專利名稱：一種適用于處理低碳氮比高氨氮廢水的三維電極生物膜系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廢水處理系統(tǒng)，具體指一種適用于處理低碳氮比高氨氮廢水的三維電極生物膜系統(tǒng)，屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域。本系統(tǒng)在同一反應(yīng)器中將生物膜法與電化學(xué)法相結(jié)合，完成硝化和反硝化處理低碳氮比高氨氮廢水的全過程。
背景技術(shù)：
隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和城市化水平的提高，城市污水排水量迅速增加，大量未經(jīng)處理或經(jīng)過處理但出水氮磷仍然難以達(dá)標(biāo)的城市污水排入城市湖泊、河流，使水體中氮磷污染日趨嚴(yán)重，其直接后果為水體富營養(yǎng)化。水體中的氮主要以有機(jī)氮和無機(jī)氮的形式存在。有機(jī)氮包括蛋白質(zhì)、多肽、氨基酸和尿素等，有機(jī)氮經(jīng)過微生物的分解轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，主要為氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮。廢水中氮素的去除主要通過硝化和反硝化工藝，使各種形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮( 、隊0等)逸出水體而使水體得到凈化。針對低碳氮比高氨氮廢水處理，在傳統(tǒng)生物硝化和反硝化過程中存在堿度和碳源不足等問題，有必要開發(fā)新的脫氮途徑。傳統(tǒng)生物脫氮過程即是利用廢水中的有機(jī)物，或者通過投加有機(jī)物甲醇、乙醇等， 作為電子供體來進(jìn)行反硝化，將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為無毒的氮?dú)?。通過投加有機(jī)物，可以獲得較高的反硝化速率，但出水中會有殘余有機(jī)物，既影響了出水水質(zhì)又增加了運(yùn)行費(fèi)用。對于氨氮含量高的廢水，如污水處理廠的污泥析出液和垃圾滲濾液等，采用傳統(tǒng)生物脫氮方法處理時，需投加有機(jī)碳源以滿足異養(yǎng)反硝化的需要，能耗大、處理費(fèi)用高。近年來，在傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝基礎(chǔ)上發(fā)展出一系列高效、節(jié)能的脫氮技術(shù)， 如SHARON、ΑΝΑΜΜ0Χ以及二者組合的CANON等。這些工藝?yán)脕喯跛嵝头聪趸蛥捬醢毖趸瘉砜s短氮的轉(zhuǎn)化過程，達(dá)到能量和電子供體的節(jié)省。與之不同，電極生物膜法是另一種極具潛力的脫氮方法。該技術(shù)利用氫自養(yǎng)菌進(jìn)行反硝化，在少量或無有機(jī)碳源的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)對NOx-的去除。由于產(chǎn)物清潔，不會增加出水負(fù)擔(dān)；更重要的是，它克服了外部直接供氫氣造成的剩余氣體流失和不易操作等弱點(diǎn)，將復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程用簡單的電流調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，能耗低，操作方便。目前，電極生物膜法多針對水中硝酸鹽的去除，將該方法應(yīng)用于低碳氮比高氨氮廢水的處理還很鮮見。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種能耗低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單的用于處理低碳氮比高氨氮廢水的三維電極生物膜系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的一種適用于處理低碳氮比高氨氮廢水的三維電極生物膜系統(tǒng)，它包括反應(yīng)器本體，所述反應(yīng)器本體為帶底的圓筒結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)器本體中設(shè)有與反應(yīng)器本體同心的隔膜，隔膜將反應(yīng)器內(nèi)區(qū)域分為兩部分，隔膜內(nèi)的圓形區(qū)域為陽極區(qū)域，隔膜外與反應(yīng)器本體內(nèi)壁之間的環(huán)形區(qū)域為陰極區(qū)域；在陽極區(qū)域填充有微生物載體填料，并在中心設(shè)有正電極；在陰極區(qū)域設(shè)有負(fù)電極，負(fù)電極緊貼于反應(yīng)器本體內(nèi)壁，并在陰極區(qū)域填充導(dǎo)電粒子作為第三電極，負(fù)電極和導(dǎo)電粒子同時作為微生物載體；陽極區(qū)域底部設(shè)有進(jìn)水管，陰極區(qū)域設(shè)有出水管，出水管設(shè)于反應(yīng)器本體上端外壁。進(jìn)一步地，在反應(yīng)器本體外壁中部設(shè)有回流管，回流管與進(jìn)水管連通，回流管用于將陰極區(qū)域的水部分回流至陽極區(qū)域。所述正電極為惰性金屬材料；所述負(fù)電極為石墨、碳棒、活性炭纖維氈或不銹鋼網(wǎng)；所述導(dǎo)電粒子為活性碳顆?；驘o煙煤。所述隔膜為醋酸纖維素、芳香族聚酰胺或聚偏氟乙烯等親水性膜。陽極區(qū)域填充的微生物載體填料為彈性填料、軟性填料或懸浮填料等絕緣材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1)電解作用為微生物生長繁殖提供適宜的環(huán)境，即陽極區(qū)好氧，而陰極區(qū)缺氧，同時微生物利用電解產(chǎn)物作為代謝底物，電極電解與微生物脫氮之間存在良好的協(xié)同作用。2)正電極(陽極)為惰性金屬材料時，電極反應(yīng)以析氧為主，節(jié)省曝氣所需要的能量，降低能耗。3)負(fù)電極(陰極)電解水原位產(chǎn)氫，氫從生物膜內(nèi)向外擴(kuò)散，與外界提供氫氣相比在傳質(zhì)方向上和傳質(zhì)動力上都得到增強(qiáng)。4)陰極區(qū)微生物反硝化脫氮利用電解產(chǎn)物氫作為電子供體，不需要外加有機(jī)碳源，同時產(chǎn)物清潔。5)陰極區(qū)域填充顆粒狀導(dǎo)電粒子，一方面填充粒子作為微生物附著載體，提高了反應(yīng)器中的微生物量；另一方面增大了比表面積，傳質(zhì)效果改善，提高了電流效率和處理效能。6)本反應(yīng)器將復(fù)雜的生物系統(tǒng)應(yīng)用簡單的電流進(jìn)行調(diào)控，操作簡單。本發(fā)明可實現(xiàn)在同一電極生物膜反應(yīng)器中，利用電化學(xué)作用創(chuàng)造微生物適宜的環(huán)境，并提供電子受體和電子供體分別進(jìn)行硝化和反硝化作用，達(dá)到有效處理氨氮廢水的目的。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1-反應(yīng)器本體；2-正電極；3-負(fù)電極；4-導(dǎo)電粒子；5-隔膜；6-進(jìn)水管； 7-出水管；8-回流管；9-微生物載體填料；10-直流穩(wěn)壓電源。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本發(fā)明三維電極生物膜系統(tǒng)，主要用于處理低碳氮比高氨氮廢水，參見圖1，其結(jié)構(gòu)主體為反應(yīng)器本體1，所述反應(yīng)器本體1采用圓筒結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)器本體1中設(shè)有與反應(yīng)器本體同心的隔膜5，由隔膜將反應(yīng)器內(nèi)區(qū)域分為陽極區(qū)域和陰極區(qū)域兩部分，隔膜內(nèi)的圓形區(qū)域為陽極區(qū)域，隔膜外與反應(yīng)器本體內(nèi)壁之間的環(huán)形區(qū)域為陰極區(qū)域。在陽極區(qū)域填充有微生物載體填料9，并在中心設(shè)有正電極2 ；在陰極區(qū)域設(shè)有負(fù)電極3，負(fù)電極緊貼于反應(yīng)器本體內(nèi)壁，并在陰極區(qū)域填充導(dǎo)電粒子4作為第三電極，負(fù)電極3和導(dǎo)電粒子4同時作為微生物載體。微生物附著在陽極區(qū)和陰極區(qū)的載體表面形成生物膜。正電極2 (陽極)和負(fù)電極3 (陰極)分別通過導(dǎo)線接直流穩(wěn)壓電源10的正極和負(fù)極。正電極2、負(fù)電極3和導(dǎo)電粒子4共同構(gòu)成三維電極。在陽極區(qū)域底部設(shè)有進(jìn)水管6，陰極區(qū)域設(shè)有出水管7，處理后的水通過出水管排出系統(tǒng)，出水管7設(shè)于反應(yīng)器本體上端外壁。本發(fā)明反應(yīng)器水流采用上升流式，底部進(jìn)水，頂端出水。在反應(yīng)器本體外壁中部設(shè)有回流管8，回流管8與進(jìn)水管6連通，用于將陰極區(qū)域的水部分回流至陽極區(qū)域。由于陽極電解產(chǎn)H+，陰極區(qū)反硝化過程產(chǎn)堿，陰極區(qū)的水回流至陽極區(qū)可起到調(diào)節(jié)PH值作用。所述正電極材料選擇導(dǎo)電性能良好、電極電位高于水電解析氧電位，又不易被氧化的惰性物質(zhì)，如鎳、銅、鈦等惰性金屬材料。所述負(fù)電極材料選擇性能穩(wěn)定、表面粗糙的碳質(zhì)或其它材料，如石墨、碳棒、活性炭纖維氈或不銹鋼網(wǎng)。所述的第三電極，即陰極區(qū)域內(nèi)填充的導(dǎo)電粒子選擇電阻較小、機(jī)械強(qiáng)度高、理化性能穩(wěn)定的材料，如活性碳顆粒、無煙煤等。陽極區(qū)和陰極區(qū)分隔膜材料采用可阻隔氣體傳遞、具有一定透水性和離子通過能力的親水性膜材料，如醋酸纖維素、芳香族聚酰胺或聚偏氟乙烯等。陽極區(qū)域填充的微生物載體填料為彈性填料、軟性填料或懸浮填料等絕緣材料。極間距為廣8cm。極間距太大，反應(yīng)器的電流效率會降低，增加能耗。電極生物膜法是一個電化學(xué)作用和生物作用相耦合的過程，反應(yīng)原理如下 在電極生物膜反應(yīng)器內(nèi)，陽極電解水產(chǎn)生O2，在陽極區(qū)域形成好氧環(huán)境，并為生物硝
化作用提供電子受體，供陽極區(qū)的硝化細(xì)菌生長，以C02、C032—、HCO3-作為碳源，進(jìn)行硝化反應(yīng)
55NH4++7602+109HC03" — C5H702N+54N02-+57H20+104H2C03 400N02>NH4++4H2C03+19 502+HC03_ — C5H702N+400N03>3H20
在電極生物膜反應(yīng)器內(nèi)，陰極電解水產(chǎn)生H2,在陰極區(qū)域形成缺氧/厭氧環(huán)境，并為生物反硝化作用提供電子供體，供固定在陰極表面和第三電極表面的反硝化菌利用，進(jìn)行反硝化脫氮
NCV+3 [H] — 0. 5Ν2+0Η>Η20 NCV+5 [H] — 0. 5Ν2+0Η>2Η20
這樣反應(yīng)器中微生物就可充分利用電解產(chǎn)物進(jìn)行硝化和反硝化脫氮。本發(fā)明可用于低碳氮比高氨氮廢水的脫氮處理，在存在少量或無有機(jī)碳源的條件下，即可實現(xiàn)對氨氮的去除，將復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程用簡單的電流調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，產(chǎn)物清潔，能耗低，結(jié)構(gòu)簡單， 操作方便，制造成本低廉。本廢水處理系統(tǒng)以低碳氮比高氨氮廢水為處理對象，采用三維電極生物膜反應(yīng)器，陽極區(qū)進(jìn)水，陰極區(qū)出水，在同一反應(yīng)器中，將生物硝化反硝化與電化學(xué)氧化法相結(jié)合。 陽極區(qū)域主要發(fā)生硝化作用，陰極區(qū)域主要發(fā)生反硝化作用。在如下控制條件下進(jìn)水氨氮容積負(fù)荷小于1. 5kgN/(m3 · d)，C/N為(Γ3，溫度控制在25 !35°C，進(jìn)水pH值為6. 5 8. 0，水力停留時間大于12h，電流密度小于0. 021mA/cm2時，可較好地實現(xiàn)電極生物膜脫氮工藝，出水總氮去除率在70%以上。以下給出一個具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行說明以幫助理解。以人工配制的模擬氨氮廢水(NH4+-N濃度為100mg/L)為研究對象，采用容積為 12. 7L的有機(jī)玻璃圓筒為反應(yīng)器。采用醋酸纖維膜分隔出陽極區(qū)和陰極區(qū)。陽極為一根長 55cm，直徑Icm的鈦棒，置于陽極區(qū)(也即)反應(yīng)器中央，有效面積157. 1cm2。陽極區(qū)填充普通濾棉作為微生物載體。陰極采用活性炭纖維氈，緊貼于反應(yīng)器內(nèi)壁，有效面積2513cm2。陰極區(qū)填充活性炭顆粒和玻璃珠，填充比例8:2 (體積比)，其中活性炭為煤質(zhì)柱狀顆粒，柱長 2^7mm,粒徑2 3mm，玻璃珠粒徑2 3mm，填充高度30cm。電極間距為8cm。人工配水中以K2HPO4和KH2PO4為緩沖劑，C/N為0. 5，以乙酸鈉作為有機(jī)碳源，溫度維持在30°C左右，進(jìn)水pH在7. 8左右，并適當(dāng)補(bǔ)充微量元素。在直流穩(wěn)壓電源輸出電壓 10V,電流密度為0. 013mA/cm2，水力停留時間為24h的條件下進(jìn)行低碳氮比高氨氮廢水的處理。處理后的水質(zhì)NH4+-N去除率在90%以上，TN去除率70%以上。
權(quán)利要求
1.一種適用于處理低碳氮比高氨氮廢水的三維電極生物膜系統(tǒng)，它包括反應(yīng)器本體 (1)，其特征在于所述反應(yīng)器本體(1)為帶底的圓筒結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)器本體(1)中設(shè)有與反應(yīng)器本體同心的隔膜(5)，隔膜將反應(yīng)器內(nèi)區(qū)域分為兩部分，隔膜內(nèi)的圓形區(qū)域為陽極區(qū)域， 隔膜外與反應(yīng)器本體內(nèi)壁之間的環(huán)形區(qū)域為陰極區(qū)域；在陽極區(qū)域填充有微生物載體填料 (9)，并在中心設(shè)有正電極(2);在陰極區(qū)域設(shè)有負(fù)電極(3)，負(fù)電極緊貼于反應(yīng)器本體內(nèi)壁， 并在陰極區(qū)域填充導(dǎo)電粒子(4)作為第三電極，負(fù)電極(3)和導(dǎo)電粒子(4)同時作為微生物載體；陽極區(qū)域底部設(shè)有進(jìn)水管(6)，陰極區(qū)域設(shè)有出水管(7)，出水管設(shè)于反應(yīng)器本體上端外壁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維電極生物膜系統(tǒng)，其特征在于在反應(yīng)器本體(1)外壁中部設(shè)有回流管(8)，回流管(8)與進(jìn)水管(6)連通，回流管用于將陰極區(qū)域的水部分回流至陽極區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維電極生物膜系統(tǒng)，其特征在于所述正電極(2)為惰性金屬材料；所述負(fù)電極(3)為石墨、碳棒、活性炭纖維氈或不銹鋼網(wǎng)；所述導(dǎo)電粒子(4) 為活性碳顆?；驘o煙煤。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維電極生物膜系統(tǒng)，其特征在于所述隔膜(5)為親水性膜，且具有阻隔氣體能力，該親水性膜為醋酸纖維素、芳香族聚酰胺或聚偏氟乙烯。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維電極生物膜系統(tǒng)，其特征在于陽極區(qū)域填充的微生物載體填料(9 )采用由絕緣材料構(gòu)成的彈性填料、軟性填料或懸浮填料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于處理低碳氮比高氨氮廢水的三維電極生物膜系統(tǒng)，在反應(yīng)器本體中設(shè)有與反應(yīng)器本體同心的隔膜，隔膜將反應(yīng)器分隔為圓形的陽極區(qū)域和環(huán)形的陰極區(qū)域；在陽極區(qū)域填充有微生物載體填料，并在中心設(shè)有正電極；在陰極區(qū)域設(shè)有負(fù)電極，并在陰極區(qū)域填充導(dǎo)電粒子作為第三電極，負(fù)電極和導(dǎo)電粒子同時作為微生物載體；陽極區(qū)域底部設(shè)有進(jìn)水管，陰極區(qū)域設(shè)有出水管，出水管設(shè)于反應(yīng)器本體上端外壁。本發(fā)明在同一電極生物膜反應(yīng)器中，利用電化學(xué)作用創(chuàng)造微生物適宜的環(huán)境，并提供電子受體和電子供體分別進(jìn)行硝化和反硝化作用，達(dá)到有效處理氨氮廢水的目的，能耗低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單，操作容易。
文檔編號C02F3/30GK102491515SQ20111037358
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者何萍, 唐金晶, 張鵬, 方芳, 楊琳, 郭東茹, 郭勁松, 陳猷鵬, 雷禮婧, 龔本洲 申請人:重慶大學(xué)