本发明涉及废水处理装置，尤其涉及一种高度集成的回流式生物电化学废水处理装置和废水处理方法。
背景技术：
随着工农业的快速发展，各种废水排放量剧增，且成分愈加复杂。目前，处理废水的技术主要分为物理、化学和生物处理三大类。其中，废水生物处理以其绿色环保、能耗少、效率高、成本低、适合处理大流量废水、工艺操作管理方便可靠和无二次污染等显著优点成为现代污水处理应用中最广泛的方法。基于废水组成的复杂性，通常使用好氧-厌氧交替的多级微生物转化组合工艺(如a/o、a2/o等)，实现对废水中不同污染物的去除。从工程应用角度来看，现有废水生物处理装置仍存在：对废水中难降解有机污染物去除率不高、装置占地面积大、好氧段曝气能耗高等缺陷。
近年，生物电化学技术在废水处理领域展现出极大的应用潜力，其特有的阴极、阳极生物电化学环境为废水中各类污染物的去除提供了多样化的途径和条件。鉴于生物电化学技术产能较低，目前普遍将其与传统的好/厌氧生物技术结合用于处理废水。构建集成化程度高、占据空间面积小、能耗和运行费用低且易于放大应用的系统装置是推动生物电化学技术与传统好/厌氧生物技术整合并实际应用于处理废水的关键。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高度集成的回流式生物电化学废水处理装置和废水处理方法，该装置高度集成，占据空间位置小，且废水处理效率高、能耗低。
本申请提供了一种回流式生物电化学废水处理装置，包括反应室；
设置于所述反应室内部的隔膜；
所述隔膜将所述反应室分为上下分布的阴极室和阳极室；
所述阳极室内部设有表面附着电活性生物膜的阳极；
所述阴极室内部设有表面附着光合藻菌生物膜的阴极；
设置于所述阴极室内部的阴极隔板，所述阴极隔板将所述阴极室分为第一阴极室和第二阴极室；
设置于所述阳极室内部的阳极隔板，所述阳极隔板将所述阳极室分为第一阳极室和第二阳极室；
所述阳极室底部设有进水口，所述阴极室顶部设有出水口；
联通第一阳极室和第一阴极室的第一连接管道；
联通第二阳极室和第二阴极室的第二连接管道；
联通第二阴极室和第一阳极室的回流管道。
优选地，所述阳极为导电碳颗粒；所述阴极为环带状多孔碳毡。
优选地，所述阳极室内设有多层耐腐蚀导电金属网；导电碳颗粒置于每层所述金属网上。
优选地，所述阴极室内设有固定框架，所述环带状多孔碳毡固定于框架上。
优选地，还包括多孔刷网，所述多孔刷网设置在所述导电碳颗粒与隔膜之间。
优选地，所述阴极室的外表面和内表面均设置有led灯带。
优选地，所述阴极隔板和阳极隔板在同一平面内。
优选地，所述第一阴极室和第二阴极室的形状相同；
所述第一阳极室和第二阳极室的形状相同。
优选地，所述阳极室内设有多层耐腐蚀导电金属网；导电碳颗粒置于每层所述耐腐蚀导电金属网上。
本申请提供了一种上述技术方案所述的回流式生物电化学废水处理装置处理废水方法，包括以下步骤：
将废水从进水口进入第一阳极室经过阳极处理，得到一次阳极液；
将所述一次阳极液通过第一连接管道进入第一阴极室，经阴极处理后通过回流管道回流至第二阳极室再次进行阳极处理，得到二次阳极液；
将所述二次阳极液通过第二连接管道进入第二阴极室再次处理，得到处理后的废水。
本申请提供了一种回流式生物电化学废水处理装置，包括反应室；设置于所述反应室内部的隔膜；所述隔膜将所述反应室分为上下分布的阴极室和阳极室；所述阳极室内部设有表面附着电活性生物膜的阳极；所述阴极室内部设有表面附着光合藻菌生物膜的阴极；设置于所述阴极室内部的阴极隔板，所述阴极隔板将所述阴极室分为第一阴极室和第二阴极室；设置于所述阳极室内部的阳极隔板，所述阳极隔板将所述阳极室分为第一阳极室和第二阳极室；所述阳极室底部设有进水口，所述阴极室顶部设有出水口；联通第一阳极室和第一阴极室的第一连接管道；联通第二阳极室和第二阴极室的第二连接管道；联通第二阴极室和第一阳极室的回流管道。废水在阳极室中设有表面附着电活性生物膜阳极附件进行厌氧处理，得到的阳极液进入到阴极室，在表面附着光合藻菌生物膜的阴极附近进行好氧处理，与传统曝气供氧方式相比，利用藻供氧可使溶解氧在废水中分散更均匀，且可形成局部高浓度溶解氧，使光合藻和细菌在匀质、高分散及高浓度溶解氧状态下与废水中污染物充分接触反应，实现废水中污染物的高效去除；该装置通过设置阴极隔板和阳极隔板使得阴极室和阳极室各分为两部分，其中一半反应室处理废水原液，而另一半反应室则对第一次的处理液进行回流再处理，通过这样反复交替的阴极、阳极和好/厌氧处理来实现废水中污染物的强化去除，因此，该装置将生物电化学处理、好/厌氧生物处理和废水回流处理整合在同一套装置中，实现了三者的高度、有效集成，废水污染物去除效率高、占空间位置小。实验结果表明：该装置的cod去除率为81.5～94.5％，氨氮去除率为72.2～91.5％，硝酸盐去除率为70.5～87.4％，亚硝酸盐氮去除率为65.2～81.9％。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高度集成的回流式生物电化学废水处理装置示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种高度集成的回流式生物电化学废水处理装置，包括反应室；
设置于所述反应室内部的隔膜；
所述隔膜将反应室分为上下分布的阴极室和阳极室；
所述阳极室内部设有表面附着电活性生物膜的阳极；
所述阴极室内部设有表面附着光合藻菌生物膜的阴极；
设置于所述阴极室内部的阴极隔板，所述阴极隔板将所述阴极室分为第一阴极室和第二阴极室；
设置于所述阳极室内部的阳极隔板，所述阳极隔板将所述阳极室分为第一阳极室和第二阳极室；
所述阳极室底部设有进水口，所述阴极室顶部设有出水口；
联通第一阳极室和第一阴极室的第一连接管道；
联通第二阳极室和第二阴极室的第二连接管道；
联通阴极室和阳极室的回流管道。
图1为本发明实施例提供的高度集成的回流式生物电化学废水处理装置示意图。其中，1为隔膜，2为隔膜固定框，3为阳极隔板，4为阴极隔板，5为进水口，6为导电碳颗粒，7为第一连接管道，8为环带状多孔碳毡阴极，9为回流管道，10为第二连接管道，11为出水口，12为节能led灯带，13为阳极导电金属网，14为带有底座和卡口的阴极固定框，15为环形带插销耐腐蚀金属阴极导电框，16为可调电阻器。
在本申请中，所述生物电化学废水处理装置包括反应室；所述反应室优选为圆柱形。所述反应室内部设置隔膜1，所述隔膜由隔膜固定框2固定。所述隔膜为纳米级隔膜或微米级孔径隔膜；所述隔膜具体为阳离子交换膜、质子交换膜、超滤膜或微滤膜。
在本申请中，所述隔膜将所述反应室分为上下分布的阴极室和阳极室；即所述阴极室位于隔膜的上半部，所述阳极室位于隔膜的下半部。该装置为自下而上的连续流运行。所述阳极室和阴极室的体积可根据实际应用时处理水量进行调整。在本申请中，所述阳极室作为厌氧室。所述阳极室优选为圆柱构型，由不透光、耐腐蚀和绝缘的材料制成。所述阳极室为封闭式。所述阳极室内部设置阳极隔板3，所述阳极隔板将所述阳极室分为第一阳极室和第二阳极室。在阳极室内部设有表面附着电活性生物膜的阳极。所述阳极优选为导电碳颗粒6。在阳极室底部优选设有进水口5，即废水由进水口5进入到装置的阳极室中进行生物电化学处理。为了获得较大的电极比表面积，本申请提供的电化学装置优选还包括多层阳极导电金属网13，具体为孔径大于碳颗粒的耐腐蚀的阳极导电金属网；其作为电子集流器，用于强化收集单个碳颗粒获取的电子，减小接触电阻，并固定碳颗粒层。阳极导电金属网为不锈钢网或钛网。所述阳极导电金属网13设置在阳极室内，导电碳颗粒置于每层所述阳极导电金属网上，层间距设置以上下两层金属网刚好接触及固定住导电碳颗粒层为准。阳极导电金属网13将导电碳颗粒的电子导流体及强化导电碳颗粒表面的电子收集。在阳极室顶部还包括多孔刷网，所述多孔刷网设置在顶层所述导电碳颗粒与隔膜之间。
本申请通过隔膜将反应室分隔为阳极室和阴极室，及利用隔板将阳极室和阴极室又各分隔为两个半反应室，即第一阳极室和第二阳极室；第一阴极室和第二阴极室；可在同一反应器内部进行回流工艺处理。所述第一阴极室和第二阴极室的形状相同；所述第一阳极室和第二阳极室的形状相同。本发明优选通过隔板分别将阳极室和阴极室分为对等体积的半反应室，其中一半反应室处理废水原液，而另一半反应室则对第一次的处理液进行回流再处理，通过这样反复交替的阴、阳极和好/厌处理来实现废水中污染物的强化去除。
在本申请中，所述阴极室作为好氧室；所述阴极室为同心圆盘构型，由透明、耐腐蚀和绝缘的材料制成；所述阴极室为开放式。设置于所述阴极室内部的阴极隔板4，所述阴极隔板将所述阴极室分为第一阴极室和第二阴极室。所述阴极优选为环带状多孔碳毡8。所述环带状多孔碳毡通过带有底座和卡口固定框14固定在阴极室的环状反应室中间，可使藻菌在阴极的两侧表面均覆膜生长，提高电极表面的藻菌生物量，同时，阴极通过与插入其内部的环形带插销耐腐蚀金属阴极导电框15连接，便于接收来自阴极的电子，减少无效阴极面积和减小接触电阻。阴极导电框15与阳极导电金属网13通过漆包线串联控制电路电子传递速率的可调电阻器16构成回路。所述阴极室顶部设有出水口11，即废水处理完毕后由出水口11排出装置。在阴极室底部优选设置多孔刷网，将环带状多孔碳毡8和隔膜隔开，防止隔膜被破坏。
在本申请中，所述回流式生物电化学废水处理装置包括联通第一阳极室和第一阴极室的第一连接管道7；联通第二阳极室和第二阴极室的第二连接管道10和联通第二阴极室和第一阳极室的回流管道9。该装置通过回流管道的设置实现了连续两次交替生物电化学阳极和阴极处理，从而为废水中氧化型和还原型污染物的二次降解创造了有利条件，可强化去除废水中多种污染物。在本申请中，所述第一连接管道7、第二连接管道10和回流管道9上均设置阀门可使装置灵活切换连续流与批式运行方式，以应对处理不同性质和不同流量的废水。
在本申请中，所述回流式生物电化学废水处理装置还包括阴极室的外表面和内表面均设置的led灯带12。led灯带采用的led灯珠具有400～780nm连续光谱，该光谱是藻最能有效利用来进行光合作用的光谱范围，可使藻维持高的活性代谢并持续高效提供溶解氧，从而显著增强阴极藻菌协同效应，强化去除污染物；在本申请中，led灯带总的光照强度为3000～6000lux，可满足藻高效光合作用的同时尽量节省额外能量的输入。本申请通过节能led灯带12光照和阴极藻类光合产氧消除了阴极曝气，极大降低了额外能耗，同时使溶解氧在阴极室反应液中均匀分布并形成局部高浓度溶解氧，强化藻菌对废水中污染物的降解。
在本申请中，所述回流式生物电化学废水处理装置还包括与所述阴极和阳极以串联方式连接的可调电阻器16。通过阴极、阳极连接可调电阻器16，将生物电化学原理引入装置，可强化废水复杂中污染物的降解。
在本发明中，所述阳极表面附着电活性生物膜和阴极表面附着光合藻菌共生生物膜通过以下方法驯化得到的：
启动过程在批式运行条件下进行。在阳极室内加入含大量易降解有机物的废水(如糖厂废水、酒厂废水)或自行配置的营养液(有机碳源+满足微生物生长的营养元素)+细菌接种源(如生化反应器污泥、市政污泥等)。同时，在阴极室内加入光合藻(纯光合藻或天然混合藻)+细菌接种源(如生化反应器污泥、市政污泥等)及含有大量氨氮或硝酸盐的废水或自行配置的藻营养液(如bg-11培养基)作为藻的生长媒介。
此后，阳极密封，阴极提供led灯照，并将阴极、阳极连接外电阻后开始启动反应器。采用数据采集器监控阴极、阳两极之间电压，当电压降至最大电压的5％左右时更换阴极、阳极溶液，开始新的批式运行周期，待连续观察到重复稳定的电压输出后，阴极、阳极电活性生物膜驯化完成。
该装置实现了生物电化学强化原理、好/厌氧生物处理及回流处理工艺的高度、有效集成，装置一体化占空间位置小、便于规模和标准式加工制作及放大应用，同时，废水处理效率高，并可灵活适用处理不同性质和流量废水。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的回流式生物电化学废水处理装置处理废水方法，包括以下步骤：
将废水从进水口进入第一阳极室经过阳极处理，得到一次阳极液；
将所述一次阳极液通过第一连接管道进入第一阴极室，经阴极处理后通过回流管道回流至第二阳极室再次进行阳极处理，得到二次阳极液；
将所述二次阳极液通过第二连接管道进入第二阴极室再次处理，得到处理后的废水。
本发明将废水从进水口进入第一阳极室经过阳极处理，得到一次阳极液。在本发明中，所述废水中氨氮浓度优选为50～2000mg/l；所述废水中有机污染物浓度优选为100～5000mgcod/l。该装置优选以自下而上的连续流方式运行。在阳极周围，厌氧条件及阴、阳极电势差的驱动下氧化废水中有机污染物，处理后的一次阳极液持续通过阳极室顶部与阴极室底部相通的管道进入到第一阴极室。
得到一次阳极液后，本发明将所述一次阳极液通过第一连接管道进入第一阴极室，经阴极处理后通过回流管道回流至第二阳极室再次进行阳极处理，得到二次阳极液。在白昼，阴极上的藻依靠自然太阳光进行光合作用，夜晚，藻依靠节能led灯带进行光合作用。光合作用产生的氧气可为阴极提供电子受体，驱动阳极生物电化学降解废水中有机污染物，从而消除了好氧段曝气，极大降低了能耗；同时为阴极细菌好氧降解废水中污染物提供溶解氧。本发明通过回流实现了连续两次交替生物电化学阳极和阴极处理(厌/好氧处理)，从而为废水中氧化型和还原型污染物的降解创造了有利条件，可强化去除废水中多种污染物。
得到二次阳极液后，本发明将所述二次阳极液通过第二连接管道进入第二阴极室再次处理，得到处理后的废水。
具体地，本申请提供的回流式生物电化学废水处理装置处理废水的过程为：
废水从阳极室底部阳极隔板一侧的进水口5进入第一阳极室(一侧反应室)，经过阳极导电活性炭6表面附着的电活性生物膜处理后，经由与进水口5在阳极隔板同侧斜对角位置的阳极室顶端带阀门的第一连接管道7进入与阳极隔板同平面的阴极室阴极隔板同侧的第一阴极室(阴极半反应室)，通过附着于环带状多孔碳毡阴极8表面的藻菌生物膜继续好氧处理。处理后的阳极液再通过带有阀门的回流管道9进入第二阳极室(另一半阳极反应室)，进行再次处理，处理后的液体通过位于第二阳极室(阳极半反应室)同侧的顶部带阀门的第二连接管道10进入同侧的第二阴极室(阴极半反应室)再次处理；最终处理完成后的液体由位于第二阴极室顶部的出水口11排出。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种高度集成的回流式生物电化学废水处理装置和废水处理方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
装置阳极室为体积3.14l的圆柱体(半径：10cm，高10cm)，装置阴极室为体积为的同心圆柱体2.64l(外圆半径：10cm，内圆半径4厘米，高10cm)，材料均为透光性好、耐腐蚀和绝缘的亚克力板，但阳极用锡箔纸严密遮光，阴极室外表面缠有节能led灯带(光强：4000lux，光谱波长：400～780nm连续光谱)。阳极室和阴极室通过阳离子交换膜分开。采用直径为6mm的活性碳颗粒作为阳极，周长为44cm的环状多孔碳毡作为阴极。阴极、阳极之间串联500欧姆电阻构成回路。
(1)阳极电活性生物膜和阴极藻菌生物膜的驯化：在阳极加入市政污水处理厂厌氧工艺段污泥(最终浓度：2gvss/l)，并添加1000mgcod/l葡萄糖作为模拟废水有机物，同时添加微生物生长必须的其他微量营养元素。阴极同时加入小球藻(20％接种)和市政污水处理厂好氧工艺段污泥(最终浓度：2gvss/l)，同时加入藻生长媒介(bg-11)及微生物生长必须的其他微量营养元素。同时阴极、阳极额外补充50mmol/lph值为7的磷酸缓冲溶液。阳极遮光与密封，阴极开放与光照。监控阴极、阳极电压，待电压低于10mv时更换阴阳极媒介。如此重复运行，待观察到连续三个周期以上可重复稳定的电压产生后，驯化过程完成。
(2)装置的运行：以高浓度含氮有机废水为模型废水，在连续流运行下验证装置对废水中有机物、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的去除效果。配置模拟的有机含氮废水，其中，以葡萄糖作为废水有机物(1000mgcod/l)，氯化铵作为氨氮源(300mg/l)。同时，通过蠕动泵从阳极室进水口连续注入模拟废水。水力停留时间控制在24小时。
在上述条件下，出水cod去除率为81.5～82.1％，氨氮去除率为72.2～73.6％，硝酸盐去除率为70.5～71.8％，亚硝酸盐氮去除率为65.2～66.4％。
实施例2
在实例1的基础上，将水利停留时间延长至48小时，其他条件等同。
在上述条件下，出水cod去除率为88.1～90.6％，氨氮去除率为83.4～84.9％，硝酸盐去除率为79.2～80.7％，亚硝酸盐氮去除率为70.8～72.2％。
实施例3
在实例1的基础上，调整有机物浓度为500mgcod/l，进水氨氮浓度为100mg/l，其他条件等同。
在上述条件下，出水cod去除率为92.3～94.5％，氨氮去除率为89.2～91.5％，硝酸盐去除率为86.7～87.4％，亚硝酸盐氮去除率为80.5～81.9％。
由以上实施例可知，本申请提供了一种回流式生物电化学废水处理装置，包括反应室；设置于所述反应室内部的隔膜；所述隔膜将所述反应室分为上下分布的阴极室和阳极室；所述阳极室内部设有表面附着电活性生物膜的阳极；所述阴极室内部设有表面附着光合藻菌生物膜的阴极；设置于所述阴极室内部的阴极隔板，所述阴极隔板将所述阴极室分为第一阴极室和第二阴极室；设置于所述阳极室内部的阳极隔板，所述阳极隔板将所述阳极室分为第一阳极室和第二阳极室；所述阳极室底部设有进水口，所述阴极室顶部设有出水口；联通第一阳极室和第一阴极室的第一连接管道；联通第二阳极室和第二阴极室的第二连接管道；联通第二阴极室和第一阳极室的回流管道。废水在阳极室中设有表面附着电活性生物膜阳极附件进行厌氧处理，得到的阳极液进入到阴极室，在表面附着光合藻菌生物膜的阴极附近进行好氧处理，与传统曝气供氧方式相比，利用藻供氧可使溶解氧在废水中分散更均匀，且可形成局部高浓度溶解氧，使光合藻和细菌在匀质、高分散及高浓度溶解氧状态下与废水中污染物充分接触反应，实现废水中污染物的高效去除；该装置通过设置阴极隔板和阳极隔板使得阴极室和阳极室各分为两部分，其中一半反应室处理废水原液，而另一半反应室则对第一次的处理液进行回流再处理，通过这样反复交替的阴极、阳极和好/厌氧处理来实现废水中污染物的强化去除，因此，该装置将生物电化学处理、好/厌氧生物处理和废水回流处理整合在同一套装置中，实现了三者的高度、有效集成，废水污染物去除效率高、占空间位置小。实验结果表明：该装置的cod去除率为81.5～94.5％，氨氮去除率为72.2～91.5％，硝酸盐去除率为70.5～87.4％，亚硝酸盐氮去除率为65.2～81.9％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。