電滲析離子交換膜生物反應器去除水中高氯酸鹽的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電滲析離子交換膜生物反應器去除水中高氯酸鹽的方法，屬于水處理技術的應用領域。本發明提出一種將電滲析與離子交換膜生物反應器協同作用去除水中高氯酸鹽的方法。具體是對直流電滲析槽進行重新構造，使得水中高氯酸鹽在電場作用下滲析富集至離子交換膜生物反應室，在反應室內添加菌體及電子供體，高氯酸鹽通過微生物還原反應得以轉化，同時，基于膜生物反應器的優點，出水水質較高，無微生物殘余。
技術背景
[0002]隨著工業化的進行，世界上各地的飲用水都受到了高氯酸鹽的污染，美國于20世紀90年代前后一些州和聯邦的環保機構發現飲用水中有高氯酸鹽的存在。多年來，高氯酸鹽被廣泛用于火箭推進劑、煙火制造、軍火工業、汽車氣袋、高速公路安全閃光板等，也作為添加劑被用于潤滑油、織物固定劑、電鍍液、皮革鞣劑、橡膠制品、染料涂料、冶煉鋁和鎂電池等產品的生產中，隨著生產和使用中高氯酸鹽的排放和廢棄使其越來越多地進入到環境中。由于高氯酸鹽高溶解性，高迀移性，高富集性，低降解性的理化特性，使得我國的地下飲用水面臨著高氯酸鹽大片污染的問題。這使得我國用水的安全面臨著嚴峻挑戰。
[0003]高氯酸鹽的去除方法常見的有物理法、化學法、生物法三大類。物理法是將高氯酸鹽從水中分離出來，有較好的去除效果。但實際中會產生富含高氯酸鹽的濃鹵水難以處理。高氯酸鹽化學性質較穩定，普通的還原劑不能將其還原。大多數化學還原反應的反應速率較慢，大規模的應用需要使用一種高效安全的催化劑，這就使得處理成本較高。目前，生物法降解高氯酸鹽的應用較為廣泛。生物降解法是利用微生物，在電子供體(還原劑)的作用下將高氯酸鹽還原的方法。微生物將C104、C103等作為電子受體，以有機物(醇類、羧酸類、羧酸鹽類等)或無機物質(如Fe、H2、S等)為電子供體，當電子從電子供體到達電子受體上時，產生能量，微生物利用這部分能量合成新細胞，并逐步把C104降解，從而達到去除目。
【發明內容】
[0004]本發明針對一般物理化學過程難以去除的高氯酸鹽，提出一種基于物化與生化過程協同去除高氯酸鹽的方法及其相關反應器。本發明充分克服了電滲析和離子交換膜生物反應器各自的缺陷，充分發揮二者之間的優勢，通過電滲析與離子交換膜生物反應器還原去除高氯酸鹽過程相結合，形成一種無二次污染、操作簡單、易于在工程中應用的水中高氯酸鹽去除技術。
[0005]本發明的技術原理是:在電滲析的作用下，水中的高氯酸根透過陰極室的陰離子交換膜進入并富集于膜生物反應室；在膜生物反應室施加高氯酸鹽還原菌液，并添加電子供體物質，高氯酸根在膜生物反應室內由微生物生化還原去除；同時，原水由陰極室進入陽極室，直至最終出水。上述過程充分發揮了電化學與微生物的作用，有效提高了處理效率，并充分簡化了生物處理單元。
[0006]為了實現上述目的，本發明采取如下方案:
[0007]對直流電滲析槽進行重新構造，在直流電解槽內分別采用陰、陽離子交換膜將陰、陽兩極隔開，使得電解槽分為陰極室、離子交換膜生物反應器室(簡稱膜生物反應室)、陽極室三個區域；受高氯酸鹽污染的原水首先進入陰極室，在電場的作用下，水中的高氯酸根透過陰極室的陰離子交換膜進入并富集于膜生物反應室；在膜生物反應室施加高氯酸鹽還原菌液，并添加電子供體物質，高氯酸根在膜生物反應室內由微生物生化還原去除；原水由陰極室進入陽極室，直至最終出水。
[0008]本發明所述的反應器采用連續進出水模式，原水經由陰極室進入陽極室，直至最終出水，始終未與高氯酸鹽還原菌、電子供體物質相接觸，生化反應被限定在膜生物反應室內進行，從而避免二次污染。
[0009]分割直流電解槽時，陰離子交換膜分割陰極室，陽離子交換膜分割陽極室，陰陽兩極施加0?100V的電壓。
[0010]所述的反應器電解槽陽極采用包括鈦板、釕板、或鈦-釕在內的任意一種材料制成的極板；陰極采用包括不銹鋼板、鐵板、鋁板、銅板、石墨板、碳纖維片、鎳板、鈦板、或鈦-釕的任意一種材料制成的極板。
[0011]膜生物反應器室施加的電子供體包括有機碳源或無機電子供體；有機碳源包括醇類、羧酸類、羧酸鹽類在內的常見有機碳源；無機電子供體包括硫磺、二價硫離子、硫代硫酸鹽在內的無機還原性物質。
[0012]膜生物反應室所施加的高氯酸鹽還原菌濃度范圍為500mg/L-20 000mg/L ;高氯酸鹽還原菌可由活性污泥接種，由電子供體逐步馴化培養。
[0013]當膜生物反應室內氯離子濃度超過1000mg/L時，或反應器去除效果不理想時，需更換膜生物反應室溶液，需要保留菌體，加入電子供體物質用于新一輪的操作。
[0014]本發明所述的高氯酸鹽去除方法可以去除地下水、地表水和生活污水中的高氯酸土卜
ΠΤΤ.Ο
[0015]本發明突出的優點是:電滲析作用下，強化了高氯酸鹽在膜生物反應器內的富集；膜生物反應器內發生生化反應，加大膜兩側離子濃度差，對滲析有促進作用，從而節約電滲析能耗；原水進出反應裝置過程始終不與高氯酸鹽還原菌及電子供體相接觸，生物量不損失，同時避免了二次污染；生物處理單元簡單，易于操作，占地面積小。此外，本發明反應器可以多組并聯使用以擴大其處理能力。
【附圖說明】
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[0016]圖1本發明反應原理示意圖
[0017]圖2本發明反應器裝置
[0018]附圖標記:
[0019]1陽極室；2膜生物反應室；3陰極室；4陰極；5陽極；6陰離子交換膜；7陽離子交換膜；8直流電源；9高氯酸鹽還原菌；10攪拌；
【具體實施方式】
[0020]實施例1:反應器總有效體積1.5L，陰極室、陽極室及膜生物反應室有效體積均為500mL，且底部均采用攪拌方式使得溶液混合均勻。采用鈦釕網板作為陽極，不銹鋼板作陰極，保持施加電壓10V，膜生物反應室微生物濃度3000mg/L，停留時間4h，加入電子供體無水乙醇10mg/L。進水C104初始濃度20mg/L，反應器C10 4去除率> 95%。
[0021]實施例2:反應器同實施例1，保持施加電壓15V，膜生物反應室微生物濃度4000mg/L，停留時間3h，加入電子供體粉末硫磺為2g。進水C104初始濃度15mg/L，反應器C104去除率> 95%。
[0022]實施例3:反應器同實施例1，保持施加電壓15V，膜生物反應室微生物濃度4000mg/L，停留時間3h，加入50mg/L乙酸鈉，進水C104初始濃度15mg/L，反應器C10 4去除率> 95%o
[0023]實施例4:反應器同實施例1，保持施加電壓20V，膜生物反應室微生物濃度4000mg/L，停留時間3h，加入60mg/L丙酮酸鈉，進水C104初始濃度20mg/L，停留時間3h，反應器C104去除率> 95%。
【主權項】
1.電滲析離子交換膜生物反應器去除水中高氯酸鹽的方法，其特征在于:在直流電解槽內分別采用陰陽離子交換膜將陰陽兩極隔開，使得電解槽分為陰極室、離子交換膜生物反應器室(簡稱膜生物反應室)和陽極室三個區域；受高氯酸鹽污染的原水首先進入陰極室，在電場的作用下，水中的高氯酸根透過陰極室的陰離子交換膜進入并富集于膜生物反應室；在膜生物反應室施加高氯酸鹽還原菌液，并添加電子供體物質，高氯酸根在膜生物反應室內由微生物生化還原去除；原水由陰離子交換室進入陽極室，直至最終出水。2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于:分割直流電解槽時，陰離子交換膜分割陰極室，陽離子交換膜分割陽極室，陰陽兩極施加0?100V的電壓。3.按照權利要求1所述的方法，其特征在于:反應器采用連續進出水模式，原水經由陰極室進入陽極室，直至最終出水，始終未與高氯酸鹽還原菌、電子供體物質相接觸，生化反應被限定在膜生物反應室內進行，從而避免二次污染。4.按照權利要求1所述的方法，其特征在于:電解槽陽極采用包括鈦板、釕板或鈦-釕在內的任意一種材料制成的極板；陰極采用包括不銹鋼板、鐵板、鋁板、銅板、石墨板、碳纖維片、鎳板、鈦板、或鈦-釕的任意一種材料制成的極板。5.按照權利要求1所述的方法，其特征在于:膜生物反應器室施加的電子供體包括有機碳源或無機電子供體；有機碳源包括醇類、羧酸類、羧酸鹽類在內的常見有機碳源；無機電子供體包括硫磺、二價硫離子、硫代硫酸鹽在內的無機還原性物質。6.按照權利要求1所述的方法，其特征在于:膜生物反應室所施加的高氯酸鹽還原菌濃度范圍為500mg/L-20 OOOmg/L ;高氯酸鹽還原菌可由活性污泥接種，由電子供體逐步馴化培養。7.按照權利要求1所述的方法，其特征在于:當膜生物反應室內氯離子濃度超過1000mg/L時，或反應器去除效果不理想時，需更換膜生物反應室溶液，保留菌體，加入電子供體物質用于新一輪的操作。
【專利摘要】本發明涉及一種電滲析離子交換膜生物反應器去除水中高氯酸鹽的方法，屬于水處理技術的應用領域。其技術原理是對直流電滲析槽進行重新構造，使得反應裝置包括電極(陰極、陽極)、電滲析室、膜生物反應室等單元。受高氯酸鹽污染的原水首先進入陰極室，在電場的作用下，水中的高氯酸根透過陰離子交換膜富集于膜生物反應室；在膜生物反應室施加高氯酸鹽還原菌液和電子供體物質，高氯酸根在膜生物反應室內由微生物生化還原去除；而后，原水由陰極室進入陽極室，直至最終出水。本方法去除高氯酸鹽操作簡單，占地面積小，處理效率高，原水與高氯酸鹽還原菌及電子供體始終不接觸，避免了二次污染。
【IPC分類】C02F3/00, C02F101/12
【公開號】CN105253992
【申請號】CN201510762388
【發明人】萬東錦, 肖書虎, 王依依, 劉永德, 牛振華, 張健, 張良波
【申請人】河南工業大學
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月11日