一種旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提出了一種旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)器池體，所述反應(yīng)器池體的底部、中部和上部分別與進(jìn)水管、回流管和出水管連通；所述回流管和進(jìn)水管連通；所述反應(yīng)器池體頂端安裝有密封蓋板；攪拌器的輸出軸的下端穿過(guò)所述密封蓋板后和位于所述反應(yīng)器池體內(nèi)的片狀陰極連接；所述片狀陰極上黏附有活性炭纖維氈；棒狀陽(yáng)極的下端位于所述反應(yīng)器池體內(nèi)，上端穿過(guò)所述密封蓋板后和直流穩(wěn)壓電源的正極電連接；本實(shí)用新型不需要外加攪拌裝置，無(wú)需外源供氫，簡(jiǎn)化了操作流程；反應(yīng)器的良好密封性為微生物的生長(zhǎng)提供了缺氧條件，可以有效去除水體中多種氧化性污染物。
【專利說(shuō)明】一種旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及污水處理領(lǐng)域，特別涉及一種旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著工農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，氧化性污染物對(duì)水體造成的污染逐漸加重，這些氧化性物質(zhì)主要包括硝酸鹽、溴酸鹽、高氯酸鹽及揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)如氯仿等。氧化性物質(zhì)中最具代表性的污染物為硝酸鹽，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的含氮廢水；農(nóng)業(yè)上施用的氮肥隨雨水沖刷進(jìn)入江河、湖泊；居民生活污水排入受納水體；由此而引起的地下水、飲用水等水體中硝酸鹽氮的污染己成為我們目前面臨的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。
[0003]傳統(tǒng)生物脫氮過(guò)程是借助自然界存在的反硝化作用(在微生物作用下使NCV-N最終轉(zhuǎn)化為N2O和N2 )，利用水體中的有機(jī)物，或者通過(guò)投加有機(jī)物甲醇、乙醇等作為電子供體，將硝酸鹽氮最終轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的氮?dú)?。通過(guò)投加有機(jī)物，可以獲得較高的反硝化速率，但是碳源添加量難以控制，容易出現(xiàn)碳源不足或有機(jī)質(zhì)殘留的問(wèn)題。當(dāng)外加碳源不足時(shí)，反硝化不完全；外加碳源過(guò)量時(shí)，則出水COD值增加，既影響了出水水質(zhì)又增加了運(yùn)行費(fèi)用。
[0004]隨著研究的深入，氫基質(zhì)膜生物膜反應(yīng)器(MBfR)逐漸成為一種脫氮的生物新技術(shù)。氫基質(zhì)MBfR利用外源氫氣作為電子供體，中空纖維膜作為生物膜載體，受污染的水在纖維膜層外部流動(dòng)，氫氣以一定的壓力通入中空纖維膜內(nèi)，在壓力作用下從膜的內(nèi)層通過(guò)微孔擴(kuò)散到外層，在通過(guò)纖維膜外生長(zhǎng)的生物膜過(guò)程中被生物膜中的氫自養(yǎng)細(xì)菌作為電子供體而利用，同時(shí)自養(yǎng)菌將水中氧化性污染物質(zhì)還原或降解，如硝酸鹽被徹底還原為氮?dú)?，溴酸鹽被還原成無(wú)毒的溴離子，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。該技術(shù)受外源氫氣供應(yīng)及膜表面沉積鈣鹽等污染物的影響，作為改進(jìn)，目前部分學(xué)者提出了電極生物膜法的概念，即將外源供氫改為電解水產(chǎn)氫，以電解水產(chǎn)生的氫氣作為電子供體，氧化性污染物作為電子受體，利用覆在反應(yīng)器陰極表面的生物膜，直接將水體中的硝酸鹽、溴酸鹽等污染物還原或降解。該方法不產(chǎn)生影響水質(zhì)安全的副產(chǎn)物，是一種清潔的水體氧化性污染物去除技術(shù)。
[0005]目前，電極生物膜法都采用固定電極，需要外加攪拌裝置促進(jìn)污染物與微生物的接觸與混勻，且反應(yīng)器的氣密性較差，無(wú)法提供有利于反硝化的缺氧環(huán)境，存在很大的缺陷。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，具有能耗低、氫氣利用率高、密封效果好的特點(diǎn)。
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)器池體，進(jìn)水管依次經(jīng)泵一和閥一后同所述反應(yīng)器池體的底部連通；回流管的一端同泵一與閥一之間的進(jìn)水管部分連通，另一端依次經(jīng)泵二和閥二后同所述反應(yīng)器池體的中部連通；出水管經(jīng)閥三后同所述反應(yīng)器池體的上部連通；所述反應(yīng)器池體頂端安裝有密封蓋板；位于密封蓋板上方的攪拌器的輸出軸下端穿過(guò)所述密封蓋板后同所述反應(yīng)器池體內(nèi)的片狀陰極連接；所述片狀陰極上黏附有活性炭纖維氈；位于所述反應(yīng)器池體內(nèi)的棒狀陽(yáng)極的上端穿過(guò)所述密封蓋板后同直流穩(wěn)壓電源的正極電連接；所述直流穩(wěn)壓電源的負(fù)極和石墨電刷片電連接，所述石墨電刷片和所述攪拌器的輸出軸接觸。
[0008]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn):
[0009]所述反應(yīng)器池體為容積為0.9?4.9L的圓柱形水箱。
[0010]所述攪拌器的輸出軸分為和攪拌器電機(jī)伸出的上軸和與所述片狀陰極連接的下軸，上軸和下軸之間通過(guò)絕緣接頭連接而使上軸和下軸之間絕緣。
[0011]所述密封蓋板下方設(shè)有環(huán)形密封墊；所述密封蓋板上設(shè)有帶膠圈的陽(yáng)極孔和攪拌孔，保證密封性能。
[0012]所述片狀陰極為長(zhǎng)8cm、寬8cm、厚0.5cm的金屬銅片，表面黏附的活性炭纖維氈厚度為0.3?0.5cm。
[0013]所述棒狀陽(yáng)極為長(zhǎng)10?15cm,直徑為0.5?1.0cm的石墨棒或惰性金屬棒。
[0014]所述攪拌器為安裝在鐵架臺(tái)的增力電動(dòng)攪拌器，旋轉(zhuǎn)速度為5?20轉(zhuǎn)/分鐘。
[0015]所述直流穩(wěn)壓電源的電流強(qiáng)度為20?110mA。
[0016]本實(shí)用新型的工作步驟為:(1)將一定濃度的活性污泥置于反應(yīng)器池體接種，定期向反應(yīng)器內(nèi)加入含氧化性污染物的培養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)；(2)馴化培養(yǎng)期間，維持一定的反應(yīng)器溫度和電流強(qiáng)度維持，進(jìn)行微生物的微電流馴化掛膜；(3)馴化完成后，待處理廢水通過(guò)恒流泵經(jīng)進(jìn)水管加入到反應(yīng)器中，同時(shí)控制電流強(qiáng)度和水力停留時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的連續(xù)運(yùn)行和較好的處理效果。
[0017]本實(shí)用新型的具體工作過(guò)程詳見(jiàn)【具體實(shí)施方式】部分。
[0018]本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019](I)反應(yīng)器陰極制作成旋轉(zhuǎn)葉片型，惰性金屬片表面黏附有活性炭纖維氈，有利于提高微生物掛膜速度。
[0020](2)反應(yīng)器陰極電解水原位產(chǎn)氫，氫從陰極向外擴(kuò)散，可以有效被附著于陰極表面的微生物直接利用，與外界供氫相比，在傳質(zhì)方向上和傳質(zhì)動(dòng)力上都有增強(qiáng)。
[0021](3)陰極表面的微生物利用電解水原位產(chǎn)氫作為電子供體，可適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)電流密度控制氫氣產(chǎn)生量。
[0022](4)反應(yīng)器陰極可以緩慢旋轉(zhuǎn)，不需要外加攪拌設(shè)備，減少了電量的消耗，簡(jiǎn)化了操作步驟、易于運(yùn)行維護(hù)。
[0023](5)反應(yīng)器的氣密性好，提供的缺氧環(huán)境有利于反硝化的進(jìn)行。
[0024]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型，其作為本說(shuō)明書的一部分，通過(guò)實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型的原理，本實(shí)用新型的其它方面、特征及其優(yōu)點(diǎn)通過(guò)該詳細(xì)說(shuō)明將會(huì)變得一目了然。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]構(gòu)成本實(shí)用新型的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。
[0026]圖1為本實(shí)用新型反應(yīng)器本體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本實(shí)用新型反應(yīng)器蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3為本實(shí)用新型反應(yīng)器陰極掛膜馴化完成前的電鏡示意圖；
[0029]圖4為本實(shí)用新型反應(yīng)器陰極掛膜馴化完成后的電鏡示意圖；
[0030]圖5為本實(shí)用新型反應(yīng)器中高濃度的硝酸鹽和溴酸鹽進(jìn)水、出水濃度示意圖；
[0031]圖6為本實(shí)用新型反應(yīng)器對(duì)高濃度的硝酸鹽和溴酸鹽去除效果示意圖；
[0032]圖7為本實(shí)用新型反應(yīng)器中低濃度的硝酸鹽和溴酸鹽進(jìn)水、出水濃度示意圖；
[0033]圖8為本實(shí)用新型反應(yīng)器對(duì)低濃度的硝酸鹽和溴酸鹽去除效果示意圖。
[0034]其中:1_攪拌器；2_絕緣接頭；3_石墨電刷片；4_棒狀陽(yáng)極；5_片狀陰極；6-反應(yīng)器池體；7_鐵架臺(tái)；8_直流穩(wěn)壓電源；9-出水管；10_回流管；11_進(jìn)水管；12_密封蓋板；13-固定螺栓及螺母；14-環(huán)形密封墊；15_陽(yáng)極孔；16-攪拌孔；17_泵一 ；18_泵二 ；19_閥一 ；20-閥二 ；21-閥三。

【具體實(shí)施方式】
[0035]需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本實(shí)用新型中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型。為敘述方便，下文中如出現(xiàn)“上”、“下”、“左”、“右”字樣，僅表示與附圖本身的上、下、左、右方向一致，并不對(duì)結(jié)構(gòu)起限定作用。
[0036]如圖1-2所示，本實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)器池體6，進(jìn)水管11依次經(jīng)泵一 17和閥一 19后同反應(yīng)器池體6的底部連通；回流管10的一端同泵一 17與閥一 19之間的進(jìn)水管11部分連通，另一端依次經(jīng)泵二 18和閥二 20后同反應(yīng)器池體6的中部連通；出水管9經(jīng)閥三21后同反應(yīng)器池體6的上部連通；反應(yīng)器池體6頂端安裝有密封蓋板12 ;位于密封蓋板12上方的攪拌器I的輸出軸下端穿過(guò)密封蓋板12后同反應(yīng)器池體6內(nèi)的片狀陰極5連接；片狀陰極5上黏附有活性炭纖維氈；位于反應(yīng)器池體6內(nèi)的棒狀陽(yáng)極4的上端穿過(guò)密封蓋板12后同直流穩(wěn)壓電源8的正極電連接；直流穩(wěn)壓電源8的負(fù)極和石墨電刷片3電連接，石墨電刷片3和攪拌器I的輸出軸接觸。反應(yīng)器池體6為容積為0.9?4.9L的圓柱形水箱。攪拌器I的輸出軸分為和攪拌器電機(jī)伸出的上軸和與片狀陰極5連接的下軸，上軸和下軸之間通過(guò)絕緣接頭2連接而使上軸和下軸之間絕緣。密封蓋板12下方設(shè)有環(huán)形密封墊14 ;密封蓋板12上設(shè)有帶膠圈的陽(yáng)極孔15和攪拌孔16。片狀陰極5為長(zhǎng)8cm、寬8cm、厚0.5cm的金屬銅片,表面黏附的活性炭纖維租厚度為0.3?0.5cm。棒狀陽(yáng)極4為長(zhǎng)10?15cm,直徑為0.5?1.0cm的石墨棒或惰性金屬棒。攪拌器I為安裝在鐵架臺(tái)7的增力電動(dòng)攪拌器，旋轉(zhuǎn)速度為5?20轉(zhuǎn)/分鐘。直流穩(wěn)壓電源8的電流強(qiáng)度為20 ?IlOmA0
[0037]本實(shí)用新型工作時(shí)要先進(jìn)行微生物的掛膜馴化，取0.2L某污水處理廠的回流污泥作為接種污泥，與培養(yǎng)液混合在容積為1.3L的聚乙烯箱體6內(nèi)接種。定期向反應(yīng)器內(nèi)加入含一定濃度的硝酸鹽和溴酸鹽廢水進(jìn)行掛膜培養(yǎng)，并適當(dāng)補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以保證微生物正常生長(zhǎng)，外源加熱(熱水)維持反應(yīng)器溫度為30°C，電流強(qiáng)度維持在20mA。通過(guò)恒流泵經(jīng)進(jìn)水管11向反應(yīng)器定期進(jìn)水，進(jìn)行微生物的微電流馴化掛膜。馴化15d后，反應(yīng)器出水pH穩(wěn)定在6.5?8.0之間，硝酸鹽和溴酸鹽的去除率達(dá)到70%以上，即可判斷馴化基本完成。在反應(yīng)器運(yùn)行期間，陽(yáng)極石墨棒部分被氧化，陽(yáng)極的氧化產(chǎn)物CO2可為自養(yǎng)反硝化菌提供碳源，同時(shí)對(duì)反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的0H_具有一定的緩沖作用，且能增強(qiáng)缺氧環(huán)境，有利于反硝化的進(jìn)行。
[0038]將掛膜和馴化前后反應(yīng)器陰極表面置于500倍的電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，得到如附圖3所示的電子顯微鏡圖。從圖3可看出，掛膜前，陰極表面黏附的活性炭纖維氈有許多細(xì)小纖維，纖維上布滿微孔，纖維直徑為5?20 μ m。而馴化15d后，陰極表面形成一層淡黃色生物膜，有大量顆粒狀和絮狀的微生物附著生長(zhǎng)，見(jiàn)圖4。結(jié)果表明，反應(yīng)器內(nèi)微生物能正常生長(zhǎng)并順利在陰極表面掛膜，進(jìn)一步說(shuō)明反應(yīng)器馴化完成。
[0039]處理污水實(shí)例1:
[0040]反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如上所述，在上述掛膜流程結(jié)束后，處理由自來(lái)水配制的模擬廢水，其中硝酸鹽濃度為30?35mg/L,溴酸鹽濃度為0.9?1.0mg/L。陽(yáng)極為兩根長(zhǎng)15cm,直徑為0.8cm的石墨棒,置于旋轉(zhuǎn)陰極兩側(cè)，陰極采用長(zhǎng)8cm、寬8cm、厚0.5cm的金屬銅片,表面黏附同樣大小的活性炭纖維氈，電流強(qiáng)度設(shè)定為20mA，水力停留時(shí)間為5h，利用恒流泵連續(xù)供給人工配水。由附圖5和6可以看出，本實(shí)用新型對(duì)硝酸鹽和溴酸鹽都有較好的去除效果，硝酸鹽去除率在70%以上，溴酸鹽去除率在80%以上。出水中硝酸鹽濃度低于10 mg/L,低于我國(guó)現(xiàn)行飲用水的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值(NO3K 20mg/L)。
[0041]處理污水實(shí)例2:
[0042]反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如上所述，在上述掛膜流程結(jié)束后，處理由自來(lái)水配制的模擬廢水，其中硝酸鹽濃度為25?30mg/L,溴酸鹽濃度為0.14?0.16 mg/L。陽(yáng)極為兩根長(zhǎng)15cm,直徑為0.8cm的石墨棒，置于旋轉(zhuǎn)陰極兩端側(cè)，陰極采用長(zhǎng)8cm、寬8cm、厚0.5cm的金屬銅板，表面黏附同樣大小的活性炭纖維氈，電流強(qiáng)度設(shè)定為20mA，水力停留時(shí)間為5h，利用恒流泵連續(xù)供給人工配水。由附圖7和8可以看出，本實(shí)用新型對(duì)接近實(shí)際水體濃度的硝酸鹽和溴酸鹽有很好的去除效果，硝酸鹽去除率在90%以上，溴酸鹽去除率在92%以上，出水中硝酸鹽濃度低于5mg/L，溴酸鹽濃度低于10 μ g/L，低于我國(guó)現(xiàn)行飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值(NO3--N ( 20mg/L ;Br03_ ^ 10 μ g/L)。這種處理效果是氫基質(zhì)膜生物膜反應(yīng)器和普通的電極生物膜反應(yīng)器所難以實(shí)現(xiàn)的。與實(shí)例2相比，硝酸鹽和溴酸鹽的去除效率都有提高，且兩者的出水濃度低，表明低濃度硝酸鹽和溴酸鹽條件下，有利于微生物的反硝化，進(jìn)而提高降解效率。
[0043]可見(jiàn)，與現(xiàn)有技術(shù)中外加碳源作為電子供體以及外加氫氣作為電子供體的方法相t匕，本實(shí)用新型采用氫氣內(nèi)部供給的方式，氫氣利用電解水產(chǎn)生，通過(guò)調(diào)節(jié)電流密度可以控制氫氣產(chǎn)生量。反應(yīng)器陰極設(shè)置成旋轉(zhuǎn)葉片型，不需要外加攪拌裝置，陰極產(chǎn)生的氫氣可被附著在上面的微生物高效利用，簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，促進(jìn)了反硝化的進(jìn)行。
[0044]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)器池體(6)，其特征在于:進(jìn)水管(11)依次經(jīng)泵一(17)和閥一(19)后同所述反應(yīng)器池體(6)的底部連通；回流管(10)的一端同泵一(17)與閥一(19)之間的進(jìn)水管(11)部分連通，另一端依次經(jīng)泵二(18)和閥二(20)后同所述反應(yīng)器池體(6)的中部連通；出水管(9)經(jīng)閥三(21)后同所述反應(yīng)器池體(6)的上部連通；所述反應(yīng)器池體(6)頂端安裝有密封蓋板(12);位于密封蓋板(12)上方的攪拌器(I)的輸出軸下端穿過(guò)所述密封蓋板(12)后同所述反應(yīng)器池體(6)內(nèi)的片狀陰極(5)連接；所述片狀陰極(5)上黏附有活性炭纖維氈；位于所述反應(yīng)器池體(6)內(nèi)的棒狀陽(yáng)極(4)的上端穿過(guò)所述密封蓋板(12)后同直流穩(wěn)壓電源(8)的正極電連接；所述直流穩(wěn)壓電源(8)的負(fù)極和石墨電刷片(3)電連接，所述石墨電刷片(3)和所述攪拌器(I)的輸出軸接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，其特征在于:所述反應(yīng)器池體(6)為容積為0.9?4.9L的圓柱形水箱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，其特征在于:所述攪拌器(I)的輸出軸分為和攪拌器電機(jī)伸出的上軸和與所述片狀陰極(5)連接的下軸，上軸和下軸之間通過(guò)絕緣接頭(2)連接而使上軸和下軸之間絕緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，其特征在于:所述密封蓋板(12)下方設(shè)有環(huán)形密封墊(14);所述密封蓋板(12)上設(shè)有帶膠圈的陽(yáng)極孔(15)和攪拌孔(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，其特征在于:所述片狀陰極(5)為長(zhǎng)8cm、寬8cm、厚0.5cm的金屬銅片,表面黏附的活性炭纖維租厚度為0.3?0.5cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，其特征在于:所述棒狀陽(yáng)極(4)為長(zhǎng)10?15cm,直徑為0.5?1.0cm的石墨棒或惰性金屬棒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，其特征在于:所述攪拌器(I)為安裝在鐵架臺(tái)(7)的增力電動(dòng)攪拌器，旋轉(zhuǎn)速度為5?20轉(zhuǎn)/分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)電極生物膜反應(yīng)器，其特征在于:所述直流穩(wěn)壓電源(8)的電流強(qiáng)度為20?110mA。
【文檔編號(hào)】C02F3/28GK204185296SQ201420632404
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】鐘宇, 李小明, 楊麒, 王冬波, 安鴻雪, 謝麗霞, 謝婷, 趙建偉, 曾光明 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)