流数据进一步转换为生物电化学系统的净化水化学耗氧量指标；

优选地，在步骤三中，饮用水的进水以及净化水的化学耗氧量等指标数据通过自动控制器的多参数显示屏显示出来。

优选地，在步骤四中，反冲洗手动操作，或者采用自动控制器来设置反冲洗周期和流程，并控制相关阀门的启闭；

优选地，在步骤四中，采用顶部进出水的生物电化学系统，采用多路阀系统来手动或自动控制反冲洗周期和流程，并控制相关阀门的启闭；

优选地，在步骤四中，采用上部进水和上部出水的生物电化学系统的反冲洗过程，反冲洗水源利用未经净化的饮用水，通过旁通经净化水出口端的三通引入系统，经进水口端的三通废水口排出；或者关闭系统进水阀门，利用压力储水罐的净化水，通过压力回流反冲，再经进水口端的三通废水口排出。

关于本实用新型净化方法的的原理，具体为：供水管道中的饮用水通过阀门进入饮用水处理的生物电化学系统，在外加电压下，饮用水内的有机污染物、氨氮通过阳极附着的电活性生物膜氧化，产生的电子通过外电路传递到阴极，在阴极通过电化学还原或电活性微生物催化还原余氯、氧气、硝酸盐为氯离子、水、氮气；饮用水中的消毒副产物首先通过阴极催化脱氯，有机碳渗透到阳极氧化，2-3个氯取代消毒副产物通过阴极/阳极之间的循环氧化还原过程，逐步脱氯、彻底降解为氯离子、CO₂和水。饮用水中的重金属离子则通过阴阳极表面附着的微生物菌群吸附去除。经生物电化学系统净化后的饮用水通过超滤膜过滤后可直接供用户使用，也可储存于压力储水桶内。系统内繁殖的剩余微生物菌体(包括吸附的重金属)以及其他杂质通过定期启闭反冲阀，排出净水系统，反冲水可用于冲厕等用途。

本实用新型具有如下优点：

1、本实用新型的生物电化学系统，充分利用饮用水自身的氯气与氧气作为电子受体，通过外加电压调控阴阳极在合适的范围，促进了污染物在阳极和阴极的氧化还原。

2、本实用新型的生物电化学净水系统中，采用无纺布、塑料网等隔膜，方便了有机污染物在阴阳极之间的迁移，有利于含有氯取代基的消毒副产物在阴极还原脱氯以及阳极的有机碳氧化。

3、本实用新型的生物电化学净水系统内，三维电极设置了专门的水流通道，不仅方便了污染物在三维电极内的均匀迁移，同时，解决了传统透过性过滤膜如PP棉、活性炭滤芯等极易堵塞的难题。

4、本实用新型的生物电化学净水系统内，有机污染物被电极表面电活性微生物降解、转化，重金属被微生物吸附并通过定期反冲洗排出系统，不仅避免了污染物在系统内的积累，还显著延长了反冲洗周期，节约水资源。

5、本生物电化学净水系统可兼做饮用水水质生物传感器，在净水过程中，通过将阴阳极间的电流数据与水质CODmn指标进行换算，并在自动控制器的多参数屏上显示，方便用户在净水过程中及时了解进出水水质情况。

6、生物电化学系统外加电压低、电流强度低、能耗低、没有噪音。

附图说明：

图1：本实用新型的净化饮用水的生物电化学系统结构图；

图2：本实用新型采用上部进出水的生物电化学系统结构图；

图3：本实用新型采用上部进出水串联的生物电化学系统结构图；

图4：有机碳污染物与消毒副产物在本实用新型生物电化学系统内的氧化还原过程原理图；

其中TCAA为三氯乙酸，DCAA为二氯乙酸，MCAA为一氯乙酸。

图5：本实用新型生物电化学系统运行过程中通过数据采集的电流强度实时变化示意图。

阳极(1)、阴极(2)、隔膜(3)、直流电源(4)、水流开关(5)、自动控制器(6)、反冲阀(7)、超滤膜柱(8)、净水器壳体(9)，压力储水桶(10)，高压开关(11)，进水电磁阀(12)，流量调控开关(13)，进水口(14)，净化水口(15)、反冲洗口(16)、内置水流导筒(17)。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步描述，但不限于下列实施例。

实施例1：以聚丙烯(PP)材质作为净水器壳体的生物电化学系统构建

如图1所示，本实施例的生物电化学系统以聚丙烯(PP)作为筒状的净水器壳体 9(直径130mm，长600mm)，它包括阳极1、阴极2、隔膜3、直流电源4、水流开关5、自动控制器6、反冲阀7、超滤膜8、净水器壳体9，压力储水桶10，高压开关 11、进水电磁阀12、流量调控开关(13)、进水口(14)、净化水口(15)与反冲洗口(16)。其中净水器壳体9密封的底部设置一个反冲洗口配反冲阀7，净水器壳体设置一个进水口，进水口与进水电磁阀12和水流开关5连接，阳极1由1层或多层石墨毡构建，石墨毡厚度2-10mm，每层石墨毡之间间隔2-10mm、不锈钢网作为阴极2，阳离子交换膜作为隔膜3，隔膜3包裹在阳极1外侧，隔膜3外侧为阴极2。阳极1与阴极2分别通过钛丝与净水器壳体上的电源固定螺栓连接直流电源4，直流电源4采用开关电源。净水器壳体设置一个出水口连接外置的超滤膜柱8，超滤膜材料为聚氯乙烯，经超滤膜过滤的出水连接压力储水桶10，在超滤膜柱8与压力储水桶10之间设置一个高压开关11，高压开关11与进水电磁阀12偶联调控净水器的进水，水流开关5通过自动控制器6调控直流电源的开启，流量调控开关13调控生物电化学系统的流量大小(参见说明书附图1)。

在具体的实施过程中，根据生物电化学系统的电源控制，也可省略水流开关5，使得生物电化学系统的直流电源4一直处于开启状态，也可手动开启和关闭。

实施例2：以不锈钢筒体作为净水器壳体的生物电化学系统的构建及对家庭饮用水的净化

1.以不锈钢筒体作为净水器壳体的生物电化学系统构建

本实施例的生物电化学系统的净水器壳体9采用外径102mm，长710mm,上下端通过可拆卸的密封盖密封的304不锈钢筒体，不锈钢筒体兼做阴极2,2-10mm石墨毡作为阳极1，其中石墨毡卷成的20-40mm的圆筒状，净水器壳体内可放置3-5个紧贴在一起的石墨毡圆筒，石墨毡圆筒形成三维阳极，在三维阳极外侧包裹无纺布隔膜 3，隔膜3紧贴不锈钢净水器壳体内侧。阳极1与阴极2分别通过钛丝与直流电源4 连接。除净水器壳体9，阳极1与阴极2的构建外，构建的生物电化学装置及方法流程如实施例1的装置。

2.生物电化学系统净化家庭饮用水

采用实施例2构建的生物电化学系统，通过三通阀接入家庭饮用水管道系统，通过直流电源4控制外加电压为1.0V，利用流量调控开关控制系统饮用水停留时间为 15分钟，在系统启动驯化过程中，市政与家庭饮用水管道内生存的微生物在生物电化学系统内定殖、生长并形成稳定的菌群。进过1-2个月的驯化后，生物电化学系统达到正常的运行与饮用水净化效果。

对生物电化学系统的饮用水净化效果进行分析，采集500mL水样，利用氮气吹脱2-5分钟以除去水中的氧气、氯气。对水样进行CODmn检测表明，未净化的饮用水CODmn在3-7.5mg/L之间，经净化后的饮用水CODmn在0-2.5mg/L之间。

UV254可以作为总有机碳(TOC)、溶解性有机碳(DOC)，以及三卤甲烷(YHMs) 的前驱物(THMEP)等指标的替代参数，是衡量微污染饮用水中有机物的一个重要参数。对生物电化学系统净化后的饮用水水样经UV254检测表明，未净化的饮用水 UV254在0.035-0.045/cm之间，经净化后的饮用水UV254降到0.01-0.015/cm之间。

实施例3：生物电化学净水系统实时水质检测分析

以实施例2的生物电化学系统在饮用水净化过程中，数据采集器实时采集直流电源的电流数据(见附图5)，通过与进出水的CODmn换算，其进水CODmn在 3.5-4.5mg/L，出水CODmn为0.7-0.9mg/L。

实施例4：除隔膜为无纺布外，其余同实施例2。

测试结果：对水样进行CODmn检测表明，经净化后的饮用水CODmn在 0-1.5mg/L之间；经净化后的饮用水UV254降到0.01-0.012/cm之间。

可见，当隔膜为无纺布时，相比采用阳离子交换膜作为隔膜，具有更优的效果。

实施例5：除超滤膜为陶瓷外，其余同实施例2。

测试结果：对水样进行CODmn检测表明，经净化后的饮用水CODmn在 0-2.6mg/L之间；经净化后的饮用水UV254降到0.01-0.0145/cm之间。

可见，当超滤膜为陶瓷时，相比超滤膜为聚氯乙烯作为超滤膜，效果相当。

实施例6：除进水口、净化水口以及反冲洗口均设计在顶部，如附图2，其余同实施例2。

测试结果：对水样进行CODmn检测表明，经净化后的饮用水CODmn在 0-2.4mg/L之间；经净化后的饮用水UV254降到0.01-0.015/cm之间。

可见，无论是将进水口、反冲洗口设置在底部、净化水口设计在顶部，还是进水口、净化水口以及反冲洗口均设计在顶部，效果相当。

本实用新型的一种用于净化饮用水的生物电化学系统以及净化方法已经通过具体的实例进行了描述，本领域技术人员可借鉴本实用新型内容，适当改变原料、工艺条件等环节来实现相应的其它目的，其相关改变都没有脱离本实用新型的内容，所有类似的替换和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本实用新型的范围之内。

Claims (9)

1.一种用于净化饮用水的生物电化学系统，其特征在于，所述系统包括阳极(1)、阴极(2)、隔膜(3)、直流电源(4)、水流开关(5)、自动控制器(6)、反冲阀(7)、超滤膜(8)、净水器壳体(9)，压力储水桶(10)，高压开关(11)，进水电磁阀(12)、流量调控开关(13)、进水口(14)、净化水口(15)与反冲洗口(16)；

所述净水器壳体中内置阳极、阴极和隔膜，从内到外分别是阳极、隔膜和阴极，其中隔膜将阳极和阴极分开；净水器壳体底部设置反冲洗口与反冲阀，壳体下部设置进水口；进水口与进水电磁阀和水流开关连接；直流电源与阴极和阳极连接，直流电源采用开关电源；净水器壳体上部设置出水口，出水口连接外置的超滤膜柱，经超滤膜过滤的出水连接压力储水桶，在超滤膜柱与压力储水桶之间设置高压开关，高压开关与进水电磁阀偶联调控净水器壳体的进水，水流开关通过自动控制器调控直流电源的开启，流量调控开关调控生物电化学系统的流量大小。

2.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述净水器采用进水口、净化水口以及反冲洗口均设置在顶部的方式；采用多路阀控制系统来设置进水口、净化水出口以及反冲洗水出口。

3.根据权利要求2所述的生物电化学系统，其特征在于，采用集成式进、出水装置将2个以上的净水器串联。

4.根据权利要求1至3任一所述的生物电化学系统，其特征在于，隔膜采用无纺布、离子交换膜、单层或双层塑料网；所述离子交换膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜。

5.根据权利要求4所述的生物电化学系统，其特征在于，隔膜采用无纺布。

6.根据权利要求1至3任一所述的生物电化学系统，其特征在于，超滤膜材料采用聚烯烃类、聚砜类、聚氯乙烯类或陶瓷。

7.根据权利要求1至3任一所述的生物电化学系统，其特征在于，直流电源采用线性直流稳压电源或非线性直流稳压电源；直流电源采用AC-DC或DC-DC电源模块。

8.根据权利要求1至3任一所述的生物电化学系统，其特征在于，水流开关采用活塞式、涡轮式或挡板式水流传感器。

9.根据权利要求1至3任一所述的生物电化学系统，其特征在于，反冲阀采用手动控制的球阀、截止阀，以及自动控制的电磁阀；反冲阀通过与自动控制器的联用控制启闭。