CN216584374U

CN216584374U - 一种处理高盐废水的三室生物电化学装置

Info

Publication number: CN216584374U
Application number: CN202123447343.7U
Authority: CN
Inventors: 陈重军; 张群; 谢嘉玮; 朱国营; 马楫; 梅娟; 李宇庆
Original assignee: Jiangsu Sujing Group Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Sujing Group Co Ltd
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2031-12-28

Abstract

本实用新型公开了一种处理高盐废水的三室生物电化学装置，其包括阳极室、脱盐室、阴极室、设置在阴极室与脱盐室之间的阳离子交换膜、设置在脱盐室与阳极室之间的阴离子交换膜、悬挂于阳极室中部的碳纤维刷阳极、悬挂于阴极室中部的空气阴极、可变电阻、直流电源、控制系统及阳极室进液泵、阳极室出液泵、脱盐室进液泵、脱盐室出液泵、阴极室进液泵、阴极室出液泵，脱盐室分别与阳极室、阴极室连通，碳纤维刷阳极、直流电源、可变电阻和空气阴极依次连接；控制系统用于实时监测直流电源的电压且与前述各泵分别通信连接，该装置无需人为进行调控，可自动化进行阳极与阴极液的更换，更为便捷、高效，在一定程度上将间歇运行变“连续运行”。

Description

一种处理高盐废水的三室生物电化学装置

技术领域

本实用新型涉及一种微生物电化学技术领域，具体涉及了一种处理高盐废水的三室生物电化学装置。

背景技术

高盐工业废水一般含盐量超过1%，其中含有大量游离的金属阳离子和非金属阴离子，如Na⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-等，同时还含有大量的可溶性无机盐。我国高盐废水含量占总废水的5%，且每年以2%的速度增长。废水中高浓度盐会抑制活性污泥活性，使得废水生化处理系统效率低下，必须对高盐工业废水进行脱盐预处理。常用的脱盐方法有热分离、反渗透、膜交换、电容去离子、电渗析、电吸附及微生物脱盐等，但传统脱盐工艺通常会消耗大量能量，同时需要较高的水压。

微生物脱盐池是生物电化学系统的一种扩展形式，其原理是阳极呼吸细菌将有机物氧化所产生的电子转移到胞外，从而产生电能，此过程可在无外在供电的条件下进行。微生物脱盐池具有水质要求低、设备结构简单、可资源化利用等优势。微生物脱盐池处理高盐废水时，当电压低于100 mV时视为一个周期结束，此时需更换阴阳极液及脱盐室盐水，但这个过程往往依靠人为进行监测，且更换耗时耗力。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种改进的处理高盐废水的三室生物电化学装置，该装置无需人为进行调控，可自动化进行阳极与阴极液的更换，更为便捷、高效，在一定程度上将间歇运行变“连续运行”。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种处理高盐废水的三室生物电化学装置，该三室生物电化学装置包括阳极室、脱盐室、阴极室、阳离子交换膜、阴离子交换膜、碳纤维刷阳极、空气阴极、可变电阻、直流电源、控制系统；其中，所述脱盐室分别与所述阳极室、所述阴极室连通，所述阳离子交换膜设置在所述阴极室与所述脱盐室之间，所述阴离子交换膜设置在所述脱盐室与所述阳极室之间，所述碳纤维刷阳极悬挂于所述阳极室的中部，所述空气阴极悬挂于所述阴极室的中部，所述碳纤维刷阳极、所述直流电源、所述可变电阻和所述空气阴极依次连接；

所述三室生物电化学装置还包括：分别与所述阳极室连通的阳极室进液泵、阳极室出液泵，分别与所述脱盐室连通的脱盐室进液泵、脱盐室出液泵，分别与所述阴极室连通的阴极室进液泵、阴极室出液泵；

所述控制系统用于实时监测所述直流电源的电压，且所述控制系统分别与所述阳极室进液泵、所述阳极室出液泵、所述脱盐室进液泵、所述脱盐室出液泵、所述阴极室进液泵、所述阴极室出液泵通信连接。

根据本实用新型的一些优选方面，所述空气阴极的材质为碳布。

根据本实用新型的一些优选方面，所述阳极室、脱盐室、阴极室分别为圆柱型瓶体，所述圆柱型瓶体的高径比为2-4∶1，所述圆柱型瓶体的材质为有机玻璃。

根据本实用新型的一些优选方面，所述三室生物电化学装置还包括用于监测所述空气阴极的电势的参比电极，所述参比电极设置在所述阴极室中。

根据本实用新型的一些优选方面，所述三室生物电化学装置还包括搅拌机构，所述搅拌机构包括设置在所述阳极室内的磁性搅拌子以及位于所述阳极室底部且用于通过磁性驱动所述磁性搅拌子发生运动的磁力搅拌器。

根据本实用新型的一些优选方面，所述三室生物电化学装置还包括曝气机构，所述曝气机构包括通入所述阴极室底部的曝气管以及与所述曝气管连通的增氧泵。

根据本实用新型的一些优选方面，所述碳纤维刷阳极、所述直流电源、所述可变电阻和所述空气阴极分别通过钛棒或钛丝依次连接。

根据本实用新型的一些优选且具体的方面，所述可变电阻为箱式电阻器，所述箱式电阻器的阻值范围为0-1000Ω。

根据本实用新型的一些优选方面，所述阳极室为密封结构，所述三室生物电化学装置还包括氮气供给机构，所述氮气供给机构与所述阳极室的内部连通。

根据本实用新型的一些优选方面，所述阳极室进液泵与所述阳极室的上部连通，所述阳极室出液泵与所述阳极室的下部连通；所述脱盐室进液泵与所述脱盐室的上部连通，所述脱盐室出液泵与所述脱盐室的下部连通；所述阴极室进液泵与所述阴极室的上部连通，所述阴极室出液泵与所述阴极室的下部连通。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

本实用新型改进的处理高盐废水的三室生物电化学装置，可无需人为进行调控，可自动化进行阳极与阴极液的更换，整个反应装置更为便捷、高效，在一定程度上将间歇运行变“连续运行”并且还能够在高效脱盐、降解阳极COD的基础上，自动化控制进出水，增加其在实际运用中的可行性，降低人力劳动以及避免人力滞后性操作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例处理高盐废水的三室生物电化学装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例控制系统与各进液泵和各出液泵的连接关系示意图；

其中，1、阳极室；2、脱盐室；3、阴极室；4、碳纤维刷阳极；5、空气阴极；6、参比电极；7、阴离子交换膜；8、阳离子交换膜；9、进液口；10、出液口；11、磁性搅拌子；12、磁力搅拌器；13、增氧泵；14、箱式电阻器；15、直流电源；16、控制系统；17、阳极室进液泵；18、阳极室出液泵；19、脱盐室进液泵；20、脱盐室出液泵；21、阴极室进液泵；22、阴极室出液泵。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

下面结合附图对本实用新型优选的实施方式进行详细说明。

如图1-2所示，本例提供一种处理高盐废水的三室生物电化学装置，该三室生物电化学装置包括阳极室1、脱盐室2、阴极室3、碳纤维刷阳极4、空气阴极5、阴离子交换膜7、阳离子交换膜8、可变电阻、直流电源15、控制系统16；其中，脱盐室2分别与阳极室1、阴极室3连通，阳离子交换膜8设置在阴极室3与脱盐室2之间，阴离子交换膜7设置在脱盐室2与阳极室1之间，碳纤维刷阳极4悬挂于阳极室1的中部，空气阴极5悬挂于阴极室3的中部，碳纤维刷阳极4、直流电源15、可变电阻和空气阴极5依次连接；

三室生物电化学装置还包括：分别与阳极室1连通的阳极室进液泵17、阳极室出液泵18，分别与脱盐室2连通的脱盐室进液泵19、脱盐室出液泵20，分别与阴极室3连通的阴极室进液泵21、阴极室出液泵22；

控制系统16用于实时监测直流电源15的电压，且控制系统16分别与阳极室进液泵17、阳极室出液泵18、脱盐室进液泵19、脱盐室出液泵20、阴极室进液泵21、阴极室出液泵22通信连接。

本例中的控制系统16本身为已有技术，例如采用现有常规监测电压的监测电路与已有的控制单元进行通信组合，根据监测到的电压与阈值电压进行比对（本例中的阈值电压为100mV），当监测到的电压低于100mV时，视为一个处理周期结束，此时需更换阴阳极液及脱盐室盐水，则通过控制单元给出信号给阳极室进液泵17、阳极室出液泵18、脱盐室进液泵19、脱盐室出液泵20、阴极室进液泵21、阴极室出液泵22，使阳极室出液泵18、脱盐室出液泵20、阴极室出液泵22打开，放出各自装载的液体，放液完毕后（放液时间可提前设置好），关闭阳极室出液泵18、脱盐室出液泵20、阴极室出液泵22，然后控制单元给出信号使阳极室进液泵17、脱盐室进液泵19、阴极室进液泵21分别打开，开始进液，直至进入设定量，进液速度和进液时间提前设定好，该些过程均可通过提前编辑程序设置在控制单元中，设置程序的方式为已有技术，在此不做具体赘述。本例主要是利用控制系统16的功能与其他部件相有机组合，实现了根据电压反馈而自动化控制进出液，减少人工操作的耗时性以及滞后性。

本例中，在该处理高盐废水的三室生物电化学装置运行初期，直流电源15起作用使电路连通并使装置工作，随着时间的推移，直流电源15的电量逐渐耗尽，当通过控制系统16再次检测该直流电源15两端的电压时，即可获得阴阳两极的电压。

同时，本例中，如图1所示，为便于理解，阳极室1、脱盐室2、阴极室3三个部件各自的进液口9、出液口10均采用相同的标号进行表示，各自所连接连通的泵则采用了不同的标号进行表示，以便于表达和进行相应区分。

本例中，空气阴极5的材质为碳布，可以将碳布折叠后压制制成，折叠和压制方式均采用常规方法进行，也可以直接采用市售的碳布材质的空气阴极5。

本例中，阳极室1、脱盐室2、阴极室3分别为圆柱型瓶体，圆柱型瓶体的高径比为2-4∶1，圆柱型瓶体的材质为有机玻璃，耐腐蚀，便于观察。

本例中，三室生物电化学装置还包括用于监测空气阴极5的电势的参比电极6，参比电极6设置在阴极室3中。参比电极6为饱和甘汞电极(SCE +245 mV vs标准氢电极SHE，model-217)，以参比电极6监测阴极电势，每10min记录电势及电流。

本例中，三室生物电化学装置还包括搅拌机构，搅拌机构包括设置在阳极室1内的磁性搅拌子11以及位于阳极室1底部且用于通过磁性驱动磁性搅拌子11发生运动的磁力搅拌器12。

本例中，三室生物电化学装置还包括曝气机构，曝气机构包括通入阴极室3底部的曝气管以及与曝气管连通的增氧泵13，通过该曝气机构，使阴极溶解氧浓度控制在6.0 mg/L以上。

本例中，碳纤维刷阳极4、直流电源15、可变电阻和空气阴极5分别通过钛棒或钛丝依次连接。

本例中，可变电阻为箱式电阻器14，箱式电阻器14的阻值范围为0-1000Ω。

本例中，阳极室1为密封结构，三室生物电化学装置还包括氮气供给机构，氮气供给机构与阳极室1的内部连通，可以通过通入氮气营造厌氧环境。

本例中，阳极室进液泵17与阳极室1的上部连通，阳极室出液泵18与阳极室1的下部连通；脱盐室进液泵19与脱盐室2的上部连通，脱盐室出液泵20与脱盐室2的下部连通；阴极室进液泵21与阴极室3的上部连通，阴极室出液泵22与阴极室3的下部连通。

进一步地，下面提供三个具体的应用实施例，对其处理效果进行进一步地检验：

应用实施例1：

采用有效容积为900 mL的三室生物电化学反应室，以Φ 5cm×L 6cm的碳纤维刷阳极4，以空气阴极5，以饱和甘汞电极(model-217)为参比电极6；绑制碳纤维刷阳极4的钛棒与空气阴极5所引出的钛丝均用于连接外电路；阴极室3接入增氧泵13。电路中连接箱式电阻器14，数据记录仪每10 min记录空气阴极5电势以及电流；阳极室1由亚克力板密封，用N₂吹脱30 min营造厌氧环境。阳极室1内置磁性搅拌子11，放置在磁力搅拌器12上。

接种污泥浓度(MLSS)为5~6 g/L的二沉池污泥，密封并置于水浴锅中30℃恒温振荡，数日后得到厌氧活性污泥为阳极室接种液。阳极液含有C₆H₁₂O₆ 0.56g/L（COD≈600 mg/L）、KH₂PO₄ 4.40g/L、K₂HPO₄ 3.40g/L和NH₄Cl 0.32g/L。阴极室3以碳酸氢钠作为营养物质，阴极液含有NaHCO₃ 1.92 g/L、KH₂PO₄ 4.40 g/L、K₂HPO₄ 3.40 g/L和NH₄Cl 0.32 g/L。脱盐室2以35 g/L的NaCl溶液模拟盐室高盐废水进水。

在阳极室1厌氧、室温、恒电阻电路、进水pH为7.23±0.20和阴极室溶解氧在6.0g/L以上的条件下，进行反应器启动，当周期内电压下降至100mV以下时更换底物溶液，当最大电压在连续两到三个周期内基本相同时，启动完成。

阴阳两极室电极间距为10 cm。在启动阶段，调节外电路箱式电阻器14的电阻从1000Ω到50Ω（1000Ω，500Ω，300Ω，100Ω，50Ω）获得极化曲线与功率曲线，反应器获得的最大功率密度为180.0 mW/m³，内阻为610.5Ω。稳定运行后，在第10d反应器电压达到峰值为590 mV。阳极底物溶液中的化学需氧量去除率为66.03±0.10%，脱盐室2中表现出的NaCl最大脱除率为84.66±0.10%。

应用实施例2

与应用实施例1的区别在于，将阴阳两极室电极间距改为12 cm。在启动阶段，反应器获得的最大功率密度为214.5 mW/m³，内阻为516.5Ω。稳定运行后，在第12d反应器电压达到峰值为645 mV。阳极底物溶液中的化学需氧量去除率为71.70±0.20%，脱盐室中表现出的NaCl最大脱除率为87.70±0.10%。相比于实施例1，最大功率密度提高了19.2%，峰值电压提高9.3%。阳极COD去除率提高8.6%，同时脱盐率也提高了3.5%。

应用实施例3

与应用实施例1的区别在于，将阴阳两极室电极间距改为14 cm。在启动阶段，反应器获得的最大功率密度为205.9 mW/m³，内阻为520.7Ω。稳定运行后，在第12d左右反应器电压达到峰值为610mV。阳极底物溶液中的化学需氧量去除率为69.80±0.15%，脱盐室中表现出的NaCl最大脱除率为83.00±0.17%。相比于实施例1，最大功率密度提高了14.4%，峰值电压提高3.4%。阳极COD去除率提高5.7%，但脱盐率降低了2%。相比于实施例2，最大功率密度降低了4.0%，峰值电压降低5.4%。阳极COD去除率降低2.6%，同时脱盐率也降低了5.4%。

实验结果表明，应用实验例2中所获得的最大功率密度和峰值电压最大；阳极COD去除率较实验例1上升8.6%、较应用实验例3也上升2.7%；脱盐率较应用实验例1上升3.5%、较应用实验例3也上升5.7%。这是因为减小电极间距离，能有效降低溶液中离子迁移阻力，利于微生物降解底物，降低内阻提高反应器输出功率，但超过一定范围相反地会影响反应性能。而改变电极间距对阳极COD和盐室脱盐率会产生一定的影响，但并无显著性影响。

综上，本实用新型改进的处理高盐废水的三室生物电化学装置，可无需人为进行调控，可自动化进行阳极与阴极液的更换，整个反应装置更为便捷、高效，在一定程度上将间歇运行变“连续运行”并且还能够在高效脱盐、降解阳极COD的基础上，自动化控制进出水，增加其在实际运用中的可行性，降低人力劳动以及避免人力滞后性操作。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种处理高盐废水的三室生物电化学装置，其特征在于，所述三室生物电化学装置包括阳极室、脱盐室、阴极室、阳离子交换膜、阴离子交换膜、碳纤维刷阳极、空气阴极、可变电阻、直流电源、控制系统；其中，所述脱盐室分别与所述阳极室、所述阴极室连通，所述阳离子交换膜设置在所述阴极室与所述脱盐室之间，所述阴离子交换膜设置在所述脱盐室与所述阳极室之间，所述碳纤维刷阳极悬挂于所述阳极室的中部，所述空气阴极悬挂于所述阴极室的中部，所述碳纤维刷阳极、所述直流电源、所述可变电阻和所述空气阴极依次连接；

2.根据权利要求1所述的处理高盐废水的三室生物电化学装置，其特征在于，所述空气阴极的材质为碳布。

3.根据权利要求1所述的处理高盐废水的三室生物电化学装置，其特征在于，所述阳极室、脱盐室、阴极室分别为圆柱型瓶体，所述圆柱型瓶体的高径比为2-4∶1，所述圆柱型瓶体的材质为有机玻璃。

4.根据权利要求1所述的处理高盐废水的三室生物电化学装置，其特征在于，所述三室生物电化学装置还包括用于监测所述空气阴极的电势的参比电极，所述参比电极设置在所述阴极室中。

5.根据权利要求1所述的处理高盐废水的三室生物电化学装置，其特征在于，所述三室生物电化学装置还包括搅拌机构，所述搅拌机构包括设置在所述阳极室内的磁性搅拌子以及位于所述阳极室底部且用于通过磁性驱动所述磁性搅拌子发生运动的磁力搅拌器。

6.根据权利要求1所述的处理高盐废水的三室生物电化学装置，其特征在于，所述三室生物电化学装置还包括曝气机构，所述曝气机构包括通入所述阴极室底部的曝气管以及与所述曝气管连通的增氧泵。

7.根据权利要求1所述的处理高盐废水的三室生物电化学装置，其特征在于，所述碳纤维刷阳极、所述直流电源、所述可变电阻和所述空气阴极分别通过钛棒或钛丝依次连接。

8.根据权利要求1所述的处理高盐废水的三室生物电化学装置，其特征在于，所述可变电阻为箱式电阻器，所述箱式电阻器的阻值范围为0-1000Ω。

9.根据权利要求1所述的处理高盐废水的三室生物电化学装置，其特征在于，所述阳极室为密封结构，所述三室生物电化学装置还包括氮气供给机构，所述氮气供给机构与所述阳极室的内部连通。

10.根据权利要求1所述的处理高盐废水的三室生物电化学装置，其特征在于，所述阳极室进液泵与所述阳极室的上部连通，所述阳极室出液泵与所述阳极室的下部连通；所述脱盐室进液泵与所述脱盐室的上部连通，所述脱盐室出液泵与所述脱盐室的下部连通；所述阴极室进液泵与所述阴极室的上部连通，所述阴极室出液泵与所述阴极室的下部连通。