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CN107814437A - 一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器及运行方法 - Google Patents

一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器及运行方法 Download PDF

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CN107814437A
CN107814437A CN201610820847.3A CN201610820847A CN107814437A CN 107814437 A CN107814437 A CN 107814437A CN 201610820847 A CN201610820847 A CN 201610820847A CN 107814437 A CN107814437 A CN 107814437A
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贾辉
杨光
房宏艳
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Tiangong University
Original Assignee
Tianjin Polytechnic University
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    • C02F3/2846—Anaerobic digestion processes using upflow anaerobic sludge blanket [UASB] reactors
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Abstract

本发明公开了一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器及运行方法。该装置包括上流式厌氧污泥床反应器(UASB)筒体和电化学传感系统。在上流式厌氧污泥床反应器内部设置一对电极，电极通过导线相连；回路电压通过装置主体外部连接的万用表进行实时监测。本发明通过投加适量零价铁可降低反应器内氧化还原电位，助于专性厌氧微生物生长，加速有机物质降解，实现微生物对水质负荷变化的快速传感，同时零价铁缓释出的Fe2+可有效压缩胶体污泥的双电层，并提升系统溶液的离子强度，强化微生物与电极表面之间的电子传递效率，扩大电信号变化范围，助于提高传感器的灵敏度。

Description

一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器及运行方法
技术领域
本发明涉及一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器及运行方法，属于水处理技术领域。
背景技术
上流式厌氧污泥床反应器(Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket，UASB)作为一种处理污水的厌氧生物方法，具有处理成本低、COD去除能力高等特点，广泛应用于生活污水及有机物含量较高的工业废水，但是，UASB以厌氧微生物为核心进行处理，且反应器中的厌氧微生物对环境条件要求苛刻，活性污泥中微生物种群较为复杂，缺少量化控制参数等缺点。
微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是一种通过微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化为电能的生物反应装置。近年来很多学者将微生物燃料电池的产电原理应用到污水处理过程中。针对UASB反应器较难判断其运行状态的问题，一些研究人员发明了一体式UASB-MFC生物传感耦合系统。但是，由于一体式UASB-MFC生物传感耦合系统中产电微生物易受到反应器中外部水力作用影响吗，导致其存在传感速度不灵敏，变换水质负荷时电信号变化幅度较低等问题。
零价铁作为一种廉价易得的还原性物质，已被广泛应用于污水处理、地下水净化和土壤修复中。零价铁能够降低体系的氧化还原电位，将零价铁加入到厌氧系统中，能够创造一个更有利于微生物生长的厌氧环境，显著提高有机物的转化效率；同时零价铁具有电化学活性，其电极反应过程中产生的[H]和Fe2+能与废水污染物发生氧化还原反应，达到对污染物降解的功能。基于利用零价铁预处理能够提高有机污染物的可生化性，大量研究开始关注零价铁与生物处理系统的结合，并提出零价铁-生物处理工艺。
针对上述问题，本发明基于以往技术提出一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器及运行方法。将零价铁投加于上流式厌氧污泥床反应器中，零价铁缓慢释放的亚铁离子可有效压缩胶体污泥的双电层，提升微生物与电极表面之间的电子传递效率；同时零价铁可降低反应器内氧化还原电位，助于专性厌氧微生物生长，加速有机物质降解，提升电化学传感器性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器及运行方法。
一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器，包括上流式厌氧污泥床反应器筒体(5)和电化学传感系统，所述的上流式厌氧污泥床反应器筒体内部从下往上依次设置布水器(4)、污泥床和三相分离器(7)。筒体的底部经进水管道(3)与蠕动泵(2)相连，气体经过三相分离器后通过水封瓶(18)进入湿式气体流量计(19)，三相分离器分离的反应器出水经出水口排至废液桶(8)，筒体中部侧壁上设置有侧管，侧管外端部设置侧法兰盘(17)，侧法兰盘通过螺栓(16)、与带有侧法兰盘的侧盲板(15)连接。
所述的电化学传感系统包括一对电极、导电铜线(10)、钛片(14)、外电阻(11)、万用表(12)；所述的电极位于筒体中部，包括碳毡阳极(9)和碳布阴极(13)；其中碳毡阳极置于筒体内部相对于侧管，碳布阴极设置在侧盲板内侧，紧贴着钛片，导线一端与阳极相连，另一端依次与外电阻、钛片和阴极相连，从内到外依次将钛片、碳布夹在侧法兰盘和侧盲板中间，利用螺丝把侧法兰盘和侧盲板密封固定在一起。
所述的零价铁的制备方法如下：零价铁必须经过酸洗，以消除表面氧化物或其他杂质。在使用之前，将零价铁与10％的盐酸溶液混合浸泡2min，然后用去离子水进行冲洗，最后将其放在真空干燥箱内干燥。为了促进零价铁均匀分布在污泥层，在进水时利用搅拌器(20)定期进行搅拌。
一种所述零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器的运行方法，主要包括以下步骤：
(1)有机废水通过蠕动泵经进水管并由布水器均匀流入筒体内部，阳极与阴极通过铜导线连接，并负载外电阻，利用附着在阳极上的产电菌对有机物进行分解产生电压，形成稳定的电流；有机物在阳极被微生物降解过程中产生的电子由外电路传输到阴极形成闭合回路。
(2)反应器接种污泥前，持续向含有零价铁(21)的进水桶(1)中通入氮气10min，以去除水中溶解氧，避免零价铁在进水过程中被氧化，影响实验研究，并通过搅拌器对含零价铁的有机废水搅拌，使其均匀进入污泥床。
本发明将生物化学和电化学有机结合，在上流式厌氧污泥床反应器内投加零价铁，用于强化微生物与电极之间、微生物与微生物之间的电子传递过程，从而加速有机物质降解，维持系统较低的氧化还原电位，提升微生物对水质负荷变化的传感时间；此外，零价铁缓释出的Fe2+有效压缩胶体污泥的双电层，且对于系统溶液的离子强度具有提升作用，使得电压信号变化范围扩大，具有传感灵敏度高的特点。
附图说明
图1为本发明的一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器，包括上流式厌氧污泥床反应器筒体(5)和电化学传感系统，所述的上流式厌氧污泥床反应器筒体内部从下往上依次设置布水器(4)、污泥床和三相分离器(7)。筒体的底部经进水管道(3)与蠕动泵(2)相连，气体经过三相分离器后通过水封瓶(18)进入湿式气体流量计(19)，三相分离器分离的反应器出水经出水口排至废液桶(8)，筒体中部侧壁上设置有侧管，侧管外端部设置侧法兰盘(17)，侧法兰盘通过螺栓(16)、与带有侧法兰盘的侧盲板(15)连接。
所述的电化学传感系统包括一对电极、导电铜线(10)、钛片(14)、外电阻(11)、万用表(12)；所述的电极位于筒体中部，包括碳毡阳极(9)和碳布阴极(13)；其中碳毡阳极置于筒体内部相对于侧管，碳布阴极设置在侧盲板内侧，紧贴着钛片，导线一端与阳极相连，另一端依次与外电阻、钛片和阴极相连，从内到外依次将钛片、碳布夹在侧法兰盘和侧盲板中间，利用螺丝把侧法兰盘和侧盲板密封固定在一起。
所述的零价铁的制备方法如下：零价铁必须经过酸洗，以消除表面氧化物或其他杂质。在使用之前，将零价铁与10％的盐酸溶液混合浸泡2min，然后用去离子水进行冲洗，最后将其放在真空干燥箱内干燥。为了促进零价铁均匀分布在污泥层，在进水时利用搅拌器(20)定期进行搅拌。
一种所述零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器的运行方法，主要包括以下步骤：
(1)有机废水通过蠕动泵经进水管并由布水器均匀流入筒体内部，阳极与阴极通过铜导线连接，并负载外电阻，利用附着在阳极上的产电菌对有机物进行分解产生电压，形成稳定的电流；有机物在阳极被微生物降解过程中产生的电子由外电路传输到阴极形成闭合回路。
(2)反应器接种污泥前，持续向含有零价铁(21)的进水桶(1)中通入氮气10min，以去除水中溶解氧，避免零价铁在进水过程中被氧化，影响实验研究，并通过搅拌器对含零价铁的有机废水搅拌，使其均匀进入污泥床。
实施例
利用上述装置进行电化学传感过程，运行五组上流式厌氧污泥床电化学传感器，R1为常规电化学传感器，R2-R5为零价铁投加量分别为5mg/L、20mg/L、30mg/L、50mg/L的电化学传感器，除此之外其他反应条件相同。
采用人工模拟有机废水对污泥进行驯化，进水COD浓度从500mg/L逐渐提升至5000mg/L，进水pH调节至6.8-7.2，系统温度控制在28±2℃，水力停留时间控制为12h，外电阻为1000Ω。电化学传感器通过监控电路中的电压大小变化来表征其内部的运行状态。
经研究发现，在进水由500mg/L逐渐提升至5000mg/L过程中，五组传感器中电信号均出现变化，但由于零价铁的投加，缓释出的Fe2+提升系统中电解液的离子强度，其电信号的变化幅度明显大于对照传感器，相比而言，零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器具有较大的功率密度和较低的内阻，大幅降低反应器的氧化还原电位，利于提高传感器灵敏度。同时由于零价铁投加量的不同，其灵敏程度也有所差异，过量的零价铁使电子传递过程受到抑制，导致灵敏度降低；通过对比单位时间内电压的变化程度发现，反应器R4内的电信号变化幅度最大，为0.05V/h。此外，通过对比各传感器改变水质负荷后的传感时间，以及各反应器出水的挥发性脂肪酸含量发现，R1-R5出水总挥发性脂肪酸分别为506mg/L、460mg/L、424mg/L、180mg/L、340mg/L，当投加量为30mg/L时，其对水质负荷变化的传感时间较快，表明投加适量零价铁后，利于微生物与电极之间电子传递过程，微生物对有机物质能够较为快速、较为完全的进行降解，防止挥发性脂肪酸积累，造成系统酸化，抑制传感性能，证实了适量零价铁的投加在上流式厌氧污泥床电化学传感器中具有明显的强化作用。
以上所述的实施例只是本发明的一种优选方案，并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器，包括上流式厌氧污泥床反应器筒体(5)和电化学传感系统，所述的上流式厌氧污泥床反应器筒体内部从下往上依次设置布水器(4)、污泥床和三相分离器(7)。筒体的底部经进水管道(3)与蠕动泵(2)相连，气体经过三相分离器后通过水封瓶(18)进入湿式气体流量计(19)，三相分离器分离的反应器出水经出水口排至废液桶(8)，筒体中部侧壁上设置有侧管，侧管外端部设置侧法兰盘(17)，侧法兰盘通过螺栓(16)、与带有侧法兰盘的侧盲板(15)连接。
所述的电化学传感系统包括一对电极、导电铜线(10)、钛片(14)、外电阻(11)、万用表(12)；所述的电极位于筒体中部，包括碳毡阳极(9)和碳布阴极(13)；其中碳毡阳极置于筒体内部相对于侧管，碳布阴极设置在侧盲板内侧，紧贴着钛片，导线一端与阳极相连，另一端依次与外电阻、钛片和阴极相连，从内到外依次将钛片、碳布夹在侧法兰盘和侧盲板中间，利用螺丝把侧法兰盘和侧盲板密封固定在一起。
2.如权利要求1所述的零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器，其特征在于：所述的零价铁的制备方法如下：零价铁必须经过酸洗，以消除表面氧化物或其他杂质。在使用之前，将零价铁与10％的盐酸溶液混合浸泡2min，然后用去离子水进行冲洗，最后将其放在真空干燥箱内干燥。为了促进零价铁均匀分布在污泥层，在进水时利用搅拌器(20)定期进行搅拌。
3.一种权利要求1所述零价铁强化上流式厌氧污泥床电化学传感器的运行方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
(1)有机废水通过蠕动泵经进水管并由布水器均匀流入筒体内部，阳极与阴极通过导线连接，并负载外电阻，利用附着在阳极上的产电菌对有机物进行分解产生电压，形成稳定的电流；有机物在阳极被微生物降解过程中产生的电子由外电路传输到阴极形成闭合回路。
(2)反应器接种污泥前，持续向含有零价铁(21)的进水桶(1)中通入氮气10min，以去除水中溶解氧，避免零价铁在进水过程中被氧化，影响实验研究，并通过搅拌器对含零价铁的有机废水搅拌，使其均匀进入污泥床。
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