[发明专利]一种同时去除水中硝酸氮和微量有机物的生物膜电化学反应器

权利要求书

1.一种同时去除水中硝酸氮和微量有机物的生物膜电化学反应器，其特征在于主体结构包括反应器、第一阳极、活性炭填料、第一阴极、不锈钢电极棒、填料投加孔、第二阴极、第二阳极、自动放气阀、电源、电压调节器、布水器、回流阀、进水管、出水管、回流管和出水阀；反应器的外壳采用玻璃钢材质制成，反应器内分为第一功能区、第二功能区和第三功能区三个反应功能区，其中第一功能区和第三功能区为两个独立的生物膜电化学反应区，第一功能区的下部和上部分别设置均为平板式结构的第一阳极和第一阴极，第一阴极的表面垂直向上均匀安装直径为5mm的不锈钢电极棒以增大与活性炭填料的接触面积，增加阴极空间效率；第三功能区的下部和上部分别设置均为平板式结构的第二阴极和第二阳极；第一阴极、第二阴极并联后通过导线与电源的负极相连，第一阳极、第二阳极并联后通过导线与电源的正极相连，第一阳极与电源之间、第二阳极与电源之间均设置有电压调节器，分别用于调节第一功能区和第三功能区的电压；第二功能区为三维生物膜阴极，通过向第二功能区接种自养反硝化菌，利用三维生物膜阴极产氢和第一功能区阳极产生的无机碳源提供给自养反硝化菌脱氮；三个功能区内均填充活性炭填料，活性炭填料通过设置在各个功能区右侧的填料投加孔进行填充，活性碳填料与下部电极相接触，与上部电极距离为2-5cm；第一功能区内活性炭填料上接种有吸收O₂的微生物；反应器顶部的出水管上垂直安装自动排气阀，用以排除反应器内产生的剩余气体，出水管端部设有出水阀；出水管与回流管连通，回流管将部分出水回流至反应器底部，回流管与反应器底部的进水管相通，回流管上靠近进水管处安装有控制回流阀，反应器的底部设置有与进水管连接的布水器。

2.根据权利要求1所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的生物膜电化学反应器，其特征在于所述第一阳极采用石墨材质，通过电极反应产生溶解性CO₂，为投加到第二功能区的自养型反硝化菌提供无机碳源；同时在第一阳极产生的少量O₂，通过第一功能区内活性炭填料上的微生物吸收作用加以利用去除。

3.根据权利要求1所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的生物膜电化学反应器，其特征在于所述第二阳极由具有催化氧化功能的钛板或镀氧化钌钛网制成，用于催化阳极，通过电极反应产生氧化自由基对水中的微量有机物进行降解。

4.根据权利要求1所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的生物膜电化学反应器，其特征在于所述活性炭填料为粒径2-4mm的果壳活性炭，一方面通过吸附过滤作用去除水中的杂质，另一方面通过电场的极化作用形成颗粒电极，辅助电化学去除硝酸根及有机物。

5.根据权利要求1所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的生物膜电化学反应器，其特征在于所述第一功能区为预氧化及产碳区，上部的第一阴极采用不锈钢网，第一阳极上部填充活性炭填料组成三维阳极结构，在第一功能区内发生的阳极反应为：C+2H₂O＝CO₂+4H⁺+4e，H₂O＝1/2O₂+2H⁺+2e；

阴极反应为：2H₂O+2e＝H₂+2OH^-；好氧降解反应为C₆H₅OH+7O₂＝6CO₂+3H₂O。

6.根据权利要求1所述同时去除水中硝酸氮和微量有机物的生物膜电化学反应器，其特征在于所述第二功能区为氢自养反硝化区，第二功能区由上部的第二阴极和活性炭填料组成，第二阴极采用不锈钢网，第一阴极表面设置伸向第二功能区内活性炭填料层的不锈钢电极棒，以增大不锈钢和活性炭的接触面积，提高阴极与活性炭表面自养反硝化菌的接触和电子传递面积，第二功能区内发生的反应为：2NO₃^-+5H₂＝N₂+4H₂O+2OH^-；2H₂O+2e＝H₂+2OH^-。