[发明专利]电化学与生物氢自养协同作用深度转化水中高氯酸盐的方法

说明书

技术领域

本发明涉及水中高氯酸盐的去除方法，属于水处理技术的应用领域。本发明提出了一种电化学与生物氢自养协同作用深度去除水中高氯酸盐的方法和反应器，具体是将电化学反应与微生物氢自养有机结合，高氯酸盐首先在阴极电解产氢及氢自养细菌的作用下被还原为氯离子，而后氯离子在电化学阳极氧化的作用下被氧化生成活性氯，活性氯具有杀菌、提升水质的作用，从而实现高氯酸盐→氯离子→活性氯的深度转化。

技术背景

当下，由于现代工业的发展，含高氯酸盐的物质广泛使用，其主要应用于火箭固体燃料或动能助推器以及纺织染料、烟火生产、皮革制造等领域。高氯酸盐具有高扩散性、高稳定性、高溶解性及持久性等特点，容易向地下水层沥滤，造成水体污染。近些年来，对高氯酸盐毒理研究使人们逐渐认识到其流入环境的严重后果和对人体健康的严重威胁。饮用水中高氯酸盐的危害主要是干扰人体甲状腺的正常功能，造成甲状腺功能失调，影响人体的发育，尤其是对婴儿的中枢神经系统和大脑组织的发育产生影响，引起智力缺陷。鉴于高氯酸盐的危害，2005年2月，高氯酸盐被美国环保署列入第一批环境污染物候选名单，建议饮用水标准中高氯酸根的质量浓度限值为24.5μg/L，并规定其人体健康参考剂量为每天0.7μg/L。而我国，对高氯酸盐污染相关研究的开展尚处于起步阶段，《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)还未有相关规定。但不可否认的是，对于很多以地下水为饮用水源的地区来说，水中高氯酸盐的净化给现行的水处理技术带来挑战。

目前，比较成熟的高氯酸盐去除工艺可以分为物理法、生物法和化学法。物理法主要包括吸附法、离子交换法和膜分离法。但物理法只是发生了污染物的转移或浓缩，并没有对其进行彻底的转化。生物法可以彻底将高氯酸盐转化成氯离子，目前得到了广泛的应用，其原理是通过微生物的新陈代谢作用将高氯酸盐还原为氯离子，根据微生物所需碳源的不同，可以分为异养去除高氯酸盐法和自养去除高氯酸盐法。异养去除高氯酸盐法反应速度快，反应效率高，但污泥增殖较为迅速，同时需要外加有机碳源，容易造成二次污染；自养以氢气作为理想电子供体去除高氯酸盐，在无机碳作为碳源的条件下将高氯酸盐转化，细菌增殖较慢，反应产物较简单，清洁，不存在二次污染的问题。但氢气存在着易燃易爆，不易运输，溶解度低等问题。需要指出的是，对于生物还原高氯酸盐技术来说，高氯酸盐被还原的产物为氯离子，高浓度氯离子存在于水溶液中仍会造成水体苦咸味、土壤盐碱化、管道腐蚀、植物生长困难等问题。如何实现高氯酸盐的深度转化，仍是一个亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明针对一般物理化学过程难以去除的高氯酸盐，提出一种电化学过程与生化过程协同的高氯酸盐去除方法以及相关反应器，实现高氯酸盐-氯离子-活性氯的深度转化。本发明克服了生物氢自养去除高氯酸盐法的缺陷，通过电化学与生物氢自养过程的结合，形成一种电流效率高、操作简单、易于在工程中应用的水体高氯酸盐去除技术。

本发明的技术原理是：在施加一定电流条件下，阴极表面发生析氢反应，析出的氢被氢自养高氯酸盐还原菌利用并通过氢自养生物还原作用将水中的高氯酸盐转化为氯离子。而后，氯离子在阳极区域被电化学氧化生成活性氯，活性氯具有杀菌作用，可进一步提升出水水质，即而实现高氯酸盐→氯离子→活性氯的深度转化。上述过程充分发挥了电化学与微生物的作用，有效提高电流效率，并充分简化了生物处理单元。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

本发明所述的高氯酸盐去除方法是在电化学协同生物去除高氯酸盐一体化反应器中完成的。该反应器包括电极(阴极、阳极)、电解槽、直流电源等单元。直流电源与阴极、阳极之间分别以金属导线连接，阴极、阳极分别置于电解槽两端，两极之间采用阳离子交换膜相隔而成阴极区域和阳极区域。电解槽的阴极区域同时也是微生物作用的生化反应区，受高氯酸盐污染的原水首先进入阴极区域，而后进入阳极区域直至最终出水，装置为连续进出水模式；在阴极区域接种培养浓度范围在500mg/L-20 000mg/L的高氯酸盐氢自养还原菌；在两种电极两端通以电压范围在0.5V-100V之间的直流电，在直流电的作用下，阴极产生氢气，微生物利用电解产氢将高氯酸盐还原为氯离子；而后氯离子在阳极区域被氧化生成活性氯，从而实现高氯酸盐→氯离子→活性氯的深度转化。产生的活性氯可对出水进行进一步的杀菌消毒处理。