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    重庆时时彩什么龙虎: 电化学耦合上流式厌氧生物反应装置及使用方法.pdf

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    电化学 耦合 上流 式厌氧 生物 反应 装置 使用方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410009122.7

    申请日:

    2014.01.09

    公开号:

    CN103771583A

    公开日:

    2014.05.07

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C02F 3/28申请日:20140109|||公开
    IPC分类号: C02F3/28; C02F1/46(2006.01)N 主分类号: C02F3/28
    申请人: 浙江大学
    发明人: 朱亮; 高凯拓; 徐向阳; 戚娇琴
    地址: 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路38号
    优先权:
    专利代理机构: 杭州求是专利事务所有限公司 33200 代理人: 林松海
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410009122.7

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2015.06.17|||2014.06.11|||2014.05.07

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及一种电化学耦合上流式厌氧生物反应装置及使用方法。该装置包括上流式厌氧生物反应器筒体、生物电极系统、恒温水浴系统,生物电极系统为所述的上流式厌氧生物反应器筒体内微生物体系提供电子供体,恒温水浴系统为所述的上流式厌氧生物反应器筒体提供恒温水??;上流式厌氧生物反应器的污泥区设置一对可调电极面积和电极间距的生物电极,生物电极通过金属导线与反应装置主体外部的直流电源相连接,电极电压、回路电流以及阴极电势均通过装置主体外部连接的直流电源和电表进行实时监测和调控。本发明加速厌氧污泥颗?;?,实现反应器的快速启动和对氯代硝基苯的稳定降解,并且结构可靠、易加工、能耗小、运行稳定。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种电化学耦合上流式厌氧生物反应装置,其特征在于:包括上流式厌氧生物反应器筒体(12)、生物电极系统、恒温水浴系统,生物电极系统为所述的上流式厌氧生物反应器筒体(12)内微生物体系提供电子供体,恒温水浴系统为所述的上流式厌氧生物反应器筒体(12)提供恒温水??;
    所述的生物电极系统包括一对平行放置的生物电极、直流电源(6)、导电钛线、电化学工作站,所述的生物电极包括生物阴极(4)和生物阳极(5);
    所述的上流式厌氧生物反应器筒体(12)内部从下往上依次设置布水板(2)、污泥床(3)和三相分离器(8),所述的上流式厌氧生物反应器筒体(12)底部经进水管道与进水泵(1)相连;在上流式厌氧生物反应器筒体(12)上部,气体经过三相分离器(8)后通过气体管道与湿式气体流量计(10)相连;三相分离器(8)顶部设有溢流堰(9),三相分离器(8)分离的消化液经溢流堰(9)由出水口(11)外排;布水板(2)上部和污泥床(3)之间通过可拆卸电极固定装置(20)设置一对平行放置的生物电极,生物电极通过金属导线经上流式厌氧生物反应器筒体(12)上设置的导线封闭通道(7)与外部的直流电源(6)相连。

    2.  根据权利要求1所述装置,其特征在于:所述的生物阴极(4)为不锈钢网电极,生物阳极(5)为石墨毡电极,连接的金属导线为导电钛线。

    3.  根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述的上流式厌氧生物反应器筒体(12)通过紧固螺栓固定ORP计探头(18)、pH探头(19),通过导线分别与氧化还原电位检测仪(16)、pH检测仪(15)连接,用于实时监测反应器内部ORP和pH指标。

    4.  根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述的恒温水浴系统包括套筒(17)、循环泵(14)、水浴加热装置(13),所述的套筒(17)套在上流式厌氧生物反应器筒体(12)的外部,套筒(17)和上流式厌氧生物反应器筒体(12)之间的水通过循环泵(14)和管道与水浴加热装置(13)相连,维持反应装置内的温度恒定,保障厌氧生物反应装置稳定高效运行。

    5.  根据权利要求1所述的装置,其特征在于:所述的生物电极通过可拆卸电极固定装置(20)固定,与上流式厌氧生物反应器筒体(12)的圆筒轴线平行放置,所述的可拆卸电极固定装置(20)包括膜固定件(21)、第一固定条(22)、第二固定条(23);
    所述的膜固定件(21)为一个长方体挖去中间一个长方体构成的框架,膜固定件(21)的前后两个面用于固定生物电极的宽边一端,膜固定件(21)的宽面中心各打有一个不穿透的圆孔槽,用于连接第一固定条(22)、第二固定条(23),第一固定条(22)和第二固定条(23)通过在上流式厌氧生物反应器筒体(12)上安装的有机玻璃管通道与膜固定件(21)相连,连接筒体的一端与连接膜固定件(21)一端的接口处装有垫圈。

    6.  一种根据权利要求2所述装置的使用方法,其特征在于:在使用前,所述的石墨毡电极先后用1.0M NaOH和1.0M HCl清洗,再在蒸馏水中储存备用;所述的不锈钢网电极先在含70%乙醇水溶液中超声清洗20min,用纯水清洗后,再在纯水中超声20min后备用。

    7.  一种根据权利要求5所述装置的使用方法,其特征在于:所述的生物电极的间距以及电极尺寸调节通过改变可拆卸电极固定装置(20)规格以及采用相应尺寸的生物电极与上流式厌氧生物反应器筒体(12)相匹配的尺寸实现;通过在上流式厌氧生物反应器筒体(12)上设置多个高度不同的固定装置安装孔,通过选用不同的固定装置安装孔,调节所述的生物电极面积以及高度和位置,不用的固定装置安装孔用带螺纹的有机玻璃棒密封。

    说明书

    说明书电化学耦合上流式厌氧生物反应装置及使用方法
    技术领域
    本发明涉及一种新型电化学耦合厌氧生物反应装置及方法,其属于水处理技术领域。
    背景技术
    在废水生物处理领域,厌氧生物处理技术应用范围广、运行能耗低、容积负荷高、污泥产量少、并具有产沼产能作用,是废水处理工艺中最广泛应用的工艺之一。厌氧生物处理工艺从最初的化粪池到后续开发的厌氧生物滤池、厌氧接触法、分段厌氧处理法、污泥膨胀床和厌氧流化床、厌氧生物转盘等,发展迅猛、应用广泛。其中上流式厌氧污泥床反应器(UASB),因其具有有机负荷和去除率高,抗负荷冲击和温度、pH变化能力强等特点,已成为厌氧生物处理的主流工艺装置。但在一定的冲击负荷条件以及有毒物质的影响下,厌氧反应器容易发生出水COD升高,pH下降以及反应器污泥上浮或洗出的酸化现象,并且这一现象长期以来也成为UASB这一主流工艺的推广应用的限制因素之一。
    氯代硝基苯是一类典型的含氯含硝基芳烃化合物,它具三致效应和遗传毒性,属于我国规定的一类优先污染物,广泛应用于医药、农药和染料等行业,其化学性质稳定、难生物降解,常规厌氧生物处理工艺对其不能降解或因缺乏可用电子供体导致降解速率十分缓慢。目前,国内外对该类难降解污染物的修复技术通常是通过添加可酵解有机物或者可缓慢释放氢气的物质(如ZVI等),作为电子供体来加速氯代化合物的还原降解,但上述方法电子供体由于扩散作用或者被非生物作用利用导致不必要的损失,且利用效率不高。电化学耦合厌氧微生物工艺是一种新兴的厌氧生物处理技术,近年来逐渐应用于废水中硝酸盐、高氯酸盐、金属Cr以及偶氮染料的处理,但现有污染物去除种类较为单一、电极强化功能有限。同时,电极耦合工艺电极安装方式受限,缺乏一种稳固并且电极面积、电极间距可调的安装方式。
    此外,耦合系统缺乏一套有效的运行监控方式,并且生物电极强化厌氧生物反应器对氯代硝基苯的作用机理有待进一步明确。因此,开发新型电化学耦合厌氧生物反应装置处理难降解有机废水具有较高的应用价值。
    发明内容
    本发明的目的是在于克服上述技术中存在的不足,提供一种设计合理、结构优化、加工成本低廉的电化学耦合上流式厌氧生物反应装置及使用方法。
    本发明采用的技术方案概括如下:
        一种电化学耦合上流式厌氧生物反应装置,包括上流式厌氧生物反应器筒体、生物电极系统、恒温水浴系统,生物电极系统为所述的上流式厌氧生物反应器筒体内微生物体系提供电子供体,恒温水浴系统为所述的上流式厌氧生物反应器筒体提供恒温水??;
    所述的生物电极系统包括一对平行放置的生物电极、直流电源、导电钛线、电化学工作站,所述的生物电极包括生物阴极和生物阳极;
    所述的上流式厌氧生物反应器筒体内部从下往上依次设置布水板、污泥床和三相分离器,所述的上流式厌氧生物反应器筒体底部经进水管道与进水泵相连;在上流式厌氧生物反应器筒体上部,气体经过三相分离器后通过气体管道与湿式气体流量计相连;三相分离器顶部设有溢流堰,三相分离器分离的消化液经溢流堰由出水口外排;布水板上部和污泥床之间通过可拆卸电极固定装置设置一对平行放置的生物电极,生物电极通过金属导线经上流式厌氧生物反应器筒体上设置的导线封闭通道与外部的直流电源相连。
    所述的生物阴极为不锈钢网电极,生物阳极为石墨毡电极,金属导线为导电钛线。
    所述的上流式厌氧生物反应器筒体通过紧固螺栓固定ORP计探头、pH探头,通过导线分别与氧化还原电位检测仪、pH检测仪连接,用于实时监测反应器内部ORP和pH指标。
    所述的恒温水浴系统包括套筒、循环泵、水浴加热装置,所述的套筒套在上流式厌氧生物反应器筒体的外部,套筒和上流式厌氧生物反应器筒体之间的水通过循环泵和管道与水浴加热装置相连,维持反应装置内的温度恒定,保障厌氧生物反应装置稳定高效运行。
    所述的生物电极通过可拆卸电极固定装置固定,与上流式厌氧生物反应器筒体的圆筒轴线平行放置,所述的可拆卸电极固定装置包括膜固定件、第一固定条、第二固定条;
    所述的膜固定件为一个长方体挖去中间一个长方体构成的框架,膜固定件的前后两个面用于固定生物电极的宽边一端,膜固定件的宽面中心各打有一个不穿透的圆孔槽,用于连接第一固定条、第二固定条,第一固定条和第二固定条通过在上流式厌氧生物反应器筒体上安装的有机玻璃管通道与膜固定件相连,连接筒体的一端与连接膜固定件一端的接口处装有垫圈。
    所述装置的使用方法,在使用前,所述的石墨毡电极(即生物阳极未附着微生物)先后用1.0M NaOH和1.0M HCl清洗,再在蒸馏水中储存备用;所述的不锈钢网电极(即生物阴极未附着微生物)先在含70%乙醇水溶液中超声清洗20min,用纯水清洗后,再在纯水中超声20min后备用。
    所述装置的使用方法,所述的生物电极的间距以及电极尺寸调节通过改变可拆卸电极固定装置规格以及采用相应尺寸的生物电极与上流式厌氧生物反应器筒体相匹配的尺寸实现;通过在上流式厌氧生物反应器筒体上设置多个高度不同的固定装置安装孔,通过选用不同的固定装置安装孔,调节所述的生物电极面积以及高度和位置,不用的固定装置安装孔用带螺纹的有机玻璃棒密封。
    本发明的有益效果是:这种电极耦合厌氧生物反应器在反应器污泥层设置了一对生物电极,生物电极与装置外部电源相连。该厌氧反应器结构合理,工作性能良好,生物电极促进有机物去除和氯代硝基苯等难降解有机物的还原转化降解,并加速厌氧污泥颗?;?,实现反应器的快速启动和对氯代硝基苯的稳定降解,并且结构可靠、易加工、能耗小、运行稳定。
    附图说明
    图1是电化学耦合上流式厌氧生物反应装置的结构示意图;
    图2a、2b、2c分别是厌氧反应器电极安装位置的俯视、左视和主视结构示意图;
    图3是可拆卸生物膜电极固定装置的结构示意图;
    图4是采用人工模拟含对氯硝基苯废水在电极耦合厌氧反应器以及与其平行的常规上流式厌氧反应器在运行360天后中反应器中污泥颗粒粒径质量分布对比图。其中横坐标为不同的粒径分布范围,纵坐标为该范围颗粒污泥所占中污泥质量的百分比。图中,Reactor 1表征常规上流式厌氧生物反应器污泥,Reactor 2表征电极耦合上流式厌氧生物反应器污泥;
    图5是电化学耦合上流式厌氧生物反应装置在系统长期稳定后与普通UASB在平行条件下以2100kgCOD/L/d的进水条件下出水的COD去除率的对比曲线图。图中1#表征普通UASB出水COD去除率变化曲线,2#表征电极耦合UASB出水COD去除率变化曲线;
    图6是电化学耦合上流式厌氧生物反应装置与常规UASB在平行条件下,在360天以后反应器出水的pH对比图。图中R1曲线表示UASB出水pH, R2曲线表示电极耦合UASB出水pH变化情况;
    图中:进水泵1、布水板2、污泥床3、生物阴极4、生物阳极5、直流电源6、导线封闭通道7、三相分离器8、溢流堰9、湿式气体流量计10、出水口11、上流式厌氧生物反应器筒体12、水浴加热装置13、循环泵14、pH检测仪15、氧化还原电位检测仪16、套筒17、ORP探头18、pH探头19、可拆卸电极固定装置20、膜固定件21、第一固定条22、第二固定条23。
    具体实施方式
        本发明在厌氧反应器的污泥床位置通过固定装置设置了一对生物电极,整个装置内部体系类似于单室微生物电解池(MEC)。生物电极的存在促进了厌氧反应器中的微生物代谢,提高废水COD去除能力,并加快对含氯含硝基芳烃等难降解有机物的还原转化;同时,在电场作用下,微生物胞外聚合物(EPS)分泌增多,污泥粒径变大、颗?;碳涌?,从而缩短整个厌氧生物反应器的启动时间;该装置外部与电化学在线工作站相连,通过调节反应器中生物电极的电化学参数,优化反应器电化学参数,从而加快含氯含硝基芳烃的转化降解,强化电极功能??刹鹦兜缂潭ㄗ爸媒缂潭ㄑ嵫跎锓从ζ髂诓?,从而实现生物电极快速稳固安装。改变可拆卸电极固定装置规格于安装位置,实现电极面积、电极间距以及电极安装位置的调节。厌氧生物反应内设置的ORP和pH检测器以及外部电表,检测反应装置中的ORP、pH以及电流等指标,从而实现对反应装置有效的运行监控。
    本发明电化学耦合上流式厌氧生物反应装置,主要包括一个圆柱型的上流式厌氧生物反应器,在厌氧生物反应器从下往上依次设置布水系统、污泥床和三相分离装置,在厌氧反应器下部通过进水管道与进水泵相连,厌氧生物反应器内部污泥沉淀区通过可拆卸电极固定装置固定一对生物电极,阴极为不锈钢网,阳极为石墨毡。电极通过导电钛线经厌氧反应器筒体设置的通道与电源相连。通过调节反应装置器电化学参数提升电极强化作用,外加ORP、pH、电流在线监测装置实现对反应装置的运行监控。厌氧生物反应器外部设置一个恒温水浴系统,可调节维持装置温度。
    在厌氧生物反应器内部设置一对生物电极,这不是厌氧反应器和电化学技术的简单叠加,而是可形成以下耦合作用。(1)在电极两端施加电压,有助于厌氧污泥胞外聚合物(EPS)含量的增加,有助于污泥的团聚,进而有利于污泥颗?;?,污泥粒径增加,沉降性能加强。(2)生物阴极可作为电子供体,加快氯代硝基苯的还原转化速率,同时生物阳极强化微生物代谢作用,从而提高有机废水COD去除性能。(3)外加生物电极可降低厌氧反应器内的氧化还原电位,有利于产甲烷菌的代谢生长。(4)电极厌氧反应器耦合体系由于在生物阴极处不断发生析氢反应,伴随而来的是OH-的不断产生,从而增加提高了反应器内部的碱度,提高反应装置的抗酸化能力。
     
        以下通过实施例和附图对本发明做进一步的说明。
    实施例1
    图1示出了一种新型电化学耦合厌氧反应装置的结构示意图。该装置主要包括一套圆柱形的上流式厌氧生物反应器筒体12(厌氧反应器),筒体内自下往上依次布设布水板2,污泥床3以及一个三相分离器8,在厌氧反应器的污泥床3底部通过固定装置安装一对生物电极。厌氧反应器壳体采用机玻璃制成,其内径为9cm,高为60cm,总体积为4.85L,有效体积为4.05L。生物电极对由生物阴极4和生物阳极5组成,通过可拆卸电极固定装置固定在厌氧反应器筒体上,连接生物阴极4和生物阳极5的耐腐蚀钛线通过厌氧反应器筒体上设置的导线封闭通道7连接外部的直流电源6。生物阴极4的材料为不锈钢网,生物阳极5的材料为石墨毡,两电极,宽为5cm,长为20cm有效正对面积为为100cm2。生物阴极4和生物阳极5安装区域的反应器筒体处正对安装两螺旋紧固件。其中螺旋紧固件为pH探头19,通过导线连接pH检测仪15;另一螺旋紧固件为ORP探头18,通过导线连接氧化还原电位检测仪(ORP检测仪)16。厌氧反应器在筒体外部设有一套恒温水浴装置,主要由套筒17、循环泵14以及一套水浴加热装置13构成,循环泵14及水浴加热装置13经管道与套筒17上下部相连。
    上述厌氧反应器的工作过程如下:污水通过进水泵1进入反应器底部,通过布水板2与颗粒污泥充分混合。在污水上升过程中通过安装有生物阴极4和生物阳极5的电场区域,与生物膜电极及该区域污泥充分接触后到达三相分离装置8。污泥代谢产生的沼气通过反应器上部集气管,经水封瓶和湿式气体流量计10后排出,悬浮厌氧颗粒污泥经三相分离装置8沉降返回污泥悬浮区,分离的水通过溢流堰9后经出水口11排出。与此同时,由厌氧反应器12外部的套筒17、水浴加热装置13以及循环泵14构成一循环水管路,循环泵14提供水循环动力,维持反应器的温度恒定。
    图2a、2b、2c分别示出反应器电极安装部分的俯视图、主视图和左视图。
    图3示出了可拆卸电极固定装置的示意图。固定装置主要由三部分组成:膜固定件a,固定条b和固定条c。该固定装置是由有机玻璃制造而成。膜固定件a为一个长方体挖去中间一个长方体构成的框架,宽2cm,长5cm,高1.5cm。膜固定件a的前后两个面用于固定膜电极的宽边(5cm)一端。固定装置2cm的宽度为预设的电极间距,实际可通过制作不同宽度的固定件来调节电极间距。膜固定件a的宽面中心各打有一个不穿透的圆孔槽,用于连接固定条b和固定条c。固定条b和c为两个完全相同的圆柱形有机玻璃棒,与膜固定件a连接的一端直径比a宽边上的不穿透圆孔槽略小,两者刚好咬合。固定条b、c固定于筒体上的一端直径略大于连接膜固定件的一端。,固定条b和c通过在筒体上安装的的有机玻璃管通道与a相连,连接筒体一端与连接固定件一端的接口处装有垫圈,圈起密封作用。固定条与筒体固定端绞有螺纹与筒体通道上的螺纹进行咬合固定。此外,在筒体不同高度设相同的通道孔用于固定装置安装,未使用固定孔用与通道孔径一致的带螺纹有机玻璃棒拧紧密封。通过选用不同高度的安装孔改变膜电极的电极面积(此时膜长度应相应改变)和安装位置。
    将上述电极耦合厌氧反应器以及常规UASB反应器采用城市污水处理厂污泥以及人工模拟含对氯硝基苯废水进行启动和驯化。在初始阶段通过增加有机负荷以及观察出水COD去除率的变化调整反应器运行。在运行四个月后,COD去除率达到90%以上,反应器实现稳定运行。长期运行360天后,从图4中可以看出,相对于普通上流式厌氧反应器,电极耦合厌氧反应器的污泥平均粒径较大,说明电极耦合工艺对污泥颗?;写俳Ч?。从图5中看出反应器长期运行后,出水中COD去除率在稳定在94%以上,并且电极耦合厌氧反应器优于常规上流式厌氧反应器。图6为360天以后反应器出水pH情况,电极耦合厌氧反应器所表示的曲线pH大于常规UASB反应器,可知,电极耦合工艺可增加碱度,有效提高反应器的抗酸化能力。此外,电极耦合反应器出水中对氯硝基苯都转化为对氯苯胺,说明其对含氯含硝基芳烃具有良好的降解效果。

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