一種新型三維電極-生物膜廢水處理裝置的研制

唐金晶， 曹 淵， 胡寶山， 鮮曉紅

(重慶大學 基礎化學實驗教學中心， 重慶 400044)

0 引 言

1 三維電極-生物膜反應器的設計

1.1 反應器構型

分隔式反應器陽極區利用率低，耗電量較高，反應器進水不易控制。一體式反應器將陽極區和陰極區通過隔膜分隔，不僅克服了分隔式反應器陽極區和陰極區傳質慢的缺點，還可以充分利用陽極，提高反應器的電流效率。因此，本反應器構型設計為一體式電極-生物膜反應器。

1.2 電極材料的選擇

電極材料的選擇主要依據其導電性能、機械強度、吸附性能、電極價格、是否易于微生物固定化和附著生長等。目前，常用的陽極材料為碳陽極。在電解過程中，碳陽極消耗，導致出水色度增加[9]。因此，本反應器選擇惰性金屬鈦作為陽極基體材料，在其表面鍍釕，形成RuO2/Ti陽極，該電極導電性能良好且不易被氧化，電極電位高于水電解析氧電位。

常用的陰極材料有不銹鋼、石墨、活性炭、活性炭纖維等。不銹鋼機械強度高、性能穩定，但不銹鋼光滑，不利于微生物附著生長；石墨、活性碳、活性炭纖維導電性良好，生物親和性較強，但機械強度不好，且穩定性差。綜合比較，本反應器選用碳纖維氈作為陰極，碳纖維氈導電性良好、表面粗糙、纖維直徑小、比表面積大、微孔豐富且分布窄、擴散阻力小、生物親和性強。

1.3 隔膜材料的選擇

1.4 填充電極材料的選擇

在構建三維電極的過程中，常采用金屬導體、導電陶瓷、鐵氧體、鍍上金屬的玻璃球或塑料球、石墨、顆粒活性炭、無煙煤、硫等作為填充電極材料。無煙煤等天然礦物含有未知礦相成分，作為填充電極材料，電化學反應復雜，影響研究的穩定性。以硫作為填充電極材料，易導致出水硫酸根增加。因此，本反應器采用顆?；钚蕴孔鳛樘畛潆姌O材料。顆?；钚蕴繉щ娦院?、易極化，此外，顆?；钚蕴可锔街院?，有利于微生物在其表面的生長，維持反應器內擁有更多的生物量。

單一的顆?；钚蕴孔鳛樘畛潆姌O材料時，易形成短路電流，降低反應器的電流效率，因此，本反應器采用顆?；钚蕴亢筒Ａе榈幕旌衔镒鳛樘畛潆姌O材料。

1.5 三維電極-生物膜反應器的構建及設計參數

在三維電極體系的陰極區域培養脫氮微生物，形成如圖1所示的一體式電極-生物膜反應器。

圖1 三維電極-生物膜裝置示意圖

設計長方體型的反應器被醋酸纖維素膜分隔為陽極區和陰極區， RuO2/Ti緊貼在反應器陽極區內壁作為陽極;活性炭纖維氈緊貼在陰極區內壁作為陰極，顆粒活性炭和玻璃珠的混合物作為填充電極填充在反應器陰極區域。采用直流穩壓電源為反應器提供電流。

主要設計參數如下。

(1) 反應器主體。尺寸：陽極區15 cm×15 cm×5 cm，陰極區15 cm×15 cm×10 cm；有效容積：陽極區0.5 L；陰極區1.0 L，加入填充電極后，陰極區的有效容積為0.6 L。

(2) 電源和電極。直流穩壓電源：輸出電壓0～30 V；電流表：0～100 mA；陽極：釕涂層鈦板(10 cm×10 cm)(寶雞市昌立特種金屬有限公司)，置于陽極區反應器內壁，有效面積100 cm2；陰極：活性炭纖維氈(10 cm×10 cm)(南通森友碳纖維有限公司)，緊貼于陰極區反應器內壁，有效面積100 cm2，外觀為黑色針刺氈，單絲直徑10～20 μm，強度>5 kg/m，灰份0.5%～1.0%，堆積密度0.04～0.06 g/cm3，孔徑分布：20×10-10以下占83.9%，(20～40)10-10占6.1%，(40～100)10-10占6.2%，100×10-10以上占3.8%；電極間距15 cm。

(3) 填料。煤質柱狀活性炭顆粒，柱長2～7 mm，粒徑2～3 mm；玻璃珠，粒徑2～3 mm；

(4) 隔膜。醋酸纖維膜(杭州火炬西斗門膜工業有限公司)，10 cm×10 cm，有效面積100 cm2，纖維內徑0.8 mm，平均孔徑為0.02 μm，切割相對分子質量為1 000～50 000 Da。

2 三維電極-生物膜反應器的啟動

通過改變加載的電流，逐步使電極-生物膜反應器穩定，完成電極-生物膜反應器的快速啟動。反應器啟動階段的參數如表1所示。

表1 啟動階段運行條件參數

3 三維電極-生物膜反應器脫氮能效分析

電化學方法處理廢水一直存在著能耗高的不足，雖然三維電極體系比傳統的二維電極體系的電流效率高、時空產率大，但將三維電極體系用于廢水處理的實踐中，反應器的能效仍是關注的焦點。

EC=UIt×10-3/(VQE)

式中：EC為脫氮能效，kW·h / kg；U為電壓，V；I為電流，A；t為通電時間，h；V為反應器有效體積，L；Q為進水TN濃度，kg/L；E為TN去除率。

4 結 語

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