一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置制造方法
【专利摘要】一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置，它涉及一种污水处理装置。本发明要解决现有的污水处理BESs采用离子交换膜而阳极活性减弱及膜成本高而使BESs成本增加的问题。本发明装置是由进水箱、进水泵、污水处理池和出水口组成；污水处理池包括第一电极处理单元和沉淀池；第一电极处理单元包括第一电极处理单元阴极室、第一阴极电极、第一隔板、第一电极处理单元阳极室和第一阳极电极，第一阴极电极位于第一电极处理单元阴极室，第一阳极电极位于第一电极处理单元阳极室，第一阴极电极与外接电阻一端连接，外接电阻另一端与外接电源负极连接，第一阳极电极与外接电源正极连接；沉淀池为沉淀室。本发明应用于污水处理领域。
【专利说明】一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种污水处理装置。
【背景技术】
[0002]现今社会中工业的高速发展使得工业企业生产过程中耗水量以及废水的排放量都与日剧增，多数的工业废水都属于典型的有毒难降解有机废水，这些废水中通常含有高浓度生化难降解有机污染物，其处理难度大，对环境水体危害严重。随着生态环境的污染状况的加剧，人类对于环保意识的增强，对水危机的重视及对有毒物在生物体内富集的认识，从而对排放到水体中的有毒物质的限制越来越严格，采用传统的生物和物理化学净化方法处理无法满足现今的技术和经济要求，因此开发出高效、低成本的难生物降解有机物处理技术，是目前环境工作者的研究重点。
[0003]生物电化学系统(Bioelectrochemical system:BES)现在被认为是一种从废水中回收电流、燃料和化学物质的新型潜在技术。不同的电化学系统，通常使用的电极不同，生物电化学系统中常用以碳为基础的电极，例如石墨颗粒，碳纤维，碳布，碳租，碳纸，石墨板等。这样不仅可以避免电化学中电极的消耗产生化学污泥，且降低了电极成本。更重要的是，在生物电化学系统中，以电化学活性微生物为电催化介体的生物阴极和生物阳极相对比于电化学反应，减少了电极反应的过电势，使得反应系统接近热力学平衡，而使得对于目标物质的处理效率提高。另一方面和传统的生物法比较，生物电化学系统更容易得到稳定的物质去除率。在阳极室/阴极室生物电化学反应可以直接在电极表面发生底物的氧化反应或者还原反应，而比单一的生化反应的效率高。一方面循环电路中，在阴极上电子和质子被反应消耗，并且微生物利用底物新陈代谢不断的生成更多的电子和质子。另一方面在电极表面上生长有大量的微生物在阴极可以作为电子受体或是在阳极微生物新陈代谢为电子供体。
[0004]近年来，BESs在污水处理方面的研究颇受关注，并且取得了很多成果。阳极能够氧化废水中的有机物，例如，葡萄糖、纤维素和几丁质颗粒等；近年来，阴极作用引起了人们的极大兴趣，阴极可以发生得电子还原反应，在阴极能够将有毒有害物质还原为无毒害或毒性小的物质，例如，硝酸盐、卤化物、染料、硝基苯，重金属等。其中很多难降解污染物，如染料、氯酚类、硝基芳香烃类在阴极表现出较强的还原效应，因此，利用BESs阴极去除难降解污染物具有极大的潜力。但现今，BES反应器多为双极室结构，其中离子交换膜的存在会导致阴阳两极的PH值梯度变化，使阳极酸化，影响阳极活性；并且会大大增加BESs的成本，从而限制了生物电化学系统的规模扩大化。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决现有的污水处理生物电化学系统装置因采用离子交换膜而阳极活性减弱以及膜成本高 而使BESs成本增加的问题。，而提供一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置。[0006]一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置，该装置由进水箱、进水泵、污水处理池和出水口组成；
[0007]所述的污水处理池包括第一电极处理单元和沉淀池；
[0008]所述的第一电极处理单元由第一电极处理单元阴极室、第一阴极电极、第一隔板(3-1)、第一电极处理单元阳极室和第一阳极电极组成，第一阴极电极位于第一电极处理单元阴极室中，第一阳极电极位于第一电极处理单元阳极室中，第一阴极电极与外接电阻的一端连接，外接电阻的另一端与外接电源的负极连接，第一阳极电极与外接电源的正极连接；所述的第一阴极电极由第一阴极电极和第一阴极电极通过钛丝串联连接组成；
[0009]所述的沉淀池为沉淀室，沉淀室与第一电极处理单元阳极室被第二隔板隔开；
[0010]所述的第一电极处理单元阴极室底部的进水口与进水泵的出口端连通，进水泵的入口端与进水槽连通，所述的沉淀室的侧壁上部与出水口连通。
[0011]工作原理:本发明一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置的工作原理:进水箱中的废水在进水泵的作用下进入污水处理池，废水在污水处理池的厌氧环境条件下，采用废水推流式方法，废水首先流经第一电极处理单元阴极室，废水中的有毒有害物质在阴极电极表面发生还原反应，生成低毒或无毒性的产物，再流入第一电极处理单元阳极室，废水中的底物在阳极发生氧化反应，在推流式的作用下，废水再经过厌氧沉淀池，经厌氧微生物进行微生物处理后，被净化的污水达到出水口。
[0012]本发明的有益效果:
[0013]本发明一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置采用无膜结构，并选用廉价石墨颗粒或碳纤维刷作为电极材料，极大的降低了成本。推流式的设计理念使污染物可以充分在阴极还原以减小了污染物对阳极产生毒化作用和抑制作用，同时有效地平衡阳极质子的积累，防止阴阳两极的PH梯度变化。
[0014]本发明一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置在处理废水的过程中阴极发挥了脱色、脱毒的作用，阳极则在氧化底物的同时为阴极提供电子，与传统离子交换膜相比，本发明的处理废水的效率提高20%~25%，成本降低20%~30%，具有易于扩大化和规模化应用的优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为【具体实施方式】一的一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置的俯视图；
[0016]图2为【具体实施方式】一的一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置的从A方向的侧视图；
[0017]图3为试验一中在不同水利停留时间，茜素黄的进水负荷和脱色效率影响效果图表不菌素黄的进水负荷，一.一表不菌素黄的脱色速率；
[0018]图4为试验一在不同水利停留时间，阴阳电极电势和电流密度的影响效果图，—表示阴极的电极电势，表示阳极的电极电势，一□一表示电流密度。
【具体实施方式】
[0019]【具体实施方式】一:结合图1，本实施方式中一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置，该装置是由进水箱(1)、进水泵(2)、污水处理池和出水口(8)组成；
[0020]所述的污水处理池包括第一电极处理单元和沉淀池；
[0021]所述的第一电极处理单元由第一电极处理单元阴极室(4-1)、第一阴极电极、第一隔板(3-1)、第一电极处理单元阳极室(4-2)和第一阳极电极(7)组成，第一阴极电极位于第一电极处理单元阴极室(4-1)中，第一阳极电极(7)位于第一电极处理单元阳极室(4-2)中，第一阴极电极与外接电阻(11)的一端连接，外接电阻(11)的另一端与外接电源(9)的负极连接，第一阳极电极(7)与外接电源(9)的正极连接；其中，所述的第一阴极电极由第一阴极电极(6)和第一阴极电极(12)通过钛丝串联连接组成；
[0022]所 述的沉淀池为沉淀室(4-3)，沉淀室(4-3)与第一电极处理单元阳极室(4-2)被第二隔板(3-2)隔开；
[0023]所述的第一电极处理单元阴极室(4-1)底部的进水口(5)与进水泵(2)的出口端连通，进水泵(2)的入口端与进水槽(I)连通，所述的沉淀室的侧壁(10)上部与出水口(8)连通。
[0024]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一的不同点在于，所述的污水处理池为密闭的长方体；其中，所述的长方体的长:宽:高的比为(4~10):1:1。其它与【具体实施方式】一相同。
[0025]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二的不同点在于，所述的第一电极处理单元阴极室(4-1)、第一电极处理单元阳极室(4-1)和沉淀室(4-3)的形状为长方体，其中长方体的每一个边角为圆弧过渡，预防水流的死角。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0026]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一的不同点在于，所述的第一阴极电极(6)、第一阴极电极(12)和第一阳极电极(7)的电极材料为装载石墨颗粒的钛篮或碳刷；其中，所述的碳刷由碳纤维和钛丝组成。其它与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0027]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一的不同点在于，所述的进水泵(2)的进水速度为1.20Xl(T3mVd~1.30X 10_3mVd。其它与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0028]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一的不同点在于，所述的外加电阻为20Ω。其它与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0029]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一至六之一的不同点在于，所述的污水处理池为密闭的长方体；其中，所述的长方体的长:宽:高的比为5:1:1。其它与【具体实施方式】一至六之一相同。
[0030]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一至七之一的不同点在于，所述的一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置可设置(2n+l)个廊道；其中，所述的电极处理单元的设置个数为η个。其它与【具体实施方式】一至七之一相同。
[0031]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一至八之一的不同点在于，所述的污水处理池外框、第一隔板(3-1)和第二隔板(3-2)的材料为有机玻璃。其它与【具体实施方式】一至七之一相同。
[0032]采用以下试验验证本发明的效果:[0033]试验一:结合图1，本实施方式中一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置，该装置是由进水箱(1)、进水泵(2)、污水处理池和出水口(8)组成；
[0034]所述的污水处理池包括第一电极处理单元和沉淀池；
[0035]所述的第一电极处理单元由第一电极处理单元阴极室(4-1)、第一阴极电极、第一隔板(3-1)、第一电极处理单元阳极室(4-2)和第一阳极电极(7)组成，第一阴极电极位于第一电极处理单元阴极室(4-1)中，第一阳极电极(7)位于第一电极处理单元阳极室(4-2)中，第一阴极电极与外接电阻(11)的一端连接，外接电阻(11)的另一端与外接电源(9)的负极连接，第一阳极电极(7)与外接电源(9)的正极连接；其中，所述的第一阴极电极由第一阴极电极(6)和第一阴极电极(12)通过钛丝串联连接组成；
[0036]所述的沉淀池为沉淀室(4-3)，沉淀室(4-3)与第一电极处理单元阳极室(4-2)被第二隔板(3-2)隔开；
[0037]所述的第一电极处理单元阴极室(4-1)底部的进水口(5)与进水泵(2)的出口端连通，进水泵(2)的入口端与进水槽(I)连通，所述的沉淀室的侧壁(10)上部与出水口(8)连通。
[0038]本试验所述的第一阴极电极由两个装载石墨颗粒的钛篮组成，所述的第一阳极单电极为一个装载石墨颗粒的钛篮；其中，所述的第一阴极电极组与第一阳极单电极的体积比为2:1。
[0039]图4为试验一采用一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置的装置示意图。
[0040]模拟废水:所述的模拟废水为每IL废水由25mL的磷酸缓冲溶液(pH=7)、KC10.13g、NH4C10.31g、NaAclg、维`生素液lmL、矿质兀素液lmL、染料菌素黄0.1g和自来水组成；其中，所述的每IL维生素液中含有维生素H2.0mg ;维生素B2.0mg ;盐酸吡哆醇
10.0mg ;维生素 B15.0mg ;维生素 B25.0mg ;烟酸 5.0mg ;D_ 泛酸钙 5.0mg ;维生素 B120.1mg ；对氨基苯甲酸5.0mg ;硫辛酸5.0mg ;所述的每IL矿质元素液中含有氮三乙酸1.5g ;七水硫酸镁3.0g ;一水硫酸猛0.5g ;氯化钠1.0g ;七水硫酸亚铁0.1g ;氯化亚钴0.1g ;氯化钙
0.1g ;七水硫酸锌0.1g ;五水硫酸铜0.01g ;钾铝矾0.01g ；H3B030.01g ;钥酸钠0.01go
[0041]利用上述装置处理模拟废水，方法如下:进水箱I中的废水在进水泵2的作用下进入污水处理池，废水在污水处理池的厌氧环境条件下，采用废水推流式方法，废水首先流经第一电极处理单元阴极室4-1，废水中的有毒有害物质在第一阴极电极表面发生还原反应，生成低毒或无毒性的产物，再流入第一电极处理单元阳极室，废水中的底物在第一阳极电极发生氧化反应，在推流式的作用下，废水再经过厌氧沉淀池，经厌氧微生物进行微生物处理后，被净化的污水达到出水口。
[0042]本试验是在外加电压为0.5V，外加电阻为20 Ω，进水速率为1.25 XlO^mVd的条件下连续流进水。
[0043]本试验所述的污水处理池的厌氧环境是在开始运行前向装置中充曝氮气30分钟以保证装置中没有氧气的存在。
[0044]本试验结果如下:
[0045]1、本试验一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置对茜素黄的脱色率[0046]如附图4所示，当茜素黄进水负荷为106.23gAYR/m3TV.d时其脱色率可以达到95%以上，这表明该装置可以对偶氮类染料进行脱色处理。而当茜素黄进水负荷提高到637.40gAYR/m3TV.d时，茜素黄的脱色效果降低到50%，出水中检测到的茜素黄的浓度接近50mg/L，这表明茜素黄的进水负荷超过了该装置中一组电极组所能承受的最大负荷。
[0047]对装置的出水采用高效液相色谱法进行检测，结果表明，茜素黄的主要还原产物为对苯二胺和5-氨基水杨酸，其产物更易于好氧生物降解，因为偶氮键的断裂，从而实现了偶氮染料的脱色。因此，该发明可以有效的对偶氮染料废水实现脱色的目的，出水也更易于后续的好氧处理。
[0048]2、本试验一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置中茜素黄负荷对于电极电势的影响
[0049]结合附图3和附图4，当茜素黄进水负荷由106.23提高到318.69gAYR/m3TV-d的过程中，第一阳极单电极电位保持在_400mV vs SCE(饱和甘汞参比电极)以上，相应的，阴极电位稳定在_850mV vsSCE左右(附图4)，电流密度随进水硝基苯负荷呈线性增长，从14.83提高到20.39A/m3TCV(TCV:阴极总体积)，当进水硝基苯负荷提高到637.40gAYR/m3TV.d时，第一阳极单电极和第一阴极电极组电位分别上升到_250mV和-750mV，电流密度降低到
12.34A/m3TCV，这表明当进水茜素黄负荷超过第一电极处理组阴极室的处理能力时，第一阴极室的出水中含有较多的茜素黄，这部分出水流经第一阳极单电极时，对阳极上的微生物活性产生抑制或毒性作用，导致阳极电位上升，第一阳极单电极逐渐丧失了生物活性。因此，在试验中，保证第一电极处理组阴极室具有较高的污染物处理负荷是保持第一电极处理组阳极室生物活性及装置稳定运行的关键所在。根据这点，为了使第一阳极单电极保持正常的活性，可 以根据进水中茜素黄的负荷对电极组进行不同的排布，或者加入多组电极，从而提高茜素黄的处理效率。
[0050]从以上结果可以看出，该装置通过第一阴极电极组发生的电化学还原反应，结合第一电极处理组阳极室的生物电化学阳极的联合作用将含有偶氮染料的废水处理为含有易生物降解且毒性小的苯胺类废水。在这个过程中，阴极发挥了脱色、脱毒的作用，阳极则氧化底物的同时为阴极提供电子，本验证试验的装置具有废水处理效率提高25%、成本降低20%、易于扩大化和规模化应用的优势。
【权利要求】
1.一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置，其特征在于微生物强化型废水处理廊道推流式生物电化学装置由进水箱(1)、进水泵(2 )、污水处理池和出水口( 8 )组成； 所述的污水处理池包括第一电极处理单元和沉淀池； 所述的第一电极处理单元由第一电极处理单元阴极室(4-1)、第一阴极电极、第一隔板(3-1)、第一电极处理单元阳极室(4-2)和第一阳极电极(7)组成，第一阴极电极位于第一电极处理单元阴极室(4-1)中，第一阳极电极(7)位于第一电极处理单元阳极室(4-2)中，第一阴极电极与外接电阻(11)的一端连接，外接电阻(11)的另一端与外接电源(9 )的负极连接，第一阳极电极(7)与外接电源(9)的正极连接；所述的第一阴极电极由第一阴极电极(6)和第一阴极电极(12)通过钛丝串联连接组成； 所述的沉淀池为沉淀室(4-3)，沉淀室(4-3)与第一电极处理单元阳极室(4-2)被第二隔板(3-2)隔开； 所述的第一电极处理单元阴极室(4-1)底部的进水口(5)与进水泵(2)的出口端连通，进水泵(2)的入口端与进水槽(I)连通，所述的沉淀室的侧壁(10)上部与出水口(8)连通。
2.根据权利要求1所述的一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置，其特征在于所述的污水处理 池为密闭的长方体；其中，所述的长方体的长:宽:高的比为(4 ~10):1:1。
3.根据权利要求1所述的一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置，其特征在于所述的第一电极处理组阴极室(4-1)、第一电极处理组阳极室(4-1)和沉淀室(4-3)的形状为长方体，其中长方体的每一个边角为圆弧过渡。
4.根据权利要求1所述的一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置，其特征在于所述的第一阴极电极(6)、第一阴极电极(12)和第一阳极电极(7)的电极材料为装载石墨颗粒的钛篮或碳刷；其中，所述的碳刷由碳纤维和钛丝组成。
5.根据权利要求1所述的一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置，其特征在于所述的进水泵(2)的进水速度为1.20X IO^mVd~1.30X 10_3m3/d。
6.根据权利要求1所述的一种微生物强化型廊道推流式废水处理生物电化学装置，其特征在于所述的外加电阻为20 Ω。
【文档编号】C02F1/46GK103641271SQ201310625908
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】王爱杰, 孙茜 申请人:哈尔滨工业大学