[发明专利]生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置及其方法

说明书

本发明公开了一种基于阴极电势调控的生物电化学耦合上流式厌氧生物反应装置及使用方法。该装置中，上流式厌氧生物反应器污泥层中设置环形电极，生物电极系统为所述的上流式厌氧生物反应器筒体内阴极附近的微生物提供能量较高的电子用于污染物的降解。参比电极通过紧固螺栓固定于生物阴极附近，并通过导线与在线检测仪和计算机连接，用于实时监测耦合反应器生物阴极的阴极电势。可根据不同污染物降解所需的吉布斯自由能通过能斯特方程计算反应所需的电势差，并通过调节生物电化学系统的外加电压将阴极电势控制在略低于所需电势差的范围内，达到低能耗，高效率地降解氯代硝基苯等难降解有机污染物的目的。

技术领域

本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置及其方法。

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。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。对氯代硝基苯、偶氮染料等有机废水也具有一定的还原转化能力，但是存在着启动周期长、还原速率慢、还原效率低等问题。

生物电化学系统的基础是阳极生物膜上的产电能力，生长在阳极表面的产电微生物氧化底物产生电子，除用于自身生长代谢外，还可将电子传递给阳极表面，通过外电路到达阴极还原电子受体。若阴极反应的电势要高于阳极反应，则电子可以通过外电路自发地从阳极流向阴极，反之电子则不能自发流向阴极，需要外加一定的电压，克服此能量壁垒使电子流向阴极。

阴极微生物获得电子的同时所获得的能量正比于电子受体与电子供体之间的电势差，通过对阴极电势控制能够促进原本热力学上不能自发的反应发生。因此，生物电化学系统逐渐运用到硝基苯、含氯化合物、偶氮染料、硝酸盐、重金属离子等污染物的还原降解当中，成为了一个具有资源回收、污染物去除、化合物电合成等多功能的技术平台。

生物电化学耦合厌氧生物反应装置能够显著地提高难降解有机废水的处理性能，具有较高的应用价值。但是，耦合系统缺乏一套高效的运行调控方式。

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，提供一种基于阴极电势调控的生物电化学耦合上流式厌氧生物反应装置及使用方法

生物电化学系统与UASB耦合的废水处理装置，包括生物电极系统和UASB反应器筒体，所述的UASB反应器筒体底部设有进水口，进水口前端的进水管路上设有水泵； UASB反应器筒体中由下至上依次设有布水板、污泥床和三相分离器；三相分离器的顶部环绕设有溢流堰，溢流堰与UASB反应器筒体上部之间夹持形成一个底部封闭顶部敞开的出水区，并在出水区外壁上设置出水口；生物电极系统设置于布水板上方的污泥床中，包括一组环形布置的生物电极对，生物电极对的中心为生物阳极，周围环绕生物阴极，生物阳极和生物阴极分别通过导线与外部的直流电源的正极与负极相连；石墨毡阴极附近固定有参比电极，参比电极通过依次与在线检测仪和计算机相连接，用于测定生物阴极的阴极电势。

作为优选，三相分离器的气体出口通过管路连接水封瓶，然后再通入湿式气体流量计中；

作为优选，生物阳极采用石墨纤维刷阳极，所述的生物阴极采用圆筒壁状的石墨毡阴极，石墨纤维刷阳极与石墨毡阴极同轴设置。进一步的，生物阳极半径为2cm，所述的生物阴极与生物阳极之间的距离为2cm。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述装置的废水处理方法，具体为：根据待处理的目标污染物降解所需的吉布斯自由能，通过能斯特方程计算反应所需的电势差；在利用该装置对废水进行处理的过程中，通过调节生物电极系统中外部的直流电源的电压将阴极电势控制在略低于所需电势差的范围内，达到目标污染物的目的。

作为优选，目标污染物为氯代硝基苯。