电渗析离子交换膜生物反应器去除水中高氯酸盐的方法

摘要

本发明涉及一种电渗析离子交换膜生物反应器去除水中高氯酸盐的方法，属于水处理技术的应用领域。其技术原理是对直流电渗析槽进行重新构造，使得反应装置包括电极(阴极、阳极)、电渗析室、膜生物反应室等单元。受高氯酸盐污染的原水首先进入阴极室，在电场的作用下，水中的高氯酸根透过阴离子交换膜富集于膜生物反应室；在膜生物反应室施加高氯酸盐还原菌液和电子供体物质，高氯酸根在膜生物反应室内由微生物生化还原去除；而后，原水由阴极室进入阳极室，直至最终出水。本方法去除高氯酸盐操作简单，占地面积小，处理效率高，原水与高氯酸盐还原菌及电子供体始终不接触，避免了二次污染。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电渗析离子交换膜生物反应器去除水中高氯酸盐的方法，属于水处理技 术的应用领域。本发明提出一种将电渗析与离子交换膜生物反应器协同作用去除水中高氯酸 盐的方法。具体是对直流电渗析槽进行重新构造，使得水中高氯酸盐在电场作用下渗析富集 至离子交换膜生物反应室，在反应室内添加菌体及电子供体，高氯酸盐通过微生物还原反应 得以转化，同时，基于膜生物反应器的优点，出水水质较高，无微生物残余。

技术背景

随着工业化的进行，世界上各地的饮用水都受到了高氯酸盐的污染，美国于20世纪90年 代前后一些州和联邦的环保机构发现饮用水中有高氯酸盐的存在。多年来，高氯酸盐被广泛 用于火箭推进剂、烟火制造、军火工业、汽车气袋、高速公路安全闪光板等，也作为添加剂 被用于润滑油、织物固定剂、电镀液、皮革鞣剂、橡胶制品、染料涂料、冶炼铝和镁电池等 产品的生产中，随着生产和使用中高氯酸盐的排放和废弃使其越来越多地进入到环境中。由 于高氯酸盐高溶解性，高迁移性，高富集性，低降解性的理化特性，使得我国的地下饮用水 面临着高氯酸盐大片污染的问题。这使得我国用水的安全面临着严峻挑战。

高氯酸盐的去除方法常见的有物理法、化学法、生物法三大类。物理法是将高氯酸盐从 水中分离出来，有较好的去除效果。但实际中会产生富含高氯酸盐的浓卤水难以处理。高氯 酸盐化学性质较稳定，普通的还原剂不能将其还原。大多数化学还原反应的反应速率较慢， 大规模的应用需要使用一种高效安全的催化剂，这就使得处理成本较高。目前，生物法降解 高氯酸盐的应用较为广泛。生物降解法是利用微生物，在电子供体(还原剂)的作用下将高氯 酸盐还原的方法。微生物将ClO₄^-、ClO₃^-等作为电子受体，以有机物(醇类、羧酸类、羧酸 盐类等)或无机物质(如Fe、H₂、S等)为电子供体，当电子从电子供体到达电子受体上时， 产生能量，微生物利用这部分能量合成新细胞，并逐步把ClO₄^-降解，从而达到去除目。

发明内容

本发明针对一般物理化学过程难以去除的高氯酸盐，提出一种基于物化与生化过程协同 去除高氯酸盐的方法及其相关反应器。本发明充分克服了电渗析和离子交换膜生物反应器各 自的缺陷，充分发挥二者之间的优势，通过电渗析与离子交换膜生物反应器还原去除高氯酸 盐过程相结合，形成一种无二次污染、操作简单、易于在工程中应用的水中高氯酸盐去除技 术。

本发明的技术原理是：在电渗析的作用下，水中的高氯酸根透过阴极室的阴离子交换膜 进入并富集于膜生物反应室；在膜生物反应室施加高氯酸盐还原菌液，并添加电子供体物质， 高氯酸根在膜生物反应室内由微生物生化还原去除；同时，原水由阴极室进入阳极室，直至 最终出水。上述过程充分发挥了电化学与微生物的作用，有效提高了处理效率，并充分简化 了生物处理单元。

为了实现上述目的，本发明采取如下方案：

对直流电渗析槽进行重新构造，在直流电解槽内分别采用阴、阳离子交换膜将阴、阳两 极隔开，使得电解槽分为阴极室、离子交换膜生物反应器室(简称膜生物反应室)、阳极室三 个区域；受高氯酸盐污染的原水首先进入阴极室，在电场的作用下，水中的高氯酸根透过阴 极室的阴离子交换膜进入并富集于膜生物反应室；在膜生物反应室施加高氯酸盐还原菌液， 并添加电子供体物质，高氯酸根在膜生物反应室内由微生物生化还原去除；原水由阴极室进 入阳极室，直至最终出水。

本发明所述的反应器采用连续进出水模式，原水经由阴极室进入阳极室，直至最终出水， 始终未与高氯酸盐还原菌、电子供体物质相接触，生化反应被限定在膜生物反应室内进行， 从而避免二次污染。

分割直流电解槽时，阴离子交换膜分割阴极室，阳离子交换膜分割阳极室，阴阳两极施 加0～100V的电压。

所述的反应器电解槽阳极采用包括钛板、钌板、或钛-钌在内的任意一种材料制成的极板； 阴极采用包括不锈钢板、铁板、铝板、铜板、石墨板、碳纤维片、镍板、钛板、或钛-钌的任 意一种材料制成的极板。

膜生物反应器室施加的电子供体包括有机碳源或无机电子供体；有机碳源包括醇类、羧 酸类、羧酸盐类在内的常见有机碳源；无机电子供体包括硫磺、二价硫离子、硫代硫酸盐在 内的无机还原性物质。

膜生物反应室所施加的高氯酸盐还原菌浓度范围为500mg/L-20000mg/L；高氯酸盐还 原菌可由活性污泥接种，由电子供体逐步驯化培养。

当膜生物反应室内氯离子浓度超过1000mg/L时，或反应器去除效果不理想时，需更换 膜生物反应室溶液，需要保留菌体，加入电子供体物质用于新一轮的操作。

本发明所述的高氯酸盐去除方法可以去除地下水、地表水和生活污水中的高氯酸盐。

本发明突出的优点是：电渗析作用下，强化了高氯酸盐在膜生物反应器内的富集；膜生 物反应器内发生生化反应，加大膜两侧离子浓度差，对渗析有促进作用，从而节约电渗析能 耗；原水进出反应装置过程始终不与高氯酸盐还原菌及电子供体相接触，生物量不损失，同 时避免了二次污染；生物处理单元简单，易于操作，占地面积小。此外，本发明反应器可以 多组并联使用以扩大其处理能力。

附图说明：

图1本发明反应原理示意图

图2本发明反应器装置

附图标记：

1阳极室；2膜生物反应室；3阴极室；4阴极；5阳极；6阴离子交换膜；7阳离子交 换膜；8直流电源；9高氯酸盐还原菌；10搅拌；

具体实施方式

实施例1：反应器总有效体积1.5L，阴极室、阳极室及膜生物反应室有效体积均为500mL， 且底部均采用搅拌方式使得溶液混合均匀。采用钛钌网板作为阳极，不锈钢板作阴极，保持 施加电压10V，膜生物反应室微生物浓度3000mg/L，停留时间4h，加入电子供体无水乙醇 10mg/L。进水ClO₄^-初始浓度20mg/L，反应器ClO₄^-去除率＞95％。

实施例2：反应器同实施例1，保持施加电压15V，膜生物反应室微生物浓度4000mg/L，停 留时间3h，加入电子供体粉末硫磺为2g。进水ClO₄^-初始浓度15mg/L，反应器ClO₄^-去除率 ＞95％。

实施例3：反应器同实施例1，保持施加电压15V，膜生物反应室微生物浓度4000mg/L， 停留时间3h，加入50mg/L乙酸钠，进水ClO₄^-初始浓度15mg/L，反应器ClO₄^-去除率＞95％。

实施例4：反应器同实施例1，保持施加电压20V，膜生物反应室微生物浓度4000mg/L， 停留时间3h，加入60mg/L丙酮酸钠，进水ClO₄^-初始浓度20mg/L，停留时间3h，反应器 ClO₄^-去除率＞95％。