CN1278956C - 利用阴极氢提高上流式厌氧污泥床处理效率的装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于废水生物处理技术领域。上流式厌氧污泥床处理技术(UASB)是废水厌氧生物处理技术的典型代表，但在温度低、有机负荷低或废水中难降解成分多等情况下，其处理效率不理想。本发明旨在利用阴极产氢，促进UASB反应器中颗粒污泥的生物活性，从而提高上流式厌氧污泥床的处理效率。本发明是通过对现有UASB系统进行改造来实现的，即加入一个电极辅助系统，电极辅助系统包括阴极、盐桥和阳极三个部分，阴极、盐桥、阳极三部分与电源形成串联回路，使阴极产氢，产生的氢气与颗粒污泥相接触，被其中微生物所利用。本发明可使UASB系统处理效率提高9%左右，同时提高了磷的去除率。
Description
技术领域
本发明属于废水厌氧生物处理技术领域，具体为一种利用阴极氢提高上流式厌氧污泥床处理效率的装置及应用。
背景技术
废水的厌氧生物处理技术是实现去除有机污染、降低运行成本的有效途径，已在国内外工业和生活废水处理中获得越来越广泛的应用。它具有设备结构简单、运行维护方便、占地面积小、不需曝气、剩余污泥少、生成甲烷等优点。厌氧生物处理技术被认为是未来可持续性环境生物技术的核心。
上流式厌氧污泥床(UASB)处理技术是废水厌氧生物处理技术的典型代表。自二十世纪70年代UASB技术被发明以来，通过不断改进而获得了长足发展。近年来，UASB技术已经成为国内外厌氧处理的主流技术之一。但是，目前UASB技术在其进一步广泛推广应用中尚有一些局限性，如：在温度较低、有机负荷较低或废水中难降解成分较多的情况下，其处理效率不理想。近年来，各国科学家和技术人员分别从不同角度开展研究，以进一步提高上流式厌氧污泥床的处理效率。
UASB技术的主要处理过程和系统的组成部分如下：待处理废水被引入UASB反应器的底部，向上流经由颗粒状或絮状污泥组成的污泥床，污水与污泥床相接触而发生厌氧反应并产生沼气(主要为甲烷和二氧化碳)，所产沼气上升而引起污泥床扰动并带动颗粒污泥上升，在三相分离器的作用下，颗粒污泥得以下降，回到污泥床区域，从而形成颗粒污泥的内部循环，所产沼气经过三相分离器后被收集再利用，污水经处理后排出系统。一般地，UASB反应器需要由水力循环装置来保持一个稳定升流速度，从而使沉淀性能良好的颗粒污泥得以形成并保持，这是正常运行UASB系统的一个关键。UASB系统一般主要包括以下几部分：进水和配水装置1、水力循环装置2、反应器3、颗粒污泥床4和三相分离器5(附图1)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用阴极氢提高上流式厌氧污泥床处理效率的装置及其应用，发明的主要内容是在UASB反应器系统基础上，加入一个电极辅助系统，利用埋入厌氧污泥床的阴极所产生出的氢气，促进和提高UASB颗粒污泥的生物活性，从而提高上流式厌氧污泥床的处理效率。试验结果显示本发明可以显著提高系统的COD去除率和磷去除率。
本发明的技术方案是：
一种利用阴极氢提高上流式厌氧污泥床处理效率的装置，具有上流式厌氧污泥床处理系统，还包括电极辅助系统，电极辅助系统包括阴极、盐桥和阳极三个部分，阴极、盐桥、阳极三部分与电源形成串联回路，阴极浸没于上流式厌氧污泥床处理系统的反应器内颗粒污泥床中，在反应器外侧另设一个阳极容器，内盛磷酸氢铵和磷酸氢二铵的缓冲液，阳极浸没于缓冲液内，反应器和阳极容器间以盐桥相连接，盐桥为饱和KCl水溶液与琼脂的混合物，琼脂加入量为每100mL溶液中加入2～3g琼脂，经加热混匀并冷却凝固后形成，盐桥作为导体，使阳极和阴极间形成电流回路，阴极和阳极分别连接于直流电源的负极和正极。
本发明电极可以是铂电极，也可以是镀铂电极、铁电极或其它类型电极。
上述装置的应用，在阴极和阳极间加上直流电流，电流大小控制在1.0～10.0mA，电压控制在5.0～25.0V之间，给予电流时间为4～24小时/天。
本发明的有益效果是：
1.上流式厌氧污泥床处理技术(UASB)是废水厌氧生物处理技术的典型代表，但在温度低、有机负荷低或废水中难降解成分多等情况下，其处理效率不理想。本发明利用阴极产氢，在厌氧条件下促进UASB反应器中颗粒污泥的生物活性，从而提高上流式厌氧污泥床的处理效率。
2.本发明是通过对现有UASB系统进行改造来实现的，即加入一个电极辅助系统，它由阴极、阳极、盐桥和电源等部分组成，阴极所处反应器与阳极容器间由盐桥相连接，盐桥作为导体，使阳极和阴极间形成电流回路，同时盐桥又起着隔离和阻断两侧液体之间的交换作用。阴极与UASB反应器中的厌氧颗粒污泥充分接触，在电流作用下阴极产生出微量氢气，与厌氧颗粒污泥中的微生物菌群密切接触，所产氢气被颗粒污泥中的微生物所利用。本发明可使UASB系统处理效率提高9％左右，同时提高了磷的去除率。
附图说明
图1.未加装电极辅助系统后的UASB系统示意图(作为对照)。
图2.加装电极辅助系统后的UASB系统示意图。
图例：1.进水和配水装置；2.水力循环装置；3.反应器；4.颗粒污泥床；5.三相分离器；6.沼气出口；7.出水口；8.阴极；9.盐桥；10.阳极；11.阳极容器；12.电源。
具体实施方式
本发明的实验装置包括如下两个主要部分：1)UASB系统；2)电极辅助系统。
图2为实验装置示意图。
UASB系统是主要包括如下几部分：进水和配水装置1、水力循环装置2、反应器3、颗粒污泥床4和三相分离器5(附图1)，三相分离器外接沼气出口6和出水口7，沼气出口6连至沼气收集装置。本发明是在UASB系统的基本配置的基础上再加上一个电极辅助系统。电极辅助系统主要包括阴极8、盐桥9和阳极10三个部分(附图2)，阴极8、盐桥9、阳极10三部分与电源12形成串联回路。阴极采用铂电极，完全浸没于UASB反应器的颗粒污泥床4中。在反应器外侧另设一个阳极容器11，内盛磷酸氢铵和磷酸氢二铵的缓冲液(采用常规的磷酸氢铵和磷酸氢二铵的缓冲液，本实施例磷酸氢铵和磷酸氢二铵加入量均为0.1mol/L)，阳极浸没于缓冲液内。UASB反应器3和阳极容器11间以盐桥9相连接，盐桥9的实验装置制作步骤如下：在饱和KCl水溶液中加入2％琼脂(每100mL溶液中加入2g琼脂)，将混合物加热至沸腾并充分混匀，然后灌注至一个玻璃圆筒内，冷却至室温待琼脂凝固后，将玻璃圆筒安装在反应器与阳极容器之间，即形成了盐桥。盐桥作为导体，使阳极和阴极间形成电流回路，同时盐桥又起着隔离和阻断两侧液体之间的交换作用。阴极和阳极分别连接于直流电源12的负极和正极。
在UASB系统的正常运行过程中(主要运行参数见表1)，在阴极和阳极间加上直流电流，电流大小和时间依实验需求而定。在采用本项发明的实验研究中，电流大小控制在1.0～10.0mA，电压控制在5.0～25.0V之间，给予电流时间为4～24小时/天。
处理和对照反应器经过38天的实验室小试水平的比较研究，获得以下主要运行参数和运行结果(表1)，证明了本发明的有效性。
处理和对照两个反应器中一个是应用了电极辅助系统的UASB反应器，另一个是没有电极辅助系统的对照反应器，前者除比对照反应器多出一套电极辅助系统外，其它组成结构和运行条件均与对照反应器完全相同。
表1.应用电极辅助系统的UASB反应器和对照UASB反应器的主要运行参数
| 运行参数 | 第一阶段(0～16天)(n＝8*) | 第二阶段(16～38天)(n＝11) |
| 升流速度(米小时) | 1 | 1 |
| 进水COD(毫克/升) | 405(83)** | 562(75) |
| 容积负荷(克/升.天) | 1.027(0.166) | 1.386(0.201) |
| 水力停留时间(小时) | 9.4(0.5) | 9.8(1.4) |
| 温度(℃) | 32 | 32 |
*：n是参数测定的次数；**：括号内为标准差
表2.应用电极辅助系统反应器和对照反应器的主要运行结果
| 测定参数(0～38天，n＝19*) | 应用电极辅助系统的反应器 | 对照反应器 | 相对于对照反应器的增加百分比 |
| CH4产生量(升/升.天) | 0.256(0.132**)A*** | 0.236(0.129)B | 8.5％ |
| 出水CODt(毫克/升) | 63(13)A | 69(16)B | -9.0％ |
| 出水CODs/CODt(％) | 53.7(3.5)A | 46.3(3.6)B | 18.7％ |
| COD去除率(％) | 86.8(3.6)A | 85.6(3.5)B | 1.4％ |
| 出水PO4 -(毫克/升) | 11.7(3.5)A | 15.0(3.9)B | -22.3％ |
| 沼气中氢气浓度(ppmv) | 128(200)A | 58(41)B | 118.5％ |
*：n是参数测定的次数；**：括号内为标准差；***：不同字母表示两组数据平均值的差异显著性水平达到5％水平。
实验室研究结果表明：与对照反应器相比，改进后的UASB系统可使甲烷产生量提高8.5％，出水COD下降9％左右，出水的磷浓度下降22％。
Claims (3)
1.一种利用阴极氢提高上流式厌氧污泥床处理效率的装置，其特征在于除具有上流式厌氧污泥床系统以外，还包括了一个电极辅助系统，电极辅助系统包括阴极(8)、盐桥(9)和阳极(10)三个部分，阴极(8)、盐桥(9)、阳极(10)三部分与电源(12)形成串联回路，阴极浸没于上流式厌氧污泥床处理系统的反应器(3)内颗粒污泥床(4)中，在反应器(3)外侧另设一个阳极容器(11)，内盛磷酸氢铵和磷酸氢二铵的缓冲液，阳极(10)浸没于缓冲液内，反应器(3)和阳极容器(11)间以盐桥(9)相连接，盐桥(9)为饱和KCl水溶液与琼脂的混合物，琼脂加入量为每100mL溶液中加入2～3g琼脂，经加热混匀并冷却凝固后形成，盐桥(9)作为导体，使阳极(10)和阴极(8)间形成电流回路，阴极(8)和阳极(10)分别连接于直流电源的负极和正极。
2.按照权利要求1所述利用阴极氢提高上流式厌氧污泥床处理效率的装置，其特征在于：所述阴极或阳极为铂电极、镀铂电极或铁电极。
3.一种按照权利要求1所述装置的应用，其特征在于：在阴极和阳极间加上直流电流，电流大小控制在1.0～10.0mA，电压控制在5.0～25.0V之间，给予电流时间为4～24小时/天。
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