一种处理难降解废水的内置旋转式电极的生物电化学装置

技术领域

本发明涉及微生物电化学技术领域，具体涉及了一种处理难降解废水的内置旋转式电极的生物电化学装置。

背景技术

难降解工业废水难以直接采用生物处理达标，而采用物化处理工艺费用高，因此成为污水处理业内公认的难题。生物电化学系统是新兴的污水处理及资源回收技术，已证实其对印染、化工、医药、食品加工等难降解废水具有良好的处理效果，同时能以氢气、沼气、电能或者中水的形式高效回收资源，是一种结合生物技术和电化学还原/氧化技术优势的耦合系统。近年来，生物电化学系统与传统厌氧工艺的耦合工艺为难降解废水处理提供新思路，这种耦合工艺能够实现产甲烷细菌的电化学富集，同时电化学活性细菌与传统厌氧菌的协同效应进一步提高难降解有机物的去除效率，例如中国发明专利CN102502973B，其公开了一种处理难降解废水的无隔膜升流式连续流生物电化学装置，包括阳极、顶板、壳体、石墨棒、底板、进液管、下隔板、阴极材料、上隔板、参比电极和出液管构成，所述壳体内从下至上固定连接有底板、下隔板、上隔板、阳极和顶板，进液管的出口位于底板和下隔板之间，参比电极位于上隔板和阳极之间，出液管安装在顶板上且进口位于阳极的上方，阴极材料装在上隔板和下隔板之间，石墨棒由底板同时穿过下隔板伸入壳体内，石墨棒顶端靠近上隔板，上隔板与下隔板有通孔，石墨棒与阳极通过导线与壳体外的外电路连接。然而，该耦合工艺仍存在电化学活性细菌挂膜较慢、水力流态较差等缺陷。因此采取简易，合理，经济的方法以实现生物电化学系统与厌氧工艺的高效耦合是工业化该工艺的关键内容。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种改进的处理难降解废水的内置旋转式电极的生物电化学装置，其能够解决上述现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种处理难降解废水的内置旋转式电极的生物电化学装置，其包括厌氧式反应器，分别设置在所述厌氧式反应器内的阳极、阴极，以及设置在所述阳极和所述阴极之间的参比电极，分别与所述阳极、所述阴极电连接的电源；所述厌氧式反应器包括反应器本体，以及形成在所述反应器本体上端的出水口、形成所述反应器本体下端的进水口；其中，所述阳极、所述阴极分别相对所述厌氧式反应器能够转动地设置，且所述阳极、所述阴极的转动方向相同。

根据本发明的一些优选方面，所述阳极的转动轴心线、所述阴极的转动轴心线分别沿水平方向延伸。

根据本发明的一些优选方面，所述阳极沿水平方向上的宽度和/或所述阴极沿水平方向上的宽度为所述厌氧式反应器沿水平方向上的宽度的0.900-0.999倍。

根据本发明的一些优选方面，所述阳极、所述阴极均具有工作状态，当所述阳极、所述阴极均处于工作状态时，所述阳极与所述阴极的转动速度相同。

根据本发明的一些优选且具体的方面，当所述阳极、所述阴极均处于工作状态时，所述阳极的转动速度、所述阴极的转动速度均为20-40r/min。

根据本发明的一些优选方面，所述电源为直流电源，所述直流电源的电压为0.7-0.9V。

根据本发明的一些优选方面，所述生物电化学装置还包括用于驱动所述阳极转动的第一驱动机构、用于驱动所述阴极转动的第二驱动机构，以及第一导电滑环、第二导电滑环、第一导体和第二导体；所述阳极与所述第一导体电连接且通过所述第一导体转动地设置在所述第一驱动机构上，所述阴极与所述第二导体电连接且通过所述第二导体转动地设置在所述第二驱动机构上，所述第一导电滑环分别与所述电源、所述第一导体电连接，所述第二导电滑环分别与所述电源、所述第二导体电连接。

根据本发明的一些优选且具体的方面，所述第一导体、所述第二导体分别穿过所述厌氧式反应器，所述第一驱动机构、所述第二驱动机构、所述第一导电滑环、所述第二导电滑环和所述电源均位于所述厌氧式反应器的外部。

根据本发明，所述厌氧式反应器为上流式厌氧污泥床，其高径比为5-15∶1。

根据本发明的一些优选方面，所述阳极、所述阴极分别采用碳纤维刷制成，所述阳极位于所述阴极上方，且所述阳极与所述阴极的间距为1-3cm。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明提供的生物电化学装置，能够有效地改善厌氧系统中挥发性脂肪酸的积累和启动时间长等缺点，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。进一步地，其中提供的内置旋转式电极一方面可进一步改善耦合工艺的水力流态，同时旋转所带来的旋流态缩短电化学活性细菌的挂膜时间，并促进电化学活性细菌的富集。另一方面，这种构造方式在废水进入反应器内首先由阴极将难降解有机物还原为较难降解有机物，随着水流的旋流流动，将阴极还原产物快速转移至阳极表面，进行一系列氧化反应，从而实现难降解污染物的阴阳极协同去除。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例中处理难降解废水的内置旋转式电极的生物电化学装置的结构示意图；

其中，1、进水管；2、进水泵；3、阴极；4、阳极；5、参比电极；6、出水口；7-1、第一驱动机构；7-2、第二驱动机构；8-1、第一导电滑环；8-2、第二导电滑环；9、直流电源；10、上流式厌氧污泥床。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

实施例：

如图1所示，本例提供一种处理难降解废水的内置旋转式电极的生物电化学装置，其包括厌氧式反应器，分别设置在厌氧式反应器内的阳极4、阴极3，以及设置在阳极4和阴极3之间的参比电极5(参比电极5的设置方式可以采用常规方式设置，可以选用饱和甘汞参比电极)，分别与阳极4、阴极3电连接的电源；厌氧式反应器包括反应器本体，以及形成在反应器本体上端的出水口6、形成反应器本体下端的进水口(采用进水管1与厌氧式反应器的下端连通，并且在进水管1的进水端上设置一进水泵2，以实现进水)；其中，阳极4、阴极3分别相对厌氧式反应器能够转动地设置，且阳极4、阴极3的转动方向相同，可以同时为顺时针或同时为逆时针。

本例中，阳极4的转动轴心线、阴极3的转动轴心线分别沿水平方向延伸。

本例中，阳极4沿水平方向上的宽度和/或阴极3沿水平方向上的宽度为厌氧式反应器沿水平方向上的宽度的0.900-0.999倍，尽可能地在水平方向上填充满厌氧式反应器，进而确保对流经的废水进行全面的处理，避免部分未经处理而流出。

本例中，阳极4、阴极3均具有工作状态，当阳极4、阴极3均处于工作状态时，阳极4与阴极3的转动速度相同。当然，实际上，阳极4、阴极3同样也均具有非工作状态，这种情况可以是整个装置停止运行时，阳极4、阴极3处于静止状态。

进一步地，当阳极4、阴极3均处于工作状态时，阳极4的转动速度、阴极3的转动速度均为20-40r/min，更优选为25-35r/min，本例中采用30r/min。

具体地，电源为直流电源9，直流电源9的电压为0.7-0.9V。进一步优选地，本例中采用的直流电源9的电压为0.8V，作为额外电压。

具体地，本例中，生物电化学装置还包括用于驱动阳极4转动的第一驱动机构7-1、用于驱动阴极3转动的第二驱动机构7-2，以及第一导电滑环8-1、第二导电滑环8-2、第一导体和第二导体；阳极4与第一导体电连接且通过第一导体转动地设置在第一驱动机构7-1上，阴极3与第二导体电连接且通过第二导体转动地设置在第二驱动机构7-2上，第一导电滑环8-1分别与电源、第一导体电连接，第二导电滑环8-2分别与电源、第二导体电连接。

进一步地，第一导体、第二导体分别穿过厌氧式反应器，第一驱动机构7-1、第二驱动机构7-2、第一导电滑环8-1、第二导电滑环8-2和电源均位于厌氧式反应器的外部。

本例中，阳极4、阴极3分别采用碳纤维刷制成，具体可以由多块碳纤维刷拼合而成，阳极4位于阴极3上方，且阳极4与阴极3的间距为1-3cm；优选地，阳极4与阴极3的间距为1.5-2.5cm，本例中为2cm。

本例中的第一驱动机构7-1、第二驱动机构7-2可以常用的搅拌电机；其中，第一导体、第二导体可以为钛材料制成，例如制成钛棒，然后将阳极4固定在钛棒的一端，钛棒的另一端设置在搅拌电机上并充当搅拌电机的输出轴，实现阳极4既由钛棒支撑、导电、又可以被钛棒带动着转动，当然，为了避免漏电，可以将钛棒的另一端经绝缘处理后再设置在搅拌电机上充当输出轴；同样地，阴极3也可采用上述阳极4的设置方式。

本例中的第一、第二导电滑环实质上相同，均可以商购获得，其目的主要是为了适应阳极4、阴极3的转动而持续供电并且使整个体系不发生扰乱或改变，例如避免可能出现的缠绕线的问题。

进一步地，本例中的厌氧式反应器优选高且相对窄的上流式厌氧污泥床10，其高径比为5-15∶1，本例中采用了高径比为5∶1的由透明亚克力材料制成的上流式厌氧污泥床UASB。

应用实施例：

本例针对主要水质指标为：COD＝2500±200mg/L、BOD5＝300±50mg/L的难降解废水进行测试，并采用上述处理难降解废水的内置旋转式电极的生物电化学装置进行测试。

向上流式厌氧污泥床中接种污泥浓度(MLSS)为3g/L的成熟厌氧污泥，在外加电压为0.8V，水力停留时间为12h条件下，针对上述主要水质指标为：COD＝2500±200mg/L、BOD

注：B/C是BOD

当BOD

因此，BOD

即BOD

BOD

BOD

应用对比例1：

基本同应用实施例，其区别在于：阴极3顺时针旋转，阳极4逆时针旋转。日常监测其COD，BOD

应用对比例2：

基本同应用实施例，其区别在于：第一驱动机构7-1，第二驱动机构7-2均为停止状态。日常监测其COD，BOD

实验结果表明，所述的一种处理难降解废水的内置旋转式电极生物电化学装置可有效地改善难降解废水的可生化性，其内置旋转式电极的旋转方向明显影响着其效能。如应用实施例中，碳纤维刷阴阳两极旋转方向相同，所展现出的B/C值较旋转方向相反的应用对比例1和不旋转的应用对比例2分别高出0.079和0.089。在本发明中，研究表明，首先，这种内置旋转式电极能够缩短电化学活性细菌的挂膜时间，并促进电化学活性细菌的富集。然而当电极旋转方向相反无疑于促进水力的流动，相当于缩短的水力停留时间，导致应用对比例1与应用对比例2的效能相差不大。另一方面，当电极旋转方向相同时，形成了一种循环流态，污染物与阴阳极生物膜接触充分，进一步强化了难降解污染物的矿化程度，达到改善难降解废水可生化性的目的。

综上，本发明提供的生物电化学装置，能够有效地改善厌氧系统中挥发性脂肪酸的积累和启动时间长等缺点，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。进一步地，其中提供的内置旋转式电极一方面可进一步改善耦合工艺的水力流态，同时旋转所带来的旋流态缩短电化学活性细菌的挂膜时间，并促进电化学活性细菌的富集。另一方面，这种构造方式在废水进入反应器内首先由阴极将难降解有机物还原为较难降解有机物，随着水流的旋流流动，将阴极还原产物快速转移至阳极表面，进行一系列氧化反应，从而实现难降解污染物的阴阳极协同去除。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。