內(nèi)置生物催化電解系統(tǒng)的堆疊式廢水厭氧處理裝置及采用其處理廢水的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種難降解廢水處理裝置及用其處理難降解廢水的調(diào)控方法，具體涉及一種內(nèi)置生物催化電解系統(tǒng)的堆疊式廢水厭氧處理裝置(stackable anaerobicdigest1n b1reactor with built-1nb1catalyzed electrolysis system:SADB-BES)及采用其處理廢水的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)廢水在我國(guó)廢水排放中占有相當(dāng)大的比重，根據(jù)環(huán)保部數(shù)據(jù)顯示，2013年我國(guó)的工業(yè)廢水排放量為200多億噸，如此大量的廢水排放，對(duì)環(huán)境造成沉重負(fù)擔(dān)；同時(shí)，也應(yīng)認(rèn)識(shí)到工業(yè)廢水是一種潛在的水資源，將工業(yè)廢水作為持續(xù)的水資源加以利用，是緩解水資源短缺的重要途徑，也是減輕受納水體環(huán)境污染、改善生態(tài)環(huán)境的有效方法。2013年國(guó)務(wù)院發(fā)布《循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略及近期行動(dòng)計(jì)劃》，要求“十二五”期間，工業(yè)用水回用率至少提高4.3%，與此同時(shí)，各種工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)也相繼得到修訂、更新和發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)的提高既體現(xiàn)了廢水排放控制的新要求，也預(yù)示著工業(yè)廢水深度治理面臨著更大挑戰(zhàn)。
[0003]—直以來(lái)占工業(yè)廢水排放量50%以上的難降解有機(jī)廢水，如:造紙、化工、紡織、制藥等，是水處理領(lǐng)域的難題，這類廢水二級(jí)出水中殘留大量難降解有毒有機(jī)物，如鹵代芳香烴、人造染料、抗生素等，其含量占出水總化學(xué)需氧量的80%以上，采用傳統(tǒng)厭氧工藝很難實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)廢水二級(jí)出水中難降解有毒污染物的去除，排放到自然水體中，不僅引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境健康及生態(tài)安全問(wèn)題，也成為工業(yè)廢水再生回用的重要限制因素。
[0004]因此，開(kāi)發(fā)有效的水處理工藝用于工業(yè)廢水二級(jí)出水水質(zhì)調(diào)理，有針對(duì)性的對(duì)難降解污染物高效去除，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水的深度凈化和再生回用，是環(huán)境工作者迫在眉睫的重任。
[0005]生物催化電解系統(tǒng)作為一種新興的水處理技術(shù)，吸引了越來(lái)越多人們的目光。Potter在1991年闡述了微生物可以通過(guò)物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電流的觀點(diǎn)，但將微生物與燃料電池結(jié)合并將其用于廢水處理在21世紀(jì)才逐漸展開(kāi)，在這一體系中，微生物作為催化劑，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，該技術(shù)具有以下特點(diǎn):(1)低碳源電子供體需求；生物電化學(xué)系統(tǒng)中，陽(yáng)極微生物可高效利用水中的小分子有機(jī)物作為碳源，尤其是揮發(fā)酸(VFAs)，同時(shí)，定向馴化而成的陰極微生物以電極作為直接的電子供體，可利用無(wú)機(jī)碳實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)化，基于這一特性，生物陰極可在不依賴有機(jī)碳的條件下轉(zhuǎn)化目標(biāo)物，因此，生物電化學(xué)系統(tǒng)對(duì)碳源電子供體的需求量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)厭氧工藝；(2)難降解污染物定向去除效率高；水中的難降解有機(jī)物，包括:硝基芳香烴類、偶氮類、高氯烴、芳香烴類，通常含有雙建、強(qiáng)拉電子基團(tuán)、偶氮鍵等，這些物質(zhì)的抗性基團(tuán)大多具有化學(xué)可還原性，且還原后的產(chǎn)物生物毒性大大降低。研究表明，這些物質(zhì)在生物陰極，通過(guò)較小的能量輸入和電位控制，可以發(fā)生硝酸鹽還原、硝基還原、抗生素脫氯、鹵代芳香烴脫鹵，發(fā)色基團(tuán)脫色等，進(jìn)而被有效去除。
[0006]近年來(lái)，將生物催化電解系統(tǒng)與厭氧工藝耦合，受到廣泛關(guān)注，該工藝將生物電化學(xué)體系內(nèi)置于厭氧工藝，提升了厭氧裝置的空間利用率，電極作為一種生物載體，增大了生物量，在外加可控的較小電壓條件下，對(duì)厭氧生物反應(yīng)殘留的難降解污染物實(shí)現(xiàn)高效的定向轉(zhuǎn)化，其中，電極載體由比表面積較大且構(gòu)型可靈活多變的導(dǎo)電材料制作而成，上面附著電活性生物膜，具有電化學(xué)反應(yīng)特征和微生物催化特性以及傳統(tǒng)生物填料的功能。
[0007]因此，將生物催化電解系統(tǒng)與厭氧生物工藝結(jié)合，處理難降解工業(yè)廢水，不僅可以克服工業(yè)廢水中碳源少、C/N比低的弊端，而且可以有效提升厭氧生物工藝的效能，強(qiáng)化水中難降解污染物的轉(zhuǎn)化、去除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)置生物催化電解系統(tǒng)的堆疊式廢水厭氧處理裝置及采用其處理廢水的方法，以用于難降解廢水處理。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種內(nèi)置生物催化電解系統(tǒng)的堆疊式廢水厭氧處理裝置，所述堆疊式廢水厭氧處理裝置順次包括下述區(qū)段:厭氧區(qū)、生物催化電解區(qū)和水相區(qū)，其特征在于，所述堆疊式廢水厭氧處理裝置采用堆疊式和模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)區(qū)段能夠根據(jù)需要進(jìn)行拼裝組合，能夠根據(jù)目標(biāo)廢水特征，調(diào)節(jié)厭氧區(qū)與生物催化電解區(qū)的區(qū)段數(shù)量。
[0010]其中，所述堆疊式廢水厭氧處理裝置采用升流式設(shè)計(jì)，進(jìn)水管位于所述堆疊式廢水厭氧處理裝置的底部，在所述堆疊式廢水厭氧處理裝置的頂部設(shè)置溢流堰和溢流區(qū)，流入所述水相區(qū)的經(jīng)過(guò)處理的廢水通過(guò)溢流堰流入溢流區(qū)，再導(dǎo)入出水管。
[0011]作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種采用如上所述的內(nèi)置生物催化電解系統(tǒng)的堆疊式廢水厭氧處理裝置處理廢水的方法。
[0012]基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的堆疊式廢水厭氧處理裝置具有以下特點(diǎn)及有益效果:(1)本裝置模塊式的設(shè)計(jì)，可將四個(gè)區(qū)的體積比例靈活調(diào)節(jié)，并可根據(jù)水質(zhì)變化和處理需要，增加或減少電極模塊的數(shù)量；采用堆疊的形式，可使裝置通過(guò)調(diào)節(jié)徑高比，在空間上放大；(2)采用厭氧區(qū)在下，生物催化電解區(qū)在上的排布方式，利用生物催化電解系統(tǒng)對(duì)低濃度污染物去除的優(yōu)勢(shì)，對(duì)厭氧污泥區(qū)殘留的污染物進(jìn)一步強(qiáng)化去除；(3)將生物催化電解系統(tǒng)置于厭氧裝置的水相區(qū)，有效提升了厭氧裝置的利用空間，增大了生物量；(4)將陰陽(yáng)極之間采用離子交換膜隔開(kāi)，并將陽(yáng)極模塊置于陰極模塊中間，可以大大減小陽(yáng)極模塊的體積，降低成本，并防止陽(yáng)極電極微生物受到陰極進(jìn)水中有毒物質(zhì)的毒性抑制，可以充分發(fā)揮陽(yáng)極和陰極的功能；通過(guò)上下及環(huán)繞式排布、以及離子交換膜的使用，充分保護(hù)每個(gè)區(qū)域的微生物活性，使每個(gè)區(qū)域充分發(fā)揮作用；(5)陽(yáng)極模塊區(qū)與厭氧-陰極模塊聯(lián)通區(qū)可分別處理兩種不同水質(zhì)的廢水；通過(guò)外加電壓、水力停留時(shí)間及進(jìn)水污染物濃度的調(diào)控，能使該裝置保持最佳性能。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的內(nèi)置生物催化電解系統(tǒng)的堆疊式廢水厭氧處理裝置(SADB-BES)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2A、2B分別為間歇性進(jìn)水條件下SADB-BES與AD裝置的脫色效能及AYR濃度比較曲線圖；
[0015]圖3A、3B分別為不同進(jìn)水染料濃度條件下SADB-BES和AD裝置的脫色效能及C0D去除效能比較柱狀圖；
[0016]圖4為SADB-BES中生物催化電解區(qū)在染料去除中的貢獻(xiàn)率柱狀圖。
[0017]【附圖標(biāo)記說(shuō)明】
[0018]1.進(jìn)水口，2.放空管，3.污泥斗，4-9.可拆解式套筒，10.出水管，11.溢流堰，12.集氣口，13.陽(yáng)極組件，14.陽(yáng)極進(jìn)水管，15.陽(yáng)極出水管，16.三相分離器，17.采樣口，18.內(nèi)循環(huán)口，19.導(dǎo)線口。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]為了解決現(xiàn)有厭氧工藝對(duì)難降解污染物去除效率低、降解速度慢的問(wèn)題，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)生物催化電解系統(tǒng)的放大化應(yīng)用，本發(fā)明公開(kāi)了一種內(nèi)置生物催化電解系統(tǒng)的堆疊式廢水厭氧處理裝置及采用其的廢水處理方法，涉及難降解廢水厭氧處理裝置及利用該裝置處理難降解廢水的方法。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)厭氧生物工藝處理難降解廢水過(guò)程中效率低、速度慢、電子供體需求大的問(wèn)題。
[0021]更具體地，本發(fā)明公開(kāi)了一種內(nèi)置生物催化電解系統(tǒng)的堆疊式廢水厭氧處理裝置，堆疊式廢水厭氧處理裝置順次包括下述區(qū)段:厭氧區(qū)、生物催化電解區(qū)和水相區(qū)，堆疊式廢水厭氧處理裝置采用堆疊式和模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)區(qū)段能夠根據(jù)需要進(jìn)行拼裝組合，能夠根據(jù)目標(biāo)廢水特征，調(diào)節(jié)厭氧區(qū)與生物催化電解區(qū)的區(qū)段數(shù)量。
[0022]作為優(yōu)選，堆疊式廢水厭氧處理裝置采用升流式設(shè)計(jì)，進(jìn)水管位于堆疊式廢水厭氧處理裝置的底部，在堆疊式廢水厭氧處理裝置的頂部設(shè)置溢流堰和溢流區(qū)，流入水相區(qū)的經(jīng)過(guò)處理的廢水通過(guò)溢流堰流入溢流區(qū)，再導(dǎo)入出水管。
[0023]作為優(yōu)選，厭氧區(qū)由厭氧污泥床組成，厭氧區(qū)單獨(dú)控制泥水內(nèi)循環(huán)，既能夠保證污泥的有效流動(dòng)，防止短流，又能夠防止電極模塊表面附著過(guò)厚的厭氧污泥。
[0024]作為優(yōu)選，在生物催化電解區(qū)中設(shè)置陽(yáng)極模塊和陰極模塊，陽(yáng)極模塊置于陰極模塊中間，且利用離子交換膜彼此隔開(kāi)。
[0025]作為優(yōu)選，陰極模塊與厭氧區(qū)上下連通，陽(yáng)極模塊和陰極模塊-厭氧區(qū)均獨(dú)立進(jìn)水控制，能夠同時(shí)處理兩種不同水質(zhì)的廢水。
[0026]作為優(yōu)選，陽(yáng)極模塊和陰極模塊均包括碳纖維刷，其中陰極模塊通過(guò)鈦絲串聯(lián)碳纖維刷。
[0027]作為優(yōu)選，利用堆疊式廢水厭氧處理裝置處理目標(biāo)廢水時(shí)，根據(jù)目標(biāo)污染物特征，陽(yáng)極模塊和陰極模塊外加電壓為0.5?0.9V。
[0028]本發(fā)明還公開(kāi)了一種采用如上任意一項(xiàng)所述的內(nèi)置生物催化電解系統(tǒng)的堆疊式廢水厭氧處理裝置處理廢水的方法。
[0029]作為優(yōu)選，生物催化電解區(qū)中包括陽(yáng)極模塊和陰極模塊，其中陰極模塊與厭氧區(qū)上下連通，陽(yáng)極模塊和陰極模塊-厭氧區(qū)的進(jìn)水均單獨(dú)控制，厭氧區(qū)出水、陰極模塊出水及陽(yáng)極模塊出水均匯集于水相區(qū)，再流經(jīng)溢流堰，從出水管排出。
[0030]作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選具體實(shí)施例，本發(fā)明裝置由7節(jié)直徑15cm，長(zhǎng)度不同的圓柱筒拼接堆疊而成，分為11個(gè)組件，由厭氧區(qū)、生物催化電解區(qū)和水相區(qū)組成，組件可靈活拆解，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)不同區(qū)域的比例。其中，生物催化電解區(qū)由獨(dú)立的陽(yáng)極模塊與陰極模塊構(gòu)成，陽(yáng)極模塊包括陽(yáng)極電極(碳纖維刷)、陽(yáng)極多孔套筒和離子交換膜三部分；陰極模塊由碳纖維刷，通過(guò)鈦絲串聯(lián)而成，陰極模塊環(huán)繞在陽(yáng)極模塊周圍，由離子交換膜將陰極和陽(yáng)極模塊隔開(kāi)。利用該裝置處目標(biāo)廢水時(shí)，陰陽(yáng)極兩端根據(jù)目標(biāo)污染物特征，外加較小電壓(0.5?0.9V)，使陰陽(yáng)極電位達(dá)到污染物降解所需電勢(shì)；陽(yáng)極模塊單獨(dú)進(jìn)水；陰極模塊與厭氧區(qū)連通，單獨(dú)控制進(jìn)水；兩種進(jìn)水為不同特征水質(zhì)廢水；厭氧區(qū)單獨(dú)控制泥水內(nèi)循環(huán)。該設(shè)計(jì)裝置及調(diào)控方法，可以使用該裝置同時(shí)處理兩種水質(zhì)的廢水，并且根據(jù)污染物特征及濃度，靈活調(diào)節(jié)組裝裝置中不同區(qū)域的比例，并通過(guò)上下及環(huán)繞式排布、以及離子交換膜的使用，充分保護(hù)每個(gè)區(qū)域的微生物活性，使每個(gè)區(qū)域充分發(fā)揮作用；并通過(guò)外加電壓、水力停留時(shí)間及進(jìn)水污染物濃度的調(diào)控，使該裝置工藝裝置保持最佳性能。
[0031]作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選具體實(shí)施