用于工业废水溶解性有机物去除及毒性削减的三维电极生物强化处理系统及方法

本发明涉及废水处理技术领域，特别是涉及一种三维电极生物强化处理系统及其处理方法。

背景技术：

工业废水具有污染物浓度高、组成复杂、可生化性差、生态风险高等，目前，影响工业废水达标排放的技术难点主要是有机物的有效去除。工业废水中的有机物包括颗粒态有机物和溶解性有机物(dom)。由于dom占总有机物含量的85％-90％，同时颗粒态有机物能较容易地通过过滤等方法去除，因此，在工业废水处理中dom的影响更为重要。

而目前的处理方法去除能力有限，尤其是对于可生化性差的高浓度工业废水存在着有机物氧化不彻底，会产生具有毒性的中间体，增加出水毒性等诸多问题。

因此，设计更加高效、简洁、无选择性、操作更方便的工业废水中溶解性有机物去除及毒性削减的系统显得尤为重要。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种用于工业废水溶解性有机物去除及毒性削减的三维电极生物强化处理系统及方法，具有溶解性有机物的去除率高，且出水毒性低的优点。

技术方案：本发明所述的一种用于工业废水溶解性有机物去除及毒性削减的三维电极生物强化处理系统，其包括反应器，反应器内设有活性污泥区、三维电极、搅拌器、曝气装置，活性污泥区内设有活性污泥，三维电极和搅拌器设于活性污泥区内，曝气装置设于活性污泥区底部，且曝气装置位于三维电极和搅拌器的下方；三维电极包括阴极、阳极和吸附饱和的活性炭粒子电极，阳极设于两侧的阴极之间，粒子电极设于阳极和阴极之间。阴极和阳极的具体形状可根据实际需要进行选取。

其中，反应器设有进水口和出水口，所述出水口与固液分离装置相连通；固液分离装置可将活性炭粒子回收再利用。

可选的，曝气装置包括微孔曝气管和鼓风机，反应器设有相应的进气口，并由鼓风机鼓入空气，曝气量为0.6-1.2l/min。进水口、出水口和进气口均设于反应器两侧的外壁上，进水口用于通入待处理的工业废水，出水口用于排出处理后的工业废水，进气口用于向微孔曝气管通入空气，且微孔曝气管铺设于阴极和阳极的下方。

优选地，阴极和阳极之间的间距为2-10cm，且阴极和阳极均为板式石墨电极。

优选地，活性炭粒子电极的粒径为3～5cm，比表面积为800～1000m²/g，粒子电极的填充量为25～40g/l。即：当反应器的内部总容积为1l，则内部填充的粒子电极为25～40g。

优选地，反应器内接种活性污泥混合液，污泥浓度为3.5～5.5g/l。

本发明还提供了一种上述三维电极生物强化处理系统的处理方法，其包括：将待处理的工业废水加入反应器内，调节处理系统的运行参数，废水依次经过缺氧搅拌、好氧曝气和静置沉淀三阶段，直至完成废水的降解处理。

优选地，待处理的工业废水在阴极发生还原反应，生成中间产物；中间产物在阳极-进行氧化作用，有机物矿化反应成co2和h2o；将完成降解处理的废水进行固液分离处理，将得到的活性炭粒子进行回收处理或返回处理系统中重复利用。

进一步地，该用于工业废水溶解性有机物去除及毒性削减的三维电极生物强化处理系统的运行方法，包括以下步骤：

步骤一，待处理工业废水经进水泵泵入三维电极生物强化处理系统，经过缺氧作用、产生更多的易降解小分子有机物；

步骤二，易降解的小分子有机物在曝气阶段进行氧化作用，同时，印染废水的难降解物质会在阴极进行还原作用，阳极进行氧化作用，同时由活性炭组成的粒子电极，增加了微生物附着的面积，接种了利于降解有机物的微生物，提高了处理废水的能力；以上作用协同将有机物矿化，产物为co2和h2o；

步骤三，待有机物降解完全后，出水经由出水泵泵入至固液分离装置，分离后将上清液排出，将固液分离后的活性炭回收或返回原处理系统中重复利用。

优选地，处理过程中，将阴极板和阳极板与直流稳压电源相连，并调节处理系统的运行参数，调节处理系统的电压为0.5～3v，调节废水的ph值为6～9。

优选地，缺氧搅拌阶段的搅拌转速为150-200rpm/min，溶解氧＜1mg/l，水力停留时间为4-6h；好氧曝气阶段的溶解氧为3-5mg/l，水力停留时间为16-18h；静置沉淀阶段的水力停留时间为3-6h。

本发明的三维电极生物强化处理系统可利于活性炭回收与再利用，将吸附饱和的活性炭颗粒作为粒子电极装入三维电极生物强化处理系统中，该粒子电极增加了微生物附着的面积，利于接种降解有机物的微生物。通过进水口加入待处理的工业废水，调节处理系统的反应参数，利用三维电极生物强化处理系统降解工业废水中的溶解性有机物，待有机物降解完全后，出水经由出水泵泵入至固液分离装置，分离后经出水口排出，将固液分离后的活性炭回收或返回原系统中重复利用。

有益效果：

(1)本发明的一种用于工业废水溶解性有机物去除及毒性削减的三维电极生物强化处理系统，运行稳定，处理工业废水效果好，大幅提高了溶解性有机物去除效率，尤其是难降解工业废水，并显著削减了毒性，突破性地解决了现有技术难降解物质去除率低、出水毒性增加的问题，对实现工业废水达标与安全排放具有现实意义。

(2)本发明利用电强化生物反应池，将三维电极反应器与活性污泥法相结合，阴极产生的氢气可作为难降解物质去除的电子供体，将其分解为易降解的小分子，进而在阳极处氧化分解，同时实现工业废水可生化性的提高和毒性削减；

(3)本发明将低电压施加于三维电极生物强化处理系统，节省了能耗；利用吸附饱和的活性炭作为第三电极，增大了填料的比表面积，提高了传质速率和反应速率，此外，能同时实现活性炭的回收与再利用，提高了资源利用率，适宜推广使用。

附图说明

图1是本发明处理系统的结构示意图。

其中：1、直流稳压电源；2、反应器；3、阳极板；4、阴极板；5、旋转器；6、进水泵；7、微孔曝气管；8、鼓风机；9、吸附饱和的活性炭粒子电极；10、出水泵；11、固液分离装置；12、支撑网。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

如图1所示为本发明中三维电极生物强化处理系统的结构示意图，系统包括反应器、位于反应器左侧的直流稳压电源1、位于反应器右侧的固液分离装置11，反应器2内设有活性污泥区、三维电极、搅拌器、曝气装置，活性污泥区内设有活性污泥，三维电极和搅拌器设于活性污泥区内，曝气装置设于活性污泥区底部，且曝气装置位于三维电极和搅拌器的下方位置。三维电极包括阴极板4、阳极板3和吸附饱和的活性炭粒子电极9，阳极板3设于两侧的阴极板4之间，粒子电极9设于阳极板3和阴极板4之间，且阳极板3和阴极板4之间还设有旋转器5；其中，三维电极和曝气装置之间设有支撑网12，活性炭粒子电极位于支撑网上，曝气装置(微孔曝气管7)位于支撑网的下部区域。反应器设有进水口、出水口以及进气口，所述出水口与固液分离装置相连通。

该处理系统运行过程包括以下步骤：

步骤一，待处理工业废水经进水泵泵入三维电极生物强化处理系统，经过缺氧作用、产生更多的易降解小分子有机物；

步骤二，易降解的小分子有机物在曝气阶段进行氧化作用，同时，印染废水的难降解物质会在阴极进行还原作用，阳极进行氧化作用，同时由活性炭组成的粒子电极，增加了微生物附着的面积，接种了利于降解有机物的微生物，提高了处理废水的能力；以上作用协同将有机物矿化，产物为co2和h2o；

步骤三，待有机物降解完全后，出水经由出水泵泵入至固液分离装置，分离后将上清液排出，将固液分离后的活性炭回收或返回原处理系统中重复利用。

实施例1：

本实施例采用上述三维电极生物强化处理系统，反应器内部容积为5l，反应器内接种活性污泥混合液的污泥浓度为4g/l；所处理的工业废水为某印染废水，水质特征包括进水总有机碳(toc)浓度平均值为320mg/l，cod浓度平均值为850mg/l，总氮(tn)浓度平均值为30mg/l，总磷(tp)浓度平均值为5.83mg/l，进水ph为8.25，发光细菌急性毒性为75％。

该废水的处理工艺流程如图1所示，处理系统包括：直流稳压电源1、反应器2、阳极板3、阴极板4、旋转器5、进水泵6、微孔曝气管7、鼓风机8、活性炭粒子电极9、出水泵10、固液分离装置11。三维电极生物强化处理系统的支撑网上填充吸附饱和的活性炭粒子9，阴极板4紧贴反应器2的内壁，并在两块阴极板4中间平行放置一块阳极板3，阴极板4、阳极板3通过直流稳压电源1提供电压，所述系统采用间歇流的运行方式，包括进水、缺氧、好氧、沉淀、出水几个步骤。进水口设于反应器2上端左侧外壁，待处理工业废水由进水泵6泵入反应器中，缺氧阶段由旋转器5控制，好氧阶段由鼓风机8向微孔曝气管7鼓入空气，沉淀阶段结束后，出水和吸附饱和的活性炭粒子9由出水泵10泵入固液分离装置11，活性炭返回再利用，出水由设于反应器2上端右侧外壁出水口流出。具体步骤如下：待处理工业废水经进水泵6泵入由阴极板4、阳极板3和吸附饱和的活性炭粒子电极9组成的三维电极生物强化处理系统中，依次经过缺氧、好氧和沉淀三个阶段。处理完成后，由出水泵10泵入固液分离系统，活性炭返回原系统2再利用。

所述粒子电极由吸附饱和的活性炭粒子构成，投加量为25g/l，将其置于阴极板4和阳极板3之间，活性炭粒子的粒径为3-5cm，比表面积为800-1000m²/g，且阴、阳极板的间距为2cm；所述的三维电极生物强化处理系统含有进水口、出水口和进气口，所述进水口用于通入待处理的工业废水，所述出水口用于排出处理后的工业废水，所述进气口用于向微孔曝气管通入空气。待处理印染废水经进水泵泵入由阴极板、阳极板和吸附饱和的活性炭粒子电极组成的三维电极生物强化处理系统，依次经过缺氧、好氧和沉淀三个阶段。处理完成后，由泵进入固液分离系统，出水由出水口流出，活性炭返回原系统再利用。

基于上述处理系统进行印染废水溶解性有机物去除和毒性削减的系统如图1所示，处理过程包括以下步骤：

步骤一，待处理印染废水经进水泵6泵入反应器2，并将系统的ph控制在6-9，调节直流稳压电源1的电压为1v，缺氧阶段的旋转器5搅拌转速为150rpm/min，溶解氧约为0.5mg/l；水力停留时间为4h，通过缺氧反应将难降解有机物分解为易降解小分子有机物，反应完成后，进行好氧阶段；

步骤二，易降解的小分子有机物在高纯度石墨阳极板3进行氧化作用，印染废水的难降解物质在高纯度石墨阴极板4处进行还原作用，好氧阶段的溶解氧控制在3-5mg/l，水力停留时间为16h，通过好氧反应将有机物完全矿化，产物为co2和h2o，反应完成后，进行沉淀作用；

步骤三，处理后的印染废水沉淀4h后，出水经由出水泵10泵入至固液分离装置11，分离后经出水口排出，将固液分离后的活性炭回收或返回原系统2中重复利用。

经上述反应处理后，废水出水toc浓度平均值降至48mg/l，cod浓度平均值为95mg/l，tn浓度平均值为8.32mg/l，发光细菌急性毒性降低至18％。该系统能有效去除印染废水中的dom，降低出水急性毒性，同时出水达到了现行《纺织染整工业水污染物标准》(gb4287-2012)的直接排放的要求。

实施例2：

本实施例采用与实施例1相同的试验系统，反应器体积为5l，反应器内接种活性污泥混合液的污泥浓度为3.5g/l，所述粒子电极由吸附饱和的活性炭粒子构成，投加量为30g/l，将其置于阴极板4和阳极板3之间，活性炭粒子的粒径为3-5cm，比表面积为800-1000m²/g，且阴、阳极板的间距为6cm。所处理的工业废水来自某焦化厂生产废水，水质特征包括进水toc浓度平均值为410mg/l，cod浓度平均值为1500mg/l，tn浓度平均值为45mg/l，tp浓度平均值为8.23mg/l，进水ph为6.78，发光细菌急性毒性为60％。

系统装置如图1所示，由该系统进行废水处理的工艺包括以下步骤：

步骤一，待处理焦化废水经进水泵6泵入反应器2，并将系统的ph控制在6-9，调节直流稳压电源1的电压为1.5v，缺氧阶段的旋转器5搅拌转速为150rpm/min，溶解氧约为0.8mg/l；水力停留时间为5h，通过缺氧反应将难降解有机物分解为易降解小分子有机物，反应完成后，进行好氧阶段；

步骤二，易降解的小分子有机物在高纯度石墨阳极板3进行好氧氧化作用，印染废水的难降解物质在高纯度石墨阴极板4处进行还原作用，好氧阶段的溶解氧控制在3-5mg/l，水力停留时间为17h，通过好氧反应将有机物完全矿化，产物为co2和h2o，反应完成后，进行沉淀；

步骤三，处理后的焦化废水沉淀4h后，出水经由出水泵10泵入至固液分离装置11，分离后经出水口排出，将固液分离后的活性炭回收或返回原系统2中重复利用。

经上述反应处理后，废水出水toc浓度平均值降至64mg/l，cod浓度平均值为132mg/l，tn浓度平均值为12.28mg/l，发光细菌急性毒性降低至13％。该系统能有效去除焦化废水中的dom，降低出水急性毒性，同时出水达到了现行《炼焦化学工业污染物排放标准》(gb16171-2012)的间接排放的要求。

实施例3：

本实施例采用与实施例1相同的试验系统，反应器为5l，反应器内接种活性污泥混合液的污泥浓度为5g/l，粒子电极由吸附饱和的活性炭粒子构成，投加量为35g/l，将其置于阴极板4和阳极板3之间，活性炭粒子的粒径为3-5cm，比表面积为800-1000m²/g，且阴、阳极板的间距为10cm。所处理的工业废水为发酵类制药废水，水质特征包括进水toc浓度平均值为255mg/l，cod浓度平均值为680mg/l，tn浓度平均值为85mg/l，tp浓度平均值为4.86mg/l，进水ph为8.37，发光细菌急性毒性为85％。

系统装置如图1所示，由该系统进行废水处理的工艺包括以下步骤：

步骤一，待处理发酵类制药废水经进水泵6泵入反应器2，并将系统的ph控制在6-9，调节直流稳压电源1的电压为3v，缺氧阶段的旋转器5搅拌转速为150rpm/min，溶解氧约为0.6mg/l；水力停留时间为6h，通过缺氧反应将难降解有机物分解为易降解小分子有机物，反应完成后，进行好氧阶段；

步骤二，易降解的小分子有机物在高纯度石墨阳极板3进行好氧氧化作用，印染废水的难降解物质在高纯度石墨阴极板4处进行还原作用，好氧阶段的溶解氧控制在3-5mg/l，水力停留时间为16h，通过好氧反应将有机物完全矿化，产物为co2和h2o，反应完成后，进行沉淀；

步骤三，处理后的发酵类制药废水沉淀5h后，出水经由出水泵10泵入至固液分离装置11，分离后经出水口排出，将固液分离后的活性炭回收或返回原系统2中重复利用。

经上述反应处理后，废水出水toc浓度平均值降至57mg/l，cod浓度平均值为118mg/l，tn浓度平均值为10.96mg/l，发光细菌急性毒性降低至20％。该系统能有效去除发酵类制药废水中的dom，降低出水急性毒性，同时出水达到了现行《发酵类制药工业水污染物排放标准》(gb21903-2008)的排放要求。

对比例1：

本对比例的处理系统与实施例1基本相同，反应器为5l，不同之处在于未设置三维电极，即不填充粒子电极，不放置阴、阳极板。

并采用与实施例1相同的待处理印染废水通入活性污泥系统，由该系统进行废水处理的工艺包括以下步骤：

步骤一，待处理印染废水经进水泵6泵入活性污泥系统，并将系统的ph控制在6-9，进行缺氧处理，缺氧阶段的旋转器5搅拌转速为150rpm/min，溶解氧约为0.5mg/l；水力停留时间为5h，反应完成后，进行好氧阶段；

步骤二，好氧阶段的溶解氧控制在3-5mg/l，水力停留时间为17h，反应完成后，进行沉淀；

步骤三，处理后的印染废水沉淀4h后，出水经由出水泵10泵入至固液分离装置11，分离后经出水口排出。经上述反应处理后，废水出水toc浓度平均值为208mg/l，发光细菌急性毒性为65％。

在同等条件下，活性污泥系统对dom的去除率仅为35％，而三维电极生物强化处理系统对dom的去除率高达85％；且活性污泥系统并没有明显降低dom的急性毒性。结果表明三维电极生物强化处理系统较传统活性污泥法，极大地提高了dom的去除效率同时降低了急性毒性。

对比例2：

本对比例的处理系统与实施例1基本相同，不同之处在于运行过程中调节系统电压为5v。

测试结果发现，同等条件下，废水出水toc浓度平均值降至158mg/l，cod浓度平均值为395mg/l，发光细菌急性毒性为48％。对dom去除率为51％。该结果说明施加的电压过大，会抑制部分微生物活性，导致处理效果变差。