一种基于电极-超重力生物转盘的一体化反应器及其处理方法技术领域
本发明属于环保设备领域,，具体涉及一种基于电极-超重力生物转盘的一体化反应器及其处理方法。
背景技术
污染物的存在是人类生产活动所遗留下的重大问题，其处理方法应具有反应条件温和、无二次污染、环境友好且易于控制等特点。电化学法兼具有高效和环保的特点，在无害化处理水中有机污染物方面具有一定的优势。
生物反硝化去除水中NO3-是一种非常有效的方法，它可通过微生物的作用将NO3-还原为无污染的N2，其中所使用的电子供体通常为有机物。然而，一些工业废水和生活污水中由于有机物含量低，反硝化过程无法顺利进行。针对这一问题，上世纪90年代，Mellor等概念，用于反硝化作用的酶和电子介体(染料)被固定于阴极表面，发现电极为其上所固定的酶提供了还原能力。之后，Sakakibara等以反硝化菌代替反硝化酶，开发出生物膜.电极反应器BER，并用于脱氮研究，拉开了BER脱氮工艺的序幕。从最初的分隔型反应器改进到筒型反应器，他们建立了电极生物膜反硝化系统的稳态生物模型，并总结了碳棒阳极反应对脱氮的积极影响。2002年，Prosnansky等对反应器形式进行了改进，阴极使用活性炭颗粒作为电极材料，阳极和阴极之间用橡胶海绵层进行分隔，从而有效地阻止氧气和氢气的混合。但是，目前电极-生物膜法在处理高浓度NO废气时，仍存在传质效率不高、处理率的问题，有待于对电极材料、反应器结构进行进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于电极-超重力生物转盘的一体化反应器及其处理方法。具体技术方案：
一种基于电极-超重力生物转盘的一体化反应器，包括壳体、中心轴、旋转接头、抽液泵、生物转盘、中空纤维膜、电机、回流管、进液管、臭氧发生器、隔板、回流泵、进液室、出液室、排气管、抽气泵、出液管、进气管；
中心轴沿壳体的轴心设置并贯穿壳体，且轴体由同轴双层套管组成并分为两部分，外层环形腔为气道，中心为液道；壳体内部由隔板分隔为若干个相通的腔室，每个腔室顶部均与排气管连通，排气管上设有抽气泵，最左侧和最右侧分别为进液室和出液室，进液室、出液室通过回流管相连，回流管上设有用于提供回流动力的回流泵，进液室还与进液管相通；其余每个腔室内设有两片固定于中心轴上且分别连接电源正负极的生物转盘，作为挂膜载体的同时用作配对电极；两片生物转盘中间设有若干条环绕中心轴设置的中空纤维膜，中空纤维膜一端封闭，另一端穿过中心轴外壁与液道相通，使壳体内液体经过中空纤维膜过滤后通过液道排出；两片生物转盘中间的气道外壁开有通孔，使管内气体排入两片生物转盘之间；电机设置于中心轴一端，用于驱动生物转盘及中空纤维膜随中心轴一起转动；进气管一端和出液管一端通过旋转接头分别与中心轴的气道和液道相连，出液管另一端连接抽液泵，进气管另一端连接臭氧发生器。
作为优选，所述的生物转盘采用石墨板作为材料，其中作为阴极的生物转盘在石墨板外镀活性炭纤维。
作为优选，所述的生物转盘在石墨板及活性炭纤维之间还设有用于维持生物转盘表面温度的恒温发热层。
作为优选，两片生物转盘之间同轴设置有若干个半径不一且绝缘的圆环形固定件，中空纤维膜穿过内圈的圆环形固定件，且一端固定于最外圈的圆环形固定件上，使中空纤维膜在转动时相对于生物转盘不会发生位移。
作为优选，每隔一个腔室内的生物转盘上设有共轴反转装置，使位于相邻两个腔室内的生物转盘呈相反方向转动。
作为优选，生物转盘通过轴承固定于中心轴上，轴承一侧的中心轴外壁一周设有轮齿，生物转盘上设有与中心轴同轴的内齿轮，内齿轮与中心轴外壁的轮齿之间通过传动齿轮配合连接；其中隔板两侧的两个腔室中，一个腔室内的传动齿轮为2个，另一个腔室内的传动齿轮为3个，且传动齿轮均相同，由中心轴外壁的轮齿依次向内齿轮传动。
作为优选，所述的隔板为伸缩式隔板，包括固定板和延长板，固定板沿横截面设置并固定于壳体上，且固定板一端与壳体间留有空隙；延长板嵌套于固定板内，且与推动装置相连，推动装置用于将延长板推出并填满固定板一端与壳体间的空隙，使隔板两侧的腔室相互隔离。
作为优选，所述的隔板上均匀开设若干排通孔，用于使隔板两侧的生物转盘能形成配对电极的同时，减少隔板两侧腔室内废水在生物转盘旋转过程中的水力干扰。
作为优选，所述的中空纤维膜采用干湿纺丝法，其具体步骤如下：
铸膜液的原料为：
聚合物：聚砜(PES)/聚偏氟乙烯(PVDF)20～30％
溶剂：N-甲基吡咯烷酮(NMP)60％～80％
添加剂：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/聚乙二醇(PEG)1～5％
将上述原料配制成铸膜液，在油浴65℃中搅拌24h，抽真空，静置12h脱泡；
以去离子水为芯液并进行凝固浴，再进行纺丝，得到中空纤维膜，纺丝工艺条件为:
铸膜液温度：35～55℃
凝固浴温度：20～30℃
喷丝头与凝固浴液面的空气间隙：10～20cm
料液罐压力：0.01～0.05MPa
芯液流速：20～25mL/min。
一种使用所述反应器同步去除含氮废水废气的方法，包括如下步骤：
1)向反应器中注入待处理废水和污泥，进行污泥培养、富集、驯化，并使生物转盘、中空纤维膜挂膜；
2)通过进液管向反应器内注满含氮废水后停止进水；
3)将含氮废气通入接有臭氧发生器，将NO氧化为NO2，同时产生氧气；
4)隔板中的延长板伸出，使相邻的腔室隔开；再控制生物转盘进行旋转形成超重力水流，同时将步骤3)氧化后的混合气体从进气管通过中心轴的气道进入反应器内，并由通气孔将废气从两片生物转盘间排出，被中空纤维膜打散为微小气泡，利用超重力水流延长气液接触时间和加速氮氧化物的传质速率，使废气中的含氮物质转换为NO3-，同时利用废气中的氧气为生物膜上微生物的硝化作用供氧，净化后的气体由顶部排气管排出，抽气泵抽气速率与进气管进气速率一致；
5)当废水中NO3-含量达到预设值时，降低中心轴转动速率至10～50rpm，同时将延长板收回隔板中，使相邻的腔室相连；利用共轴反转装置使相邻的不同腔室内的生物转盘以相反方向转动，不同腔室内的水流能形成弦型连续水流，并到达最后一个腔室时由回流管和回流泵重新抽至第一个腔室；同时利用恒温发热层调节生物转盘表面及反应器内的温度至预设值；
6)停止将步骤3)氧化后的混合气体通入反应器，使废水中溶解氧含量降低；对同一腔室中的两片生物转盘通电，使其形成配对电极，中空纤维膜上形成的生物膜利用电极反应提供的电子进行反硝化作用，将硝酸根和亚硝酸根转化成氮气，产生的氮气由排气管排出；
7)处理后的废水在抽液泵的作用下，经过中空纤维膜过滤，由出液管排出，再重新通入新的废水循环前述步骤中的过程。
本发明相对于现有技术中的生物转盘反应器，具有如下优点：
1)将电极、超重力、生物转盘三种技术有机结合至一个反应器中，使该反应器能利用超重力将含氮废气进行高效传质，快速溶解于废水中，再利用生物转盘作为电极，促进微生物的反硝化作用。
2)阳极生物转盘采用石墨板作为材料，阴极生物转盘在石墨板外镀活性炭纤维，能够充分利用活性炭纤维巨大的比表面积来增加阴极的生物量，提高去除率。
3)在两块生物转盘中间环形设置中空纤维膜，在起了出水过滤的同时，也用作转动时的驱动体，使腔室内的水能够跟随旋转。
4)经过特殊设计的中心轴，能够同时实现气体的输入和处理完毕的废液输出；
5)在石墨板及活性炭纤维之间设置恒温发热层，可在反应过程中用以调节微生物的适宜温度，更好的进行污水的处理。
6)共轴反转装置可使位于相邻两个腔室内的生物转盘呈相反方向转动，有利于推动反硝化过程中的废水流动，创造水力条件使传质均匀。
7)所述的隔板采用伸缩式设计，可使再超重力旋转时，隔板两侧的腔室相互隔离，不会产生水力干扰。
8)经过特殊工艺的中空纤维膜能够较好地适应超重力带来的应力，提高使用寿命。
9)本发明的同步去除含氮废水废气的方法，能够适用于快速同步处理高浓度的含氮废气和废水，且处理效果高于普通反应器。
附图说明
图1为基于电极-超重力生物转盘的含氮废水废气一体化反应器的示意图；
图2为基于电极-超重力生物转盘的含氮废水废气一体化反应器的剖面图；
图3位本发明的旋转接头设置示意图；
图4为本发明的中心轴结构示意图；
图5为本发明的生物转盘和中空纤维膜整体设置示意图；
图6为本发明的生物转盘设置示意图；
图7为本发明的圆环形固定件设置示意图；
图8为本发明的伸缩式隔板平面示意图；
图9为本发明的伸缩式隔板内部结构示意图；
图中：壳体1、中心轴2、旋转接头3、抽液泵4、生物转盘5、中空纤维膜6、电机7、回流管8、进液管9、臭氧发生器10、隔板11、回流泵12、进液室13、出液室14、排气管15、抽气泵16、出液管17、进气管18、圆环形固定件19、固定板111和延长板112。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1和2所示，一种基于电极-超重力生物转盘的一体化反应器，包括壳体1、中心轴2、旋转接头3、抽液泵4、生物转盘5、中空纤维膜6、电机7、回流管8、进液管9、臭氧发生器10、隔板11、回流泵12、进液室13、出液室14、排气管15、抽气泵16、出液管17、进气管18、气道201、液道202；
中心轴2沿壳体1的轴心设置并贯穿壳体1，由电机7驱动进行旋转。中心轴2除了起传动作用外，还可以同时用于输送气体和液体。如图4所示，其轴体结构为同轴双层套管，并由该同轴双层套管分为两部分，外套管和内套管中间的外层环形腔为用于输送气体的气道201，内套管内的为用于输送液体的液道202。壳体1内部由隔板11分隔为若干个相通的腔室，相邻腔室的隔板开口方向相反，使形成较长的废水流通行程。每个腔室顶部均与排气管15连通，排气管15上设有抽气泵16。为了防止旋转过程中废水也进入排气管，在排气管与反应器外壳相连处设置阀门，使其必须达到一定压力方能排出气体。当腔室内的气体积攒到一定程度，开启抽气泵以定速抽取气体。实际使用时，难免会有液体被抽出，因此可在后续管道中设置储液罐，将此部分废水进行收集，下次重新注入反应器中。反应器最左侧和最右侧分别为进液室13和出液室14，进液室13、出液室14通过回流管8相连，回流管8上设有用于提供回流动力的回流泵12，进液室13还与进液管9相通；其余每个腔室内设有两片固定于中心轴2上且分别连接电源正负极的生物转盘5，作为挂膜载体的同时用作配对电极。如图5和6所示，两片生物转盘5中间密布有多条环绕中心轴2设置的中空纤维膜6，中空纤维膜6一端封闭，另一端穿过中心轴2外壁与液道202相通，使壳体1内液体经过中空纤维膜6过滤后通过液道202排出，使废水在反应器内得到一体化处理，可直接排放。中空纤维膜6与气道201相互隔离。两片生物转盘5中间的气道201外壁开有通孔，使管内气体能够通过通孔排入两片生物转盘5之间；电机7设置于中心轴2一端，用于驱动生物转盘5及中空纤维膜6随中心轴2一起转动。转动时，通过通孔排出的气体便会别迅速打撒为小气泡，加快传质。如图3所示，由于中心轴高速旋转，因此进气管18一端和出液管17一端通过旋转接头3分别与中心轴2的气道201和液道202相连，出液管17另一端连接抽液泵4。由于含氮废气中较多的含义NO，因此进气管18另一端连接臭氧发生器10，用于对NO进行氧化，同时提供氧气。生物转盘5通过电刷进行供电。该反应器能大大提高NOX传质速率，而不需要添加EDTA。
与仅以有机物为电子供体的脱氮反应比较，在增加电流之后，有机物和氢气可以同时作为脱氮反应的电子供体而被利用，能提高反应速度和达到完全脱氮，并且脱氮速度随电流的加大而加大。当有机物用完之后，脱氮反应主要依赖于电解产生的氢气。
生物转盘5作为电极时，应对材料进行特殊选择。作为一种优选方式，生物转盘5采用石墨板作为材料。为了将材料的优点结合利用起来，阴极采用石墨板做骨架，两边各粘贴一层活性炭纤维，最后制成的电极。活性炭纤维大大增加了比表面积，同时提高了装置的处理效率。
由于微生物的反应温度对污水处理效果以及传质速率都有较大的影响，因此在所述的生物转盘5在石墨板及活性炭纤维之间还设有用于维持生物转盘表面温度的恒温发热层，而该温度通常维持在25～35之间。
如图7所示，由于中空纤维膜较为脆弱，因此两片生物转盘5之间同轴设置有若干个半径不一且绝缘的圆环形固定件19。圆环形固定件19在不同半径处固定环形设置的中空纤维膜6，且中空纤维膜6的外端固定于最外圈的圆环形固定件19上，使中空纤维膜6在转动时相对于生物转盘5不会发生位移。图7中仅示出一条最外圈的圆环形固定件19，在径向不同位置处可同心设置多条。
电极反应器内的水力条件对最终处理结果影响较大，常规反应器中的废水由于混合不匀，会降低处理效果。本反应器中，每隔一个腔室内的生物转盘5上设有共轴反转装置，使位于相邻两个腔室内的生物转盘5呈相反方向转动。而且在实际使用过程中，可在腔室内装上可调整位置的引流板，在超重力旋转时，收起引流板，在反硝化时，打开引流板，通过回流管的回流，使整个反应器内的废水能够有效地流动混合。试验证明，共轴反转装置能够有效地提高废水处理效果。
本发明还提供了一种上述共轴反转装置的实现方式，生物转盘5通过轴承固定于中心轴2上，轴承一侧的中心轴2外壁一周设有轮齿，生物转盘5上设有与中心轴2同轴的内齿轮，内齿轮与中心轴2外壁的轮齿之间通过传动齿轮配合连接；其中隔板11两侧的两个腔室中，一个腔室内的传动齿轮为2个，另一个腔室内的传动齿轮为3个，且传动齿轮均为相同的齿轮，由中心轴2外壁的轮齿依次向内齿轮传动，由中心轴带动第一个齿轮，再由其带动第二个齿轮(若有第3个，也类似进行传动)，并由最外侧的齿轮带动内齿轮转动。因此，拥有2个传动齿轮的生物转盘与拥有3个传动齿轮的生物转盘，其旋转方向必然不同。且由于传动齿轮相同，其转速却能够保持一致。
在超重力旋转过程中，由于各腔室相通，但生物转盘旋转方向相反，因此必然会引起水力干扰。因此对隔板进行了特殊设计。作为一种实施方式，如图8所示，隔板11采用伸缩式隔板，其本体包括固定板111和延长板112，固定板111沿横截面设置并固定于壳体1上，且固定板111一端与壳体1间留有空隙；延长板112嵌套于固定板111内，且与推动装置113相连，推动装置113用于将延长板112推出并填满固定板111一端与壳体1间的空隙，使隔板11两侧的腔室相互隔离。推动装置113的设置可如图9所示。
为了使电极得到更有效的利用，所述的隔板11上均匀开设若干排通孔，用于使隔板11两侧的两片生物转盘5之间也能形成配对电极。同时，由于仅设置了通孔，因此也能减少隔板11两侧腔室内废水在生物转盘5旋转过程中的水力干扰。
本装置中，超重力旋转时，中空纤维膜6需有较强的抗压力同时由于要直接过滤出水，需有优异的过滤性能。本发明中中空纤维膜采用干湿纺丝法，其具体步骤如下：
铸膜液的原料为：
聚合物：聚砜(PES)/聚偏氟乙烯(PVDF)20～30％
溶剂：N-甲基吡咯烷酮(NMP)60％～80％
添加剂：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/聚乙二醇(PEG)1～5％
将上述原料配制成铸膜液，在油浴65℃中搅拌24h，抽真空，静置12h脱泡；
以去离子水为芯液并进行凝固浴，再进行纺丝，得到中空纤维膜，纺丝工艺条件为:
铸膜液温度：35～55℃
凝固浴温度：20～30℃
喷丝头与凝固浴液面的空气间隙：10～20cm
料液罐压力：0.01～0.05MPa
芯液流速：20～25mL/min。
本方法制备的中空纤维膜，其抗拉力性能突出，且过滤效果良好，其使用寿命比市售某类的中空纤维膜长2～3倍。
基于上述装置，本发明提出了一种使用该反应器同步去除含氮废水废气的方法，包括如下步骤：
1)向反应器中注入待处理废水和含菌种的污泥，根据相关的废水水质依次进行污泥培养、富集、驯化，该过程完成后可使生物转盘5、中空纤维膜6都得到挂膜；完成挂膜后，污泥大部分即可排出反应器。
2)通过进液管9向反应器内注满含氮废水后停止进水。
3)将含氮废气通入接有臭氧发生器，将NO氧化为NO2，同时产生氧气。
4)隔板11中的延长板112伸出，使相邻的腔室隔开；再控制生物转盘5进行旋转形成超重力水流，同时将步骤3)氧化后的混合气体从进气管通过中心轴2的气道201进入反应器内，并由通气孔将废气从两片生物转盘5间排出，被中空纤维膜6打散为微小气泡，利用超重力水流延长气液接触时间和加速氮氧化物的传质速率，使废气中的含氮物质转换为NO3-，同时利用废气中的氧气为生物膜上微生物的硝化作用供氧，净化后的气体由顶部排气管15排出，抽气泵16抽气速率与进气管18进气速率一致，以尽量减少废水进入排气管的可能性。
5)当废水中NO3-含量达到预设值时，降低中心轴2转动速率至10～50rpm，同时将延长板112收回隔板11中，使相邻的腔室相连；利用共轴反转装置使相邻的不同腔室内的生物转盘5以相反方向转动，不同腔室内的水流能形成弦型连续水流，并到达最后一个腔室时由回流管8和回流泵12重新抽至第一个腔室；同时利用恒温发热层调节生物转盘表面及反应器内的温度至预设值。
6)停止将步骤3)氧化后的混合气体通入反应器，使废水中溶解氧含量降低；对同一腔室中的两片生物转盘5通电，使其形成配对电极，中空纤维膜上形成的生物膜利用电极反应提供的电子进行反硝化作用，将硝酸根和亚硝酸根转化成氮气，产生的氮气由排气管15排出。
7)处理后的废水在抽液泵4的作用下，经过中空纤维膜6过滤，由出液管17排出，再重新通入新的废水循环前述步骤中的过程。
实际使用时，为了能够实现连续处理，可将多台反应器进行联用，依次进行废气通气和反硝化的过程。
实施例
将上述所述的多种优选方式中的装置进行组合，即以如图1和2所示的装置及前述的同步去除含氮废水废气的方法对NO浓度为1100ppm的烟气进行处理，将烟气通入接有臭氧发生器(出口臭氧浓度为200mg/L,出口混合气体流量为0.5m3/h)的中间储气罐后，60％的NO被臭氧氧化成易溶于水的NO2，同时产生氧气。NO、NO2、O2在储气罐内混合均匀后以5L/min通入体积为10L的反应器内，在转速为300～700rpm的超重力作用下，NO与通入反应器内的流速为2.5L/min的含氮污水有良好的传质效果，污水水质为COD浓度是5000mg/L、BOD浓度是1500mg/L、氨氮浓度是50mg/L，使得NO能完全溶解形成硝酸根和亚硝酸根，NO2溶于污水形成硝酸根，通入反应器内的含氮污水在O2条件下发生硝化作用将铵根转化成硝酸根和亚硝酸根。中空纤维膜上和生物转盘上形成的生物膜利用电压为3V，电流密度为0.2A/m2的电极反应提供的电子进行反硝化作用，将硝酸根和亚硝酸根转化成氮气排出，通过处理后废气中氮氧化物的去除率在99.6％以上，排出的废水中COD为10.2mg/L，BOD为4.7mg/L，氨氮浓度为0.9mg/L，硝酸根浓度为0.11mg/L，电导率为1.0mS/cm，完全达到排放标准。由此表面本发明提供的装置能够有效地同时处理含氮废水和废气。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其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。