一种用于水处理的电极生物膜反应装置论文和设计-钟宇

全文摘要

本实用新型公开了一种用于水处理的电极生物膜反应装置，包括外加电源、阳极室、阴极室、设于阳极室的阳极材料、以及设于阴极室的阴极材料，所述外加电源的正极与所述阳极材料相连，外加电源的负极与所述阴极材料相连，所述阳极室与所述阴极室连通且两者之间设有隔膜。本实用新型具有结构简单、经济性好、效率高等优点。

主设计要求

1.一种用于水处理的电极生物膜反应装置，其特征在于：包括外加电源(1)、阳极室(3)、阴极室(6)、设于阳极室(3)的阳极材料(2)、以及设于阴极室(6)的阴极材料(7)，所述外加电源(1)的正极与所述阳极材料(2)相连，外加电源(1)的负极与所述阴极材料(7)相连，所述阳极室(3)与所述阴极室(6)连通且两者之间设有隔膜。

设计方案

2.根据权利要求1所述的用于水处理的电极生物膜反应装置，其特征在于：所述阳极室(3)和阴极室(6)均包括内外双层结构的筒体，所述内层筒体和外层筒体之间形成加热水流道，所述外层筒体上设有至少两个与所述加热水流道连通的循环水接口(4)，所述阳极材料(2)和阴极材料(7)设于对应的内层筒体内。

3.根据权利要求2所述的用于水处理的电极生物膜反应装置，其特征在于：所述筒体上方设有盖板(9)，所述盖板(9)与所述筒体通过紧固件(10)相连且两者之间设有环形密封垫(11)。

4.根据权利要求3所述的用于水处理的电极生物膜反应装置，其特征在于：所述外层筒体上设有至少一个与内层筒体连通的取样口(8)，所述盖板(9)上设有与内层筒体连通的温度和pH探头接入口(12)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于水处理的电极生物膜反应装置，其特征在于：所述阴极材料(7)的形状为片状。

6.根据权利要求5所述的用于水处理的电极生物膜反应装置，其特征在于：所述阴极材料(7)为石墨片、碳纤维片或惰性金属片，且表面粘附活性炭纤维毡。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的用于水处理的电极生物膜反应装置，其特征在于：所述阳极室(3)和阴极室(6)采用法兰连接并通过紧固件固定。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及水处理设备技术领域，尤其涉及一种用于水处理的电极生物膜反应装置。

背景技术

高氯酸盐是一种新型含氧酸根氧化态污染物，易溶于水且性质稳定，在环境中的半衰期可达数十年。目前已在美国、加拿大、韩国、印度、智利和我国的河水、地下水和土壤中都检测出毫克水平的高氯酸盐。自然过程和人类活动均有高氯酸盐的产生，例如烟火制造和燃放、油漆、润滑油、皮革和电镀等生产活动。我国是烟火制造大国，很多烟花爆竹厂家采用高氯酸钾配置烟火，从而增加了高氯酸盐的生产和使用量。在具有“花炮之乡”之称的湖南省某市，部分常年燃放烟花的场地地下水、河流中已检出高氯酸盐平均浓度高达170μg\/L，同时在瓶装水及食品(大米、牛奶、酸奶等)、茶叶中均有高氯酸盐检出，高氯酸盐污染问题在我国已经比较普遍。

由于高氯酸盐的非挥发性、高溶解性和强氧化性特点，使它成为微生物新陈代谢的理想电子受体，且微生物新陈代谢具有降解高氯酸速率快、降解彻底、负面影响小等特点，因此，利用微生物还原降解高氯酸盐被认为是修复高氯酸盐污染水体或场地最具前景的技术。利用异养微生物还原修复高氯酸盐需投加有机电子供体，一般利用乙醇和醋酸。此外，简单的挥发性脂肪酸、乳酸、甲醇、木糖、果糖、酵母膏以及淀粉土豆等也被认为是能被高氯酸盐降解菌利用的电子供体。异养微生物还原降解高氯酸盐速度快、效果好，但处理过程中有机物的加入会增加处理费用，且使微生物大量增殖并产生大量的有机代谢副产物，容易对水体造成二次污染，使其应用受到限制。因此更多的研究者把目光转向氢电子供体生物还原高氯酸盐的研究。利用外源供氢生物降解高氯酸盐的研究取得了较好的效果，但外源供氢过程中氢气在水体中的溶解度很小(0.00016g\/100gH_{2<\/sub>O左右，标准大气压)，对持续降解高氯酸盐产生了一定影响，且氢气易燃易爆炸，在一定程度上给实际应用带来了困难。作为改进，利用生物电化学反应器的阴极电解水原位产氢，为自养微生物提供电子供体还原高氯酸盐的技术成为解决该问题的关键。}

目前，电极生物膜反应装置主要是单筒式或板式电极反应器，没有将阳极室与阴极室分隔开，当采用金属阳极时，产生的氧气容易在阴极表面生物膜附近形成好氧环境，导致溶解氧浓度过高不利于高氯酸盐降解微生物的生长代谢；另外，高氯酸盐降解菌群的最适合生长温度为25～38℃，为保证微生物正常生长并进行相应的反应，经常需要外源加热维持反应器温度，针对上述缺陷，需要对电极生物膜反应装置做进一步的研究和改进，以提高微生物降解高氯酸盐的效率。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、经济性好、效率高的用于水处理的电极生物膜反应装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于水处理的电极生物膜反应装置，包括外加电源、阳极室、阴极室、设于阳极室的阳极材料、以及设于阴极室的阴极材料，所述外加电源的正极与所述阳极材料相连，外加电源的负极与所述阴极材料相连，所述阳极室与所述阴极室连通且两者之间设有隔膜。

作为上述技术方案的进一步改进：所述阳极室和阴极室均包括内外双层结构的筒体，所述内层筒体和外层筒体之间形成加热水流道，所述外层筒体上设有至少两个与所述加热水流道连通的循环水接口，所述阳极材料和阴极材料设于对应的所述内层筒体内。

作为上述技术方案的进一步改进：所述筒体上方设有盖板，所述盖板与所述筒体通过紧固件相连且两者之间设有环形密封垫。

作为上述技术方案的进一步改进：所述外层筒体上设有至少一个与内层筒体连通的取样口，所述盖板上设有与内层筒体连通的温度和pH探头接入口。

作为上述技术方案的进一步改进：所述阴极材料的形状为片状。

作为上述技术方案的进一步改进：所述阴极材料为石墨片、碳纤维片或惰性金属片，且表面粘附活性炭纤维毡。

作为上述技术方案的进一步改进：所述阳极室和阴极室采用法兰连接并通过紧固件固定。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型公开的电极生物膜反应装置，将电解产氢和自养微生物还原处理相结合，阴极材料电解水产氢，可向附着在阴极材料的微生物提供电子供体，有效降解废水中的高氯酸盐；相比常见的单筒式或板式电极反应器，采用阳极室和阴极室的双室结构，阳极室和阴极室之间设置离子交换膜，可避免阳极材料产生的氧气在阴极材料表面生物膜附近形成好氧环境，导致溶解氧浓度过高不利于高氯酸盐降解微生物的生长代谢。

附图说明

图1是本实用新型用于水处理的电极生物膜反应装置的主视结构示意图。

图2是本实用新型中的盖板的俯视结构示意图。

图中各标号表示：1、外加电源；2、阳极材料；3、阳极室；4、循环水接口；5-法兰连接；6、阴极室；7、阴极材料；8、取样口；9、盖板；10、紧固件；11、环形密封垫；12、pH探头接入口；13、电极接口。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

图1至图2示出了本实用新型用于水处理的电极生物膜反应装置的一种实施例，本实施例用是一种用于水处理的电极生物膜反应装置，包括外加电源1、阳极室3、阴极室6、设于阳极室3的阳极材料2、以及设于阴极室6的阴极材料7，外加电源1的正极与阳极材料2相连，外加电源1的负极与阴极材料7相连，阳极室3与阴极室6连通且两者之间设有隔膜(图中未示出，例如可以是市购的新型复合离子交换膜材料)。

该电极生物膜反应装置，将电解产氢和自养微生物还原处理相结合，阴极材料7电解水产氢，可向附着在阴极材料7的微生物提供电子供体，有效降解废水中的高氯酸盐；相比常见的单筒式或板式电极反应器，采用阳极室3和阴极室6的双室结构，阳极室3和阴极室6之间设置隔膜(图中未示出)，可避免阳极材料2产生的氧气在阴极材料2表面生物膜附近形成好氧环境，导致溶解氧浓度过高不利于高氯酸盐降解微生物的生长代谢。

进一步地，本实施例中，阳极室3和阴极室6均包括内外双层结构的筒体，内层筒体和外层筒体之间形成加热水流道，外层筒体上设有至少两个与加热水流道连通的循环水接口4(优选下侧循环水接口4进水，上侧循环水接口4出水，加热水从下侧流入经过充分的换热、降温以后从上侧流出，再次被加热，然后再次从下侧的循环水接口4流入加热水流道)，阳极材料2、阴极材料7设于对应的内层筒体内。采用内外双层结构并将中间夹层作为加热水流道，可通过循环水接口4通入合适温度的热水，可保持阴极室6内筒微生物生长最适宜温度，无需水浴加热，简化了操作流程，使用更方便。

更进步一步地，本实施例中，筒体上方设有盖板9，盖板9与筒体通过紧固件10相连且两者之间设有环形密封垫11。该结构可使得反应室具有良好的气密性，提供的厌氧环境有利于自氧微生物生长代谢。

更进步一步地，外层筒体上设有至少一个与内层筒体连通的取样口8，本实施例中为两个并分设于上下两端，当然在其他实施例中数量及布置的位置也可适当进行调整，盖板9上设有与内层筒体连通的温度和pH探头接入口12，方便对内筒的温度和pH值进行测量。

作为优选的技术方案，本实施例中，阴极材料7的形状为片状，有利于增加阴极材料7的附着面积。阴极材料7的具体材质优选采用石墨片、碳纤维片或惰性金属片，且表面粘附活性炭纤维毡。阳极材料2形状可采用常见的棒状，材质优选采用钛。

进一步地，本实施例中，阳极室3和阴极室6(具体为两者的内筒)采用法兰连接并通过紧固件固定，隔膜可夹设于两个法兰接头之间，该种连接方式结构可靠，且便于拆装维护。

本实用新型用于水处理的电极生物膜反应装置的具体应用方法如下：

取0.2L某河道底泥作为接种污泥，与培养液混合在阴极室6内筒接种。定期向阴极室6通入含一定浓度的高氯酸盐废水进行挂膜培养，并适当补充营养物质以保证微生物正常生长，循环热水维持反应器温度为35℃，电流强度维持在10mA。通过恒流泵经进水管向阴极室6定期进水，进行微生物的微电流驯化挂膜，待反应器出水pH稳定在6.5～8.0之间，高氯酸盐的去除率达到70％以上时，即可判断驯化基本完成。

在上述挂膜流程结束后，阳极室3加入浓度范围为0.1mol\/L的硫酸溶液，阳极材料2采用10cm，直径为0.6cm的钛棒，隔膜采用新型复合阳离子交换膜，直径为6cm。阴极室6内筒通入自来水配制的模拟高氯酸盐废水，阴极材料7采用长9cm、宽9cm、厚0.5cm的碳纤维片，电流强度设定为10mA，水力停留时间为24h。当进水高氯酸盐浓度为15mg\/L时，出水中高氯酸盐浓度在3mg\/L左右，高氯酸的去除率达到80％以上，出水中悬浮物(SS)浓度小于1mgSS\/L。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

设计图

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