CN109761338B

CN109761338B - 一种增强型电催化生物填料及其使用方法

Info

Publication number: CN109761338B
Application number: CN201910163687.3A
Authority: CN
Inventors: 王有昭; 潘元; 张阔; 常铭东
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: CN109761338A

Abstract

一种增强型电催化生物填料及其使用方法，填料由软性纤维丝和碳纤维丝经编织构成片状结构，软性纤维丝和碳纤维丝在片状结构中均匀分布，顶边铺设有一条金属导线；使用方法为：(1)将若干个填料安装在反应器中，填料与水流方向垂直；反应器底部设有曝气装置；金属导线与电源连接；(2)相邻填料分别连接正极和负极；(3)污水通入反应器，开启电源，进行微生物电催化反应；启动曝气装置；污水停留24～40h后排出。本发明的填料机方法在保证常规软性填料的较高比表面积的基础上，利用电流刺激，在填料上形成电化学催化生物膜；加速利用低电位释放电子还原污水中的硝酸盐和亚硝酸盐，提高处理效果。

Description

一种增强型电催化生物填料及其使用方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，特别涉及一种增强型电催化生物填料及其使用方法。

背景技术

人类生产生活所产生的污水中含有大量的有机污染物以及氨氮、硝酸亚类的含氮污染物；这些污染物对天然水体造成污染，导致水体溶解氧降低，富营养化，最后导致水中生物大量中毒死亡，生态系统被破坏，因此污水必须经过处理合格后才能进行排放。

目前，大量的污水处理厂所采用的技术主要基于活性污泥法以及以生物接触氧化为代表的生物膜法；以AO为代表的活性污泥法，其工艺的不足在于其对含氮类的污染物的处理效果不高，总氮类的污染物的去除率只能保证在50～70％；生物接触氧化法由于近年来各种新型生物填料的出现发展速度很快，虽然对总氮类的处理效果相对较好，但对水力停留时间的要求较高，增加了反应装置的体积和占地面积。

因此，如果能开发出一种更加高效快速的污水处理填料或方法，将有利于污水处理行业的发展。

发明内容

针对现有的生物接触氧化工艺存在的上述问题，本发明提供一种增强型电催化生物填料及其使用方法，通过组合软性纤维丝和碳纤维丝制成填料，在电催化过程中，强化污水中的有机污染物及硝酸盐类污染物的去除，提高处理效率。

本发明的增强型电催化生物填料由软性纤维丝和碳纤维丝经编织构成片状结构，软性纤维丝的体积百分比为70～90％，碳纤维丝的体积百分比为10～30％；软性纤维丝和碳纤维丝在片状结构中均匀分布；增强型电催化生物填料的顶边铺设有一条金属导线。

上述的增强型电催化生物填料的厚度15～20mm，单位面积的重量为0.3～0.4kg/m²。

上述的软性纤维丝选用尼龙材质。

上述的碳纤维丝选用导电碳纤维。

上述的增强型电催化生物填料的优选方案为：软性纤维丝的体积百分比为70％，碳纤维丝的体积百分比为30％。

本发明的增强型电催化生物填料的使用方法按以下步骤进行：

1、将若干个增强型电催化生物填料安装在反应器中，将反应器内部分隔成若干区域，各增强型电催化生物填料与水流方向垂直；反应器底部设有曝气装置；各增强型电催化生物填料的顶边的金属导线与电源连接；

2、各增强型电催化生物填料通过导线与电源的两极相连，其中任意相邻两个增强型电催化生物填料分别连接电源的正极和负极；

3、将污水从进水管通入反应器，开启电源对各增强型电催化生物填料通电，控制正极和负极之间的电压为0.3～0.5V；增强型电催化生物填料作为微生物附着的载体，碳纤维丝在电流的刺激下，在增强型电催化生物填料表面形成生物膜，使增强型电催化生物填料整体构成电极，对被处理污水进行微生物电催化反应；同时启动曝气装置对污水进行曝气处理；

4、污水在反应器内停留24～40h后，从出水管排出。

上述的步骤1中，若干个增强型电催化生物填料垂直悬挂于反应器内，各增强型电催化生物填料的底边与反应器底面接触，各增强型电催化生物填料的两个侧边均与反应器内侧壁接触。

上述的步骤1中，相邻的增强型电催化生物填料的间距为80～200mm。

上述的步骤3中，开启电源时各增强型电催化生物填料的电压为0.3～1.0V。

上述的污水的COD浓度300～500mg/L，氨氮浓度15～20mg/L，硝酸盐-氮15～20mg/L，磷酸盐-磷浓度1～3mg/L。

上述方法中，污水经处理后的COD浓度20～30mg/L，氨氮浓度0～3mg/L，硝酸盐-氮0～3mg/L。

本发明的原理是：采用碳纤维丝作为良好的导电材料，在电流的刺激下形成生物膜，使该填料作为电极进行微生物电催化反应；软性纤维丝和碳纤维丝作为微生物存活附着的载体，微生物在其表面形成微生物膜，可以进行有机污染物和氨氮污染物的氧化过程，有机物转变为二氧化碳和水，氨氮转变为亚硝酸盐和硝酸盐；由于生物膜的具有一定的厚度，生物膜内部处于厌氧环境，可以进行亚硝酸盐和硝酸盐的还原，生成氮气；与此同时，该填料的增强效果表现在其中碳纤维丝可以作为微生物电催化作用的阳极和阴极；在生物膜内部的阳极碳纤维丝可以氧化有机物，利用阳极产电细菌生产电子，将电子传递至阴极碳纤维丝；而阴极碳纤维可以利用该电子来进行硝酸盐和亚硝酸盐的还原，生成氮气，从而完全降解含氮类的污染物。

本填料的增强处理效果在于：(1)在保证常规软性填料的较高比表面积的基础上，利用电流刺激，在新型填料上形成电化学催化生物膜；(2)阳极电催化生物膜加速氧化污水中的有机物，提高COD去除效率；(3)阴极电催化生物膜可以加速利用低电位释放电子还原污水中的硝酸盐和亚硝酸盐为氮气，从而提高处理效果。

附图说明

图1为本发明的增强型电催化生物填料生物膜生成原理示意图；

图2为本发明的生物填料水处理的反应器结构示意图；

图中，1、碳纤维丝，2、软性纤维丝，3、生物膜，4、金属导线，5、进水管，6、电源，7、出水管，8、负极，9、正极，10、电源导线，11、曝气装置。

具体实施方式

本发明实施例中采用的软性纤维丝为尼龙材质。

本发明实施例中采用的碳纤维丝为导电碳纤维。

本发明实施例中采用的金属导线为铜材质。

本发明实施例中开启电源时各增强型电催化生物填料的电压为0.3～1.0V。

本发明实施例中增强型电催化生物填料的高度400mm，宽度200mm。

实施例1

增强型电催化生物填料结构如图1所示，由软性纤维丝2和碳纤维丝1经编织构成片状结构，软性纤维丝2的体积百分比为70％，碳纤维丝1的体积百分比为30％；软性纤维丝2和碳纤维丝1在片状结构中均匀分布；厚度15mm，单位面积的重量为0.4kg/m²；增强型电催化生物填料的顶边铺设有一条金属导线4；

增强型电催化生物填料的表面在电流的刺激下，具有电催化作用的生物膜3在表面生成；在具备阳极功能的增强型电催化生物填料中，生物膜3中的产电细菌氧化COD和氨氮等产生电子，电子通过碳纤维丝1，在外加电源6的作用下，通过金属导线4传递至阴极；在具备阴极功能的增强型电催化生物填料中，附着于碳纤维丝1上的生物膜3中的电活性细菌接受阳极传递来的电子，将污水中的亚硝酸盐和硝酸盐还原成氮气，从而达到去除总氮污染物的目的；

使用方法为：

应用增强型电催化生物填料组成生物填料水处理的反应器，结构如图2所示，若干个增强型电催化生物填料垂直悬挂于反应器内，各增强型电催化生物填料的底边与反应器底面接触，各增强型电催化生物填料的两个侧边均与反应器内侧壁接触；反应器设有进水管5和出水管7；反应器底部设有曝气装置11；各增强型电催化生物填料的顶边的金属导线4通过电源导线10与电源6连接；任意相邻两个增强型电催化生物填料分别连接电源6的正极9和负极8；相邻的增强型电催化生物填料的间距为120mm；

若干个增强型电催化生物填料安装在反应器中，将分隔成若干区域(由8个相邻的增强型电催化生物填料分隔为10个区域)，各增强型电催化生物填料与水流方向垂直；

先在反应器中放入活性污泥；将污水从进水管连续通入反应器，开启电源对各增强型电催化生物填料通电，控制正极和负极之间的电压为0.3V；增强型电催化生物填料作为微生物附着的载体，碳纤维丝在电流的刺激下，在增强型电催化生物填料表面形成生物膜，使增强型电催化生物填料整体构成电极，对被处理污水进行微生物电催化反应；同时启动曝气装置对污水进行曝气处理；

污水在反应器内停留24h后，连续从出水管排出。

污水的COD浓度500mg/L，氨氮浓度20mg/L，硝酸盐-氮20mg/L，磷酸盐-磷浓度1～3mg/L；

污水经处理后的COD浓度30mg/L，氨氮浓度3mg/L，硝酸盐-氮3mg/L；

采用上述装置处理相同污水，在不通电的情况下进行对比试验，测得污水处理后的COD浓度40～50mg/L，氨氮浓度4～5mg/L，硝酸盐-氮10～15mg/L；说明增强型电催化生物填料在外加电压的条件下，很好的发生了电催化作用。

实施例2

增强型电催化生物填料同实施例1，不同点在于：

软性纤维丝2的体积百分比为80％，碳纤维丝的体积百分比为20％；软性纤维丝和碳纤维丝在片状结构中均匀分布；厚度18mm，单位面积的重量为0.35kg/m²；

使用方法同实施例1，不同点在于：

(1)反应器中相邻的增强型电催化生物填料的间距为200mm；

(2)控制正极和负极之间的电压为0.4V；

(3)污水在反应器内停留36h后，连续从出水管排出。

(4)处理前污水的COD浓度400mg/L，氨氮浓度18mg/L，硝酸盐-氮16mg/L；污水经处理后的COD浓度25mg/L，氨氮浓度2mg/L，硝酸盐-氮2mg/L。

实施例3

增强型电催化生物填料同实施例1，不同点在于：

软性纤维丝的体积百分比为90％，碳纤维丝的体积百分比为10％；软性纤维丝和碳纤维丝在片状结构中均匀分布；厚度20mm，单位面积的重量为0.3kg/m²；

使用方法同实施例1，不同点在于：

(1)反应器中相邻的增强型电催化生物填料的间距为80mm；

(2)控制正极和负极之间的电压为0.5V；

(3)污水在反应器内停留40h后，连续从出水管排出。

(4)处理前污水的COD浓度300mg/L，氨氮浓度15mg/L，硝酸盐-氮15mg/L；污水经处理后的COD浓度20mg/L，氨氮浓度0mg/L，硝酸盐-氮1mg/L。

Claims

1.一种增强型电催化生物填料，其特征在于由软性纤维丝和碳纤维丝经编织构成片状结构，软性纤维丝的体积百分比为70~90%，碳纤维丝的体积百分比为10~30%；软性纤维丝和碳纤维丝在片状结构中均匀分布；增强型电催化生物填料的顶边铺设有一条金属导线；增强型电催化生物填料的厚度为15~20mm，单位面积的重量为0.3~0.4kg/m²；所述的软性纤维丝选用尼龙材质，碳纤维丝选用导电碳纤维。

2.一种权利要求1所述的增强型电催化生物填料的使用方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）将若干个增强型电催化生物填料安装在反应器中，将反应器内部分隔成若干区域，各增强型电催化生物填料与水流方向垂直；反应器底部设有曝气装置；各增强型电催化生物填料的顶边的金属导线与电源连接；若干个增强型电催化生物填料垂直悬挂于反应器内，各增强型电催化生物填料的底边与反应器底面接触，各增强型电催化生物填料的两个侧边均与反应器内侧壁接触；相邻的增强型电催化生物填料的间距为80~200 mm；

（2）各增强型电催化生物填料通过导线与电源的两极相连，其中任意相邻两个增强型电催化生物填料分别连接电源的正极和负极；

（3）将污水从进水管通入反应器，开启电源对各增强型电催化生物填料通电，控制正极和负极之间的电压为0.3~0.5V；增强型电催化生物填料作为微生物附着的载体，碳纤维丝在电流的刺激下，在增强型电催化生物填料表面形成生物膜，使增强型电催化生物填料整体构成电极，对被处理污水进行微生物电催化反应；同时启动曝气装置对污水进行曝气处理；

（4）污水在反应器内停留24~40h后，从出水管排出。

3.根据权利要求2所述的增强型电催化生物填料的使用方法，其特征在于步骤（3）中，开启电源时各增强型电催化生物填料的电压为0.3~1.0V。

4.根据权利要求2所述的增强型电催化生物填料的使用方法，其特征在于所述的污水的COD浓度300~500mg/L，氨氮浓度15~20mg/L，硝酸盐-氮15~20 mg/L。

5.根据权利要求2所述的增强型电催化生物填料的使用方法，其特征在于步骤（4）中，污水经处理后的COD浓度20~30mg/L，氨氮浓度0~3mg/L，硝酸盐-氮0~3 mg/L。