[發明專利]電化學與生物氫自養協同作用深度轉化水中高氯酸鹽的方法

有效

• 申請號: 201510304887.8
• 申請日: 2015-06-08
• 公開（公告）號: CN104843953B
• 公開（公告）日: 2017-07-18
• 發明（設計）人: 萬東錦;牛振華;肖書虎;劉永德;王依依;張健
• 申請（專利權）人: 河南工業大學
• 主分類號: C02F9/14
• 分類號: C02F9/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及水中高氯酸鹽的去除方法，屬于水處理技術的應用領域。本發明提出了一種電化學與生物氫自養協同作用深度去除水中高氯酸鹽的方法和反應器，具體是將電化學反應與微生物氫自養有機結合，高氯酸鹽首先在陰極電解產氫及氫自養細菌的作用下被還原為氯離子，而后氯離子在電化學陽極氧化的作用下被氧化生成活性氯，活性氯具有殺菌、提升水質的作用，從而實現高氯酸鹽→氯離子→活性氯的深度轉化。

技術背景

當下，由于現代工業的發展，含高氯酸鹽的物質廣泛使用，其主要應用于火箭固體燃料或動能助推器以及紡織染料、煙火生產、皮革制造等領域。高氯酸鹽具有高擴散性、高穩定性、高溶解性及持久性等特點，容易向地下水層瀝濾，造成水體污染。近些年來，對高氯酸鹽毒理研究使人們逐漸認識到其流入環境的嚴重后果和對人體健康的嚴重威脅。飲用水中高氯酸鹽的危害主要是干擾人體甲狀腺的正常功能，造成甲狀腺功能失調，影響人體的發育，尤其是對嬰兒的中樞神經系統和大腦組織的發育產生影響，引起智力缺陷。鑒于高氯酸鹽的危害，2005年2月，高氯酸鹽被美國環保署列入第一批環境污染物候選名單，建議飲用水標準中高氯酸根的質量濃度限值為24.5μg/L，并規定其人體健康參考劑量為每天0.7μg/L。而我國，對高氯酸鹽污染相關研究的開展尚處于起步階段，《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)還未有相關規定。但不可否認的是，對于很多以地下水為飲用水源的地區來說，水中高氯酸鹽的凈化給現行的水處理技術帶來挑戰。

目前，比較成熟的高氯酸鹽去除工藝可以分為物理法、生物法和化學法。物理法主要包括吸附法、離子交換法和膜分離法。但物理法只是發生了污染物的轉移或濃縮，并沒有對其進行徹底的轉化。生物法可以徹底將高氯酸鹽轉化成氯離子，目前得到了廣泛的應用，其原理是通過微生物的新陳代謝作用將高氯酸鹽還原為氯離子，根據微生物所需碳源的不同，可以分為異養去除高氯酸鹽法和自養去除高氯酸鹽法。異養去除高氯酸鹽法反應速度快，反應效率高，但污泥增殖較為迅速，同時需要外加有機碳源，容易造成二次污染；自養以氫氣作為理想電子供體去除高氯酸鹽，在無機碳作為碳源的條件下將高氯酸鹽轉化，細菌增殖較慢，反應產物較簡單，清潔，不存在二次污染的問題。但氫氣存在著易燃易爆，不易運輸，溶解度低等問題。需要指出的是，對于生物還原高氯酸鹽技術來說，高氯酸鹽被還原的產物為氯離子，高濃度氯離子存在于水溶液中仍會造成水體苦咸味、土壤鹽堿化、管道腐蝕、植物生長困難等問題。如何實現高氯酸鹽的深度轉化，仍是一個亟待解決的技術難題。

發明內容

本發明針對一般物理化學過程難以去除的高氯酸鹽，提出一種電化學過程與生化過程協同的高氯酸鹽去除方法以及相關反應器，實現高氯酸鹽-氯離子-活性氯的深度轉化。本發明克服了生物氫自養去除高氯酸鹽法的缺陷，通過電化學與生物氫自養過程的結合，形成一種電流效率高、操作簡單、易于在工程中應用的水體高氯酸鹽去除技術。

本發明的技術原理是：在施加一定電流條件下，陰極表面發生析氫反應，析出的氫被氫自養高氯酸鹽還原菌利用并通過氫自養生物還原作用將水中的高氯酸鹽轉化為氯離子。而后，氯離子在陽極區域被電化學氧化生成活性氯，活性氯具有殺菌作用，可進一步提升出水水質，即而實現高氯酸鹽→氯離子→活性氯的深度轉化。上述過程充分發揮了電化學與微生物的作用，有效提高電流效率，并充分簡化了生物處理單元。

為實現上述目的，本發明采取如下技術方案：

本發明所述的高氯酸鹽去除方法是在電化學協同生物去除高氯酸鹽一體化反應器中完成的。該反應器包括電極(陰極、陽極)、電解槽、直流電源等單元。直流電源與陰極、陽極之間分別以金屬導線連接，陰極、陽極分別置于電解槽兩端，兩極之間采用陽離子交換膜相隔而成陰極區域和陽極區域。電解槽的陰極區域同時也是微生物作用的生化反應區，受高氯酸鹽污染的原水首先進入陰極區域，而后進入陽極區域直至最終出水，裝置為連續進出水模式；在陰極區域接種培養濃度范圍在500mg/L-20 000mg/L的高氯酸鹽氫自養還原菌；在兩種電極兩端通以電壓范圍在0.5V-100V之間的直流電，在直流電的作用下，陰極產生氫氣，微生物利用電解產氫將高氯酸鹽還原為氯離子；而后氯離子在陽極區域被氧化生成活性氯，從而實現高氯酸鹽→氯離子→活性氯的深度轉化。產生的活性氯可對出水進行進一步的殺菌消毒處理。