專利名稱：含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)廢水處理技術(shù)，特別是含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，越來越多的化工產(chǎn)品不斷為人類帶來更為方便、豐富的物質(zhì)生活。但與此同時，在這些產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過程中，其所產(chǎn)生許多有機(jī)物不但會嚴(yán)重的污染環(huán)境，而且很難被生物降解，如苯酚、氯酚、硝基苯、多種染料及其中間體等等。目前國內(nèi)對這類物質(zhì)常用混凝降解法、高溫氧化降解法、生物降解法、電解降解法等進(jìn)行處理。其中混凝降解法處理裝置對一些污染物能夠有效去除，但由混凝劑和污染物形成的沉淀會造成環(huán)境污染；高溫氧化降解法對反應(yīng)器材的材質(zhì)要求較高，在處理較低濃度廢水時不夠經(jīng)濟(jì)適用；由于此類難降解有機(jī)物的可生化性(BOD/COD值)低，所以采用傳統(tǒng)的生物降解法處理裝置處理效果很差；電解降解法裝置處理此類廢水的原理是利用電解過程所產(chǎn)生的氧化劑(O2、O3、OH、ClO-)或還原劑(H2、H+)等與廢水中的難降解有機(jī)物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，使之轉(zhuǎn)化成易降解的小分子有機(jī)物甚至CO2、H2O等無機(jī)物。
含重金屬離子的有機(jī)廢水主要來源于工業(yè)鞣革、顏料生產(chǎn)、家電制造、汽車工業(yè)，電鍍和一些固體廢渣洗滌等，其BOD與COD值嚴(yán)重偏高，一旦排放到自然環(huán)境中將極大的破壞生態(tài)平衡系統(tǒng)，對此類廢水國內(nèi)目前主要采用絮凝劑絮凝沉淀裝置、吸附劑吸附裝置等進(jìn)行處理。微生物反應(yīng)裝置處理廢水的機(jī)理是依據(jù)獲得高效功能菌對重金屬離子的吸附作用、酶的催化轉(zhuǎn)化作用、絡(luò)合作用、絮凝作用、共沉淀作用及對pH值的緩沖作用，使金屬離子被沉積，經(jīng)固—液分離，廢水被凈化。而外直流電場的存在可以促進(jìn)裝置內(nèi)廢水中的重金屬離子定向遷移，強(qiáng)化其傳遞過程并促進(jìn)與生物膜中復(fù)合微生物相互作用，更有利于生物膜吸附。
微生物對重金屬離子的反應(yīng)原理可表述為，在水溶液中，伴隨重金屬離子的電沉積過程，陰極主要有三類反應(yīng)發(fā)生金屬沉積氫逸出或金屬離子還原專利CN1295033A和CN1285316A分別采用電解降解法處理難降解有機(jī)廢水，不僅使廢水的COD值大大降低，而且大大提高了電解處理后誰的可生化性(BOD/COD增大)。然而使用中發(fā)現(xiàn)，上述裝置處理廢水時，電流效率相對較低、電極材料腐蝕比較嚴(yán)重。此外，為保證廢水能達(dá)標(biāo)排放，電解處理后的廢水還需要進(jìn)行生物處理。專利CN1435379A所述的電生物反應(yīng)裝置能夠較好的處理難降解的有機(jī)廢水，但是從其所列舉的實施例子來看，該裝置所能處理的難降解有機(jī)物濃度較低。
專利CN2114658采用氧化反應(yīng)塔處理可溶性重金屬離子，并可以減少中和劑用量，專利CN1401590用菌絲體表面包覆生物吸附劑，適用于重金屬離子含量5～2000ppm的廢水處理，其吸附容量能達(dá)到30～100mg/g，可重復(fù)使用達(dá)20次。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服上述裝置存在的不足，而提供一種將電化學(xué)反應(yīng)和微生物代謝耦合為一體的高效率，低運行成本、低能耗、運行穩(wěn)定的電生物裝置。
本發(fā)明的含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置，包括電生物反應(yīng)塔，在塔頂部設(shè)置有排氣口，底部設(shè)置有氣體分布裝置，塔體上下部各至少有一個進(jìn)液口或排液口，排液口與沉淀池相連，由塔壁和塔心構(gòu)成一對電極，塔外壁套有絕緣層。
本發(fā)明的進(jìn)液口和排液口是可以互換的，根據(jù)情況當(dāng)采用順流處理方式時從塔上部進(jìn)料；采用逆流處理方式時采用塔底進(jìn)料。
塔頂部排氣口可以根據(jù)情況改為一個帶有排氣口的噴淋裝置14，同時配置有塔頂進(jìn)液口4。
本發(fā)明的電極是塔壁7以耐腐蝕金屬或活性炭纖維為陰極，塔心9以一管狀或棒狀普通金屬電極或催化電極材料作為陽極；或以耐腐蝕金屬棒或管為陰極置于塔心9，以催化電極材料制成陽極塔壁7。
電極材料為石墨、活性碳纖維、不銹鋼、鈦基—金屬氧化物表面改性材質(zhì)、不銹鋼基—金屬氧化物表面改性材質(zhì)或陶瓷基質(zhì)金屬氧化物表面改性材質(zhì)，表面改性物質(zhì)包括二氧化鉛、二氧化錫，二氧化釕，三氧化二鉻、氧化鎘、氧化鐵、氧化銀、鎘、鎳、鉑、釘、銠、鈀或其合金。
本發(fā)明的對含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置的方法，是在塔體內(nèi)放置載有微生物的固定或流化固相載體8。載有微生物的固定或流化固相載體8為海藻酸鈣載體顆粒、活性炭載體顆粒、普通的無機(jī)填料載體、有機(jī)高分子填料載體、PVA惰性包埋劑載體或以上所述載體改性制成的具有導(dǎo)電性的多維電極填料載體及其混合物。在電生物反應(yīng)塔6內(nèi)的填充率為15％-96％。
本發(fā)明采用的電源1為低壓直流電源或交流電源或脈沖電源。
本發(fā)明所提供的重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置，其最大優(yōu)點是可以采用多維電極強(qiáng)化電場，從而促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和重金屬離子的定向移動，催化電極/高效功能微生物群的耦合反應(yīng)可以使高濃度難降解有機(jī)廢水經(jīng)處理后達(dá)到國家排放甚至回用標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明裝置可大大減少污泥的產(chǎn)量，且運行成本低、能耗低、運行穩(wěn)定、操作方式靈活的裝置，其占地面積小、處理廢水濃度范圍大，不會產(chǎn)生二次污染，廢水經(jīng)該裝置處理后可直接達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。


附圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1直流電源 2污水池 3蠕動泵 4塔頂進(jìn)液口 5排氣口 6電生物反應(yīng)塔7塔壁電極 8固定載體 9塔心電極 10絕緣層 11氣體分布器 12進(jìn)氣管曝氣頭13空氣壓縮機(jī) 14噴淋裝置 15塔頂進(jìn)(出)液口 16沉淀池 17取樣口 18閥門 19塔底進(jìn)(出)樣口具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步描述本發(fā)明附圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，在電生物反應(yīng)塔6頂部設(shè)排氣口5，并可視情況需要改裝為一個帶有排氣管的噴淋裝置14，底部安裝一氣體分布裝置9，塔體上下部各有一個進(jìn)液口15和排液口19，塔頂進(jìn)液口4僅配合噴淋工藝使用，排液口19與沉淀池16相連，塔壁以耐腐蝕金屬為陰極7，塔心9以一管狀或棒狀普通金屬電極或催化電極材料作為陽極，或以耐腐蝕金屬棒或管陰極置于塔心9，而以催化電極材料制成陽極塔壁7，塔外壁套有絕緣層，塔體內(nèi)放置載有微生物的固定或流化固相載體8。排液口15和排液口19根據(jù)情況可以互換，如果是塔底進(jìn)料，即改為進(jìn)液口19進(jìn)液，排液口15與沉淀池16相連。
根據(jù)上述的發(fā)明裝置，具體操作實例和效果如下實施例1本實施例提供的重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置，其電場由直流電源1提供，電生物反應(yīng)塔6垂直放置，以不銹鋼為塔內(nèi)壁7作為陰極，外包絕緣層10，以一根不銹鋼棒作為陽極置于塔心9，在兩級之間填充載有微生物的PVA包埋金屬小珠作為固相載體8，該載體在塔內(nèi)電場作用下構(gòu)成多維電極，載體8的填充率為90％，空氣從電生物反應(yīng)塔6底部進(jìn)氣管曝氣頭12經(jīng)氣體分布器11進(jìn)入該塔，氣體從塔頂排氣口5排出，污水池2中待處理的電鍍廢水和沉淀池16中部分回流水經(jīng)蠕動泵3，再通過塔頂噴淋裝置14中的塔頂進(jìn)液口5滴流進(jìn)入電生物反應(yīng)塔6，廢水在塔內(nèi)停留6小時，經(jīng)處理過的廢水由電生物反應(yīng)塔底部出液口19進(jìn)入沉淀池16，部分回流，部分排出；即完成電鍍廢水的處理，處理過程中可以隨時打開取樣口17處的閥門18，進(jìn)行取樣監(jiān)測。
用本實施例提供的重金屬離子、難降解廢水的電生物處理裝置處理某電鍍廠酸性廢水，該類廢水pH＝1.67，C(Cr6+)＝134.2mg/L，C(Zn2+)＝41.47mg/L，C(CN-)＝18.48mg/L。
本實施例對廢水的處理效果與單獨電化學(xué)處理裝置、單獨微生物處理裝置效果比較如下表1表1

實施例2
本實施例提供的重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置其電場由直流電源1提供，電生物反應(yīng)塔6垂直放置，以鈦基二氧化鉛表面改性材質(zhì)制成塔內(nèi)壁7作為陽極，塔外壁包絕緣層10，以一根不銹鋼棒作為陰極置于塔心9，在兩級之間填充載有微生物的PVA包埋金屬小珠作為固相載體8，該載體在塔內(nèi)電場作用下構(gòu)成多維電極，載體8的填充率為85％，空氣從電生物反應(yīng)塔6底部進(jìn)氣管曝氣頭12經(jīng)氣體分布器11進(jìn)入該塔，氣體從塔頂排氣口5排出，污水池2中待處理的電鍍廢水和沉淀池16中部分回流水經(jīng)蠕動泵3，再通過塔底進(jìn)液管19逆流進(jìn)入電生物反應(yīng)塔6，廢水在塔內(nèi)停留24小時，經(jīng)處理過的廢水由電生物反應(yīng)塔上部出液管15進(jìn)入沉降池16，部分回流，部分排出；即完成難降解廢水的處理，處理過程中可以隨時打開取樣口17處的閥門18，進(jìn)行取樣監(jiān)測。
用本實施例提供的重金屬離子、難降解廢水的電生物處理裝置處理以苯酚為模擬污染物的廢水，并與單獨催化電極法、單獨生物法處理該類廢水的比較，所處理的模擬廢水所含苯酚濃度為1250mg/L，折合COD值為3000mg/L(1g苯酚＝2.4gCOD苯酚)，廢水在反應(yīng)器中停留時間為24小時，三種方法處理效果如表2表2

實施例3本實施例提供的重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置，其電場由直流電源1提供，電生物反應(yīng)塔6垂直放置，以鈦基二氧化鉛表面改性材質(zhì)制成塔內(nèi)壁7作為陽極，塔外壁包絕緣層10，以一根不銹鋼棒作為陰極置于塔心9，在兩級之間填充包埋高效降酚菌的海藻酸鈣載體顆粒8，空氣從電生物反應(yīng)塔6底部進(jìn)氣管曝氣頭12經(jīng)氣體分布器11進(jìn)入該塔，從而構(gòu)成放大陽極催化電生物三相流化床，氣體從塔頂排氣口5排出，污水池2中待處理的電鍍廢水和沉淀池16中部分回流水經(jīng)蠕動泵3，再通過塔底進(jìn)液管19進(jìn)入電生物反應(yīng)塔6，經(jīng)處理過的廢水由電生物反應(yīng)塔上部出液管15進(jìn)入沉降池16，部分回流，部分排出；即完成難降解廢水的處理，，處理過程中可以隨時打開取樣口17處的閥門18，進(jìn)行取樣監(jiān)測。
用本實施例提供的重金屬離子、難降解廢水的電生物處理裝置處理含苯酚和Pb2+為模擬污染物的廢水，并與單獨催化電極法、單獨生物法處理該類廢水的比較，所處理的模擬廢水所含苯酚濃度為1000mg/L，折合COD值為2400mg/L，Pb2+濃度為30mg/L三種方法處理效果如表3
表3

本發(fā)明公開和提出含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置及方法，已通過較佳實施例子進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對本文所述的結(jié)構(gòu)和制備方法進(jìn)行改動或適當(dāng)變更與組合，來實現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
1.一種對含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置，包括電生物反應(yīng)塔，其特征在于，在塔頂部設(shè)置有排氣口，底部設(shè)置有氣體分布裝置，塔體上下部各至少有一個進(jìn)液口和排液口，排液口與沉淀池相連，由塔壁和塔心構(gòu)成一對電極，塔外壁套有絕緣層。
2.如權(quán)利要求1所述的一種對含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置，其特征是所述的進(jìn)液口和排液口可以互換。
3.如權(quán)利要求1所述的一種對含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置，其特征是所述的塔頂部排氣口為一個帶有排氣口的噴淋裝置，同時配置有塔頂進(jìn)液口。
4.如權(quán)利要求1所述的一種對含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置，其特征是所述的一對電極是塔壁以耐腐蝕金屬或活性碳纖維為陰極，塔心以一管狀或棒狀普通金屬電極或催化電極材料作為陽極；或以耐腐蝕金屬棒或管為陰極置于塔心，以催化電極材料制成陽極塔壁。
5.如權(quán)利要求1所述的一種對含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置，其特征是所述的裝置為塔式，電極材料為石墨、活性碳纖維、不銹鋼、鈦基—金屬氧化物表面改性材質(zhì)、不銹鋼基—金屬氧化物表面改性材質(zhì)或陶瓷基質(zhì)金屬氧化物表面改性材質(zhì)，表面改性物質(zhì)包括二氧化鉛、二氧化錫，二氧化釕，三氧化二鉻、氧化鎘、氧化鐵、氧化銀、鎘、鎳、鉑、釕、銠、鈀或其合金。
6.如權(quán)利要求1所述的一種對含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置的方法，其特征是在塔體內(nèi)放置載有微生物的固定或流化固相載體。
7.如權(quán)利要求6所述的一種對含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置的方法，其特征是所述的載有微生物的固定或流化固相載體為海藻酸鈣載體顆粒、活性炭載體顆粒、普通的無機(jī)填料載體、有機(jī)高分子填料載體、PVA惰性包埋劑載體或以上所述載體改性制成的具有導(dǎo)電性的多維電極填料載體及其混合物。
8.如權(quán)利要求6所述的一種對含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置的方法，其特征是所述的載有微生物的固定或流化固相載體在電生物反應(yīng)塔內(nèi)的填充率為15％-96％。
9.如權(quán)利要求6所述的一種對含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置的方法，其特征是所述的電極電源為低壓直流電源或交流電源或脈沖電源。
全文摘要
本發(fā)明涉及含重金屬離子、難降解有機(jī)廢水的電生物處理裝置及方法，本發(fā)明包括電生物反應(yīng)塔，在塔頂部設(shè)置有排氣口，底部設(shè)置有氣體分布裝置，塔體上下部各至少有一個進(jìn)液口或排液口，排液口與沉淀池相連，由塔壁和塔心構(gòu)成一對電極，塔外壁套有絕緣層。最大優(yōu)點是可以采用多維電極強(qiáng)化電場，從而促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和重金屬離子的定向移動，催化電極/高效功能微生物群的耦合反應(yīng)可以使高濃度難降解有機(jī)廢水經(jīng)處理后達(dá)到國家排放甚至回用標(biāo)準(zhǔn)。本發(fā)明裝置操作方式靈活，其占地面積小、處理廢水濃度范圍大，不會產(chǎn)生二次污染，廢水經(jīng)該裝置處理后可直接達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號C02F3/10GK1749177SQ20051001444
公開日2006年3月22日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者李鑫鋼, 王韜, 姜斌, 黃欣, 孔小松, 劉涉江 申請人:天津大學(xué)