唐金晶， 曹 渊， 胡宝山， 鲜晓红

(重庆大学 基础化学实验教学中心， 重庆 400044)

0 引 言

1 三维电极-生物膜反应器的设计

1.1 反应器构型

分隔式反应器阳极区利用率低，耗电量较高，反应器进水不易控制。一体式反应器将阳极区和阴极区通过隔膜分隔，不仅克服了分隔式反应器阳极区和阴极区传质慢的缺点，还可以充分利用阳极，提高反应器的电流效率。因此，本反应器构型设计为一体式电极-生物膜反应器。

1.2 电极材料的选择

电极材料的选择主要依据其导电性能、机械强度、吸附性能、电极价格、是否易于微生物固定化和附着生长等。目前，常用的阳极材料为碳阳极。在电解过程中，碳阳极消耗，导致出水色度增加[9]。因此，本反应器选择惰性金属钛作为阳极基体材料，在其表面镀钌，形成RuO2/Ti阳极，该电极导电性能良好且不易被氧化，电极电位高于水电解析氧电位。

常用的阴极材料有不锈钢、石墨、活性炭、活性炭纤维等。不锈钢机械强度高、性能稳定，但不锈钢光滑，不利于微生物附着生长；石墨、活性碳、活性炭纤维导电性良好，生物亲和性较强，但机械强度不好，且稳定性差。综合比较，本反应器选用碳纤维毡作为阴极，碳纤维毡导电性良好、表面粗糙、纤维直径小、比表面积大、微孔丰富且分布窄、扩散阻力小、生物亲和性强。

1.3 隔膜材料的选择

1.4 填充电极材料的选择

在构建三维电极的过程中，常采用金属导体、导电陶瓷、铁氧体、镀上金属的玻璃球或塑料球、石墨、颗粒活性炭、无烟煤、硫等作为填充电极材料。无烟煤等天然矿物含有未知矿相成分，作为填充电极材料，电化学反应复杂，影响研究的稳定性。以硫作为填充电极材料，易导致出水硫酸根增加。因此，本反应器采用颗粒活性炭作为填充电极材料。颗粒活性炭导电性好、易极化，此外，颗粒活性炭生物附着性好，有利于微生物在其表面的生长，维持反应器内拥有更多的生物量。

单一的颗粒活性炭作为填充电极材料时，易形成短路电流，降低反应器的电流效率，因此，本反应器采用颗粒活性炭和玻璃珠的混合物作为填充电极材料。

1.5 三维电极-生物膜反应器的构建及设计参数

在三维电极体系的阴极区域培养脱氮微生物，形成如图1所示的一体式电极-生物膜反应器。

图1 三维电极-生物膜装置示意图

设计长方体型的反应器被醋酸纤维素膜分隔为阳极区和阴极区， RuO2/Ti紧贴在反应器阳极区内壁作为阳极;活性炭纤维毡紧贴在阴极区内壁作为阴极，颗粒活性炭和玻璃珠的混合物作为填充电极填充在反应器阴极区域。采用直流稳压电源为反应器提供电流。

主要设计参数如下。

(1) 反应器主体。尺寸：阳极区15 cm×15 cm×5 cm，阴极区15 cm×15 cm×10 cm；有效容积：阳极区0.5 L；阴极区1.0 L，加入填充电极后，阴极区的有效容积为0.6 L。

(2) 电源和电极。直流稳压电源：输出电压0～30 V；电流表：0～100 mA；阳极：钌涂层钛板(10 cm×10 cm)(宝鸡市昌立特种金属有限公司)，置于阳极区反应器内壁，有效面积100 cm2；阴极：活性炭纤维毡(10 cm×10 cm)(南通森友碳纤维有限公司)，紧贴于阴极区反应器内壁，有效面积100 cm2，外观为黑色针刺毡，单丝直径10～20 μm，强度>5 kg/m，灰份0.5%～1.0%，堆积密度0.04～0.06 g/cm3，孔径分布：20×10-10以下占83.9%，(20～40)10-10占6.1%，(40～100)10-10占6.2%，100×10-10以上占3.8%；电极间距15 cm。

(3) 填料。煤质柱状活性炭颗粒，柱长2～7 mm，粒径2～3 mm；玻璃珠，粒径2～3 mm；

(4) 隔膜。醋酸纤维膜(杭州火炬西斗门膜工业有限公司)，10 cm×10 cm，有效面积100 cm2，纤维内径0.8 mm，平均孔径为0.02 μm，切割相对分子质量为1 000～50 000 Da。

2 三维电极-生物膜反应器的启动

通过改变加载的电流，逐步使电极-生物膜反应器稳定，完成电极-生物膜反应器的快速启动。反应器启动阶段的参数如表1所示。

表1 启动阶段运行条件参数

3 三维电极-生物膜反应器脱氮能效分析

电化学方法处理废水一直存在着能耗高的不足，虽然三维电极体系比传统的二维电极体系的电流效率高、时空产率大，但将三维电极体系用于废水处理的实践中，反应器的能效仍是关注的焦点。

EC=UIt×10-3/(VQE)

式中：EC为脱氮能效，kW·h / kg；U为电压，V；I为电流，A；t为通电时间，h；V为反应器有效体积，L；Q为进水TN浓度，kg/L；E为TN去除率。

4 结 语

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