一种生物电化学反应器及其处理废水的方法

1.本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种生物电化学反应器及其处理废水的方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.中低浓度废水因水质成分复杂、浓度变化大、含盐量和难降解成分明显偏高以及传统处理工艺的局限性，造成该类废水处理成本和处理难度较大。此外，来自垃圾渗滤液、造纸、制药、石油炼制等行业产生的难降解废水，其可生化性较低，成分复杂，含有有毒有害污染物，且排放量大，若不对其进行有效处理，会严重破坏生态环境，危害人体健康。
4.目前，国内对中低浓度废水的处理方式主要是生物膜法。生物膜法作为污水生物处理技术，利用生物膜降解中低浓度污水中的有机污染物，微生物菌群将有机污染物进行分解处理，去除污水中的有机污染物。但是难降解有机废水生物毒性强、生化需氧量低，而传统意义上生化处理方式中的微生物在难降解废水中容易失活，难以对废水进行有效处理。
5.而序批式活性污泥法，其缺点是污水在反应器中的储存时间过长，污染物去除效率低，还会引起污泥膨胀等问题。并且采用传统的物化法处理难降解废水时，由于过多地添加化学试剂，容易引发二次污染。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种生物电化学反应器及其处理废水的方法。
7.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
8.第一方面，本发明提供一种生物电化学反应器，其包括至少一组阳极室和阴极室，阳极室和阴极室交替串联设置，其中，
9.阳极室设置入水口，其内部竖向设置有阳极板，将阳极室分隔为两部分，且阳极室内填充有导电性氧化填料；
10.阴极室的内部竖向设置有阴极板，阴极板将阴极室分隔为两部分，且阴极室内填充有导电性还原填料；
11.阳极室和阴极室之间设置有绝缘隔板，绝缘隔板位于阳极室和阴极室之间，绝缘隔板下方设置有透水隔离膜；
12.阳极板和导电性氧化填料上生长有电活性微生物。
13.第二方面，本发明提供一种生物电化学废水处理方法，包括如下步骤：
14.污水自底部流入阳极室中，流经导电性氧化填料，并经阳极板溢流至另一侧，继续流经导电性氧化填料；污水在流动过程中，电活性微生物将污水中的有机质进行氧化；
15.经过氧化处理的污水自下方流至阴极室中，流经导电性还原填料，并经阴极板溢
流至另一侧，继续流经导电性还原填料；污水在流动过程中，污水被阳极室氧化得到的有机质离子被还原为水或气体，外排，实现有机污染物的去除；
16.污水在流经阴极室过程中，重金属离子被还原得到重金属单质，重金属单质附着于导电性还原填料上，实现重金属的去除。
17.上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
18.通过在反应仓内填充大量导电性氧化填料来提供充足的微生物吸附面积，以增加生物膜与污水接触面积，提高生物反应器对污染物的去除效率。外加电场在阴、阳两极发生氧化还原反应促进系统对污染物的去除效果。反应器中的微生物群落结构可以随着电压强度的改变而改变，并且微生物的活化作用可以强化生物转化能力，加快污染物的迁移和转化，提高生物反应器对污染物的去除效率。此外，电解作用能够改变污染物的化学形态，通过氧化、还原等作用去除污染物。
19.本发明的生物电化学系统是电化学反应器与生物膜法的有机结合，反应器的生物降解能力随着电场对微生物代谢的刺激和微生物群落的驯化而增强。电场可以提高微生物活性，促进其在优化范围内生长。在生物电化学反应器中加入导电性还原材料提高了生物膜的面积。通过施加电场培养生物膜吸附降解有机物，阳极去除有机物，阴极还原重金属离子等方式实现中低浓度废水净化、提高难降解废水的处理效率、提高废水的可生化性及废水资源化利用的目的。施加的电场是生物电化学系统结构和功能的关键部分，可以促进电活性细菌进行电子转移，加速难降解污染物的降解并提高其可生化性。
20.本发明整合了生物膜和电化学技术，并结合了两种处理工艺的优点，将电化学降解和生物降解整合到一个系统中。本发明在于解决现有生物电化学生物反应器中由于生物膜量低且生物菌群对污染物去除能力差而导致的中低浓度废水处理效率低、难降解污水处理效率低以及可生化性差问题，传质慢和电催化降解效率低问题。同时促进电化学活性细菌与传统厌氧菌的协同作用，实现难降解有机物的高效去除。本发明启动时间短，对不同水质适应能力强，hrt短，污染物去除效率高，耗电量低，且剩余污泥产量小。
附图说明
21.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
22.图1是本发明实施例的生物电化学反应器的整体结构示意图；
23.图2是本发明实施例的废水流向图；
24.图3是本发明实施例的不同水力滞留时间下的生物电化学反应器处理cod(a)和氨氮(b)处理效率图。
25.其中，1、堆叠式反应器；2、入水口；3、阳极室i；4、阴极室i；5、阳极室ii；6、阴极室ii；7、出水口；8、直流电源；9、阳极导线；10、阴极导线；11、阳极板；12、导电性氧化填料；13、绝缘隔板；14、透水隔离膜；15、阴极板；16、导电性还原填料。
具体实施方式
26.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通
常理解的相同含义。
27.第一方面，本发明提供一种生物电化学反应器，其包括至少一组阳极室和阴极室，阳极室和阴极室交替串联设置，其中，
28.阳极室设置入水口，其内部竖向设置有阳极板，将阳极室分隔为两部分，且阳极室内填充有导电性氧化填料；
29.阴极室的内部竖向设置有阴极板，阴极板将阴极室分隔为两部分，且阴极室内填充有导电性还原填料；
30.阳极室和阴极室之间设置有绝缘隔板，绝缘隔板位于阳极室和阴极室之间，绝缘隔板下方设置有透水隔离膜；
31.阳极板和导电性氧化填料上生长有电活性微生物。
32.在一些实施例中，所述导电性氧化填料为活性炭或碳纳米管。
33.在一些实施例中，所述导电性还原填料为镍、钴或锰金属氧化物催化剂改性后的碳基材料。
34.在一些实施例中，所述电活性微生物选自地杆菌属(geobacter)、嗜蛋白质菌属(proteiniphilum)或厌氧氨氧化菌(cloacamonas)中的至少一种。
35.在一些实施例中，所述透水隔离膜为采用绝缘材料制成的网状结构，如无纺布或塑料网。
36.设置透水隔离膜，用于将导电性氧化填料进行拦截。
37.第二方面，本发明提供一种生物电化学废水处理方法，包括如下步骤：
38.污水自底部流入阳极室中，流经导电性氧化填料，并经阳极板溢流至另一侧，继续流经导电性氧化填料；污水在流动过程中，电活性微生物将污水中的有机质进行氧化；
39.经过氧化处理的污水自下方流至阴极室中，流经导电性还原填料，并经阴极板溢流至另一侧，继续流经导电性还原填料；污水在流动过程中，污水被阳极室氧化得到的有机质离子被还原为水或气体，外排，实现有机污染物的去除；
40.污水在流经阴极室过程中，重金属离子被还原得到重金属单质，重金属单质附着于导电性还原填料上，实现重金属的去除。
41.在一些实施例中，还包括对所述阳极板和导电性氧化填料进行了预处理，预处理方法为：采用电泳法将碳纳米管镀在阳极板和导电性氧化填料表面，厚度在20-40微米之间，根据不同电极材料和填料选择适宜的厚度。镀层在阳极板和导电性氧化填料表面形成物理隔绝层，阻止水分子与基体接触，起到防腐作用延长阳极板和导电性氧化填料的使用寿命，增加其电导率。
42.进行高温、酸洗、消毒等方法的处理，来提高其生物亲和性和氧化性能。酸洗处理的方法具体为：将电极和还原填料浸泡在1％十二烷基硫酸钠溶液中24h，提高电极的亲水性。
43.电压的大小可以调控菌群的变化，通过调控不同的电压培养相应的优势菌种应用于不同的污染物去除。例如：造纸厂废水处理中优势菌群落为geobacter，酸奶厂废水优势菌群落为geoailkalibacter，啤酒厂废水优势菌群落为desulfovibrio。
44.在一些实施例中，阴极板和阳极板之间的电位差为0.1-10v。
45.在一些实施例中，还包括对阴极板和导电性还原填料进行改性的步骤，改性的方
法为：
46.将阴极板和导电性还原填料浸泡在十二烷基硫酸钠溶液中设定时间；
47.或/和，采用电泳法将碳纳米管、镍催化剂、钴催化剂或锰催化剂等金属氧化物颗粒沉积在阴极板或导电性还原填料的表面。
48.具体为：将电极和还原填料浸泡在1％十二烷基硫酸钠溶液中24h，提高电极的亲水性。
49.使用带电的碳纳米管、镍、钴、锰等催化剂颗粒或粉末分散在悬浮液中，在直流电场的作用下催化剂颗粒或粉末被阴极板和导电性材料吸引并沉积在其表面，厚度在20-40微米之间，根据不同电极材料和填料选择适宜的厚度。
50.通过对阴极板和导电性还原填料进行改性，来提高其生物亲和性和还原性能。
51.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
52.实施例1
53.如图1所示，生物电化学反应器为堆叠式反应器1，分为阳极室i 3、阴极室i 4、阳极室ii 5、阴极室ii 6，可根据废水处理量和废水特性增加阳极室和阴极室。
54.生物电化学反应器外设置一个直流电源8，通过阳极导线9将阳极板11连接到正极，通过阴极导线10将阴极板15连接到负极，并在阴阳极之间提供0.1-10v的电位差，同时将污水处理菌种置于反应器中培养电活性菌种。
55.废水从入水口2进入阳极室i 3，阳极室i 3中设有耐腐蚀金属板(如钛板、不锈钢板等)作为阳极板11，阳极板11将阳极室i 3分割为两部分，并填充导电性氧化填料(如活性炭粒、碳纳米管等)12，废水从阳极室左侧上流后，溢流至阳极室i 3右侧。
56.阳极板11和导电性氧化填料12需要进行高温、酸洗、消毒等一种或多种方法的处理，来提高其生物亲和性和氧化性能。
57.污水在流经阳极室i 3时，阳极板11和导电性氧化填料12上附着生长的电活性微生物将有机质进行氧化，生成二氧化碳、氢离子等，然后通过绝缘隔板13下方的透水隔离膜14进入阴极室i 4。
58.污水通过透水隔离膜(如无纺布、塑料网等绝缘材料)14进入阴极室i 4，阳极室与阴极室中间设置绝缘隔板(如塑料板、有机玻璃板)13，阴极板15将阴极室分割为两部分，并填充导电性还原填料16。
59.污水在流经阴极室i 4时，在阳极室i 3中氧化的有机质离子被附着在阴极板15和还原填料16，生成水、氢气或甲烷等气体排出，从而达到污水净化的效果。
60.阴极板15和还原填料16需要经过酸洗、电泳等一种或多种方法的处理，并将镍、钴、锰等一种或多种催化材料附着其上，来提高其生物亲和性和还原性能。
61.污水再次进入阳极室ii 5和阴极室ii 6，重复上述废水处理过程，当废水量更大或污染成都更高时，可以设置更多的阳极室和阴极室。
62.图3为该实施例的反应器在不同的水力停留时间下对废水的处理效果。反应器容积为7升，阴极室和阳极室各4个，电压为1v的情况下使用钛板作为电极，活性炭做填料。处理废水的cod浓度》600mg/l，氨氮浓度》50mg/l。从图中可以看出，经过适应期后反应器对污水中cod和氨氮的处理效率可以达到平均90％以上。随着水力停留时间的减小，反应器对废水的处理效率会有小幅度降低。
63.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。