一种电生物填料组件及厌氧电生物脱氮装置的制作方法

1.本实用新型属于水处理技术领域，特别涉及一种污水处理过程中用的电生物填料组件和厌氧电生物脱氮装置。


背景技术：

2.现有技术针对处理高氨氮废水，采用电辅助法与微生物法相结合形成电辅助微生物体系并通过有机物使氨氮达到降解，这样既可以缩短反应时长，提高反应速率，又能合理利用污水中原本就含有的有机物来降解氨氮，克服了传统厌氧生物法处理氨氮时处理成本高、能源消耗大的缺点。
3.电辅助微生物系统(eams)简称电生物系统，是将具有电催化活性的微生物通过外加电压的作用附着在电极材料上，形成生物膜电极，系统中的阳极和阴极分别发生氧化和还原反应。电生物反应器主要分为单室、双室和多室反应器。它们之间的区别主要在是否有离子交换膜。单室反应器阴阳两级在一个反应器内且没有离子交换膜，双室反应器阴阳两极在两个不同的反应器内且有一个离子交换膜，多室反应器由多个阴阳极构成且每两个相邻的阴极室和阳极室之间都有一个离子交换膜。由于离子交换膜价格昂贵，因此单室反应器的造价成本相对于另外两个反应器来说大大降低，并且由于阴阳两极在一个反应器内，污染物在阴极反应后产生的中间产物能够移动到阳极发生氧化反应被分解，因此构成了一个氧化还原反应的循环。
4.现有的电辅助微生物系统多以金属板或石墨板等作为电极极板，而金属板或石墨板等材料具有价格昂贵，安装繁琐，因为材料比表面积小微生物挂膜缓慢等问题，是造成难以大规模应用的主要原因。
5.因此，有必要解决上述现有技术的缺陷。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，首先提供了一种用于污水处理的电生物填料组件，可以加强电极导电性和稳定性，提高污水中工业源氨氮去除效率，且成本低廉。
7.本实用新型提供的一种电生物填料组件，包括间隔设置的导电纤维正极和导电纤维负极，所述导电纤维正极和所述导电纤维负极是由碳纤维、锦纶或者腈纶和pp纤维混编织成的多个“口”字形单元组合构成的布面，所述导电纤维正极的布面和所述导电纤维负极的布面通过可起绝缘与支撑作用的尼龙连接丝3d编织连接成为一体化电生物填料组件；沿所述导电纤维正极的布面和所述导电纤维负极的布面，向外延伸有多根自由伸展的纤维短丝。
8.可选地，所述“口”字形单元外框包括两条隔开的由12k碳纤维和500—1500d锦纶或者腈纶做经线、1000-3500d的pp纤维做纬线密织成1-2厘米宽的经向带状布边框以及两条隔开的由12k碳纤维和1000-3500d的pp纤维做纬线空织围成1-2厘米宽的纬向带状边框，
所述“口”字形单元中间间隔编织有多条1000-3500d的pp纤维纬线，所述pp纤维纬线中间具有断开的切口，被切断的所述pp纤维纬线的线头沿该切口伸出扩散而形成向外自由伸展的纤维短丝。
9.可选地，所述经向带状布边框的碳纤维两侧具有由500—1500d锦纶或者腈纶做经线、与1000-3500d的pp纤维做纬线交叉编织成的网格，所述纬向带状边框的碳纤维两侧具有采用1000-3500d的pp纤维编织、与该纬向带状边框平行的多股纬线。
10.可选地，每一所述“口”字形单元的所述经向带状布边框和所述纬向带状边框的连接点采用12k碳纤维、500—1500d锦纶或者腈纶和1000-3500d的pp纤维起隆3d立体交叉编织而成。
11.可选地，在每一所述“口”字形单元的所述经向带状布边框和所述纬向带状边框的连接点位置，向外设有可与相邻的所述导电纤维正极的布面和所述导电纤维负极的布面连接、由0.1-0.7毫米尼龙单丝3d起隆交叉编织的所述连接丝，使所述导电纤维正极和所述导电纤维负极连接为整体。
12.可选地，所述导电纤维正极和所述导电纤维负极两端分别设有可与生物膜辅助电源连接和加热电源连接的上、下引出线。
13.本实用新型还提供了一种厌氧电生物脱氮装置，包括上述所述的电生物填料组件，所述电生物填料组件多个间隔排列固定为整体，所述整体的电生物填料组件底部设置至少一个搅拌器，所述电生物填料组件中的所述导电纤维正极和所述导电纤维负极上端与生物膜辅助电源连接。
14.可选地，所述电生物填料组件中的所述导电纤维正极和所述导电纤维负极上、下端与加热电源连接。
15.可选地，所述电生物填料组件通过支架支承悬浮在厌氧电生物脱氮反应器或水池中。
16.本实用新型具有下列技术效果：
17.（1）本实用新型提供的电生物填料组件，以导电纤维负极析出的氢作供体为菌群提供能量，在电极上培养、驯化电极生物膜，利用电极生物膜对废水中毒害性有机物的还原转化，使难降解有机污染物（如硝基芳香烃类、卤代化合物、偶氮化合物）的降解转化速率提高，废水综合毒性降低。
18.（2）本实用新型提供的电生物填料组件，采用可导电的碳纤维和不导电的锦纶或者腈纶以及pp纤维混编织成的布面作为导电纤维的电极，可降低填料制造成本。同时利用布面的编织特性，将pp纤维纬线横向切断使导电纤维正、负极向外延伸自由伸展的纤维短丝，可增加填料组件的挂膜量，提高生物填料的利用率，保证生物膜的反应顺利进行。
19.（3）本实用新型提供的厌氧电生物脱氮装置，能显著提升污水的可生化性（＞25%），对特征污染物的厌氧降解速率提高2-3倍，对废水可生化性的改善以及对生物毒性的消减，大大提升了总体处理效能，为达到一级a排放标准提供了重要的前提。在达到相同处理效果的情况下，以导电纤维负极氢作供体为菌群提供能量，可以充分挖掘废水中可利用碳源、降低三级处理等工段的药剂消耗和运行成本。
20.（4）本实用新型提供的厌氧电生物脱氮装置，可应用于废水脱除硝酸盐氮，也可用于改造水解酸化系统以便提高废水的可生化性；反硝化菌利用其短路加热功能可以适应极
低温度仍然稳定工作。
21.（5）本实用新型提供的厌氧电生物脱氮装置外加电压低，有效降低了工业化实施成本，解决了现有技术采用金属和石墨等传统电极大工程应用难，装置造价高等问题，有较佳的推广价值。
22.本实用新型适用于制药、印染、化工等工业废水的预处理，也可以作为市政污水处理厂或工业园区污水处理系统的水解酸化段升级改造。
附图说明
23.图1为本实用新型电生物填料组件结构实施例示意图；
24.图2为本实用新型电生物填料组件结构中的导电纤维正极布面单元结构实施例示意图；
25.图3为本实用新型电生物填料组件结构中的多个导电纤维正极布面单元组合结构实施例示意图（具有断开的切口）；
26.图4为沿图3 a向的导电纤维正、负极布面连接结构实施例示意图；
27.图5为沿图3 b向的导电纤维正、负极布面连接结构实施例示意图；
28.图6为本实用新型电生物填料组件结构中的导电纤维正极布面单元结构中间pp纤维纬线切断示意图；
29.图7为本实用新型厌氧电生物脱氮装置结构实施例示意图。
具体实施方式
30.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.参见图1-图5，本实用新型提供的一种电生物填料组件1，包括导电纤维正极和导电纤维负极，导电纤维正、负极用于为微生物提供安家场所，并通过外加电场的驯化形成生物膜电极，所述导电纤维正、负极是由导电的碳纤维、锦纶或者腈纶和pp纤维混编织成多个“口”字形单元组合构成的导电纤维正极12的布面和导电纤维负极13的布面，所述导电纤维正极12的布面和导电纤维负极13的布面之间间隔设置，使导电纤维正极12和导电纤维负极13相互绝缘（不导通），导电纤维正极12的布面和导电纤维负极13的布面之间同时通过尼龙连接丝11采用3d编织方式连接成为一体化电生物填料组件1，尼龙连接丝11同时还可以起绝缘与支撑导电纤维正极12的布面和导电纤维负极13的布面的间隔作用。沿所述导电纤维正极12的布面和导电纤维负极13的布面的平面，向外延伸有多根自由伸展的纤维短丝16。
32.本实用新型采用导电的碳纤维、锦纶或者腈纶和pp纤维混编织成的布面作为导电纤维电极，较之于现有技术的不锈钢多孔板或不锈钢网电阻，不仅具有较好的导电性，还具有耐腐蚀、耐磨、耐高温、强度高、柔性好、质轻的特点，同时还具有造价低、比表面积大等优点，织造后的本实用新型导电碳纤维布面成本仅为全部用导电碳纤维丝编织的导电碳纤维布的20%-30%，能够达到柔性高导电效果，可以作为电生物填料中较优的电极材料，进一步在导电纤维正极12的布面和导电纤维负极13的布面向外延伸自由伸展的纤维短丝16，可增加电生物填料组件1的挂膜量，提高生物填料的利用率，保证生物膜的反应顺利进行。
33.参见图2-图6，本实用新型以导电纤维正极12的布面为例详述导电纤维正极12的布面和导电纤维负极13的布面具体的实施例结构，需要说明的是，导电纤维负极13的布面与导电纤维正极12的布面结构相同。
34.参见图2-3，本实用新型导电纤维正极12的布面中的“口”字形单元外框包括两条隔开的经向带状布边框121和纬向带状边框122，围合形成“口”字形单元。所述经向带状布边框121是以12k碳纤维和500—1500d锦纶或者腈纶做经线、1000-3500d的pp纤维做纬线密织成1-2厘米宽的布边，纬向带状边框122是由12k碳纤维和1000-3500d的pp纤维做纬线织成1-2厘米宽的布边，两经向带状布边框121之间因为没有经线，纬线只能空编，故“口”字形单元的中间（两经向带状布边框121之间）间隔编织有多条1000-3500d的pp纤维纬线126。参见图3、图6，本实用新型在pp纤维纬线126的中间，具有断开的切口d，切口d是在导电纤维正极12的布面织造完成后用切刀将pp纤维纬线126横向切断形成。pp纤维纬线126被切断后，其线头可在水流的冲击下逐渐松散、扩散，沿该切口d伸出而形成向外自由伸展的纤维短丝16。
35.请再参见图2-图6，本实用新型具体的实施例中，为方便编织和固定，在经向带状布边框121的两侧，还具有由500—1500d锦纶或者腈纶做经线、与1000-3500d的pp纤维做纬线交叉编织成的网格124；同时，在纬向带状边框122两侧，具有采用1000-3500d的pp纤维编织、与该纬向带状边框122平行的多股纬线125。
36.本实用新型具体的实施例中，在每一
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口”字形单元的经向带状布边框121和纬向带状边框122的连接点123位置，可采用12k碳纤维、500—1500d锦纶或者腈纶和1000-3500d的pp纤维起隆3d立体交叉编织，可增强导电纤维正极12的布面和导电纤维负极13的布面编织后的强度以及连接点123处强度。
37.参见图4-图6，本实用新型具体的实施例中，可利用编织方式，在每一
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口”字形单元的经向带状布边框121和纬向带状边框122的连接点123的位置，向外设有由0.1-0.7mm尼龙单丝交叉编织的连接丝11，连接丝11用于使相邻的导电纤维正极12的布面与导电纤维负极13的连接，并用于导电纤维正极12与导电纤维负极13之间分隔绝缘，同时可起支撑作用，使多个导电纤维正极12的布面和导电纤维负极13的布面相互分隔排列并编织连接成为一体化电生物填料组件1。这样，可直接通过编织方式将多个导电纤维正极12的布面和导电纤维负极13的布面连接为整体，不需要另外的构件，简单方便，成本低。
38.本实用新型采用碳纤维、锦纶或者腈纶以及pp纤维混编织造的布帘，纬向宽度为1-1.5米，经向长度可达50-100米，在使用时按照实际应用所需的长度裁切即可。
39.请再参见图4，在导电纤维正极12和导电纤维负极13的上端，分别设有正极上引出线14和负极上引出线15，用于与生物膜辅助电源2（电源电压0.3-0.8v）连接，形成电生物组件。进一步地，在导电纤维正极12和导电纤维负极13的下端，还分别设有正极下引出线17和负极下引出线18，用于与正极上引出线14和负极上引出线15一起连接加热电源4，利用电极短路加热功能，使电生物填料组件1在极低温度下仍能稳定工作。
40.参见图7，本实用新型还提供了一种厌氧电生物脱氮装置，包括上述电生物填料组件1，所述电生物填料组件1放在水池3内，或放在厌氧电生物脱氮反应器中，电生物填料组件1可多个间隔排列设置、相互连接，用框形支架6支承固定为整体，电生物填料组件1的顶端固定在框形支架6上，下端在水池3内自由漂浮。在整体连接的电生物填料组件1的底部，
设置至少一个搅拌器5，需要处理的污水进入水池3后，在厌氧状态下反应，反应期间搅拌器5在控制系统控制下间歇式工作。所述电生物填料组件1中的导电纤维正极12和导电纤维负极13上端通过正极上引出线14和负极上引出线15与生物膜辅助电源2连接。通过导电纤维正极12和导电纤维负极13，外加电场驯化反硝化菌形成生物膜电极，使导电纤维负极13析氢，导电纤维正极12析出二氧化碳，细菌利用活性氢作为能源，并同化二氧化碳，应用于厌氧反硝化体系中，自养反硝化菌利用两极产生的h2和co2，将硝酸盐转化为氮气，达到高效率脱氮目的。
41.本实用新型将电生物填料组件1置入厌氧电生物脱氮装置，在厌氧水解酸化过程中，使电化学反应和微生物反应在同一个水池内耦合工作，通过电生物填料组件1中的导电纤维负极13析氢作为碳，提供反硝化反应脱硝酸盐氮和压硝酸盐氮，铁、碳内电极之间产生一定的电流，在铁极产生氢气，在碳极产生二氧化碳，以负极氢作供体为菌群提供能量，在导电纤维正极12和导电纤维负极13上培养、驯化电极生物膜，利用电极生物膜法自养反硝化菌利用两极产生的h2和co2，将硝酸盐转化为氮气，从而达到脱氮的目的。本实用新型激活微生物与污染物之间的代谢通路，降低难降解污染物的复杂度或氧化性，强化废水的脱色、脱毒、脱卤，从而提高污水的可生化性和总体处理效能，降低整体运行成本。
42.进一步参见7，本实用新型还可将导电纤维正极12和导电纤维负极13上端的正极上引出线14和负极上引出线15、下端的正极下引出线17和负极下引出线18一起，与加热电源4连接，其中正极上引出线14和负极下引出线18接加热电源4的正极，负极上引出线15和正极下引出线17接加热电源4的负极，形成短路回路。这种电路的连接，可用于北方冬天极寒天气，利用电生物填料组件1中导电纤维电极本身的特性，使电极以短路加热方法升温1-5℃，加热时通过紧贴电极的热电偶7检测电极生物膜的温度，高到一定温度时反馈信号给控制系统断电，这样在实现反硝化菌的同时利用电极短路加热功能，可提高水池3内水的温度，保证在极低温度下电生物填料组件1仍然稳定工作。工作时只需要电生物填料组件1上生物膜局部保温，考虑水温梯度扩散消耗， 15分钟使水体升温1-5度，在极寒天气也能够保证装置正常工作。
43.本实用新型的上述实施例所示仅为本实用新型较佳实施例之部分，并不能以此局限本实用新型，在不脱离本实用新型精髓的条件下，本领域技术人员所作的任何修改、等同替换和改进等，都属本实用新型的保护范围。