一种同步去除硝酸盐和六价铬的电极生物膜反应器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种同步去除水中硝酸盐和六价铬的电极生物膜反应器，包括圆筒状反应器本体，圆筒状集水器的底部设置在内固定块以内，圆筒状集水器中下部器壁上设置有小孔，阴极材料环片的底部设置在内固定块和中部固定块之间，阳极材料环片的底部设置在外固定块和反应器内表面之间；在圆筒状反应器本体的外部设置有水浴夹套，在水浴夹套1和圆筒状反应器本体之间的上部设置有环状板，水浴夹套的上端与盖体密封连接，圆筒状集水器表面的小孔中活动设置有生物载体，在阴、阳极材料环片之间设置有生物载体，本反应器促进污染物与微生物的接触。低成本，减少二次污染；结构简单，操作方便，易运行维护。达到同步高效去除复合污染硝酸盐和六价铬。
【专利说明】
-种同步去除硝酸盐和六价铭的电极生物膜反应器
技术领域
[0001] 本发明设及一种地下水处理装置。更具体地讲，设及一种同步去除硝酸盐和六价 铭的电极生物膜反应器。
【背景技术】
[0002] 随着经济和社会的发展，水资源短缺已成为全球面临的共同挑战，地下水资源维 持我国近70%的人口饮用和40%的农田灌概，地下水中的各类污染物会对人类产生直接的 危害。人类长期饮用硝酸盐和亚硝酸盐超标的水，能引起变性血色素症，并使得肝癌、食道 癌、胃癌的发病率增高。地下水中铭污染对动植物及人体健康都造成了严重的影响，有致 崎、致癌、致突变的作用。
[0003] 近年来，由于氮肥的大量施用、生活污水和含氮废水的未达标排放、固体废弃物的 淋滤下渗W及污水的不合理回灌等原因导致地下水中硝酸盐浓度升高。地下水中的硝酸盐 与铭盐共存十分常见，在一些电锻、制革等工厂及铭渣堆附近尤为严重，西安城区地下水污 染20年间的时空变化分析显示，硝酸盐和六价铭的超标率分别约为30.0%和18.2% ;在南 水北调中线焦作典型区浅层地下水污染中，硝酸盐和六价铭是主要的污染因子。同步去除 地下水中共存的硝酸盐和六价铭对于保证人类饮用水的健康安全具有重要的意义。
[0004] 目前地下水硝酸盐和六价铭去除方法与技术缺陷包括：1)离子交换法的运行成本 和维护费用高;2)膜分离法中的膜易受污染，运行后期处理效果不稳定;3)化学沉淀法成本 高且产生二次污染;4)生物法具有去除速率快，方法简单，成本低的特定。根据反硝化细菌 所需碳源不同，生物反硝化又分为异养反硝化和自养反硝化。异氧反硝化具有反应速度快 的优点，但是，若添加的有机碳源不够，则水中亚硝酸盐氮会大量积累，若添加的碳源过量， 则残留的有机碳源会带来二次污染问题；自养反硝化利用无机碳源，采用氨气或硫的化合 物作为无机电子供体，硝酸盐作为电子受体，在自养反硝化细菌的作用下转化为无害氮气， 但其反应速率较异养反硝化过程慢。
[0005] 电极生物膜反应器可W将电化学作用和生物作用相结合，通过驯化挂膜，微生物 固定于阴极表面形成生物膜，分子水在外加电流的作用下电解产生氨气化2)，生物膜上的 反硝化菌部分利用废水中的有机物做电子供体，还有部分反硝化菌W也为电子供体，共同 将硝酸盐还原为亚硝酸盐，并最终还原为氮气(的）；生物膜对六价铭有一定的吸附作用的 同时，通过生物还原作用将六价铭还原成毒性较低的Ξ价铭。目前的生物处理技术多针对 单独的硝酸盐或铭盐进行去除，并未对地下水中硝酸盐和六价铭复合污染W及生化反应中 两种物质相互的作用进行考虑。目前电极生物膜反应器都采用板式固定电极，限制了污染 物与微生物的接触与混匀。CN104787977A专利中虽然硝酸盐去除效果较好，但其将电极生 物膜反应器分为阴极室、阳极室和吸附室，反应器构造复杂。某些电极生物膜反应器的气密 性较差，无法提供有利于反硝化的缺氧环境，存在很大的缺陷。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将电化学方法和生物膜方法相 结合的具有操作简便，能耗低，无二次污染的同步去除水中硝酸盐和六价铭的电极生物膜 反应器。
[0007] 本发明的技术方案概述如下：
[0008] -种同步去除水中硝酸盐和六价铭的电极生物膜反应器，包括圆筒状反应器本体 2，圆筒状反应器本体2的上端设置有溢水缺口 14，在反应器底壁近反应器内表面处设置有 呈环状排列的外固定块3，在反应器底壁中部设置有呈环状排列的内固定块5，在外固定块 和内固定块的中间设置有呈环状排列的中部固定块4;圆筒状集水器8的底部设置在内固定 块5W内，圆筒状集水器8中下部器壁上设置有小孔9,阴极材料环片6的底部设置在内固定 块5和中部固定块4之间，阳极材料环片7的底部设置在外固定块3和反应器内表面之间；在 圆筒状反应器本体2的外部设置有水浴夹套1，在水浴夹套1和圆筒状反应器本体2之间的上 部设置有环状板18,在环状板18 W下的水浴夹套上设置有热水进水管10和热水出水管11; 水浴夹套的上端与盖体15密封连接，分别连接阳极材料环片7和阴极材料环片6的导线贯穿 盖体15与电源19连接;待处理水进水管12贯穿环状板W上、溢水缺口 14W下位置的水浴夹 套和圆筒状反应器本体设置，溢水管13贯穿环状板W上、溢水缺口 14W下位置的水浴夹套 设置;圆筒状集水器8表面的小孔9中活动设置有生物载体17,在阴极材料环片6和阳极材料 环片7之间设置有生物载体17,圆筒状集水器8上部贯穿盖体设置，管道16的一端设置在圆 筒状集水器8的下部，另一端贯穿集水器8的顶壁设置。
[0009] 生物载体17优选为棉线、棉布条、棉纱、合成纤维丝、合成纤维棉或海绵。
[0010] 电极环片6和7的材料可选用不诱钢、铁、侣、铜、或儀等，其形状可为片状、板状或 网状等。
[0011] 热水进水管10和热水出水管11分别连接蠕动累，W满足水浴夹套1的进水和出水。
[0012] 待处理水进水管12和溢水管13分别连接蠕动累，W满足圆筒状反应器本体2的进 水和出水。
[0013] 管道16的上端与蠕动累连接，使处理好的水抽出。
[0014] 本发明的优点：
[0015] (1)本发明的反应器促进污染物与微生物的接触。
[0016] (2)通过外加电流，实现体系自养-异养协同反硝化，且电流电解水产生的氨气为 还原六价铭提供电子，降低体系外加碳源的投加量，从而降低成本，减少二次污染。
[0017] (3)生物载体来源广泛、成本低廉、生物附着容量大，可同时作为出水过滤器，降低 出水的SS。
[0018] (4)反应器制作简单、操作方便，自动化程度高，且易于运行维护。
[0019] (5)反应器的气密性好，形成缺氧环境有利于反硝化过程的进行。
[0020] (6)反应器可W达到同步高效去除复合污染硝酸盐和六价铭。
【附图说明】：
[0021] 图1为本发明同步去除水中硝酸盐和六价铭的电极生物膜反应器结构示意图；
[0022] 图2为反应器本体2的底部俯视图；
[0023] 图3为生物载体装填在圆筒状集水器8表面的小孔9中示意图；
[0024] 图4为生物载体装填在阴极材料环片6和阳极材料环片7之间示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明进行详细描述，其作为本说明书的一部分，通过实施例来 说明本发明的原理和效果。
[0026] -种同步去除水中硝酸盐和六价铭的电极生物膜反应器(见图1、2、3、4)，包括圆 筒状反应器本体2，圆筒状反应器本体2的上端设置有溢水缺口 14，在反应器底壁近反应器 内表面处设置有呈环状排列的外固定块3,在反应器底壁中部设置有呈环状排列的内固定 块5,在外固定块和内固定块的中间设置有呈环状排列的中部固定块4;圆筒状集水器8的底 部设置在内固定块5W内，圆筒状集水器8中下部器壁上设置有小孔9,阴极材料环片6的底 部设置在内固定块5和中部固定块4之间，阳极材料环片7的底部设置在外固定块3和反应器 内表面之间；在圆筒状反应器本体2的外部设置有水浴夹套1，在水浴夹套1和圆筒状反应器 本体2之间的上部设置有环状板18,在环状板18W下的水浴夹套上设置有热水进水管10和 热水出水管11;水浴夹套的上端与盖体15密封连接，分别连接阳极材料环片7和阴极材料环 片6的导线贯穿盖体15与电源19连接;待处理水进水管12贯穿环状板W上、溢水缺口 14W下 位置的水浴夹套和圆筒状反应器本体设置，溢水管13贯穿环状板W上、溢水缺口 14W下位 置的水浴夹套设置；圆筒状集水器8表面的小孔9中活动设置有生物载体17,在阴极材料环 片6和阳极材料环片7之间设置有生物载体17,圆筒状集水器8上部贯穿盖体设置，管道16的 一端设置在圆筒状集水器8的下部，另一端贯穿集水器8的顶壁设置。
[0027] 生物载体17优选为棉线、棉布条、棉纱、合成纤维丝、合成纤维棉或海绵。
[00%]阴极材料和阳极材料可W选择:不诱钢网、铁网、铜网；石墨拉、石墨板等。
[0029] 水浴夹套的设置用W保证冬季寒冷时期反应器保持恒稳运行。
[0030] 盖体的设置保证反应器密闭缺氧环境，促进反应器内反硝化过程的进行。
[0031] 电源为阳极材料环片和阴极材料环片供电。
[0032] 生物载体17在圆筒状集水器8表面的小孔9中的设置可W采用手工操作，将生物载 体17塞入小孔9中，W增大生物的附着面积。
[0033] 在阴极材料环片6和阳极材料环片7之间设置有生物载体17,即是将生物载体17阴 极材料环片6和阳极材料环片7之间，W增大生物的附着面积。
[0034] 利用本发明的反应器进行硝酸盐和六价铭复合污染处理时，该反应器中实现自养 反硝化与异养反硝化协同进行，待处理水W-定碳氮比补充碳源，从待处理水进水管12进 入圆筒状反应器本体2内，电源19产生的电流通过阳极材料环片7和阴极材料环片6电解生 物载体17周围水产生氨气，与异养反硝化产生的二氧化碳气体共同作为自养反硝化的电子 供体和碳源，形成生物膜自养-异养协同反硝化。电极上发生电化学作用W及体系的微生物 作用将六价铭还原成Ξ价铭，降低铭的毒性，增强反应器内微生物对铭的耐受性，达到同步 去除硝酸盐和六价铭效果。
[0035] 异养反硝化与自养反硝化的反应方程式如下：
[0036] 异养反硝化：5CH3OH+6NO3-一 3N2 巧出 0+5C02+60H-
[0037] 自养反石肖化：2.16N03-+7.24出+0.8C02一 0.16C5出 O2N+N2+5.6出0+2.160H-
[003引水的电解：阴极：4出0+4e- = 2出T+40H-
[0039] 阳极：40H--4e- = 2 出 0+〇2下
[0040] 总反应式：2出0 = 2出?+〇2Τ
[0041 ]生物除铭：Cr2〇72-+6e-巧出 0 = 2Cr3++140H-
[0042] 其中，所述外加碳源为甲醇。
[0043] 其中，溢水管的设置，圆筒状反应器本体2中高于预定水位的水进行溢流。
[0044] 利用本发明的反应器，待处理水从待处理水进水管12进入圆筒状反应器本体2内， 通过圆筒状集水器8上的小孔9上设置的生物载体17的过滤进入管道16,管道16与累连接， 使水输出。此过程中，硝酸盐通过自养反硝化与异养反硝化协同作用去除，异养反硝化利用 水中的碳源或外加碳源将硝酸盐降解为氮气；自养反硝化利用异养反硝化产生的二氧化碳 和微电流作用产生的氨气作为电子供体，将硝酸盐去除，形成生物膜自养-异养协同反硝 化。微电流电解水产生的氨气为还原六价铭提供电子，通过电化学作用和微生物作用将六 价铭还原成Ξ价铭，降低铭的毒性，增强反应体系生物的铭耐受性。
[0045] 本发明工作时要先进行微生物的挂膜驯化，接种污泥来自城镇污水处理厂二沉池 剩余污泥，污泥取回后密闭静置一天后，去除污泥沉降后上层清水，将一定浓度经过过筛处 理后的剩余污泥及硝酸盐和六价铭混合污水注入反应器中，反应器采用连续进水，进水硝 酸盐浓度为5mg/L，进水六价铭溶液浓度为0.1 mg/L，W甲醇作为碳源，水力停留时间保持在 8小时，出水pH稳定在6.5~8之间，测定出水中硝酸盐氮的含量，当出水硝酸盐浓度小于 0.5mg/L，六价铭浓度小于0.0 Img/L并稳定3天W上，即可判断驯化基本完成，此反应器污泥 驯化期为10天左右。
[0046] 实施例1:
[0047] 使用本发明的反应器。
[004引人工配水硝酸盐浓度50mg/L，投加甲醇为有机碳源控制C/N为0.7，抑为7，HRT为8 小时。不同电流强度I为0、20、50mA时，当电流I = 50mA时反应体系脱氮效果最好，出水硝酸 盐和亚硝酸盐均未检出。在控制微电流为50mA时逐步降低碳源投加量，C/N为0.5仍能有较 好的硝酸盐去除效果，但是亚硝酸盐已经开始出现积累现象。
[0049]
[(K)加]实施例2:
[0051] 使用本发明的反应器。
[0052] 人工配水六价铭浓度为1. Omg/L，投加有机碳源（甲醇)为30mg/L，抑为7，皿T为8小 时。在不同微电流I为0、20、50、100、2001114时，当电流强度为501114是反应器出水吐(￥1)浓度 去除效果最好，化(VI)去除率达到95% w上，稳定运行后化(VI)的去除率可达100%。
[0化3]
[0化4] 实施例3:
[0055] 使用本发明的反应器。
[0056] 人工配水硝酸盐浓度为50mg/L，进水六价铭浓度为1 .Omg/L，投加甲醇为有机碳源 控制反应体系C/N为0.8，外加缓冲溶液保持进水pH为7左右，水力停留时间HRT为8小时。
[0057] 在不同微电流I为0、20、50、100、2001114时，同步去除硝酸盐和铭盐复合污染基质的 时候虽然效果比该反应器单独去除硝酸盐和铭盐的效果差一些。但是当电流强度为50mA是 反应器处理效果仍表现较优，出水CHVI)和硝酸盐的去除效果最好，与此同时亚硝酸盐也 未出现明显积累，化(VI)和硝酸盐的去除率均达到90% W上。
[0化引
[0059] W上对发明做了示例性描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核屯、的情况下，所 作的任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均 落入本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种同步去除水中硝酸盐和六价铬的电极生物膜反应器，包括圆筒状反应器本体 (2 )，其特征是，圆筒状反应器本体(2)的上端设置有溢水缺口（ 14 )，在反应器底壁近反应器 内表面处设置有呈环状排列的外固定块(3)，在反应器底壁中部设置有呈环状排列的内固 定块(5)，在外固定块和内固定块的中间设置有呈环状排列的中部固定块(4);圆筒状集水 器(8)的底部设置在内固定(5)以内，圆筒状集水器(8)中下部器壁上设置有小孔(9)，阴极 材料环片(6)的底部设置在内固定块(5)和中部固定块(4)之间，阳极材料环片(7)的底部设 置在外固定块（3)和反应器内表面之间；在圆筒状反应器本体(2)的外部设置有水浴夹套 (1)，在水浴夹套（1)和圆筒状反应器本体(2)之间的上部设置有环状板（18)，在环状板（18) 以下的水浴夹套上设置有热水进水管（10)和热水出水管（11);水浴夹套的上端与盖体(15) 密封连接，分别连接阳极材料环片(7)和阴极材料环片(6)的导线贯穿盖体(15)与电源（19) 连接;待处理水进水管（12)贯穿环状板以上、溢水缺口（14)以下位置的水浴夹套和圆筒状 反应器本体设置，溢水管（13)贯穿环状板以上、溢水缺口（14)以下位置的水浴夹套设置;圆 筒状集水器(8)表面的小孔(9)中活动设置有生物载体（17)，在阴极材料环片(6)和阳极材 料环片(7)之间设置有生物载体（17)，圆筒状集水器(8)上部贯穿盖体设置，管道（16)的一 端设置在圆筒状集水器(8)的下部，另一端贯穿集水器(8)的顶壁设置。2. 根据权利要求1所述的反应器，其特征是所述生物载体（17)为棉线、棉布条、棉纱、合 成纤维丝、合成纤维棉或海绵。
【文档编号】C02F101/22GK106082427SQ201610627504
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月29日 公开号201610627504.5, CN 106082427 A, CN 106082427A, CN 201610627504, CN-A-106082427, CN106082427 A, CN106082427A, CN201610627504, CN201610627504.5
【发明人】赵迎新, 翟思媛, 季民
【申请人】天津大学