好氧轉筒式微生物膜電化學反應器及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及污水處理，尤其涉及一種好氧轉筒式微生物膜電化學反應器及其應用。
【背景技術】
[0002]隨著社會進步和經濟發展，全球范圍內的能源危機和環境污染問題日益嚴重，新興污染作為影響人類健康的環境問題，正日益引起廣泛關注，探索新的技術和途徑來減輕自然環境和生態系統的壓力迫在眉睫。
[0003]污水處理廠尾水、面源污染水等低污染水中抗生素對水生態及人類健康有潛在嚴重危害。傳統的微生物膜電化學反應器(b1film-electrode reactor，BER)具有有效破壞抗生素分子結構的能力。特別地，微生物膜電化學反應器僅需要電流才能運行，微生物處于特定電場中，產生電催化作用，激活或增強某些微生物的生長或酶活性。
[0004]BER的構型對水中污染物的去除影響較大，傳統BER為厭氧或缺氧污水處理裝置，然而抗生素等一些難降解有機物在有氧情況下降解效果較好，因此為了提高污水處理效果，需要額外曝氣，增加了運營成本。
【發明內容】
[0005]發明目的:針對現有技術中存在的問題，本發明提供了一種不需要額外設置曝氣結構的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，本發明的另一個目的是提供所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器的應用。
[0006]技術方案:本發明所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，包括殼體，設于所述殼體內的陽極膜組件和陰極膜組件，以及分別與陽極和陰極相連的電源，
[0007]所述的陽極膜組件包括設于殼體內且能夠轉動的兩個轉輪，以及設于兩個轉輪之間的筒狀的陽極，所述的轉輪帶有沿轉輪周向分布的葉片，所述的陽極具有供微生物附著生長的第一導電材料層；
[0008]所述的陰極膜組件包括設置在殼體內的陰極，以及供微生物附著生長的第二導電材料層；
[0009]所述的殼體設有出水口朝向葉片的進水管，所述的殼體還開設有出水口，所述出水口的高度低于所述轉輪的頂面，高于所述轉輪的底面;所述出水口的高度高于所述陽極的底面，所述的陰極具有位置低于出水口的入水段，所述的入水段的表面覆有所述的第二導電材料層。
[0010]本發明中，出水口用于排放處理好的水，進水管用于向殼體內通入污水，在污水處理工藝穩定時，轉輪的一部分處于水面之上，另一部分處于水面之下，由于進水管的出水口朝向葉片，通入污水時，水流沖擊葉片，帶動轉輪轉動，轉輪由于部分暴露于水面上(即空氣中)，在轉動的過程中，可將空氣帶入污水中并攪拌，從而增加污水中的溶氧。本領域人員顯然的理解，為使轉輪轉動，進水管的出水口朝向的為暴露于水面上的葉片。出水口的位置在保證轉輪轉動的同時，還應保證電化學反應器的正常運行，顯然的，出水口的位置應高于所述陽極的底面，陰極具有位置低于出水口的入水段，這樣，陽極和陰極都只要有一部分處于污水中，可保證電流的流通。
[0011 ]轉輪轉動，帶動陽極轉動，陽極為筒狀，可減少轉動時對導電材料層上微生物的沖刷。優選的，所述出水口的高度低于所述陽極的頂面。這樣，污水處理時，第一導電材料層始終是有部分處于水面下，有部分處于水面上，不僅保證正常的污水處理，同時轉動過程中，第一導電材料層上的微生物可轉出水面，接觸空氣，利于好氧微生物的生長。
[0012]為達到較好的充氧效果，優選的，所述出水口與轉輪頂面之間的垂直距離為轉輪豎直高度的1/3?2/5。優選的，所述出水口與陽極頂面之間的垂直距離為陽極豎截面直徑的1/3?2/5。本領域人員可以理解，轉輪豎直高度即轉輪的底面到頂面之間的垂直距離。
[0013]優選的，所述的第一導電材料層和第二導電材料層均為活性碳纖維層。活性碳纖維的導電性能好，具有巨大的比表面積，能夠提高電流效率，同時有利于微生物的富集生長。
[0014]作為優選，所述陰極的兩端分別與殼體的內壁相固定，所述兩個轉輪和陽極套設在所述的陰極上。陽極膜組件能夠繞陰極轉動，不需要額外設置旋轉支撐件，結構更加簡單、緊湊。
[0015]優選的，所述的陽極由所述的第一導電材料層制成，所述的兩個轉輪之間設有用于支撐筒狀陽極的支撐架。支撐架具有的支撐作用，能夠防止陽極在轉動過程中變形，影響污水處理效果。
[0016]為利于污泥的收集和排出，優選的，所述殼體的底部設有污泥收集腔，所述污泥收集腔的底部開設有污泥出口。
[0017]優選的，所述的污泥收集腔由上至下內徑逐漸減小。此種結構不僅能夠防止存泥，還能夠盡量避免轉輪轉動過程中對污泥的攪動。
[0018]本發明還提供了所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器在處理污水中的應用。
[0019I 所述的污水含有抗生素。所述的應用包括向進水管通入污水進行污水處理，污水處理過程中，調整電源電壓為2?8V，水力停留時間是10?24h。
[0020]與現有技術相比，本發明的有益效果包括:本發明不需要專門的曝氣裝置，通過陽極膜組件的轉動，為污水中提供足夠的溶解氧，有利于好氧微生物的生長及對抗生素及其代謝產物的降解，提高反應器的運行效能，保證污水處理效果。
[0021]本發明采用活性碳纖維，能夠提高電流效率，降低了能耗，節約了成本，節省了用地，能夠快速、高效地處理含抗生素類有機廢水。
[0022]本發明對含抗生素污水的處理效果好，抗生素去除率可達95%。
【附圖說明】
[0023]圖1為好氧轉筒式微生物膜電化學反應器的立體結構示意圖；
[0024]圖2為好氧轉筒式微生物膜電化學反應器(不含進水管和電源)的俯視圖；
[0025]圖3為圖1所示的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器(不含進水管和電源)的沿A-A方向的剖視圖；
[0026]圖4為圖1所示的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器(不含進水管和電源)的沿B-B 方向的剖視圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合具體實施例，進一步闡明本發明。
[0028]實施例1
[0029]如圖1?圖4，本發明好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，包括殼體I，設于殼體I內的陽極膜組件2和陰極膜組件3，以及分別與陽極和陰極相連的電源4。
[0030]陰極膜組件3包括陰極31和第二導電材料層(圖中未顯示)，陰極31為鈦棒，為Ti/T12材料電極。陰極31的兩端分別卡接在殼體I的內壁，陰極31具有朝向殼體I底部凹陷的入水段33，入水段33的表面覆有第二導電材料層。第二導電材料層一方面發揮導電的特性，另一方面供微生物附著生長。
[0031]陽極膜組件2包括設于殼體I內的兩個轉輪21、陽極22和支撐架23，轉輪21套設在陰極31上，且鄰近陰極31的兩端，轉輪21能夠以陰極為軸進行轉動。轉輪21包括套設在陰極31上轉軸211，固定在轉軸211兩端外壁的兩個環形擋板212，以及設于兩個環形擋板212之間的若干葉片213，所有的葉片213沿轉軸211的周向均勻分布。支撐架23固定在兩個轉輪21之間，支撐架23與對應轉輪的環形擋板212相固定。陽極22由第一導電材料層制成，為筒狀，由支撐架支撐固定。第一導電材料層一方面發揮導電的特性，另一方面供微生物附著生長。本實施例中，第一導電材料層和第二導電材料層均由活性碳纖維制成。
[0032]殼體I用于容納污水及內部零件，殼體I的底部設有錐狀的污泥收集腔11，污泥收集腔11的底部開設有污泥出口 12。殼體I還設有進水管13，進水管13用于向殼體I內通入污水，進水管13的出水口朝向葉片。進水管13具有調控進水流量的閥門15。殼體I的側壁還開設有出水口 14，出水口與轉輪頂面之間的垂直距離為轉輪豎直高度的1/3，出水口與陽極頂面之間的垂直距離為陽極豎截面直徑的1/3，可達到較好的充氧效果，提高污水處理效果。
[0033]使用時，出水口用于排放處理好的水，進水管用于向殼體內通入污水，陰極的入水段浸沒于污水中，通入污水時，水流沖擊葉片，帶動轉輪轉動，在轉動的過程中，將空氣帶入污水中并攪拌，從而增加污水中的溶氧。另外，轉輪轉動，帶動陽極轉動，陽極上的微生物可轉出水面，接觸空氣，利于好氧微生物的生長。污泥可從殼體底部的排污口排出。
[0034]實施例2
[0035]采用本發明實施例1的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器處理污水。
[0036]I)好氧轉筒式微生物膜電化學反應器的接種
[0037]采用污泥污水處理廠的好氧池中的污泥，關閉本發明反應器出水口，按營養液與污泥體積比20:1的比例接種于反應器中，使整個陰極和陽極都接觸好氧污泥，20h補充一次營養物質，靜置5天，然后以10-15轉/min手動轉動轉輪，轉10_20min，完成初步接種。每L營養液的基本成分包括:0.54g 葡萄糖、0.622g NaH2PO4.2H20,0.416g Na2HPO4.12H20、
0.122g NH4CU0.30g NaCl、0.42g NaHC03、0.223g KCl和1.5mL微量營養液。每L微量營養液包含:17g MgSO4.7H20、12g CaCl2、2.7g MnSO4.H20、2.8g ZnSO4.7H20、0.29g CoCl2.6H20^P1.6g FeS04。
[0038]2)反應器的通電培養
[0039]反應器接種完成后，改為連續進水，進水流速約為15cm/s，轉輪轉動，同時接通直流恒壓電源進行培養，電壓由0.5V緩慢提高至8.0V并保持恒定，整個培養過程持續1-2周左右。
[0040]3)反應器去除抗生素
[0041 ]外加2V-8V的穩壓直流電壓的條件下，反應器中電流密度達到0.15mA/cm2，將濃度為200yg/L的抗生素廢水(底物葡萄糖)通過進水管通入殼體內，在水流的作用下帶動轉輪的轉動，同時還原廢水通過殼體的出水口流出，水力停留時間為20h，抗生素去除率達95%。
[0042]對比例I
[0043]采用本發明實施例1的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，通過額外的管路向殼體內通入污水，使轉輪不轉動，其他條件同實施例2，抗生素去除率達60%-73%。
【主權項】
1.一種好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，包括殼體(I)，設于所述殼體(I)內的陽極膜組件(2)和陰極膜組件(3)，以及分別與陽極(22)和陰極(31)相連的電源，其特征在于， 所述的陽極膜組件(2)包括設于殼體(I)內且能夠轉動的兩個轉輪(21)，以及設于兩個轉輪(21)之間的筒狀的陽極(22 )，所述的轉輪(21)帶有沿轉輪周向分布的葉片(213 )，所述的陽極(22)具有供微生物附著生長的第一導電材料層； 所述的陰極膜組件(3)包括設置在殼體(I)內的陰極(31)，以及供微生物附著生長的第二導電材料層； 所述的殼體(I)設有出水口朝向葉片(213)的進水管(I3)，所述的殼體(I)還開設有出水口(14)，所述出水口(14)的高度低于所述轉輪(21)的頂面，高于所述轉輪(21)的底面;所述出水口(14)的高度高于所述陽極(22)的底面，所述的陰極(31)具有位置低于出水口(14)的入水段(33)，所述的入水段(33)的表面覆有所述的第二導電材料層。2.根據權利要求1所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，其特征在于，所述出水口(14)的高度低于所述陽極(22)的頂面。3.根據權利要求1所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，其特征在于，所述的第一導電材料層和第二導電材料層均為活性碳纖維層。4.根據權利要求1所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，其特征在于，所述陰極(31)的兩端分別與殼體(I)的內壁相固定，所述兩個轉輪(21)和陽極(22)套設在所述的陰極(31)上。5.根據權利要求1所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，其特征在于，所述出水口(14)與轉輪(21)頂面之間的垂直距離為轉輪豎直高度的1/3?2/5。6.根據權利要求5所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，其特征在于，所述出水口(14)與陽極(22)頂面之間的垂直距離為陽極豎截面直徑的1/3?2/5。7.根據權利要求1所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，其特征在于，所述的陽極(22)由所述的第一導電材料層制成，所述的兩個轉輪(21)之間設有用于支撐筒狀陽極(22)的支撐架(23)。8.根據權利要求1所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器，其特征在于，所述殼體(I)的底部設有污泥收集腔(11)，所述污泥收集腔(11)的底部開設有污泥出口( 12)。9.根據權利要求1?5任一項所述的好氧轉筒式微生物膜電化學反應器在處理污水中的應用。10.根據權利要求9所述的應用，其特征在于，所述的污水含有抗生素，污水處理過程中，調整電源電壓為2?8V，水力停留時間是10?24h。
【專利摘要】本發明公開了一種好氧轉筒式微生物膜電化學反應器及其應用，電化學反應器包括殼體，設于殼體內的陽極膜組件和陰極膜組件，與陽極和陰極相連的電源，陽極膜組件包括設于殼體內且能轉動的兩個轉輪，以及設于兩轉輪之間的筒狀的陽極，轉輪帶有沿周向分布的葉片，陽極具有供微生物附著生長的第一導電材料層；陰極膜組件包括設在殼體內的陰極，以及供微生物附著生長的第二導電材料層；殼體設出水口朝向葉片的進水管，殼體還開設有高度低于轉輪頂面，高于轉輪底面的出水口；出水口的高度高于陽極底面，陰極具有位置低于出水口的覆有第二導電材料層的入水段。本發明對污水處理效果好且不需要額外設置曝氣結構，本發明還提供了化學反應器的應用。
【IPC分類】C02F3/08, C02F3/00, C02F3/12
【公開號】CN105712469
【申請號】CN201610080872
【發明人】宋海亮, 張帥, 楊小麗, 劉茜
【申請人】東南大學