公布日：2022.07.22
申请日：2022.06.23
分类号：C02F9/14(2006.01)I;C02F3/34(2006.01)N;C02F1/48(2006.01)N;C02F1/461(2006.01)N
摘要
本发明涉及一种用于高盐废水处理的生物电化学系统，包括依次连接的集水池、生物电化学池和砂滤池，所述生物电化学池包括依次连接的缺氧电化学池和好氧电化学池，缺氧电化学池和好氧电化学池的内部均设有与电源连接的阳极板和阴极板，缺氧电化学池内设有第一填料，好氧电化学池内设有第二填料；所述砂滤池包括提升管和由上至下设置的斜板区、砂滤层、进水区，进水区内设有旋转布水器，旋转布水器的进口连接砂滤池的进水口；砂滤层底部为锥形，且设有空气提升泵，提升管贯穿砂滤层和斜板区，提升管底端连接空气提升泵，提升管顶端处于斜板区上方；砂滤池的出水口设在砂滤池顶部。
权利要求书
1.一种用于高盐废水处理的生物电化学系统，其特征在于，包括依次连接的集水池、生物电化学池和砂滤池，所述生物电化学池包括依次连接的缺氧电化学池和好氧电化学池，缺氧电化学池和好氧电化学池的内部均设有与电源连接的阳极板和阴极板，缺氧电化学池内设有第一填料，好氧电化学池内设有第二填料；所述砂滤池包括提升管和由上至下设置的斜板区、砂滤层、进水区，进水区内设有旋转布水器，旋转布水器的进口连接砂滤池的进水口；砂滤层底部为锥形，且设有空气提升泵，提升管贯穿砂滤层和斜板区，提升管底端连接空气提升泵，提升管顶端处于斜板区上方；砂滤池的出水口设在砂滤池顶部；所述砂滤层的底部设有锥形过滤底板，所述空气提升泵设在锥形过滤底板上表面的底部中心，空气提升泵出口连接提升管的底部进口，提升管处于砂滤层内的管壁上均匀设有若干通气孔，通气孔的孔径小于滤砂粒径；提升管的顶端设有水平布料管，水平布料管为中空的，且中心设有第一开口，第一开口用于连通提升管顶端，水平布料管的底面均匀设有若干第二开口，用于将沿提升管上升的待清洗滤砂投放至斜板区。
2.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述缺氧电化学池的上部的侧壁设有第二进水口和第一出水口，用于缺氧电化学池的进水和出水；缺氧电化学池与好氧电化学池紧密连接，共用同一侧壁，第一出水口为好氧电化学池的进水口。
3.根据权利要求2所述的生物电化学系统，其特征在于，所述缺氧电化学池内设有若干个阳极板和若干个阴极板，阳极板与阴极板交错设置；缺氧电化学池内散布第一填料和反硝化菌、复合缺氧菌；缺氧电化学池内设有搅拌装置；所述好氧电化学池内设有若干个阳极板和若干个阴极板，阳极板与阴极板交错设置；好氧电化学池内散布第二填料和硝化菌、碳化菌、复合好氧菌；好氧电化学池的底部设有曝气装置，并在第一出水口对面的侧壁的中部设置第二出水口，下部设置第一回流口，第一回流口通过管道连接缺氧电化学池的第二进水口。
4.根据权利要求3所述的生物电化学系统，其特征在于，所述砂滤池的进水口为第三进水口，第三进水口通过管道连接好氧电化学池的第二出水口，第三进水口处于砂滤池的下部，便于连接砂滤池下部的旋转布水器；砂滤池的出水口为第三出水口，用于排出砂滤池的产水。
5.根据权利要求4所述的生物电化学系统，其特征在于，所述旋转布水器包括依次连接的进水总管和布水板，布水板为向上凸起的伞状形状，布水板内部设有若干个彼此并联的布水道，布水道均贯穿布水板底面；所述进水总管的进水端连接第三进水口，进水总管的外侧固定连接布水板的顶面的中心，进水总管的出水端连接彼此并联的若干个布水道，将进水均匀布撒在进水区。
6.根据权利要求5所述的生物电化学系统，其特征在于，所述锥形过滤底板上密布过滤通孔，用于承接砂滤层的滤砂不落入进水区，同时进水区的废水能够通过锥形过滤底板向上进入砂滤层进行过滤分离。
7.根据权利要求6所述的生物电化学系统，其特征在于，所述斜板区处于水平布料管的下方，斜板区沿水平方向均匀设置若干斜板；所述水平布料管的长度与斜板区的长度之比为1:(4 5)，斜板区对应水平布料管的区域设有洗砂器；所述洗砂器包括洗砂桶和内部的若干斜板，洗砂桶的底部空置，所述提升管从洗砂桶底部穿入，水平布料管位于洗砂桶内的顶部，洗砂桶内的斜板处于水平布料管的下方；洗砂桶的顶部连接有洗砂水管，洗砂水管贯穿砂滤池并连接缺氧电化学池的第二进水口，用于将洗砂之后的洗砂水返回缺氧电化学池。
8.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述第一填料的制备原料包括生物炭、腐殖酸、铁粉、粉煤灰和二氧化硅，所述生物炭为椰壳和秸秆粉碎并高温热解后得到的，所述腐殖酸包括棕腐殖酸和黑腐殖酸；所述第一填料的各制备原料的质量分数为：生物炭55 60份、腐殖酸8 13份、铁粉5 8份、粉煤灰20 30份、二氧化硅10 15份，其中棕腐殖酸和黑腐殖酸的质量比为1:1。
9.根据权利要求8所述的生物电化学系统，其特征在于，所述第一填料的制备方法包括以下步骤：（1）将椰壳和秸秆干燥后，粉碎至80 100目，再混合均匀，然后放入马弗炉中500 600℃炭化2 3h，自然冷却后得到所述生物炭；（2）向所述生物炭中依次加入粉煤灰、二氧化硅和铁粉，待前一种物料混合均匀后再加入后一种物料，得到骨料；（3）向所述骨料中加入水、棕腐殖酸和黑腐殖酸混合后，进行造粒，然后烘干，得到所述第一填料。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于高盐废水处理的生物电化学系统，创造性地将电解与生化处理进行结合，提供一种操作简便、清洁环保、高效科学的高盐废水处理系统装置。
所述生物电化学系统包括依次连接的集水池、生物电化学池和砂滤池，所述生物电化学池包括依次连接的缺氧电化学池和好氧电化学池，缺氧电化学池和好氧电化学池的内部均设有与电源连接的阳极板和阴极板，缺氧电化学池内设有第一填料，好氧电化学池内设有第二填料；
所述砂滤池包括提升管和由上至下设置的斜板区、砂滤层、进水区，进水区内设有旋转布水器，旋转布水器的进口连接砂滤池的进水口；砂滤层底部为锥形，且设有空气提升泵，提升管贯穿砂滤层和斜板区，提升管底端连接空气提升泵，提升管顶端处于斜板区上方；砂滤池的出水口设在砂滤池顶部。
可选的，所述缺氧电化学池的上部的侧壁设有第二进水口和第一出水口，用于缺氧电化学池的进水和出水，第二进水口和第一出水口分别设在缺氧电化学池的两个相对的侧壁上；
缺氧电化学池与好氧电化学池紧密连接，共用同一侧壁，第一出水口即为好氧电化学池的进水口。
进一步可选的，所述缺氧电化学池内设有若干个阳极板和若干个阴极板，阳极板与阴极板交错设置；缺氧电化学池内散布第一填料和反硝化菌、复合缺氧菌；缺氧电化学池内设有搅拌装置。
可选的，所述好氧电化学池内设有若干个阳极板和若干个阴极板，阳极板与阴极板交错设置；好氧电化学池内散布第二填料和硝化菌、碳化菌、复合好氧菌；
好氧电化学池的底部设有曝气装置，并在第一出水口对面的侧壁的中部设置第二出水口，下部设置第一回流口，第一回流口通过管道连接缺氧电化学池的第二进水口。
可选的，所述砂滤池的进水口为第三进水口，第三进水口通过管道连接好氧电化学池的第二出水口，将好氧电化学池处理后的废水输入砂滤池，第三进水口处于砂滤池的下部，便于连接砂滤池下部的旋转布水器；砂滤池的出水口为第三出水口，用于排出砂滤池的产水。
可选的，所述旋转布水器包括依次连接的进水总管和布水板，布水板为向上凸起的伞状形状，布水板内部设有若干个彼此并联的布水道，布水道均贯穿布水板底面；所述进水总管的进水端连接第三进水口，进水总管的外侧固定连接布水板的顶面的中心，进水总管的出水端连接彼此并联的若干个布水道，将进水均匀布撒在进水区。
可选的，所述砂滤层的底部设有锥形过滤底板，锥形过滤底板上密布过滤通孔，用于承接砂滤层的滤砂不落入进水区，同时进水区的废水能够通过锥形过滤底板向上进入砂滤层进行过滤分离。
可选的，所述空气提升泵设在锥形过滤底板上表面的底部中心，空气提升泵出口连接提升管的底部进口，提升管处于砂滤层内的管壁上均匀设有若干通气孔，通气孔的孔径小于滤砂粒径；
提升管的顶端设有水平布料管，水平布料管为中空的，且中心设有第一开口，第一开口用于连通提升管顶端，水平布料管的底面均匀设有若干第二开口，用于将沿提升管上升的待清洗滤砂投放至斜板区。
可选的，所述斜板区处于水平布料管的下方，斜板区沿水平方向均匀设置若干斜板；所述水平布料管的长度与斜板区的长度之比为1:(4 5)，斜板区对应水平布料管的的区域设有洗砂器。
进一步可选的，所述洗砂器包括洗砂桶和内部的若干斜板，洗砂桶的底部空置，所述提升管从洗砂桶底部穿入，水平布料管位于洗砂桶内的顶部，洗砂桶内的斜板处于水平布料管的下方；洗砂桶的顶部连接有洗砂水管，洗砂水管贯穿砂滤池并连接缺氧电化学池的第二进水口，用于将洗砂之后的洗砂水返回缺氧电化学池。
可选的，所述第一填料的制备原料包括生物炭、腐殖酸、铁粉、粉煤灰和二氧化硅，所述生物炭为椰壳和秸秆粉碎并高温热解后得到的，所述腐殖酸包括棕腐殖酸和黑腐殖酸。
可选的，所述粉煤灰的粒径为20 50μm，二氧化硅的粒径为10 20μm，铁粉的粒径为10 20μm。
可选的，所述第一填料的各制备原料的质量分数为：生物炭55 60份、腐殖酸8 13份、铁粉5 8份、粉煤灰20 30份、二氧化硅10 15份，其中棕腐殖酸和黑腐殖酸的质量比为1:1。
所述第一填料的制备方法包括以下步骤：
（1）将椰壳和秸秆干燥后，粉碎至80 100目，再混合均匀，然后放入马弗炉中500 600℃炭化2 3h，自然冷却后得到所述生物炭；
（2）向所述生物炭中依次加入粉煤灰、二氧化硅和铁粉，待前一种物料混合均匀后再加入后一种物料，得到骨料；
（3）向所述骨料中加入水、棕腐殖酸和黑腐殖酸混合后，进行造粒，然后烘干，得到所述第一填料。
可选的，步骤（3）中，加入的水与所述骨料、棕腐殖酸和黑腐殖酸的质量之和的质量比为(0.15 0.25):1；烘干温度60 70℃；制得的第一填料的粒径为3 5mm。
所述第二填料和第一填料的制备原料相同，所述第二填料的各制备原料的质量分数为：生物炭55 60份、腐殖酸5 8份、铁粉5 8份、粉煤灰20 30份、二氧化硅10 15份，其中棕腐殖酸和黑腐殖酸的质量比为1:1。各原料的粒径与第一填料相同。所述第二填料的制备方法与第一填料相同。
本发明自制了第一填料和第二填料，其骨料包括生物炭、粉煤灰和二氧化硅，不仅具有较大的比表面积，而且性质稳定、成本低廉，强度能够满足污水处理需求。粉煤灰、椰壳和秸秆原料来源广泛，还能够废物利用，环保收益明显。另外，采用腐殖酸作为粘结剂，其不但性质稳定、成本低、无生物毒性，而且腐殖酸具有各种活性基团，使得制得的填料具有较高的活性，第一填料的腐殖酸还能为缺氧微生物提供适量的碳源，促进其在第一填料上生长繁殖，由于腐殖酸的用量相比于微生物的消耗大几个数量级，且腐殖酸比废水中的COD分子量大、降解难度高，所以微生物首先分解废水中的COD维持生命，无需担心腐殖酸被大量消耗而影响填料的强度。本发明意想不到的发现，所述第一填料和第二填料中的铁粉能够发挥磁场作用，缺氧或好氧微生物在磁场作用下能够表现出更好的生物活性。
所述缺氧电化学池通电后，阳极板与阴极板之间会产生电场，第一填料会在电场感应作用下成为具有复极性的粒子电极，粒子电极的两端分别做为阳极和阴极，每个填料粒子成为微小电解池，有效增加了电极面积和电解槽的面体比。电解过程中，通过电子传递方式将能量提供给缺氧微生物，促进其自身合成可溶性蛋白和多糖，提高关键酶活性，提升了生物电化学系统中微生物的高渗透压适应能力，助于微生物快速适应高盐环境。
缺氧电化学池内的微生物利用废水中的可生化降解的COD为碳源，通过反硝化过程脱除废水以及从好氧电化学池回流的硝化液中的硝态氮，同时搅拌装置防止污泥沉淀，使废水与污泥充分混合，使污水得以处理。
缺氧电化学池处理后的废水通过第一出水口进入好氧电化学池，通过曝气装置维持水中溶解氧，适宜好氧微生物生长繁殖，使之成为优势菌属，好氧微生物进行有氧呼吸代谢，去除废水中大部分COD，并且硝化菌利用无机碳为碳源，将氨氮转化为硝态氮，产生的硝化液通过第一回流口回流至缺氧电化学池。
所述第一填料和第二填料，除了充当粒子电极和对污染物的吸附作用之外，同时活性污泥还能附着于填料粒子表面，由于填料较大的比表面积及其较强的吸附能力，在填料表面快速形成生物膜，提高单位容积内的生物量，缩短水力停留时间。在填料的表面生长的微生物膜由于填料流化碰撞、曝气冲刷等作用，使失活的生物膜脱落，有助于微生物处于高活性的对数增长期，处理效率较高。
同时高盐废水为电解质溶液，电解质浓度越高，其单位容积中含有的离子数目也越高，电导率也越大，即当量电导也越大，所以高盐废水有利于电解过程。
电解体系运行时，对废水中的难降解COD、脱氮除磷也具有作用，Fe薄膜电极阳极板失电子，直接氧化和产生羟基自由基等，将废水中难以生化的有机物开环断链，去除难降解COD，并将有机磷的碳磷键破坏，将次磷酸盐氧化为正磷酸盐，使有机磷转化为无机磷，并且进一步氧化氨氮，提升氨氮的去除率。同时Fe薄膜电极阳极板释放铁盐，铁盐对磷起到絮凝作用，减少部分外加絮凝剂的投资。
（发明人：耿春茂;赵曙光;宋乐山;陈长松;曹意茹;何超群;李得元;曹长;刘思;郑可卿;刘灿波;张颖;曾子玥;李倩）
