[发明专利]碳氢混合基质生物膜反应器及对含氧化性污染物水体进行净化的方法

说明书

本发明提供了碳氢混合基质生物膜反应器及对含氧化性污染物水体进行净化的方法，属于水净化技术领域。本发明提供的碳氢混合基质生物膜反应器，包括原水箱、反应池、进水管路系统、出水管路系统、回流管路系统和供气系统；其中，所述供气系统包括H₂气瓶、H₂与CO₂混合气瓶以及供气管路，所述供气管路的一端均与所述H₂气瓶以及H₂与CO₂混合气瓶连接，所述供气管路的另一端与反应池内中空纤维膜组件的两个端口相连。采用本发明提供的碳氢混合基质生物膜反应器对含氧化性污染物水体进行净化时，能够通过中空纤维膜组件向生物膜内同步无泡扩散H₂与CO₂混合气，进而能够实现对生物膜内的pH值全区域控制。

技术领域

本发明涉及水净化技术领域，尤其涉及碳氢混合基质生物膜反应器及对含氧化性污染物水体进行净化的方法。

背景技术

氧化性污染物(包括：无机阴离子，如硝酸盐、亚硝酸盐、溴酸盐、高氯酸盐等；(类)重金属离子，如重铬酸盐、硒酸盐、砷酸盐等；有机化合物，如三氯乙烯、氯仿等)是水体污染中最常见的一类污染物，其严重威胁着水体生态安全和人类健康。针对水体中氧化性污染物去除技术的研发一直是国内外研究人员的关注热点。目前，关于水体中氧化性污染物的去除方法主要包括物化法和生化法，其中物化法虽然能将这类污染物从水体中有效分离或去除，但是通常存在二次污染问题和运行成本高等问题，限制了其大规模工程化应用。传统的生化法虽然在环境友好性上相对物化法具有一定的优势，但是往往需要额外添加有机碳源，如果运行管理不当，同样会导致二次污染问题。因此，开发水体中氧化性污染物的高效、低成本处理技术需求迫切。

近年来开发的氢基质生物膜反应器(H₂-MBfR)是一种基于中空纤维膜无泡扩散氢气作为电子供体，结合微生物自养还原的新兴水处理技术，在处理水体中氧化性污染物上具有诸多优势，如：利用清洁且廉价的氢气作为电子供体、以无机碳为碳源、污染物去除效率高、无二次污染物、氢气利用率高(可达100％)等，被认为是一种极具前景的水处理技术。然而，该技术的进一步开发和工程化应用仍面临着一个关键技术难题，即利用H₂-MBfR处理水体中氧化性污染物的过程中，会消耗质子(如，以去除硝酸盐为例的式1)，导致反应器内pH值升高，进而会降低污染物的去除效率，同时生物膜内还会产生沉淀物，如基于水体中含有的钙离子以及镁离子形成氢氧化物沉淀、碳酸盐沉淀或磷酸盐沉淀，从而降低底物传质效率并引发膜污染。

NO₃^-+4.48H₂+0.86CO₂+H⁺＝0.41N₂+0.17C₅H₇O₂N+4.38H₂O 式1。

H₂-MBfR中常用的控制系统pH值的方法包括添加磷酸盐缓冲液、盐酸、碳酸氢盐和CO₂等。近期有研究表明，添加CO₂能同时调控系统pH值和作为无机碳源，是一种更优的选择(Jiang等,Water Research,2020,184:116177；Tang等,Water Research,2011.45:232-240；Xia等,Chemical Engineering Journal,2016,290:154-160)。然而采用上述方法虽然能够使反应器中混合液和生物膜外侧的pH值得以有效控制，但是在生物膜内部仍然存在pH值过高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供碳氢混合基质生物膜反应器及对含氧化性污染物水体进行净化的方法，采用本发明提供的碳氢混合基质生物膜反应器对含氧化性污染物水体进行净化时，能够实现对生物膜内的pH值全区域控制，有利于保证H₂-MBfR在去除氧化性污染物过程中维持长期高效稳定运行。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：