本发明涉及一种功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置及其处理废水的方法，属于废水生物处理技术领域。
背景技术：
生物电化学技术作为一种新型的水处理技术，它可以结合生物和电化学技术的优势，成功实现废水处理同步产能、产高附加值产物等功能，受到国内外学者的广泛关注。尤其是引入生物阴极和外加较小电压的情况下，对去除一些难降解的污染物或将其转化为易降解或低毒性的物质上具有很大的潜力。
生物电化学技术在废水处理方面取得了很好的效果，但在生物电化学反应装置的开发应用及规模化放大方面还存在很大的局限性。放大化的方法主要是直接进行体积放大，但直接放大会增加反应器内阻，且存在反应器越大效果越不佳的缺点，且不易调控。因此提供一种新型的生物电化学废水处理放大装置及其处理废水的方法是十分必要的。
技术实现要素：
本发明为了解决生物电化学反应器的放大难、不易调控等问题，提供了功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置及其处理废水的方法。
一种功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置，该装置由下至上依次由布水器1和主体部分组成，主体部分由多个生物电化学模块堆叠组成；多个生物电化学模块之间通过法兰相连，法兰之间放置胶垫保证各模块的密闭性；
所述的生物电化学模块为环绕电极排布的套筒结构，包括内筒和外筒，内筒的内部为阳极室，放置阳极材料；内筒与外筒之间形成的腔室为阴极室，放置阴极材料；所述的阳极室和阴极室由阳离子交换膜分隔，阳离子交换膜位于内筒外壁上，内筒的筒壁上分布有孔；所述的阳极材料和阴极材料通过导线与电源和外电阻连成闭合回路；
所述的生物电化学模块的外筒底部设有进水孔，外筒顶部设有出水孔，相邻的生物电化学模块的进水孔和出水孔通过导管连通。
进一步地，生物电化学模块数量为3个，在实际操作时，堆叠模块的数量可以根据处理水质的难易程度进行调整。
进一步地，生物电化学模块外筒设有取样口2。
进一步地，生物电化学模块的阴极材料为碳纤维、碳颗粒、石墨颗粒、碳毡、碳布、不锈钢网或泡沫镍及其改性材料。
进一步地，生物电化学模块的阳极材料为碳纤维、碳颗粒、石墨颗粒、碳毡、碳布、不锈钢网或泡沫镍及其改性材料。
进一步地，生物电化学模块的阴极室和阳极室位置可以调换。
进一步地，生物电化学模块的阴极室和阳极室位置根据废水的水质氧化还原性能确定。
上述功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置的处理废水的方法，该方法的具体步骤如下：
在外加电压的条件下，将废水通过布水器布水由下至上依次流经多个生物电化学模块，然后经最上方生物电化学模块的出水口流出。
进一步地，生物电化学模块的电压为0.3v-0.7v。
进一步地，生物电化学模块的外电阻为20ω。
本发明具有以下有益效果：本发明采用功能模块堆叠放大来实现生物电化学模块工作体积的增加，通过小型生物电化学模块堆叠构建生物电化学反应器，实现反应器的堆叠放大和生物电化学模块的可调可控放大的同时，实现污染物的梯级利用，对水质波动大的废水具有处理优势，且在每个模块中可根据水质特点建立特殊的功能菌群，更有利于发挥生物降解强化作用，实现难降解有机污染物的梯级降解和阶段去除，对于生物电化学技术规模化应用和难降解废水的加速处理，具有一定的指导意义。
本发明的废水处理方法具有生物法和电化学法的共同优势，在生物催化和电化学催化的共同作用下，可以实现对废水生物处理的增效作用。采用环绕式电极排布的生物电化学模块具有结构紧凑、内阻小的优点，有利于污染物的毒性降低或毒性解除。采用功能模块堆叠放大的方式，使得每个模块为一个单元，有利于微生物形成功能菌群，有效的发挥生物降解作用，当废水依次流经各级模块，可以实现污染物的梯级利用和毒性解除，从而强化污染物降解。这种模块堆叠的方式进行反应器的放大化，容易构建、组装、扩展和维修，且可减少水质波动对运行效能的影响，操作方便，可调可控，在生物电化学技术的放大化和规模化应用上更具有实用性。
此外，采用模块堆叠方式还具有以下优点：1)模块紧凑，高效，容易组装；2)使得反应装置容易构建，扩展和维修；3)减小外界因素导致的波动和风险。最终有利于提高反应装置的运行效能。
附图说明
图1为功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置示意图；
图2为实施例1中功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置对偶氮染料废水处理过程中每级模块的染料及其产物浓度变化；
图3为实施例1中功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置对偶氮染料废水处理过程中每个模块的化学需氧量(cod)去除效能。
图中1-布水器，2-取样口。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
如图1所示，本实施方式的功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置的结构如下：
该装置由下至上依次由布水器1和主体部分，主体部分由三组生物电化学模块组装而成，由下至上依次为第一级模块、第二级模块和第三级模块，第一级模块、第二级模块和第三级模块相同均为生物电化学模块。生物电化学模块采用环绕式电极排布的电极模块，由内筒和外筒组成，即由内径较小的内筒和内径较大的外筒组成，其中内筒上均匀布满小孔，粘贴有阳离子交换膜组成内部的阳极区，内筒壁和外筒壁之间形成的腔体为阴极区。阳极区放置有阳极材料，阳极材料具体为碳刷，阴极区放置有阴极材料，阴极材料具体为碳刷，阴极材料和阳极材料之间通过导线与电源和外电阻连成闭合回路，其中电源电压为0.5v，外电阻为20ω。废水通过布水器分别流经三个模块，三个模块之间通过法兰连接并且采用硅胶圈保证其密闭性，通过螺栓和螺帽固定。并在每个模块上设置有进水口、出水口、和取样口。进水口在底部，出水口在上部，相邻的生物电化学模块的进水孔和出水孔通过导管连通。
采用上述功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置进行废水处理的方法如下：以偶氮染料为处理目标，选取酸性橙为模式染料，以葡萄糖为共基质，外加电压0.5v，外接20ω电阻的条件下进行反应器的启动和运行。采用蠕动泵从布水器进水，以连续流方式运行，废水依次流经三级生物电化学模块，即第一级模块、第二级模块和第三级模块。其中偶氮染料酸性橙的浓度为200mg·l-1，葡萄糖浓度为1000mgl-1，设置水力停留时间分别为24h，12h，8h，6h和5h，进水污染物负荷分别为200g·m-3·d-1，400g·m-3·d-1，600g·m-3·d-1，800g·m-3·d-1和1000g·m-3·d-1进行实验。
实验结果如下：
当偶氮染料连续进入三级堆叠生物电化学反应装置，进水依次流经第一级模块、第二级模块和第三级模块，分析堆叠放大生物电化学反应器中各模块对偶氮染料脱色的贡献，并对每级模块废水梯级利用的情况进行考查。
从各级模块的脱色效能可以看出在功能模块堆叠放大的生物电化学反应装置中，脱色是三级电极模块共同作用的结果，如图2所示，在不同进水负荷下，各堆叠模块对脱色率的贡献是不同的。当负荷为200gm-3d-1时，反应器总脱色率为87.7％，第一级模块、第二级模块和第三级模块三者对脱色的贡献分别为68.9％，13.2％，5.6％。当负荷为1000gm–3d-1时，总的负荷率下降至71.4％，相应的第一级模块降至21.8％，而第二级模块和第三级模块增加至26.3％和23.3％。这表明当进水染料负荷较低时，三级堆叠生物电化学装置中主要是第一级模块在发挥作用，此时，电极微生物可以适应较低的负荷，具有很好的电催化活性，同时底物比较充足，可以为染料的还原提供充足的电子和质子。然而随着负荷增加，第一级模块的脱色率下降，第二级模块脱色率增加，第三级模块脱色效能逐渐提高，并且可能会继续增加直到达到其耐受负荷。三级模块堆叠的生物电化学装置性能改善体现了采用电极模块堆叠可以减弱系统性能的降低，具有反应器放大的可行性及优势，尤其是对高负荷污染物的去除，从而可能对水质变化幅度大的废水有望获得更好的效果。
为了对功能模块堆叠放大的生物电化学反应装置中各级模块污染物的梯级利用情况进行研究，在不同进水负荷(200～1000gm-3d-1)下，进一步考查了三级堆叠生物电化学反应装置对cod的去除率，如图3所示。当负荷为200gm-3d-1时，总cod去除率为50.9％，其中第一级模块、第二级模块和第三级模块三级模块的cod去除率分别为32.1％，15.3％，3.5％；当负荷为1000gm-3d-1时，总cod去除率为42.1％，其中第一级模块、第二级模块和第三级模块三者的cod去除率分别为18.9％，15.8％和7.4％。可以看出进水负荷不同时，各级模块的cod去除效果不同。三者相比，堆叠放大的生物电化学反应器中的第一级模块对cod去除贡献最大。cod的去除主要是葡萄糖消耗的结果，同时，微生物分解葡萄糖的过程中释放的还原力(如电子)可以用于偶氮染料还原，实现染料的厌氧还原脱色。
以上结果可以看出，在功能模块堆叠放大的生物电化学装置中，当废水流经反应装置，在外加较小电压的情况下，偶氮染料酸性橙发生偶氮键断裂还原脱色生成芳香胺类产物，这些产物均易于好氧处理，从而实现难降解废水的预处理，提高废水的可生化性，便于后续进一步深度处理。本实验可强化难降解有机废水的处理，采用模块化堆叠，使得每个模块为一个单元，可以形成污染物的梯级利用和毒性解除，更有利于微生物形成功能菌群，有效的发挥生物降解作用，且具有耐负荷高、处理效率高、稳定性好、易于组装放大应用的优势。
技术特征：
1.一种功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置，其特征在于，该装置由下至上依次由布水器1和主体部分组成，主体部分由多个生物电化学模块堆叠组成；多个生物电化学模块之间通过法兰相连，法兰之间放置胶垫保证各模块的密闭性；
所述的生物电化学模块为环绕电极排布的套筒结构，包括内筒和外筒，内筒的内部为阳极室，放置阳极材料；内筒与外筒之间形成的腔室为阴极室，放置阴极材料；所述的阳极室和阴极室由阳离子交换膜分隔，阳离子交换膜位于内筒外壁上，内筒的筒壁上分布有孔；所述的阳极材料和阴极材料通过导线与电源和外电阻连成闭合回路；
所述的生物电化学模块的外筒底部设有进水孔，外筒顶部设有出水孔，相邻的生物电化学模块的进水孔和出水孔通过导管连通。
2.根据权利要求1所述的一种功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置，其特征在于，所述的生物电化学模块数量为3个。
3.根据权利要求1所述的一种功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置，其特征在于，所述的生物电化学模块外筒设有取样口2。
4.根据权利要求1所述的一种功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置，其特征在于，所述的生物电化学模块的阴极材料为碳纤维、碳颗粒、石墨颗粒、碳毡、碳布、不锈钢网或泡沫镍。
5.根据权利要求1所述的一种功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置，其特征在于，所述的生物电化学模块的阳极材料为碳纤维、碳颗粒、石墨颗粒、碳毡、碳布、不锈钢网或泡沫镍。
6.根据权利要求1所述的一种功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置，其特征在于，所述的生物电化学模块的阴极室和阳极室位置可以调换。
7.根据权利要求6所述的一种功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置，其特征在于，所述的生物电化学模块的阴极室和阳极室位置根据废水的水质氧化还原性能确定。
8.权利要求1所述的功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置的处理废水的方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：
在外加电压的条件下，将废水通过布水器布水由下至上依次流经多个生物电化学模块，然后经最上方生物电化学模块的出水口流出。
9.根据权利要求8所述的功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置的处理废水的方法，其特征在于，所述的生物电化学模块的电压为0.3v-0.7v。
10.根据权利要求8所述的功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置的处理废水的方法，其特征在于，所述的外电阻为20ω。
技术总结
本发明公开了一种功能模块堆叠放大的生物电化学废水处理装置及其处理废水的方法，属于废水生物处理技术领域。本发明通过小型生物电化学模块堆叠构建生物电化学反应器，废水依次流经各级模块，通过阶段处理和梯度去除的方式，可实现生物催化和电化学催化对难降解废水的预处理作用，实现污染物的毒性降低或毒性解除。采用环绕式电极排布的生物电化学模块，具有结构紧凑、内阻小的优点，减小电极相对距离，有利于电子和质子的传递，使电极充分被利用，进而强化污染物降解；采用模块化堆叠，使得每个模块为一个单元，可以形成污染物的梯级利用和毒性解除，更有利于微生物形成功能菌群，有效的发挥生物降解作用。
技术开发人、权利持有人：孔凡英;任宏宇;任南琪
