專利名稱：一種三維電極生物膜反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及廢水處理系統(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反應(yīng)器，屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型在同一反應(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(guò)程。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)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(guò)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(yíng)養(yǎng)化。水體中的氮主要以有機(jī)氮和無(wú)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(guò)微生物的分解轉(zhuǎn)化為無(wú)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(guò)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(duì)0等)逸出水體而使水體得到凈化。針對(duì)低碳氮比高氨氮廢水處理，在傳統(tǒng)生物硝化和反硝化過(guò)程中存在堿度和碳源不足等問(wèn)題，有必要開(kāi)發(fā)新的脫氮途徑。傳統(tǒng)生物脫氮過(guò)程即是利用廢水中的有機(jī)物，或者通過(guò)投加有機(jī)物甲醇、乙醇等， 作為電子供體來(lái)進(jìn)行反硝化，將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的氮?dú)?。通過(guò)投加有機(jī)物，可以獲得較高的反硝化速率，但出水中會(huì)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(duì)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(shí)，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(lái)，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?lái)縮短氮的轉(zhuǎn)化過(guò)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(wú)有機(jī)碳源的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)NOx-的去除。由于產(chǎn)物清潔，不會(huì)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(guò)程用簡(jiǎn)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(duì)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(jiàn)。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實(shí)用新型提供一種能耗低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的用于處理低碳氮比高氨氮廢水的三維電極生物膜反應(yīng)器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是這樣的一種三維電極生物膜反應(yīng)器，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?yàn)殛?yáng)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?yàn)殛帢O區(qū)域；在陽(yáng)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(shí)作為微生物載體；陽(yáng)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(yáng)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)電粒子為活性炭顆?；驘o(wú)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(yáng)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，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1)電解作用為微生物生長(zhǎng)繁殖提供適宜的環(huán)境，即陽(yáng)極區(qū)好氧，而陰極區(qū)缺氧，同時(shí)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(yáng)極)為惰性金屬材料時(shí)，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(dòng)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(shí)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(jiǎn)單的電流進(jìn)行調(diào)控，操作簡(jiǎn)單。本實(shí)用新型可實(shí)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為本實(shí)用新型結(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(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本實(shí)用新型三維電極生物膜反應(yīng)器，主要用于處理低碳氮比高氨氮廢水，參見(jiàn)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(yáng)極區(qū)域和陰極區(qū)域兩部分，隔膜內(nèi)的圓形區(qū)域?yàn)殛?yáng)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?yàn)殛帢O區(qū)域。在陽(yáng)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(shí)作為微生物載體。微生物附著在陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的載體表面形成生物膜。正電極2 (陽(yáng)極)和負(fù)電極3 (陰極)分別通過(guò)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(yáng)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(guò)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。本實(shí)用新型反應(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(yáng)極區(qū)域。由于陽(yáng)極電解產(chǎn)H+,陰極區(qū)反硝化過(guò)程產(chǎn)堿，陰極區(qū)的水回流至陽(yáng)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，如活性炭顆粒、無(wú)煙煤等。陽(yáng)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(guò)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(yáng)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(huì)降低，增加能耗。電極生物膜法是一個(gè)電化學(xué)作用和生物作用相耦合的過(guò)程，反應(yīng)原理如下在電極生物膜反應(yīng)器內(nèi)，陽(yáng)極電解水產(chǎn)生O2，在陽(yáng)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(yáng)極區(qū)的硝化細(xì)菌生長(zhǎng)，以co2、CO32_、hco3_作為碳源，進(jìn)行硝化反應(yīng)55NH4++7602+109HC03" — C5H702N+54N02-+57H20+104H2C03400N02>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>Η20NCV+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。本實(shí)用新型可用于低碳氮比高氨氮廢水的脫氮處理，在存在少量或無(wú)有機(jī)碳源的條件下，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮的去除，將復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程用簡(jiǎn)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(jiǎn)單，操作方便，制造成本低廉。本實(shí)用新型以低碳氮比高氨氮廢水為處理對(duì)象，采用三維電極生物膜反應(yīng)器，陽(yáng)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(yáng)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(shí)間大于12h，電流密度小于0. 021mA/cm2時(shí)，可較好地實(shí)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(gè)具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行說(shuō)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(duì)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(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)。陽(yáng)極為一根長(zhǎng) 55cm，直徑Icm的鈦棒，置于陽(yáng)極區(qū)(也即)反應(yīng)器中央，有效面積157. 1cm2。陽(yáng)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(zhǎng) 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(shí)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1.一種三維電極生物膜反應(yīng)器，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?yàn)殛?yáng)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?yàn)殛帢O區(qū)域；在陽(yáng)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(shí)作為微生物載體；陽(yáng)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反應(yīng)器，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(yáng)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反應(yīng)器，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) 為活性炭顆?；驘o(wú)煙煤。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維電極生物膜反應(yīng)器，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反應(yīng)器，其特征在于陽(yáng)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。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種三維電極生物膜反應(yīng)器，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(yáng)極區(qū)域和環(huán)形的陰極區(qū)域；在陽(yáng)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(shí)作為微生物載體；陽(yáng)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。本實(shí)用新型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(jiǎn)單，操作容易。
文檔編號(hào)C02F1/461GK202322491SQ201120466790
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)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(qǐng)人:重慶大學(xué)