技术领域本发明涉及污水处理领域，为一种磁铁矿强化生物电极耦合型UASB装置及运行方法。
背景技术：
厌氧生物处理工艺是目前处理有毒难降解有机废水的有效技术手段之一，该工艺运行能耗低、容积负荷高、污泥产量少、并能在去除COD的同时产生沼气，是废水处理中应用广泛的工艺之一。厌氧生物处理工艺包括上流式厌氧污泥床反应器（UASB）、厌氧生物滤池、厌氧接触工艺、污泥膨胀床、厌氧流化床和厌氧生物转盘等。但由于厌氧微生物菌群的生长特性，使得厌氧生物反应器易发生有机酸积累、启动周期长，影响了厌氧工艺在污水处理中的应用。如何有针对性地克服厌氧生物处理工艺启动难等问题，对厌氧工艺的实际使用具有深远意义。研究表明，适当的电场刺激能促进微生物的新陈代谢活动，从而提高厌氧生物处理系统性能、解决厌氧过程产酸产甲烷不平衡的问题。然而，生物电化学工艺存在电极表面生物量少、阳极氧化效率受限制，微生物和电极表面之间的电子传递效率不高等问题，致使反应器刚开始启动阶段加电效果并不明显。
技术实现要素：
本发明目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种磁铁矿强化生物电极耦合型UASB装置及运行方法。一种磁铁矿强化生物电极耦合型UASB装置，包括上流式厌氧生物反应器筒体和生物电极系统，所述的上流式厌氧生物反应器筒体内部从下往上依次设置布水板、污泥床和三相分离器，所述的上流式厌氧生物反应器筒体底部经进水管道与进水泵相连；在上流式厌氧生物反应器筒体上部，气体经过三相分离器后通过水封瓶进入湿式气体流量计；三相分离器顶部设有溢流堰，三相分离器分离的反应器出水经溢流堰外排并由废液桶接收；所述的污泥床中投加有磁铁矿纳米粒子的厌氧活性污泥，磁铁矿纳米粒子呈球形，平均粒径20-100nm；所述的生物电极系统包括一对环形生物电极、直流电源、导电铜线、万用表；所述的环形生物电极位于污泥床内，包括生物阴极和生物阳极，环形生物电极通过圆筒形内构件置于反应器筒体内，并由圆筒底部的小圆柱稳固支撑于布水板上；生物电极通过铜导线经与外部的直流电源相连。所述的生物阳极为石墨纤维刷阳极，所述的生物阴极为石墨毡阴极，其中石墨纤维刷嵌入圆筒形内构件中心，石墨毡环绕在圆筒型支架上并用2mm钛丝捆绑固定，圆筒形内构件的外径和反应器筒体内径大小相等。所述的石墨纤维刷是由160K碳纤维和直径1.5mm的钛丝按照螺旋状试管刷样式制成，直径2cm，长度14cm。所述的筒体侧壁中设有供热水循环的空腔，该空腔通过热水循环泵与热水浴箱相连形成循环回路，热水浴箱中设有加热棒，水浴循环装置维持反应装置内的温度恒定，保证厌氧生物反应装置稳定高效运行。所述的磁铁矿纳米粒子的制备方法如下：用去氧超纯水配置0.3molL-1的H2SO4溶液200mL，加入6.4gFe2(SO4)3·xH2O和4.45gFeSO4·7H2O搅拌溶解，然后将混合溶液滴加入250mL，1.5mmolL-1氢氧化钠溶液中，同时搅拌使其充分反应，利用磁铁加速悬浊液分离，然后倒掉上清液，用去氧超纯水清洗黑色沉淀并4000rpm离心，此操作重复三次，最终，将黑色沉淀加入0.25L去氧超纯水中形成磁铁矿胶体溶液。一种所述磁铁矿强化生物电极耦合型UASB装置的运行方法，主要包括以下步骤：1）反应器接种污泥前，向活性污泥中投加磁铁矿纳米粒子，搅拌混匀；所述的磁铁矿纳米粒子投加后终浓度3gL-1，磁铁矿纳米粒子呈球形，平均粒径30-100nm；2）在生物电极耦合型UASB反应器中接种步骤1）得到的混合污泥；3）把进水COD浓度从800mgL-1逐渐上升至5000mgL-1，进水pH调节至6.8-7.2，温度控制在33±2℃，水力停留时间（HRT）为24h。本发明的有益效果：在生物电化学厌氧反应器内投加磁铁矿，用于强化微生物与电极之间、微生物与微生物之间的直接电子传递过程（EET），从而加速有机酸降解，维持体系较低的ORP和稳定的pH，为厌氧微生物提供合适的生存环境；此外，磁铁矿对微生物具有团聚作用，促进污泥颗粒化进程。因此，通过投加磁铁矿纳米粒子，可以有效提升厌氧反应器启动过程污染物去除性能，加速反应器启动，强化厌氧污泥颗粒化进程。附图说明图1是一种磁铁矿强化生物电极耦合型UASB装置的结构示意图；图中：进水桶1、进水泵2、布水管3、实心小圆柱4、生物阴极5、生物阳极6、污泥床7、圆筒形内构件8、铜导线9、万用表10、直流电源11、厌氧膨胀颗粒污泥床筒体12、三相分离器13、溢流堰14、水封瓶15、湿式流量计16、循环泵17、加热棒18、热水浴箱19、出水桶20。具体实施方式本发明在生物电极耦合型UASB反应器中投加磁铁矿，整个装置的内部体系类似于单室微生物电解池（MEC）。投加磁铁矿用于强化微生物与电极之间、微生物与微生物之间EET，有效提升厌氧反应器启动过程污染物去除性能，强化颗粒化进程，进而缩短厌氧生物反应器启动时间。如图1所示，一种磁铁矿强化生物电极耦合型UASB装置，装置包括上流式厌氧生物反应器筒体和生物电极系统，所述的上流式厌氧生物反应器筒体12内部从下往上依次设置布水板3、污泥床7和三相分离器13，所述的上流式厌氧生物反应器筒体12底部经进水管道与进水泵2相连，进水泵2与进水桶1相连，进水桶1中存储待处理的废水；在上流式厌氧生物反应器筒体12上部，气体经过三相分离器13后通过水封瓶15进入湿式气体流量计16；三相分离器13顶部设有溢流堰14，三相分离器13分离的反应器出水经溢流堰14外排并由废液桶20接收；所述的污泥床7中投加有磁铁矿纳米粒子的厌氧活性污泥，磁铁矿纳米粒子呈球形，平均粒径20-100nm；所述的生物电极系统包括一对环形生物电极、直流电源11、导电铜线9、万用表10；所述的环形生物电极位于污泥床7内，包括生物阴极5和生物阳极6，环形生物电极通过圆筒形内构件8置于反应器筒体内，并由圆筒底部的小圆柱4稳固支撑于布水板3上；生物电极通过铜导线9经与外部的直流电源11相连。所述的生物阳极6为石墨纤维刷阳极，所述的生物阴极5为石墨毡阴极，其中石墨纤维刷嵌入圆筒形内构件中心，石墨毡环绕在圆筒型支架上并用2mm钛丝捆绑固定，圆筒形内构件的外径和反应器筒体内径大小相等。所述的石墨纤维刷是由160K碳纤维和直径1.5mm的钛丝按照螺旋状试管刷样式制成，直径2cm，长度14cm。厌氧生物反应器外部设有一个恒温水浴系统，可调节维持装置温度。所述的筒体12侧壁中设有供热水循环的空腔，该空腔通过热水循环泵17与热水浴箱19相连形成循环回路，热水浴箱19中设有加热棒18，水浴循环装置维持反应装置内的温度恒定，保证厌氧生物反应装置稳定高效运行。所述的磁铁矿纳米粒子的制备方法如下：用去氧超纯水配置0.3molL-1的H2SO4溶液200mL，加入Fe2(SO4)3·xH2O(6.4g)和FeSO4·7H2O（4.45g）搅拌溶解。将混合溶液一滴一滴加入250mL，1.5mmolL-1氢氧化钠溶液中，同时用力搅拌使其充分反应，此时会立刻产生磁铁矿黑色沉淀。在其附近放一块磁铁加速悬浊液分离，然后倒掉上清液。用去氧超纯水清洗黑色沉淀并4000rpm离心，此操作重复三次。最终，将黑色沉淀加入0.25L去氧超纯水中形成磁铁矿胶体溶液。一种所述装置磁铁矿强化生物电极耦合型UASB装置的运行方法，包括以下步骤：1）反应器接种污泥前，向活性污泥中投加磁铁矿纳米粒子，搅拌混匀；所述的磁铁矿纳米粒子投加后终浓度3gL-1，磁铁矿纳米粒子呈球形，平均粒径30-100nm；2）在生物电极耦合型UASB反应器中接种步骤1）得到的混合污泥；3）把进水COD浓度从800mgL-1逐渐上升至5000mgL-1，进水pH调节至6.8-7.2，温度控制在33±2℃，水力停留时间（HRT）为24h。实施例利用上述装置进行厌氧反应器启动过程，运行三组厌氧反应器，R1为磁铁矿-生物电极耦合型UASB反应器，R2为生物电极耦合型UASB反应器，R3为常规UASB反应器，R1和R2反应器外加1.5V电压，除此之外其他反应条件相同。UASB反应器上部内径19cm，下部内径11cm，高50cm，总体积6.6L，有效容积6.38L。R1反应器启动阶段如下：1）取经过驯化培养的厌氧活性污泥，向其中投加1L纳米磁铁矿胶体溶液，混匀。接种污泥浓度MLSS为44.57gL-1，MLVSS为16.61gL-1；反应器启动后Fe浓度终为3.37gL-1，相当于0.5gFeg-1MLVSS。2）在生物电极耦合型UASB反应器中接种步骤1）得到的混合污泥；接种污泥量占反应器有效体积的40%，接种后的反应器中挥发性悬浮固体浓度为10gL-1，有机负荷0.8kgCODm-3d。3）采用人工模拟废水对污泥进行驯化，进水COD浓度从800mgL-1(负荷0.8kgm-3d-1)逐渐提升至5000mgL-1(负荷5kgm-3d-1)，进水pH调节至6.8-7.2之间，系统温度控制在33±2℃，HRT为24h，直至反应器稳定运行；R2和R3反应器反应条件与实验组相同。研究发现，R1反应器（磁铁矿-生物电极耦合型UASB）、R2反应器（生物电极耦合型UASB）和R3反应器（常规UASB）的COD去除率分别稳定在99%、83.2%和71%。R1颗粒污泥平均粒径达621.4μm，明显优于对照反应器；R1出水TVFA最低，丙酸含量最少，产甲烷量最高；相比而言，磁铁矿强化生物电极耦合型UASB反应器具有较高的电流密度，大幅降低反应器的氧化还原电位，利于厌氧反应进行与污泥颗粒化。此外，观察颗粒污泥结构发现，磁铁矿强化生物电极耦合型UASB反应器内形成的厌氧颗粒污泥具有清晰的外表和致密的结构，其表面富集大量的铁元素，内部包裹纳米磁铁矿，证实磁铁矿的投加在电极耦合型UASB系统中具有明显的强化作用。以上所述的实施例只是本发明的一种优选方案，并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。