CN102502946A

CN102502946A - 一种利用三维电极-生物膜工艺处理化工废水的方法

Info

Publication number: CN102502946A
Application number: CN2011104425079A
Authority: CN
Inventors: 王灿; 季民; 孔鑫; 黄耀坤
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种利用三维电极-生物膜工艺处理化工废水的方法，按照下述步骤进行：(1)将活性炭至于活性污泥的膜生物反应池中，进行不间断曝气；(2)以Ti/PbO₂板为正极、以不锈钢板为负极并在其表面绑定活性炭纤维层，以活性炭为第三极；(3)向反应容器中加入活性污泥，并加入培养液以在活性炭上培养生物膜；(4)将待处理废水通过进水口以升流方式进入反应容器中，同时控制电流密度和水力停留时间，以实现反应器的连续运行和较好的处理效果。本发明提供一种将电化学方法和生物膜方法相结合的污水处理工艺，具有传质效率高，反应区域大，处理效率高，操作简便的特点。

Description

一种利用三维电极-生物膜工艺处理化工废水的方法

技术领域

本发明涉及一种污水处理方法，更具体地讲，涉及一种利用三维电极和生物膜相结合的废水处理方法。

背景技术

随着经济和社会的发展，水资源短缺已成为全球面临的共同挑战，面对这一问题很多国家都把污水的再生利用作为解决水资源短缺的重要手段之一。长期以来以活性污泥为代表的传统生物处理工艺，在生活污水以及工业废水的处理中得到广泛应用，其具有处理工艺完善、处理效果稳定等优点。但也存在占地面积大，基建投资大，产生大量剩余污泥等问题。工业废水中含有大量高毒性、高浓度、难生化降解的物质，这些物质很难被传统二级处理工艺去除，导致污水处理厂生化出水中仍含有一定浓度水平的有毒有害物质，对水环境安全和人类的生存造成极大危害，亟需深度处理。

为了克服这些问题，各种新型、高效的污水处理技术应运而生，特别是将膜分离技术和生物处理工艺相结合的膜生物反应器(Membrane bioreactor，MBR)技术，因其取代传统生物处理工艺中的二沉池，实现高污泥浓度运行，且具有出水水质好、运行维护简单、占地面积小、污泥浓度高、剩余污泥产量低等优点，在废水处理领域得到广泛应用。虽然MBR技术拥有许多传统活性污泥法所不具有的优点。但是，其能耗高、成本高仍是阻碍MBR发展的两大瓶颈。高昂的膜价格以及频繁的膜污染造成的膜组件清洗、更换是导致MBR运行成本高的主要原因。而膜污染造成的膜使用寿命缩短、频繁的化学清洗、膜通量下降以及操作费用的增加等问题，大大限制了MBR技术的推广和应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将电化学方法和生物膜方法相结合的污水处理工艺，具有传质效率高，反应区域大，处理效率高，操作简便的特点。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种利用三维电极-生物膜工艺处理化工废水的方法，按照下述步骤进行：

(1)将活性炭至于活性污泥浓度为3000-4000mg/L的膜生物反应池中，并进行不间断曝气，活性炭在反应池中停留至少72小时

(2)以Ti/PbO₂板为正极、以不锈钢板为负极并在其表面绑定活性炭纤维层，以经过步骤(1)处理的活性炭为第三极

(3)向反应容器中加入活性污泥，并加入培养液以在活性炭上培养生物膜

(4)将待处理废水通过进水口以升流方式进入反应容器中，同时控制电流密度和水力停留时间，以实现反应器的连续运行和较好的处理效果

本发明技术方案使用的反应容器为三维电极-生物膜反应器，包括电源、阳极、阴极、活性炭生物膜和反应器本体，其中：

所述反应器本体11的底端设置有进水口10和排渣口9，顶端设置有出水口8；

所述反应器本体11中设置有隔板12，所述隔板12上设置有极板插座和均匀布水孔；

所述阳极5和阴极6分别设置在隔板12的极板插座之中，并分别与电源的正极和负极相连接；

所述阴极上设置有活性炭纤维层；

所述阳极和阴极之间设置有活性炭生物膜层7。

所述阳极可以选用Ti/PbO₂板。

所述阴极可以选用不锈钢材料。

所述电源优选为稳压稳流电源。

在本发明的技术方案中，所述活性炭的粒径优选2-3mm，所述步骤(1)中活性炭在反应池中停留时间为72-120小时。所述步骤(2)中，所述活性炭纤维层的厚度为4-6mm，电极板的尺寸优选10cm×10cm。在所述步骤(3)中，向三维电极反应器中加入浓度为100mg/L的活性污泥，按照摩尔比C∶N∶P＝100∶5∶1的比例，每两天向反应器内加入葡萄糖3.12g、碳酸氢铵0.079g、磷酸二氢钾0.027g、氯化钙0.04g、硫酸镁0.024g、硫酸铁0.056g、硫酸锌0.004g和硫酸铜0.003g，以实现在添加的活性炭上培养生物膜的目的；使用时，先将阳极和阴极固定在隔板上的极板插座中，然后将活性炭放入两电极之间，作为第三极，并进行生物膜培养。所述步骤(4)中，电流密度控制在0.125mA/cm²-1.0mA/cm²，水力停留时间一般控制在2.5-3h。

目前，污水深度处理技术中以物理化学手段居多。物理手段主要有混凝沉淀、膜过滤，吸附法，高级氧化技术如Fenton法、臭氧、光催化氧化、湿式氧化，以及电化学法等。电化学法，主要是利用电极反应产生的如·OH、Cl₂等物质，对水中的有毒有害物质进行直接氧化和间接氧化。三维电极，又称粒子电极，是一种新型的电化学反应器，在传统二维电解槽的电极间装填粒状工作电极材料，并使之带电，成为第三极，并参加对有机污染物质的去除反应，具有传质效率高，反应区域大，处理效率高，操作简便的特点。本发明的技术方案，将传统的三维电极中第三极活性炭先放入活性污泥中进行一段时间的浸泡，然后取出放回反应器中，并向反应器中投加葡萄糖进行培养，使活性炭表面附着生长生物膜形成活性炭生物膜层，利用其对电解后废水进一步处理。此外，活性炭还可以作为催化剂，使电解过程产生的过氧化氢产生更多的羟基自由基，去除有机物。

在进行污水处理时，进水由储水池1中经恒流泵2从反应器底部打入反应器中，水流方向为升流式，经过隔板后，进入阳极和阴极之间的活性炭生物膜层中，通入少量的电流，并利用自由生长在第三极上的微生物对废水中的有机物的分解作用，较好程度的对化工生产中不达标的二级出水进行了深度处理，使之COD_Cr达到国家排放标准。

本发明具有以下特点：(1)所述反应器将电化学法和生物法两大废水处理工艺相结合，最大程度的降低了水中有机物含量；(2)所述反应器利用生物膜对提高生化性的废水进一步处理，减少了电量的消耗，提高了电流效率，节省了电费；(3)所述反应器中的生物膜是微生物自由生长在第三极活性炭表面的，不需要专门的接种工作，操作简便，易于运行维护。

附图说明

图1是利用发明的技术方案进行污水处理的流程图，其中1储水池、2恒流泵、3、阀门、4稳压稳流电源、5阳极、6阴极、7活性炭生物膜、8出水口、9排渣口、10进水口。

图2是本发明使用的三维电极-生物膜反应器结构示意图，其中11为反应器本体，12为隔板。

图3是本发明使用的三维电极-生物膜反应器中阴极的结构示意图(其中阴极采用不锈钢为材料)。

图4是本发明使用的三维电极-生物膜反应器中隔板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。本发明使用的一种三维电极-生物膜反应器，包括电源、阳极、阴极、活性炭生物膜和反应器本体，其中：所述反应器本体11的底端设置有进水口10和排渣口9，顶端设置有出水口8；所述反应器本体11中设置有隔板12，所述隔板12上设置有极板插座和均匀布水孔；所述阳极5和阴极6分别设置在隔板12的极板插座之中，并分别与电源的正极和负极相连接；所述阴极上设置有活性炭纤维层；所述阳极和阴极之间设置有活性炭生物膜层7。具体来说，

(1)将活性炭至于活性污泥浓度为3000-4000mg/L的膜生物反应池中，并进行不间断曝气，活性炭在反应池中停留72-120小时

(2)在反应容器中，以Ti/PbO₂板为正极、以不锈钢板为负极并在其表面绑定活性炭纤维层，厚度4-6mm，电极板的尺寸均为10cm×10cm，以活性炭为第三极，活性炭粒径2-3mm，上述三个电极共同组成三维电极

(3)向三维电极反应器中加入浓度为100mg/L的活性污泥，按照摩尔比C∶N∶P＝100∶5∶1的比例，每两天向反应器内加入葡萄糖3.12g、碳酸氢铵0.079g、磷酸二氢钾0.027g、氯化钙0.04g、硫酸镁0.024g、硫酸铁0.056g、硫酸锌0.004g和硫酸铜0.003g培养生物膜。

(4)将化工废水通过进水口以升流的方式泵入生物膜-三维电极的反应器内部，进行污水处理如下：

实施例1

原水的COD_Cr范围60-85mg/L，Cl^-浓度范围1500-2000mg/L，BOD₅范围1-9mg/L，电导率范围7500-8500μS/cm，进水pH范围8.4-8.8。将原水以升流式注入三维电极-生物膜反应器，并调整三微电极-生物膜反应器的电流密度为0.125mA/cm²、0.25mA/cm²、0.5mA/cm²和1.0mA/cm²，按停留时间3小时设计。经过长期运行，处理效果如表一所示。

表一三维电极-生物膜反应器运行效果

电流密度(mA/cm²)	0.125	0.25	0.5	1.0
					COD_Cr去除率(％)	19％	25％	35％	55％

实施例2

本反应器在电解废水会使Cl^-转变成为Cl₂，对微生物的生长产生不利影响。通过改变电流密度分别为0.125mA/cm²，0.25mA/cm²，0.5mA/cm²，1.0mA/cm²，第三极活性炭上的微生物量呈现先增长再减小的趋势，其中，电流密度为0.5mA/cm²时，反应器中的生物膜量最大，达到120-130mgCOD/g活性炭。

实施例3

由于本反应器在电解废水过程中产生H⁺，因此会使原水的H⁺浓度增大，通过调控电流密度分别为0.125mA/cm²，0.25mA/cm²，0.5mA/cm²，1.0mA/cm²，可以看出，pH值在一直减小。当电流密度为0.5mA/cm²时，废水的pH接近中性。

本发明在电流密度为0.5mA/cm²的条件下，三维电极-生物膜反应器出水COD_Cr值略高于40mg/L，处理效果足够好，基本达到国家一级B标准，且生物膜量相对稳定，因此0.5mA/cm₂是一较合适的运行条件。

以上对发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用三维电极-生物膜工艺处理化工废水的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

其中所述反应容器为三维电极-生物膜反应器，包括电源、阳极、阴极、活性炭生物膜和反应器本体，其中：

所述反应器本体的底端设置有进水口和排渣口，顶端设置有出水口；

所述反应器本体中设置有隔板，所述隔板上设置有极板插座和均匀布水孔；

所述阳极和阴极分别设置在隔板的极板插座之中，并分别与电源的正极和负极相连接；所述阳极和阴极之间设置有活性炭生物膜层。

2.根据权利要求1所述的一种利用三维电极-生物膜工艺处理化工废水的方法，其特征在于，所述活性炭的粒径优选2-3mm，所述步骤(1)中活性炭在反应池中停留时间为72-120小时。

3.根据权利要求1所述的一种利用三维电极-生物膜工艺处理化工废水的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述活性炭纤维层的厚度为4-6mm，电极板的尺寸优选10cm×10cm。

4.根据权利要求1所述的一种利用三维电极-生物膜工艺处理化工废水的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，向三维电极反应器中加入浓度为100mg/L的活性污泥，按照摩尔比C∶N∶P＝100∶5∶1的比例，每两天向反应器内加入葡萄糖3.12g、碳酸氢铵0.079g、磷酸二氢钾0.027g、氯化钙0.04g、硫酸镁0.024g、硫酸铁0.056g、硫酸锌0.004g和硫酸铜0.003g，以实现在添加的活性炭上培养生物膜的目的。

5.根据权利要求1所述的一种利用三维电极-生物膜工艺处理化工废水的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，电流密度控制在0.125mA/cm²-1.0mA/cm²，水力停留时间一般控制在2.5-3h。