申请日2015.05.14
公开(公告)日2015.08.26
IPC分类号C02F101/30; C02F3/30
摘要
本发明公开一种电化学-生物流化床反应器及其废水处理方法，反应器包括厌氧流化床和好氧流化床，厌氧流化床和好氧流化床的下部通过第一电极组连接，厌氧流化床和好氧流化床的上部通过第二电极组连接;厌氧流化床设有第一进水口和第一出水口，好氧流化床设有第二进水口和第二出水口，第一出水口与第二进水口之间通过污水管道连接;好氧流化床的底部设有曝气头。其废水处理方法是保持厌氧流化床和好氧流化床中的温度为18～38℃，在有机废水中加入电解质后，依次送入厌氧流化床和好氧流化床进行处理。本发明在常规的电化学体系中引入生物降解，达到电化学和生物降解耦合的氧化还原作用，大大加快处理速度，改善富氮有机废水的处理效果。
权利要求书
1.一种电化学-生物流化床反应器，其特征在于，包括相连接的厌氧流化 床和好氧流化床，厌氧流化床的下部和好氧流化床的下部之间通过第一电极组 连接，厌氧流化床的上部和好氧流化床的上部之间通过第二电极组连接;厌氧 流化床的底部设有第一进水口，厌氧流化床的上部设有第一出水口，好氧流化 床的底部设有第二进水口，好氧流化床的上部设有第二出水口，第一出水口与 第二进水口之间通过污水管道连接;好氧流化床的底部设有曝气头。
2.根据权利要求1所述一种电化学-生物流化床反应器，其特征在于，所 述厌氧流化床和好氧流化床的结构相同，分别包括内筒和外筒，内筒为上下开 放的圆筒结构，内筒设于外筒内，且内筒底部与外筒底部相通，内筒的外壁和 外筒的内壁之间形成环形空间;内筒的下部为反应区;外筒的上部为倒锥形结 构，形成泥水分离区，泥水分离区中设有多孔板，多孔板上设置活性炭滤料， 位于活性炭滤料上方的外筒内壁上设有溢流堰。
3.根据权利要求2所述一种电化学-生物流化床反应器，其特征在于，所 述厌氧流化床中，溢流堰处与第一出水口相通;好氧流化床中，溢流堰与第二 出水口相通。
4.根据权利要求2所述一种电化学-生物流化床反应器，其特征在于，所 述第一电极组包括石墨阴极、石墨阳极和直流电源，石墨阴极设于厌氧流化床 下部的内筒中，石墨阳极设于好氧流化床下部的内筒中，石墨阴极和石墨阳极 之间通过直流电源连接;
第二电极组包括两个石墨电极，厌氧流化床的泥水分离区中和好氧流化床 的泥水分离区中各设置一个石墨电极，两个石墨电极之间通过导线连接。
5.根据权利要求4所述一种电化学-生物流化床反应器，其特征在于，所 述第一电极组中，石墨阴极和石墨阳极的尺寸相同，长度为200mm，横截面 直径为20mm;
第二电极组中，两个石墨电极的尺寸相同，长度为50mm，横截面直径为 5mm。
6.根据权利要求1所述一种电化学-生物流化床反应器，其特征在于，所 述厌氧流化床的上部还设有第一加热棒，好氧流化床的上部还设有第二加热 棒，第一加热棒和第二加热棒分别与交流电源连接。
7.根据权利要求1所述一种电化学-生物流化床反应器，其特征在于，所 述厌氧流化床中还设有循环组件，循环组件包括循环泵和循环水阀门，厌氧流 化床底部设有循环水进口，循环泵的进口端通过循环水管道与厌氧流化床上部 连接，循环泵的出口端通过循环水管道与循环水进口连接，循环水进口处设置 循环水阀门。
8.根据权利要求1所述一种电化学-生物流化床反应器，其特征在于，所 述好氧流化床的下部为曝气混合区，曝气头设于曝气混合区内，曝气头通过气 体管道外接风机，气体管道上设有气体流量计;好氧流化床的底部还设有排泥 阀。
9.根据权利要求1所述一种电化学-生物流化床反应器，其特征在于，所 述厌氧流化床中，第一进水口通过第一蠕动泵外接原水槽，第一进水口处设有 第一进水阀，第一蠕动泵的出口端设有第一转子流量计;
好氧流化床中，第二进水口处设有第二进水阀，第二出水口处外接出水槽， 出水槽的底部设有出水阀，出水槽的上部通过第二蠕动泵与厌氧流化床的第一 进水口连接，第二蠕动泵的出口端设有第二转子流量计。
10.一种电化学-生物流化床反应器的废水处理方法，其特征在于，包括 以下步骤：
(1)分别在厌氧流化床和好氧流化床中填充活性炭滤料，并保持厌氧流 化床和好氧流化床中的温度为18～38℃;
(2)在有机废水中加入电解质，并调节pH值为7.0～7.5;
(3)将有机废水送入厌氧流化床中，有机废水在厌氧流化床内筒中上升 的过程同时发生电化学和生物降解的协同反应;有机废水上升至厌氧流化床的 泥水分离区时，进行生物降解并实现泥水分离;
(4)从厌氧流化床分离得到的有机废水送入好氧流化床，有机废水在好 氧流化床内筒中上升的过程同时发生电化学和生物降解的协同反应;有机废水 上升至好氧流化床的泥水分离区时，进行生物降解并实现泥水分离，分离所得 到的净化水由第二出水口直接排出。
说明书
一种电化学-生物流化床反应器及其废水处理方法
技术领域
本发明涉及有机废水处理技术领域，特别涉及一种电化学-生物流化床反 应器及其废水处理方法。
背景技术
焦化废水和其他含有难生化降解有机污染物的废水中，其突出特点是氮含 量高、难降解有机物多，由于其组成复杂、结构稳定、毒性较强和可生化性差， 常规的污水处理方法难以致效，因而给环境带来很大污染，成为环保水处理领 域多年关注和要解决的技术难题。
传统的污水处理方法中，生物化学法能有有效去除废水中的有机物、臭味， 降低废水色度，而且在工程应用上工艺成熟，运行成本低，管理方便简易，但 生物化学法对成分复杂的有毒有害难降解污染物的降解速度慢，分解不彻底， 甚至由于中毒而失去处理能力。
而作为一种常用的物理化学处理方法，电化学法可通过电化学燃烧或电化 学转化，快速高效地与废水中的污染物通过获得或失去电子而发生氧化还原反 应，使难降解有机物转化降解成二氧化碳和水或较简单的有机物。电化学技术 发展迅速，处理能力强且反应设备简单，操作容易，易于控制。与生物化学法 相比，电化学方法一般不受反应物生物毒性的影响，可以作为高毒性、高腐蚀 性有机物的有效处理方法。但采用电化学法氧化或还原有机物时，反应过程存 在多种副反应(如产热、析氢、析氧、析氯等)，电流效率较低，因此处理能 耗较大，运行费用较高。
电-生物耦合技术不但综合了生物化学法处理成本低、电化学法处理难降 解有毒污染物效果好的特点，而且可将电化学反应中引起电流效率降低的副反 应(如产热、析氧、析氢、电迁移等)有效地利用于生物反应中，因此在整个 耦合技术的层面上使电流效率和处理效果大幅提高，同时降低了处理成本。 1992年，R.B Me11or等人(Mellor R B,Ronnenberg J,Campbell W H,et al. Reduction of nitrate and nitrite in water by immobilized enzymes[J].Nature,1992, 355(20):717-719.)在Nature杂志上首次报道了利用电极-生物膜法进行反硝化 的研究，他们将反硝化酶和染料(电子传递体)固定在阴极表面，反硝化酶利 用电解水产生的H2将NO3-还原为N2，并取得了良好的反硝化效果。Y Sakakibara等人(Y Sakakibara,M Kuroda.Electric prompting and control of denitrification[J].Biotech.Bioeng.1993,42:535-537.)将阴极和阳极分别置于两个 相联的反应器中研究固定挂膜的反硝化菌对NO3-的处理能力，结果表明，当 电流为0mA时，无氮气析出;电流从10mA增加到40mA时，氮气产量增 加4倍。然而，电极-生物膜法过程中由于电极表面生物膜比表面积较小，生 物膜易脱落等原因，反硝化效率提高效果有限，使得电极-生物膜法强化处理 难降解有机物的方法在实际应用中较少。
因此，目前迫切需要优化电化学反应器的设计，加强阳极表面产生的羟基 自由基向溶液主体的传质。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对富氮有机废水，提供一种电 化学-生物流化床反应器，该反应器以流化床作为基础结构，在常规的电化学 体系中引入生物降解，达到电化学和生物降解耦合的氧化还原作用，大大加快 处理速度，改善富氮有机废水的处理效果。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述电化学-生物流化床反应器实现 的废水处理方法。
本发明的技术方案为：一种电化学-生物流化床反应器，包括相连接的厌 氧流化床和好氧流化床，厌氧流化床的下部和好氧流化床的下部之间通过第一 电极组连接，厌氧流化床的上部和好氧流化床的上部之间通过第二电极组连 接;厌氧流化床的底部设有第一进水口，厌氧流化床的上部设有第一出水口， 好氧流化床的底部设有第二进水口，好氧流化床的上部设有第二出水口，第一 出水口与第二进水口之间通过污水管道连接;好氧流化床的底部设有曝气头。
所述厌氧流化床和好氧流化床的结构相同，分别包括内筒和外筒，内筒为 上下开放的圆筒结构，内筒设于外筒内，且内筒底部与外筒底部相通，内筒的 外壁和外筒的内壁之间形成环形空间;内筒的下部为反应区;外筒的上部为倒 锥形结构，形成泥水分离区，泥水分离区中设有多孔板，多孔板上设置活性炭 滤料，位于活性炭滤料上方的外筒内壁上设有溢流堰。
所述厌氧流化床中，溢流堰处与第一出水口相通;好氧流化床中，溢流堰 与第二出水口相通。
所述第一电极组包括石墨阴极、石墨阳极和直流电源，石墨阴极设于厌氧 流化床下部的内筒中，石墨阳极设于好氧流化床下部的内筒中，石墨阴极和石 墨阳极之间通过直流电源连接;
第二电极组包括两个石墨电极，厌氧流化床的泥水分离区中和好氧流化床 的泥水分离区中各设置一个石墨电极，两个石墨电极之间通过导线连接。
所述第一电极组中，石墨阴极和石墨阳极的尺寸相同，长度为200mm， 横截面直径为20mm;
第二电极组中，两个石墨电极的尺寸相同，长度为50mm，横截面直径为 5mm。
所述厌氧流化床的上部还设有第一加热棒，好氧流化床的上部还设有第二 加热棒，第一加热棒和第二加热棒分别与交流电源连接。
所述厌氧流化床中还设有循环组件，循环组件包括循环泵和循环水阀门， 厌氧流化床底部设有循环水进口，循环泵的进口端通过循环水管道与厌氧流化 床上部连接，循环泵的出口端通过循环水管道与循环水进口连接，循环水进口 处设置循环水阀门。循环组件的设置，可在厌氧流化床内将有机废水进行多次 处理，改善有机废水的处理效果。循环水、经活性炭滤料过滤得到的泥水、第 一进水口处的有机废水，三者在厌氧流化床的底部进行充分混合，再逐渐上升 进行电化学反应。
所述好氧流化床的下部为曝气混合区，曝气头设于曝气混合区内，曝气头 通过气体管道外接风机，气体管道上设有气体流量计;好氧流化床的底部还设 有排泥阀。该结构中，由外接风机提供压缩空气，通过曝气头送入好氧流化床 中，气体流量计用于计量并调节空气的输送量。
所述厌氧流化床中，第一进水口通过第一蠕动泵外接原水槽，第一进水口 处设有第一进水阀，第一蠕动泵的出口端设有第一转子流量计;原水槽用于储 存原始的有机废水，有机废水送入厌氧流化床前，在原水槽中加入电解质并混 合均匀，第一转子流量计用于监测并调节有机废水的进水量。
好氧流化床中，第二进水口处设有第二进水阀，第二出水口处外接出水槽， 出水槽的底部设有出水阀，出水槽的上部通过第二蠕动泵与厌氧流化床的第一 进水口连接，第二蠕动泵的出口端设有第二转子流量计。出水槽主要用于储存 经处理后得到的废水，加设第二蠕动泵和第二转子流量计，可在处理后废水不 达标的情况下，将出水槽内的废水重新引入厌氧流化床，进行二次处理。
通过上述电化学-生物流化床反应器实现的废水处理方法，包括以下步骤：
(1)分别在厌氧流化床和好氧流化床中填充活性炭滤料，并保持厌氧流 化床和好氧流化床中的温度为18～38℃;
(2)在有机废水中加入电解质，并调节pH值为7.0～7.5;
(3)将有机废水送入厌氧流化床中，有机废水在厌氧流化床内筒中上升 的过程同时发生电化学和生物降解的协同反应;有机废水上升至厌氧流化床的 泥水分离区时，进行生物降解并实现泥水分离;
(4)从厌氧流化床分离得到的有机废水送入好氧流化床，有机废水在好 氧流化床内筒中上升的过程同时发生电化学和生物降解的协同反应;有机废水 上升至好氧流化床的泥水分离区时，进行生物降解并实现泥水分离，分离所得 到的净化水由第二出水口直接排出。
上述处理过程中，有机废水的电化学-生物处理保持在18～38℃下进行， 采用的电解质为硫酸铜或硫酸亚铁的一种或多种，好氧流化床中溶解氧浓度 (DO)1.5mg/L以上，第一进水口和第二进水口的流速均控制为1.0L/min左 右，第一电极组的直流电流为5～20mA。
本电化学-生物流化床反应器及其废水处理方法使用时，具体原理如下：
有机废水处理机理主要为电化学氧化、生物降解及其协同作用。电极在合 适的电势条件下，阴极和阳极反应如下：
阴极以质子还原和水的电解产氢，或将Cu2+、Fe2+变为具有还原能力的 Cu+、Cu和Fe，具体为：
阳极上的电极反应有：
C+2H2O=CO2+4H++4e (e0=0.207V)
2H2O=O2+4H++2e (e0=1.229V)
根据各反应的电极电位，在阴极以产生Cu为主，另有Cu+和H2，而阳极 应以产生CO2为主，故可通过电解过程的氧化还原反应，阴极提供氢气、Cu+和Cu等作为电子供体直接氧化有机物或供给反硝化细菌利用，阳极提供CO2作为生物反应硝化的营养源。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)阴极和阳极分离，分别安装于厌氧流化床和好氧流化床内。NH4+的 去除依赖于好氧生物过程，需要以O2等做为电子受体发生氧化反应转化为 NO2-或NO3-，而NO2-、NO3-和有机物的去除可以在厌氧流化床内通过反硝化 作用实现协同降解或去除，另外，有机物还可以在好氧流化床的生物过程中氧 化降解。本发明采用了阴极与阳极分离的反应系统，阴极主要存在于厌氧流化 床中，而阳极主要存在于好氧流化床中。首先，阴极和阳极的分离降低了所产 生的氧化还原介质相互反应而造成的能量浪费;其次，减少了厌氧流化床中 NO2-和NO3-向阳极的移动和好氧流化床中NH4+向阴极的移动，从而增加了反 应物与相应电极直接的接触几率。
(2)以流化床结构增强传质过程，提高电化学反应效率。在活性炭流态 化状态下，传质作用加强，使电化学过程中电子在介质间的传递速度更快，有 利于氧化还原反应的快速进行，从而高效去除污染物。
(3)以Cu2+和Fe2+做为电子传递体的补充。在生物反应过程中，酶做为 催化剂起到了至关重要的作用，而其中有很多酶的活性中心都包含金属离子， 最常见的为Cu和Fe，因此，适量的Cu和Fe存在对生物反应是必须的。另外， Cu2+较H+更易于在阴极接受电子而产生具有还原能力的Cu+和Cu，而Fe2+虽 然在阴极上获得电子的难度更大，生成的Fe却具有比H2更高的还原能力。故 Cu2+的添加可加快电子传递而提高污染物去除的速率，而Fe2+的添加可去除性 质更稳定的污染物。
(4)电化学与生物反应协同，在利用较低能耗的情况下实现氮和有机污 染物的快速高效去除。电化学过程可产生具有较高能量的氧化和还原物质，而 生物反应过程中的酶是目前污染物降解最高效的催化剂，两者的耦合反应过程 与纯生物反应相比效率更高，而与电化学反应相比，所需要的能耗更小。