曝氣裝置的能耗約占城市污水處理廠(chǎng)總能耗的30 %~70 %，采用節能的污水處理新技術(shù)，可減少碳排放，提高現有廢水處理工程的經(jīng)濟性。
生物電化學(xué)系統(BES)是一種經(jīng)濟的和環(huán)境友好的電化學(xué)強化有機污染物生物降解的廢水處理新技術(shù)，它是一種可持續并“綠色”的方法，可提高污水中有機化合物的降解速率。BES 的工作原理是在陽(yáng)極室厭氧環(huán)境下，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子通過(guò)傳遞介體在生物組分和陽(yáng)極之間進(jìn)行有效傳遞，并通過(guò)外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜或直接通過(guò)擴散作用傳遞到陰極，氧化劑(一般為氧氣)在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結合生成水。研究發(fā)現BES 可以降解碳氫化合物、酚和其他有機污染物，同時(shí)還有較好的脫氮作用，對廢水中的金屬離子也有較好的去除效果。目前，BES的研究主要集中在實(shí)驗室小試規模，而較大規模的研究還很少。
本實(shí)驗比較一種新型漂浮電極BES和傳統曝氣池對于城市污水的處理效果，為BES在城市污水處理方面的實(shí)際應用提供依據。
1 實(shí)驗裝置及方法
1.1 BES 實(shí)驗裝置結構
圖1 BES 實(shí)驗裝置
Fig.1 The BES experimental equipment
本實(shí)驗構建的新型BES 裝置主體采用PVC 材料制作，尺寸為3.0×1.0×1.8 m，其結構如圖1 所示。其中陰極材料是兩層不銹鋼絲網(wǎng)，面積大約為3 m2，陽(yáng)極是由若干不銹鋼鋼絲絨球串聯(lián)組成，堆積體積約0.6 m3。陰極和陽(yáng)極間用外包絕緣材料的不銹鋼導線(xiàn)連接，接點(diǎn)處用絕緣漆密封。在水面以上的導線(xiàn)中連接一個(gè)10 Ω的電阻。
1.2 實(shí)驗方法
實(shí)驗用水取自合肥市某城市污水處理廠(chǎng)集水池，COD 在200~500 mg/L 之間。在室外按連續進(jìn)出水方式運行，集水池污水 直接用泵提升至BES 反應器，控制水力停留時(shí)間為18 h，與該污水處理廠(chǎng)曝氣池水力停留時(shí)間相同。室外溫度在10~20 ℃。實(shí)驗中，每天分別取集水池、曝氣池出水和BES 出水，測定相關(guān)水質(zhì)指標。
2 結果與討論
2.1 BEC 產(chǎn)電情況
實(shí)驗過(guò)程中，監測10 Ω電阻兩端的電壓，如圖2。
圖2 BES 的輸出電壓
Fig.2 The voltage of the BES
可見(jiàn)，在不曝氣的條件下，該BES 的10 Ω電阻兩端最大電壓為106 mV。運行初期，系統的電壓較小，隨著(zhù)反應器運行，測得電壓增大，但是在30 d~35 d 時(shí)，BES 的電壓明顯有所降低，此時(shí)BES 處理效果也有所降低，是由于氣溫突降影響了微生物的活性；在40 d 之后，電阻兩端電壓穩定在80~100 mV 之間，此時(shí)BES 運行較為穩定，且處理效果較好。表明電阻上電壓值能間接反映BES 的微生物活性和廢水處理程度。
2.2 BEC 裝置對污水COD 的去除性能
實(shí)驗過(guò)程中每天監測BES 進(jìn)出水的COD 值，并和污水處理廠(chǎng)曝氣池的處理效果進(jìn)行對比，結果如圖3 和圖4。在運行前期，BES 出水COD 明顯高于曝氣池出水，隨著(zhù)反應器的運行，BEC的出水逐漸趨于穩定；在反應器運行至30~35 d 時(shí)，天氣降溫明顯，BES 的出水COD 較高，廢水處理效率明顯下降，而污水處理廠(chǎng)的曝氣池受氣溫變化影響很小，說(shuō)明系統越大，運行越穩定；在反應器運行到第40 d 時(shí)，BES 出水COD 在50 mg/L 左右，略高于曝氣池出水，此時(shí)BES 反應器運行穩定，COD 去除率約為88 %，而相同條件下，曝氣池的去除率為90 %~92 %。，說(shuō)明在實(shí)驗條件下，BES 對于城市污水具有較好的處理效果。
圖3 BES 和曝氣池進(jìn)出水COD 變化曲線(xiàn)
Fig.3 COD Changes of influent and effluent of the BES and the aerobic system
圖4 BES 和曝氣池COD 去除率變化曲線(xiàn)
Fig.4 Changes of COD removal rate of the BES and the aerobic system
2.3 pH 變化情況
圖 5 BES 和曝氣池進(jìn)出水pH 變化曲線(xiàn)
Fig.5 pH Changes of influent and effluent of the BES and the aerobic system
圖5 為BES 和曝氣池進(jìn)出水pH 的變化曲線(xiàn)�？梢�(jiàn)，在BES運行中，BES 出水pH 明顯高于曝氣池出水；BES 出水pH 略高于進(jìn)水，而曝氣池出水pH 比進(jìn)水略低，后期曝氣池進(jìn)出水pH 差異不大。
2.4 電導率(EC) 變化情況
實(shí)驗過(guò)程中電導率的變化如圖6。BES 出水的電導率略高于進(jìn)水，且出水的電導率與進(jìn)水變化趨勢基本相同，而曝氣池出水的電導率明顯小于進(jìn)水。
圖6 BES 和曝氣池進(jìn)出水電導率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)
Fig.6 EC Changes of influent and effluent of the BES and the aerobic system
2.5 氧化還原電位(ORP)變化情況
實(shí)驗過(guò)程中氧化還原電位的變化如圖7。BES 出水氧化還原電位明顯高于進(jìn)水，曝氣池出水的氧化還原電位明顯低于進(jìn)水，且出水的氧化還原電位較為穩定。
圖7 BES 和曝氣池進(jìn)出水氧化還原電位隨時(shí)間變化曲線(xiàn)
Fig.7 ORP Changes of influent and effluent of the BES and the aerobic system
3 結論
(1)新型漂浮電極生物電化學(xué)系統處理城市污水是可行的，出水水質(zhì)良好且穩定，并可以明顯的降低能耗。在實(shí)驗條件下，出水COD 穩定在35~70 mg/L，COD 的去除效率達到88 %，接近于同水力停留時(shí)間下的城市污水處理廠(chǎng)曝氣池。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
(2)實(shí)驗條件下，該BES 在10 Ω電阻兩端電壓可達106 mV，電壓和COD 的去除效率呈正相關(guān)關(guān)系。
(3)BES 出水的pH、電導率和氧化還原電位穩定，且高于曝氣池出水。
