申請日2017.11.03

　　公開(公告)日2018.02.23

　　IPC分類號C02F3/34; C02F3/04; C02F3/10; C02F9/14; C02F101/20

　　摘要

　　本發(fā)明提供了一種生物電化學耦合鋁自建電場水處理系統(tǒng)，屬于新能源與廢水處理技術領域。本耦合系統(tǒng)在生物電化學技術基礎之上，創(chuàng)新式引入微電解/電絮凝工藝，在處理工藝內(nèi)設滴濾和空塔接觸氧化床工藝，多工藝技術耦合既解決了高負荷污水處理出水水質不高及波動大的問題，又實現(xiàn)了電絮凝替代化學絮凝劑藥劑添加，能夠顯著降低運行費用;微電機和生物電化學系統(tǒng)產(chǎn)電穩(wěn)點且電池電動勢較高，強化導電陰極膜污染介質的排斥作用，顯著提升膜生物反應器運行周期和使用壽命;本耦合系統(tǒng)全部采用廉價原料制備，運行中無化學藥劑引入，可實現(xiàn)高負荷污水的低成本處理，處理后的出水水質高且實現(xiàn)達標排放或回用，適用范圍廣，應用潛力大。

　　摘要附圖

 

　　權利要求書

　　1.一種生物電化學耦合鋁自建電場水處理系統(tǒng)，其特征在于，

　　生物電化學系統(tǒng)的陽極室內(nèi)電極為鋁片，鋁片頂端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連;陽極室內(nèi)填充活性炭及石墨混合顆粒，填充比為80%～100%;陽極室底部設置U型進水，頂部密封，原水經(jīng)陽極室頂端多孔溢流槽下泄滴濾出水，陽極室內(nèi)水力停留時間4-6h;陽極室滴濾出水經(jīng)空塔接觸氧化床同步實現(xiàn)氣水交換和增氧過程;空塔接觸氧化床填充天然多孔濾料，填充率大于90%;空塔接觸氧化床單側設置多孔板作為空氣通道，實現(xiàn)天然多孔濾料由外至內(nèi)氧氣輸送;

　　多介質倉設置在生物電化學系統(tǒng)的陽極室和陰極室間，替代質子交換膜;多介質倉下部設置質子通道，質子通道口預留法蘭口及密封墊，法蘭口四周內(nèi)螺紋絲扣緊固無紡布，防止多介質倉向兩側的陽極室和陰極室泄漏;

　　生物電化學系統(tǒng)的陰極室一室雙用，既作為耦合系統(tǒng)的生物陰極室，又作為內(nèi)嵌工藝膜生物反應器的過濾室;陰極采用雙功能導電過濾膜，既為耦合系統(tǒng)的陰極，同時作為膜生物反應器的過濾膜組件;所述的雙功能導電過濾膜以碳纖維為基質，高分子材料為膜支撐層和過濾層，高分子材料中摻雜納米還原單質鐵，在制備過程中通過強氧化劑與單質鐵的氧化還原反應在雙功能導電過濾膜表面原位制備二氧化錳催化劑，提高系統(tǒng)陰極的氧還原速率;雙功能導電過濾膜外聯(lián)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，陽極與陰極間外聯(lián)電阻;

　　陰極室底部預留曝氣頭，補充溶氧維持溶解氧濃度在5mg/L以上;雙功能導電過濾膜外接泵負壓出水，在線壓力表監(jiān)測跨膜壓差;陰極室內(nèi)接種馴化污泥，底部預留排泥口。

　　說明書

　　一種生物電化學耦合鋁自建電場水處理系統(tǒng)

　　技術領域

　　本發(fā)明屬于新能源與廢水處理技術領域，具體研發(fā)內(nèi)容是利用單質鋁作為生物電化學系統(tǒng)犧牲陽極，犧牲鋁陽極與陽極室內(nèi)填充活性炭因電位不同天然組成原電池和微電解的微陽極和微陰極，實現(xiàn)鋁離子的自然釋放;生物電化學系統(tǒng)自建的微電場觸發(fā)陽極鋁微電解實現(xiàn)電絮凝過程，對高負荷廢水中有機質及無機質連續(xù)產(chǎn)生絮凝沉淀，達到高負荷廢水凈化處理。在本系統(tǒng)中，為強化系統(tǒng)生物降解效應，實現(xiàn)污染介質連續(xù)強化處理，在生物電化學系統(tǒng)陽極室后增設滴濾/空塔接觸氧化床單元，內(nèi)填充火山巖濾料，填料天然的多孔結構，好氧、兼性、厭氧微生物因溶解氧濃度的不同由外及內(nèi)實現(xiàn)自然分布，對連續(xù)流廢水可實現(xiàn)多元不同功能的處理，可顯著提升耦合系統(tǒng)出水水質。

　　背景技術

　　微電解法因其操作簡易，運行費用低、處理高負荷廢水效果好等優(yōu)點，是近年興起的新型污水處理方法。該方法利用鋁(或鐵)等金屬與碳顆粒在廢水中形成數(shù)量眾多的微原電池。鋁/鐵的電位低，作為微電解的微陽極;碳的電位高，作為微陰極。犧牲鋁陽極與碳顆粒間充分接觸，組成了一個大的原電池。該技術隨今年的不斷推廣應用，已逐步走向成熟。在電鍍廢水、醫(yī)藥廢水、煤化工廢水、造紙廢水等難處理工業(yè)廢水領域，表現(xiàn)出良好的應用潛力和前景。

　　電絮凝法是在外加電場的情況下，采用具有絮凝特性的犧牲陽極，犧牲陽極釋放的陽離子在廢水中通過水解、聚合等反應形成多核羥基絡合物，再通過吸附、混凝/絮凝、沉淀的作用實現(xiàn)污染物的去除。電絮凝過程中，陰極發(fā)生還原反應，不斷產(chǎn)生微小氫氣氣泡，微氣泡通過氣浮作用將廢水中膠體、懸浮物帶到水面或懸浮水中，促進了電絮凝的充分反應性，從而使污染物得以去除。電絮凝技術作為一種工業(yè)化廢水處理應用技術，在有色金屬、冶煉行業(yè)、采選礦行業(yè)、電鍍線路板等行業(yè)已實現(xiàn)了較為廣泛的應用。

　　滴濾/空塔接觸氧化床是利用天然石材火山巖的疏松多孔的表面結構，構筑的新型生物降解單元。連續(xù)流待處理廢水經(jīng)陽極出水滴濾充分溶氧后流經(jīng)空氣接觸氧化床內(nèi)部，氧化床內(nèi)因溶解氧分布的不同，好氧、兼性、厭氧等不同微生物一體式并存床內(nèi)部，多種微生物的聯(lián)合作用，對有機質及氨氮的降解具有明顯的促進作用。

　　本新型水處理系統(tǒng)同時將生物電化學系統(tǒng)與膜生物反應器進行耦合，充分發(fā)揮兩者的協(xié)同作用機制，提高產(chǎn)電微生物生物質能利用效率，實現(xiàn)系統(tǒng)能源的有效利用。系統(tǒng)陰極采用雙功能導電膜，既作為導電陰極，又作為膜生物反應器的過濾介質，實現(xiàn)兩位一體設計。

　　本發(fā)明是利用鋁片作為生物電化學系統(tǒng)的導電及生物陽極;同時鋁片與陽極室內(nèi)填充的碳顆粒形成原電池和微電解反應。生物電化學系統(tǒng)自生電場為陽極鋁的電絮凝提供電場，無需外加動力。生物電化學系統(tǒng)自建電場觸發(fā)的鋁電解及絮凝過程反應溫和，釋放鋁離子劑量均勻連續(xù)。系統(tǒng)內(nèi)電解釋放的水合鋁離子與廢水中的有機質、金屬離子等實現(xiàn)聚合反應形成絡合物，在耦合體系末端實現(xiàn)沉淀絮凝加以去除，實現(xiàn)廢水的凈化目的。本耦合系統(tǒng)全部采用廉價材料，運行費用低，對高負荷廢水及金屬廢水具有顯著處理效果，應用前景廣泛。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的是提供一種生物電化學耦合鋁自建電場水處理系統(tǒng)，解決了高負荷廢水處理難的問題，同時系統(tǒng)具有低成本、高效率處理的優(yōu)勢，對高負荷廢水具有全流程連續(xù)強化降解和凈化作用。

　　本發(fā)明的技術方案：

　　一種生物電化學耦合鋁自建電場水處理系統(tǒng)，設計步驟如下：

　　生物電化學系統(tǒng)的陽極室內(nèi)電極為鋁片，鋁片頂端與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連;陽極室內(nèi)填充活性炭及石墨混合顆粒，填充比為80%～100%;陽極室底部設置U型進水，頂部密封，原水經(jīng)陽極室頂端多孔溢流槽下泄滴濾出水，陽極室內(nèi)水力停留時間4-6h;陽極室滴濾出水經(jīng)空塔接觸氧化床同步實現(xiàn)氣水交換和增氧過程;空塔接觸氧化床填充天然多孔濾料，填充率大于90%;空塔接觸氧化床單側設置多孔板作為空氣通道，實現(xiàn)天然多孔濾料由外至內(nèi)氧氣輸送;

　　多介質倉設置在生物電化學系統(tǒng)的陽極室和陰極室間，替代質子交換膜;多介質倉下部設置質子通道，質子通道口預留法蘭口及密封墊，法蘭口四周內(nèi)螺紋絲扣緊固無紡布，防止多介質倉向兩側的陽極室和陰極室泄漏;

　　生物電化學系統(tǒng)的陰極室一室雙用，既作為耦合系統(tǒng)的生物陰極室，又作為內(nèi)嵌工藝膜生物反應器的過濾室;陰極采用雙功能導電過濾膜，既為耦合系統(tǒng)的陰極，同時作為膜生物反應器的過濾膜組件;所述的雙功能導電過濾膜以碳纖維為基質，高分子材料為膜支撐層和過濾層，高分子材料中摻雜納米還原單質鐵，在制備過程中通過強氧化劑與單質鐵的氧化還原反應在雙功能導電過濾膜表面原位制備二氧化錳催化劑，提高系統(tǒng)陰極的氧還原速率;雙功能導電過濾膜外聯(lián)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，陽極與陰極間外聯(lián)電阻;

　　陰極室底部預留曝氣頭，補充溶氧維持溶解氧濃度在5mg/L以上;雙功能導電過濾膜外接泵負壓出水，在線壓力表監(jiān)測跨膜壓差;陰極室內(nèi)接種馴化污泥，底部預留排泥口。

　　本發(fā)明的有益效果：本耦合系統(tǒng)在生物電化學技術基礎之上，創(chuàng)新式引入微電解/電絮凝工藝，在處理工藝內(nèi)設滴濾和空塔接觸氧化床工藝，多工藝技術耦合既解決了高負荷污水處理出水水質不高及波動大的問題，又實現(xiàn)了電絮凝替代化學絮凝劑藥劑添加，能夠顯著降低運行費用;微電機和生物電化學系統(tǒng)產(chǎn)電穩(wěn)點且電池電動勢較高，強化導電陰極膜污染介質的排斥作用，顯著提升膜生物反應器運行周期和使用壽命;本耦合系統(tǒng)全部采用廉價原料制備，運行中無化學藥劑引入，可實現(xiàn)高負荷污水的低成本處理，處理后的出水水質高且實現(xiàn)達標排放或回用，適用范圍廣，應用潛力大。