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好 氧转筒式微 生物膜电化学反应器及其应用

阅读：1发布：2021-02-09

专利汇可以提供好氧转筒式微生物膜电化学反应器及其应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种好氧转筒式微生物膜电化学反应器及其应用，电化学反应器包括壳体，设于壳体内的阳极膜组件和阴极膜组件，与阳极和阴极相连的电源，阳极膜组件包括设于壳体内且能转动的两个转轮，以及设于两转轮之间的筒状的阳极，转轮带有沿周向分布的叶片，阳极具有供微生物附着生长的第一导电材料层；阴极膜组件包括设在壳体内的阴极，以及供微生物附着生长的第二导电材料层；壳体设出水口朝向叶片的进水管，壳体还开设有高度低于转轮顶面，高于转轮底面的出水口；出水口的高度高于阳极底面，阴极具有位置低于出水口的覆有第二导电材料层的入水段。本发明对污水处理效果好且不需要额外设置曝气结构，本发明还提供了化学反应器的应用。，下面是好氧转筒式微生物膜电化学反应器及其应用专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种好氧转筒式微生物膜电化学反应器，包括壳体(1)，设于所述壳体(1)内的阳极膜组件(2)和阴极膜组件(3)，以及分别与阳极(22)和阴极(31)相连的电源，其特征在于，所述的阳极膜组件(2)包括设于壳体(1)内且能够转动的两个转轮(21)，以及设于两个转轮(21)之间的筒状的阳极(22)，所述的转轮(21)带有沿转轮周向分布的叶片(213)，所述的阳极(22)具有供微生物附着生长的第一导电材料层；
所述的阴极膜组件(3)包括设置在壳体(1)内的阴极(31)，以及供微生物附着生长的第二导电材料层；
所述的壳体(1)设有出水口朝向叶片(213)的进水管(13)，所述的壳体(1)还开设有出水口(14)，所述出水口(14)的高度低于所述转轮(21)的顶面，高于所述转轮(21)的底面；所述出水口(14)的高度高于所述阳极(22)的底面，所述的阴极(31)具有位置低于出水口(14)的入水段(33)，所述的入水段(33)的表面覆有所述的第二导电材料层。
2.根据权利要求1所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器，其特征在于，所述出水口(14)的高度低于所述阳极(22)的顶面。
3.根据权利要求1所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器，其特征在于，所述的第一导电材料层和第二导电材料层均为活性碳纤维层。
4.根据权利要求1所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器，其特征在于，所述阴极(31)的两端分别与壳体(1)的内壁相固定，所述两个转轮(21)和阳极(22)套设在所述的阴极(31)上。
5.根据权利要求1所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器，其特征在于，所述出水口(14)与转轮(21)顶面之间的垂直距离为转轮竖直高度的1/3～2/5。
6.根据权利要求5所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器，其特征在于，所述出水口(14)与阳极(22)顶面之间的垂直距离为阳极竖截面直径的1/3～2/5。
7.根据权利要求1所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器，其特征在于，所述的阳极(22)由所述的第一导电材料层制成，所述的两个转轮(21)之间设有用于支撑筒状阳极(22)的支撑架(23)。
8.根据权利要求1所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器，其特征在于，所述壳体(1)的底部设有污泥收集腔(11)，所述污泥收集腔(11)的底部开设有污泥出口(12)。
9.根据权利要求1～5任一项所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器在处理污水中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的污水含有抗生素，污水处理过程中，调整电源电压为2～8V，水力停留时间是10～24h。

说明书全文

好氧转筒式微 生物膜电化学反应器及其应用

技术领域

[0001] 本发明涉及污水处理，尤其涉及一种好氧转筒式微生物膜电化学反应器及其应用。

背景技术

[0002] 随着社会进步和经济发展，全球范围内的能源危机和环境污染问题日益严重，新兴污染作为影响人类健康的环境问题，正日益引起广泛关注，探索新的技术和途径来减轻自然环境和生态系统的压力迫在眉睫。

[0003] 污水处理厂尾水、面源污染水等低污染水中抗生素对水生态及人类健康有潜在严重危害。传统的微生物膜电化学反应器(biofilm-electrode reactor，BER)具有有效破坏抗生素分子结构的能力。特别地，微生物膜电化学反应器仅需要电流才能运行，微生物处于特定电场中，产生电催化作用，激活或增强某些微生物的生长或酶活性。

[0004] BER的构型对水中污染物的去除影响较大，传统BER为厌氧或缺氧污水处理装置，然而抗生素等一些难降解有机物在有氧情况下降解效果较好，因此为了提高污水处理效果，需要额外曝气，增加了运营成本。

发明内容

[0005] 发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种不需要额外设置曝气结构的好氧转筒式微生物膜电化学反应器，本发明的另一个目的是提供所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器的应用。

[0006] 技术方案：本发明所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器，包括壳体，设于所述壳体内的阳极膜组件和阴极膜组件，以及分别与阳极和阴极相连的电源，[0007] 所述的阳极膜组件包括设于壳体内且能够转动的两个转轮，以及设于两个转轮之间的筒状的阳极，所述的转轮带有沿转轮周向分布的叶片，所述的阳极具有供微生物附着生长的第一导电材料层；

[0008] 所述的阴极膜组件包括设置在壳体内的阴极，以及供微生物附着生长的第二导电材料层；

[0009] 所述的壳体设有出水口朝向叶片的进水管，所述的壳体还开设有出水口，所述出水口的高度低于所述转轮的顶面，高于所述转轮的底面；所述出水口的高度高于所述阳极的底面，所述的阴极具有位置低于出水口的入水段，所述的入水段的表面覆有所述的第二导电材料层。

[0010] 本发明中，出水口用于排放处理好的水，进水管用于向壳体内通入污水，在污水处理工艺稳定时，转轮的一部分处于水面之上，另一部分处于水面之下，由于进水管的出水口朝向叶片，通入污水时，水流冲击叶片，带动转轮转动，转轮由于部分暴露于水面上(即空气中)，在转动的过程中，可将空气带入污水中并搅拌，从而增加污水中的溶氧。本领域人员显然的理解，为使转轮转动，进水管的出水口朝向的为暴露于水面上的叶片。出水口的位置在保证转轮转动的同时，还应保证电化学反应器的正常运行，显然的，出水口的位置应高于所述阳极的底面，阴极具有位置低于出水口的入水段，这样，阳极和阴极都只要有一部分处于污水中，可保证电流的流通。

[0011] 转轮转动，带动阳极转动，阳极为筒状，可减少转动时对导电材料层上微生物的冲刷。优选的，所述出水口的高度低于所述阳极的顶面。这样，污水处理时，第一导电材料层始终是有部分处于水面下，有部分处于水面上，不仅保证正常的污水处理，同时转动过程中，第一导电材料层上的微生物可转出水面，接触空气，利于好氧微生物的生长。

[0012] 为达到较好的充氧效果，优选的，所述出水口与转轮顶面之间的垂直距离为转轮竖直高度的1/3～2/5。优选的，所述出水口与阳极顶面之间的垂直距离为阳极竖截面直径的1/3～2/5。本领域人员可以理解，转轮竖直高度即转轮的底面到顶面之间的垂直距离。

[0013] 优选的，所述的第一导电材料层和第二导电材料层均为活性碳纤维层。活性碳纤维的导电性能好，具有巨大的比表面积，能够提高电流效率，同时有利于微生物的富集生长。

[0014] 作为优选，所述阴极的两端分别与壳体的内壁相固定，所述两个转轮和阳极套设在所述的阴极上。阳极膜组件能够绕阴极转动，不需要额外设置旋转支撑件，结构更加简单、紧凑。

[0015] 优选的，所述的阳极由所述的第一导电材料层制成，所述的两个转轮之间设有用于支撑筒状阳极的支撑架。支撑架具有的支撑作用，能够防止阳极在转动过程中变形，影响污水处理效果。

[0016] 为利于污泥的收集和排出，优选的，所述壳体的底部设有污泥收集腔，所述污泥收集腔的底部开设有污泥出口。

[0017] 优选的，所述的污泥收集腔由上至下内径逐渐减小。此种结构不仅能够防止存泥，还能够尽量避免转轮转动过程中对污泥的搅动。

[0018] 本发明还提供了所述的好氧转筒式微生物膜电化学反应器在处理污水中的应用。

[0019] 所述的污水含有抗生素。所述的应用包括向进水管通入污水进行污水处理，污水处理过程中，调整电源电压为2～8V，水力停留时间是10～24h。

[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明不需要专门的曝气装置，通过阳极膜组件的转动，为污水中提供足够的溶解氧，有利于好氧微生物的生长及对抗生素及其代谢产物的降解，提高反应器的运行效能，保证污水处理效果。

[0021] 本发明采用活性碳纤维，能够提高电流效率，降低了能耗，节约了成本，节省了用地，能够快速、高效地处理含抗生素类有机废水。

[0022] 本发明对含抗生素污水的处理效果好，抗生素去除率可达95％。附图说明

[0023] 图1为好氧转筒式微生物膜电化学反应器的立体结构示意图；

[0024] 图2为好氧转筒式微生物膜电化学反应器(不含进水管和电源)的俯视图；

[0025] 图3为图1所示的好氧转筒式微生物膜电化学反应器(不含进水管和电源)的沿A-A方向的剖视图；

[0026] 图4为图1所示的好氧转筒式微生物膜电化学反应器(不含进水管和电源)的沿B-B方向的剖视图。

具体实施方式

[0027] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。

[0028] 实施例1

[0029] 如图1～图4，本发明好氧转筒式微生物膜电化学反应器，包括壳体1，设于壳体1内的阳极膜组件2和阴极膜组件3，以及分别与阳极和阴极相连的电源4。

[0030] 阴极膜组件3包括阴极31和第二导电材料层(图中未显示)，阴极31为钛棒，为Ti/TiO2材料电极。阴极31的两端分别卡接在壳体1的内壁，阴极31具有朝向壳体1底部凹陷的入水段33，入水段33的表面覆有第二导电材料层。第二导电材料层一方面发挥导电的特性，另一方面供微生物附着生长。

[0031] 阳极膜组件2包括设于壳体1内的两个转轮21、阳极22和支撑架23，转轮21套设在阴极31上，且邻近阴极31的两端，转轮21能够以阴极为轴进行转动。转轮21包括套设在阴极31上转轴211，固定在转轴211两端外壁的两个环形挡板212，以及设于两个环形挡板212之间的若干叶片213，所有的叶片213沿转轴211的周向均匀分布。支撑架23固定在两个转轮21之间，支撑架23与对应转轮的环形挡板212相固定。阳极22由第一导电材料层制成，为筒状，由支撑架支撑固定。第一导电材料层一方面发挥导电的特性，另一方面供微生物附着生长。
本实施例中，第一导电材料层和第二导电材料层均由活性碳纤维制成。

[0032] 壳体1用于容纳污水及内部零件，壳体1的底部设有锥状的污泥收集腔11，污泥收集腔11的底部开设有污泥出口12。壳体1还设有进水管13，进水管13用于向壳体1内通入污水，进水管13的出水口朝向叶片。进水管13具有调控进水流量的阀门15。壳体1的侧壁还开设有出水口14，出水口与转轮顶面之间的垂直距离为转轮竖直高度的1/3，出水口与阳极顶面之间的垂直距离为阳极竖截面直径的1/3，可达到较好的充氧效果，提高污水处理效果。

[0033] 使用时，出水口用于排放处理好的水，进水管用于向壳体内通入污水，阴极的入水段浸没于污水中，通入污水时，水流冲击叶片，带动转轮转动，在转动的过程中，将空气带入污水中并搅拌，从而增加污水中的溶氧。另外，转轮转动，带动阳极转动，阳极上的微生物可转出水面，接触空气，利于好氧微生物的生长。污泥可从壳体底部的排污口排出。

[0034] 实施例2

[0035] 采用本发明实施例1的好氧转筒式微生物膜电化学反应器处理污水。

[0036] 1)好氧转筒式微生物膜电化学反应器的接种

[0037] 采用污泥污水处理厂的好氧池中的污泥，关闭本发明反应器出水口，按营养液与污泥体积比20:1的比例接种于反应器中，使整个阴极和阳极都接触好氧污泥，20h补充一次营养物质，静置5天，然后以10-15转/min手动转动转轮，转10-20min，完成初步接种。每L营养液的基本成分包括：0.54g 葡萄糖、0.622g NaH2PO4·2H2O、0.416g Na2HPO4·12H2O、0.122g NH4Cl、0.30g NaCl、0.42g NaHCO3、0.223g KCl和1.5mL微量营养液。每L微量营养液包含：17g MgSO4·7H2O、12g CaCl2、2.7g MnSO4·H2O、2.8g ZnSO4·7H2O、0.29g CoCl2·
6H2O和1.6g FeSO4。

[0038] 2)反应器的通电培养

[0039] 反应器接种完成后，改为连续进水，进水流速约为15cm/s，转轮转动，同时接通直流恒压电源进行培养，电压由0.5V缓慢提高至8.0V并保持恒定，整个培养过程持续1-2周左右。

[0040] 3)反应器去除抗生素

[0041] 外加2V-8V的稳压直流电压的条件下，反应器中电流密度达到0.15mA/cm2，将浓度为200μg/L的抗生素废水(底物葡萄糖)通过进水管通入壳体内，在水流的作用下带动转轮的转动，同时还原废水通过壳体的出水口流出，水力停留时间为20h，抗生素去除率达95％。

[0042] 对比例1

[0043] 采用本发明实施例1的好氧转筒式微生物膜电化学反应器，通过额外的管路向壳体内通入污水，使转轮不转动，其他条件同实施例2，抗生素去除率达60％-73％。

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