专利名称：用于实验研究的生物膜电极反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于实验研究的有机废水特别是难降解有机废水处理 的生物膜电极反应器。
背景技术：
随着现代工业的发展，生产过程中的废水排放量剧增，尤其是石油、化工、 农药、印染、医药、味精、造纸等行业。废水大量排放给环境带来了严重污染， 有害于人类健康及生物的生长繁殖，影响经济的可持续发展。随着废水处理技 术的发展和完善，成份简单、牛物降解性好的工业废水己能得到有效的控制， 但难生物降解有机废水的处理仍然缺乏经济而有效的适用技术。难降解有机污 染物排放到水体等自然环境后不易通过天然的生物自净作用而逐渐减少其含 量，因此对这类有机污染物的控制成为水污染防治中的新课题。
废水处理技术发展至今，已有许多成熟的方法，其中生物法是目前消除生
活和工业废水中有机污染物最经济、最有效的方法[Quesnel D, ef a/.五wg 2005, 131:570-578.]，但是许多工业生产过程中产生的有机废水用生物法很难有 效降解。近年来，由于电化学法在废水处理中的应用研究进展，使人们对这一 方法的期待更加迫切[Chen G.H. Separation and Purification Technology, 2004， 38: 11-41]。但是，电化学法存在电流效率低，能耗高、操作费用大等许多亟待解决 的问题。因此，新方法的开发研究是科学工作者必须面对的工作。生物膜电极法是近年来发展起来的一项新型水处理技术。1988年，U. Fuch 等将生物膜法与电化学法相结合，应用于反硝化除氮，使废水中的NH4+在亚硝 化细菌的作用下转化为N02-，再经电解转化为N2[DE 3838170， 1990.5.17.]。 1992 年，R.B.Mellor等首次提出电极-生物膜反应器的概念，他们将N03— 、 N02—、 N20 还原酶与臧红T等具有电子传递能力的染料基质混合后，涂布在阴极表面，制成 生物膜电极[Nature, 1992, 355(2):717-719.]。 Y.Sakakibaro等人将脱氮细菌固定在 阴极表面，对地面水和饮用水中低浓度浓度硝酸盐进行处理，取得了很好的效 果[Wat. Sci.Tech., 1994， 30(6):151-155.]。此后，国内外学者在生物膜电极的制备、 反硝化机理、反硝化工艺条件、反应器结构设计等方面取得了一系列进展。
1997年，M.Kuroda等发现，细菌在进行反硝化的同时，以溶液中的有机物 作为碳源，可同时除去溶液COD，表明生物膜电极反硝化法具有处理含氮有机 废水的可能[Wat. Sci.Tech., 1997, 35(8):161-168.]。林海波等利用生物膜电极技术 降解了对氨基二甲基苯胺，进一步证实生物膜电极可处理含氮有机废水[高等学 校化学学报，2007,28,556-558.]。
然而，上述的所有废水处理方法都是以生物膜电极反硝化原理为基础，即 通过电化学方法在阴极上产生氢气，供阴极上生长的生物膜或固定化的反硝化 菌作电子供体，在自养的条件下进行生物反硝化。专利200710056322.8发明了 一种用生物膜电极技术处理苯酚废水的方法，采用的生物膜电极法降解苯酚废 水的速度快，效率高且能耗低。这表明生物膜电极技术也可降解非含氮有机废 水。
如果能够充分利用阳极的有机污染物的电氧化降解作用，将大大拓宽生物 膜电极法的应用范围，这将是生物膜电极技术的重要发展。也就是说，有机污染物在直流电的作用下，在阳极以电化学氧化方式降解，在阴极以生物膜电极 方法降解。显然，阳极和生物膜阴极在有机污染物降解过程中协同作用是一个 非常复杂的过程，研究这种电化学与生物技术间的优化组合关系和协同机制， 对于优化和设计生物膜电极反应器、研究开发生物膜电极反应器在不同难生物 降解有机废水处理过程中的应用工艺、具有重要的理论意义和应用价值。
因此，迫切需要适合于能够用于生物膜电极法降解过程研究的生物膜电极 反应器。这种反应器不仅可以进行生物膜电极反应机理的研究，而且可以适用 于阳极电化学氧化过程，同时满足研究阴极和阳极协调作用的研究需要。
发明内容
本实用新型的目的是提供用于生物膜电极降解多种有机污染物实验研究的 反应器，而该反应器拆卸方便，并能进行多项研究工作。
本实用新型的用于实验研究的生物膜电极反应器有两个相同尺寸的电解槽 组成，在两个电解槽之间可加入隔膜(离子交换膜和微孔膜均可使用)，用螺丝 固定，拆卸方便。两个电解槽分別为阳极室和阴极室，分别是阳极和生物膜阴 极，阳极材料和阴极材料可任意调换。在两个电解槽上分别留有通气孔和排气 孔、进样和取样孔以及参比电极插孔。参比电极通过鲁金毛细管放置，鲁金毛 细管可以通过圆孔来回转动，以调节其与电极的最适距离，方便试验的进行。
本发明在阴极室和阳极室分别开有进样或取样孔，其优点是方便试验的进 行，可以在不停止实验的基础上取样进行实验，也可以在实验的过程中分批添 加反应试剂。
本发明在阴极室和阳极室分别开有通气孔或排气孔，其优点是由于有些反应需要在通入不同气体的条件下进行，所以设有通气孔可以方便试验的进行， 并且可分别收集和分析阴、阳极产生不同气体的组成，尤其是有害气体引出后 还可进行回收处理，以保持实验室良好环境。
本发明将电极固定在磨口塞上，通过将磨口塞插到磨口管上，进而固定电 极。这样固定的优点是，电极可以随时更换，只要将磨口塞取出即可。
本发明在阴极室和阳极室中间装有隔膜，其优点是可以分离阴极和阳极区 的降解产物。生物膜电极作为阴极降解有机废水时，生物膜电极的形成需要向 阴极室不断添加细菌，而细菌不允许流入阳极室，所以反应器中间带有隔膜是 十分必要的，其可以有效的防止细菌流入到阳极室。隔膜的另一个作用是可以 利用阴、阳离子交换膜的作用，根据实验研究的需要限制体系中阴离子和阳离 子的迁移方向。
本发明在阴极室和阳极室中间设置的隔膜是通过螺丝固定的，其优点是拆 卸方便，由于不同的实验要求更换不同隔膜，通过螺丝固定的隔膜，只要将螺 丝拧开就可以方便更换隔膜。
本发明用丁实验的生物膜电极反应器是由玻璃制成，其优点是可以清晰看 到里面电解液的变化情况，电极表面的一些变化情况，并且经济实用。
本发明所述反应器包括确定电解槽区的至少一个电极对，所述电极对包括 基本上平行排列且在其间有隔膜装置的阳极和阴极，从而允许电解质在所述阳 极和阴极之间的选择性通过。而阴极为生物膜电极，这种电极可以是有机废水 在生物和电化学的双重作用下得到降解，由于阴极室和阳极室中间加入隔膜， 所以有机废水降解过程中阴极室和阳极室反应互不影响。
图1是本发明生物膜电极反应器的端视图。
图2是本发明生物膜电极反应器的侧视图。
具体实施例方式
如图1，本发明主要有两个分别独立的电解槽(阳极室和阴极室)，中间夹 有隔膜，其通过螺丝固定组成。在阴极室和阳极室的两边分别设有圆孔，通过 鲁金毛细管2，分别放置参比电极1。并且图1示出了在阴极室和阳极室的前后， 两个相对方向上分别开有圆孔5和长条孔4。其中圆孔5为进样或取样孔，实验 所需的反应物都通过其添加，并且可在不停止实验时取样，也可以在实验过程 中分批添加反应试剂。而长条孔4为通气孔或排气孔，阴极室和阳极室可通入 不同气体，也可作为排气孔收集气体。
图2是本发明的侧视图，可以清晰的观察出隔膜7通过6个螺丝固定而成。 通过螺丝固定隔膜的优点是拆卸方便。在反应过程中通过安装不同类型的隔膜 研究不同的反应过程。不同种类的离子交换膜可以通过不同的离子。此外，在 生物膜电极反应器装有隔膜有利于分离阴极和阳极区的降解产物。
实施例l
取0.1g.L"的苯酚与2.0g.L"的(NH4) 2S04 、 0.2g.L"的MgS04、 0.1 g.L" 的无水CaCl2、 0,5 g.L"的K2HP04 、 0.5 g.1/1的NaH2P04混合，组成实验溶液。 苯酚的生物膜电极降解实验在隔膜式电解槽生物膜电极反应器中进行。通过进 样孔将实验溶液分别添加到阴极室和阳极室，而阳极室和阴极室中间固定质子交换膜，其作用是不允许苯酚和细菌通过，允许氢离子通过，这样就可以分别
检测阳极和生物膜电极降解苯酚的情况，观察反应过程的pH变化。自制Ti/Pb02 氧化物涂层电极为阳极，生物膜电极作为阴极，阴、阳极面积均为3.0x3.0cm2， pH值为6 7，恒温水浴槽，温度控制在35士rC，通以5mA的电流，进行恒电 流电解。在电解2、 4、 6、 8和16h后取样，进行苯酚浓度、化学需氧量(COD) 的测定。结果发现在隔膜式电解槽生物膜电极反应器中苯酚在阳极区和阴极区 均发生降解，在阴极室苯酚在16小时的降解效率就达到100%， COD为47mg/L; 在阳极室苯酚在16小时内降解效率为86%， COD为201mg/L。所以在相同电流 密度条件下，生物膜电极反应比电化学阳极氧化降解苯酚的速度快，降解效率 高，而且能耗低，且有机物去除效果高。
实施例2
取0.1g'L"的2， 4-二氯酚与O.l g'L"的(NH4) 2S04 、 0.1g七—1的(NH4) 2N03、 0.01 g.U1的FeS04 7H20、 0.02 g.L"的Ca N03 、 0.05g.U1的K2HP04 和0.03 g七"的KH2P04混合组成实验溶液。2, 4 - 二氯酚的生物膜电极降解实验 隔膜式生物膜电极反应器中进行。通过进样孔将实验溶液分别添加到阴极室和 阳极室，而阳极室和阴极室中间固定的是阳离子交换膜，其目的是不允许2， 4 -二氯酚、细菌以及氯离子通过，这样就可以分别检测阳极和生物膜电极降解 2， 4 - 二氯酚以及二氯酚降解过程中脱氯情况。自制Ti/Pb02氧化物涂层电极作 为阳极，生物膜电极作为阴极，阴、阳极面积均为3.0x3.0cm2， pH值为6 7， 恒温水浴槽，温度控制在35土rC，通以5mA的电流，进行恒电流电解。在电解 24、 48、 72、 96和120h后取样，进行化学需氧量(COD)的测定。结果发现阴极室，生物膜电极降解2,4-二氯酚COD去除率最快，在120h时COD去除 率达到98%，溶液中氯离子浓度与降解的2,4-二氯酚浓度一致。在阳极室，2, 4-二氯酚同样发生降解，但降解效率不如生物膜电极过程，并且未发现氯离子 生成。
实施例3
研究结果表明，生物膜电极降解过程不同于电化学降解过程，电化学降解 仅限于阳极，发生的是阳极氧化反应，2, 4-二氯苯酚发生的是不完全降解。生 物膜电极降解过程首先发生的是阴极脱氯过程，溶液中的氯离子增加量与投入 2,4-二氯酚中的氯含量相同，然后2,4-二氯苯酚通过生物膜电极完全降解；如 果使用阴离子交换膜，溶液中氯离子可迁移到阳极区，会发生阳极氧化生成活 性氯，可进一步提高阳极降解效率；如果进行无隔膜降解，虽然阴极脱出的氯 有利于阳极氧化降解过程，但可能加快阴极生物膜微生物的凋亡，抑制生物膜 的新陈代谢。
权利要求
1.本实用新型的用于实验研究的生物膜电极反应器有两个相同尺寸的电解槽组成，更换方便，可用于生物膜电极降解多种有机污染物实验研究的反应器，并能进行多项研究工作，其主要特征是，在两个电解槽之间可加入隔膜(离子交换膜和微孔膜均可使用)，用螺丝固定，两个电解槽分别为阳极室和阴极室，分别是阳极和生物膜阴极，阳极材料和阴极材料可任意调换，在两个电解槽上分别留有通气孔和排气孔，进样和取样孔以及参比电极插孔，参比电极通过鲁金毛细管放置，鲁金毛细管可以通过圆孔来回转动，以调节其与电极的最适距离，方便试验的进行。
2. 按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述隔膜通过螺丝固定， 更换方便，隔膜可以是微孔膜和离子交换膜。
3. 按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，两个电解槽上分别留有通 气孔和排气孔，进样和取样孔以及参比电极插孔。
4. 按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，电极通过磨口塞进入磨口 管固定，电极可以随时更换。
5. 按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述阴极为生物膜电极， 阳极可以任意材料。
6. 按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，生物膜电极反应器由玻璃 制成，可以清晰观察反应过程中电解液，电极表面的变化。
7. 按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，可适用于生物膜电极降解 多种有机污染物实验研究，能进行多项研究工作。
全文摘要
本发明提供了一种用于实验研究的生物膜电极反应器，由两个相同尺寸的电解槽组成，在两个电解槽之间可加入隔膜(离子交换膜和微孔膜均可使用)，用螺丝固定，拆卸方便。两个电解槽分别为阳极室和阴极室，分别是阳极和生物膜阴极，阳极材料和阴极材料可任意调换。在两个电解槽上分别留有通气孔和排气孔、进样和取样孔以及参比电极插孔。试验装置是由玻璃制成，可以清晰观察反应过程电解液、电极表面的变化情况。不仅可以进行生物膜电极反应机理的研究，而且可以适用于阳极电化学氧化过程，可满足生物膜电极降解多种有机污染物实验研究的需要。
文档编号C02F1/42GK101298343SQ200810050900
公开日2008年11月5日 申请日期2008年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者张雪娜, 林海波, 黄卫民 申请人:吉林大学