CN102653435A - 膜生物反应器与微生物燃料电池组联用系统 - Google Patents

Abstract

膜生物反应器与微生物燃料电池组联用系统，它涉及水处理领域，尤其涉及一种膜生物反应器与微生物燃料电池组联用系统。该系统解决现有的利用附加电场控制膜污染的工艺存在的高电场处理费用高，抑制微生物活性，污泥处理的问题。多根膜丝连接在集水管上，每根膜丝的下端封口，每根第一钛丝的另一端从膜丝的上端伸出并穿入集水管中，多根第一钛丝连接在一起后，由钛丝出口引出，然后与导线的一端连接，导线的另一端通过第二钛丝与微生物燃料电池组的阳极连接，不锈钢网或钛金属网通过导线及第二钛丝与微生物燃料电池组的阴极连接，膜生物反应器与微生物燃料电池组连通，微生物燃料电池组与膜生物反应器连通。本发明用于污水处理。

Description

膜生物反应器与微生物燃料电池组联用系统

技术领域

本发明涉及水处理领域，尤其涉及一种膜生物反应器与微生物燃料电池组联用系统。 

背景技术

膜生物反应器(membrane bioreactor，MBR将活性污泥法与膜分离技术相结合，用于生活污水和工业污水处理和回用，是一种很有吸引力的处理工艺。然而，膜污染及其导致的维护、运行费用的提高限制了MBR的广泛应用，仍然是MBR发展所面临的最具挑战性的问题之一。国内外对这一领域的研究主要围绕3个方面展开：膜材料与膜组件结构、反应器运行条件、进水和活性污泥混合液特性。MBR膜污染是由膜和污泥混合液中污染物质共同作用的结果。活性污泥混合液的各种组分是膜污染的物质来源，对膜污染具有更加直接的影响。 

利用电场控制膜污染是一种新方法，一般是利用高电场强度来控制膜污染，以达到较好的效果。这是由于水处理中绝大多数的污染物质都是带有负电的，在电场的作用下，带负电的污染物受到电场力，减缓向膜表面的堆积。场强越大，效果越明显。但是高电场不仅能耗高，而且会显著影响微生物组成与代谢特性，影响其水处理能力。研究表明，弱电场能够刺激微生物代谢，提高微生物活性，但其对膜污染的减缓作用还未研究。 

虽然MBR与传统的活性污泥工艺相比，有较高的污泥龄，产生的剩余污泥少，但是这些剩余污泥也存在着污泥处理问题。目前普遍的污泥处理工艺是厌氧污泥消化，但是污泥停留时间较长，占地面积大，其处置费用约占污水处理厂总处置费用的一半。污水污泥是一种潜在的危险物质，其中富含有机物、重金属、致病微生物等有害物质，处理不当就会导致严重的环境问题，甚至是灾难性的生态后果。MBR污泥浓度高，具有较高的SVI和粘度，污泥龄长，及其导致的膜污染，亟待开发能够对MBR污泥改性、减量的辅助系统。 

MFC的产电效率较低，远没达到商业利用的需求。MFC产电电压一般为0.4-0.7V，功率密度可达几百mW/m²，实验室通过堆栈可以为小灯泡或小风扇等供电，但是与实际生活与工作中所需的电能相比较弱，目前未能将其电能应用到实际应用中，还有待进一步提高MFC的产电性能。 

污泥MFC处理过程中，污泥性质有所改变，MFC去除了污泥中的亲水性的芳香族蛋白质和溶解性微生物产物。通过耦合污泥MFC的污泥回流，会改变MBR中的污水混合液的性质，进而对其运行效果产生影响，对于从混合液性质调控角度控制膜污染具有重要的意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种膜生物反应器与微生物燃料电池组联用系统，以解决目前现有的利用附加电场控制膜污染的工艺存在的高电场处理费用高，抑制微生物活性，污泥处理的问题。 

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述系统包括高位水箱、阀门、真空压力表、蠕动泵和排泥阀，高位水箱通过阀门与膜生物反应器的进水口连通，所述系统还包括膜生物反应器、膜组件、不锈钢网或钛金属网、第一排泥泵、微生物燃料电池组和第二排泥泵，膜组件与不锈钢网或钛金属网设置在膜生物反应器内，膜组件由集水管、导线、多根膜丝和多根第一钛丝构成，多根膜丝连接在集水管上，集水管设有出水口和钛丝出口，膜组件的出水口与出水管连通，出水管上装有蠕动泵和真空压力表，每根膜丝的下端封口，上端为出水端，每根第一钛丝设于相应膜丝内，每根第一钛丝一端位于相应的下端封口处，每根第一钛丝的另一端从膜丝的上端伸出并穿入集水管中，多根第一钛丝连接在一起后，由钛丝出口引出，然后与导线的一端连接，导线的另一端通过第二钛丝与微生物燃料电池组的阳极连接，不锈钢网或钛金属网通过导线及第二钛丝与微生物燃料电池组的阴极连接，膜生物反应器的泥水混合液排出口通过排泥阀及第一排泥泵与微生物燃料电池组的所有进泥口连通，微生物燃料电池组的所有排泥口通过第二排泥泵与膜生物反应器的泥水混合液进入口连通。 

本发明具有以下有益效果1、在本发明系统运行的过程中，运行效果良好稳定，当进水COD平均值为450mg/L时，COD的去除率在94％左右，出水中的COD值可以控制在50mg/L以下，平均出水水质中COD为30mg/L左右(相同条件下，传统MBR出水COD稳定小于40mg/L，与传统MBR基本一致，达到了国家污水处理排放一级标准。其上清液中COD与传统MBR基本一致，在50mg/L左右。与出水浓度相比可知，膜和滤饼层对有机物有一定的截留作用； 

2、对污水氨氮的去除效果：在运行的40天内，进水氨氮平均值为30mg/L，出水在1mg/L(相同条件下，传统MBR出水氨氮稳定在1mg/L，系统的稳定性很好，与传统MBR的处理效果基本一致； 

3、粒径分布：本系统的污泥絮体的平均粒径较小，表面积平均粒径和体积平均粒径分别为84.285μm和154.312μm；而传统MBR分别为92.993μm和185.712μm。小于50μm的部分，传统MBR为9.25％，本发明系统为8.24％； 

研究表明在错流微滤系统中，小于50μm的颗粒对比阻的贡献较大，导致较大的滤饼 层阻力。说明，1-50μm的颗粒对膜污染起重要作用。虽然联合系统平均粒径较小，但1-50μm的比例却较低，不会对控制膜污染产生不利影响； 

4、本发明将MBR与MFC联用，一方面通过MFC对污泥的改良、改性，降低了MBR膜污染频率，降低了MBR污水处理费用；另一方面，MFC为MBR提供电场，以达到利用电场控制膜污染的目的，同时也为MFC产电的利用提供了一个途径；不仅具有MBR的各项优点，而且解决了MBR膜污染严重、污泥性能差等问题，在污水处理系统良好运行的前提下，实现了污泥的生态处理、污水的回用、能量的回收，进而实现城市污水与污水污泥的协同处理。 

附图说明

图1是本发明专利的结构示意图，图2是膜生物反应器MBR的左视图，图3是膜组件结构示意图，图4是微生物燃料电池(MFC的结构示意图，图5是微生物燃料电池(MFC的右视图，图6是传统MBR与本发明相比较的TMP曲线，图7是MFC的极化曲线。 

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图5说明本实施方式，所述系统包括高位水箱1、阀门2、真空压力表8、蠕动泵9和排泥阀14，高位水箱1通过阀门2与膜生物反应器3的进水口连通，所述系统还包括膜生物反应器3、膜组件6、不锈钢网或钛金属网7、第一排泥泵15、微生物燃料电池组16和第二排泥泵17，膜组件6与不锈钢网或钛金属网7设置在膜生物反应器3内，膜组件6由集水管6-3、导线6-6、多根膜丝6-1和多根第一钛丝6-2构成，多根膜丝6-1连接在集水管6-3上，集水管6-3设有出水口6-4和钛丝出口6-5，膜组件6的出水口6-4与出水管连通，出水管上装有蠕动泵9和真空压力表8，每根膜丝6-1的下端封口，上端为出水端，每根第一钛丝6-2设于相应膜丝6-1内，每根第一钛丝6-2一端位于相应的下端封口处，每根第一钛丝6-2的另一端从膜丝6-1的上端伸出并穿入集水管6-3中，多根第一钛丝6-2连接在一起后，由钛丝出口6-5引出，然后与导线6-6的一端连接，导线6-6的另一端通过第二钛丝18与微生物燃料电池组16的阳极连接，不锈钢网或钛金属网7通过导线及第二钛丝18与微生物燃料电池组16的阴极连接，膜生 物反应器3的泥水混合液排出口通过排泥阀14及第一排泥泵15与微生物燃料电池组16的所有进泥口连通，微生物燃料电池组16的所有排泥口通过第二排泥泵17与膜生物反应器3的泥水混合液进入口连通。 

具体实施方式二：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式的微生物燃料电池组16由多个微生物燃料电池串联或并联构成，每个微生物燃料电池包括阳极18、阴极19和容器26，容器26的顶部设有参比电极插孔21和进泥口22，容器26的底部设有排泥口25； 

每个微生物燃料电池MFC的阴极和阳极材料均为碳布，阴极的碳布经过处理，涂有四层聚四氟乙烯(PTFE，铂(Pt载量为0.5mg/cm²。通过第一排泥泵15，使膜生物反应器MBR剩余污泥通过MFC进泥口22进入，在MFC内停留5天，通过第二排泥泵17由排泥口25排出。当使用参比电极时，将参比电极插到带孔橡胶塞中，再插到参比电极插孔21中；不用时，参比电极插孔21由橡胶塞密封。MFC内放有一个转子，放于磁力搅拌器上方，MFC的整个运行一直都在搅拌条件下进行，MFC间歇运行。 

MFC的组合形式可根据单个MFC的产电性能和MBR电场需要而定，可以采用几个MFC的串并联形式；使用DC-DC转换器，使电压达到需要值，将其应用于MBR的电场；使用蓄电池或电容器储存MFC的电能，再将其应用于MBR的电场。其它实施方式与具体实施方式一相同。 

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的系统还包括转子23和磁力搅拌器24，容器26内设有转子23，容器26设在磁力搅拌器24的上方，磁力搅拌器24与转子23通过磁力转动连接。其它实施方式与具体实施方式一或二相同。 

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的系统还包括气泵10、气体流量计11、阀门12和曝气装置13，气泵10、气体流量计11、阀门12和曝气装置13依次通过管路连通，曝气装置13设在膜生物反应器3的底部，曝气装置13由两个曝气条组成，为微生物供氧、对膜组件6起到吹扫作用。其它实施方式与具体实施方式三相同。 

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式的系统还包括液位控制器4和挡板5，膜生物反应器3的进水口处装有用于控制液位的液位控制器4，挡板5设在膜生物反应器3内用于分隔进水区与主反应区。液位控制器4控制液位，挡板5位于进水区，起缓冲和导流的作用，进水由挡板5的下方进入主反应区。其它实施方式与具体实施方式四相同。 

具体实施方式六：膜生物反应器3内水温20-25℃，膜组件6采用聚偏氟乙烯中空纤维膜组件，膜孔径为0.1um，中空纤维的内外径分别为2mm和1.4mm。每只膜组件的膜面积为0.1m²，外形尺寸为S＝0.11m×0.15m＝0.0165m²。膜生物反应器3的容积为：长×宽×高＝0.225m×0.113m×0.43m＝0.011m³＝11L，有效体积8L。 

微生物燃料电池组16由十个MFC组成，两两并联再串联。微生物燃料电池组16间歇运行，一个周期为5天，五对MFC交替进、出泥。MFC的整个运行一直都在搅拌条件下进行。MFC内污泥温度23-25℃，截面为55mm×55mm，倒角半径为10mm，壳体长40mm，容积为118mL。 

膜生物反应器3的剩余污泥作为微生物燃料电池组16的进泥，经5天的处理后，出泥回流至MBR中，MFC供电系统与MBR的电场通过导线连接。 

污水经高位水箱1流入膜生物反应器3，污水中大部分有机物经膜生物反应器3内微生物自身分解代谢作用得到降解。处理后的污水在蠕动泵9的作用下经过中空纤维膜组件6过滤出水。高浓度的泥水混合液经排泥阀14排出，通过第一排泥泵15注入微生物燃料电池组16中，在磁力搅拌器的搅拌作用下，经过5天的处理，能够有效的降解胞外聚合物等有机物，污泥浓度也有所下降，出泥回流至膜生物反应器3，亦达到改善膜生物反应器3内污泥性质的作用；同时，利用微生物燃料电池组16的产电供应膜生物反应器3的电场。膜污染物质大部分是带负电的，因而在电场的作用下，能够减缓膜污染。穿在中空纤维膜内的钛丝作为负极，在膜丝周围能够形成辐射状的电场，使膜污染物质向远离膜丝的方向移动。 

MFC的构型可采用双室构型，阳极利用碳刷或碳布，进泥为膜生物反应器3的剩余污泥，阴极为碳布，阴极电解液采用铁氰化钾或Mn(IV。MFC阳极室内放有一个转子，放于磁力搅拌器上方。MFC阳极室内可以通过磁力搅拌器搅拌，也可以没有搅拌，根据实际情况而定。MFC的周期确定可根据不同构型MFC的处理效果而定。 

由图6可以看出，该系统较传统MBR(无微生物燃料电池组16等相关结构有明显的减缓膜污染的作用。在运行前期，两套系统的TMP增长速率相近；在运行末期，MFC污泥回流与MBR的增长速率大概是传统MBR的一半，有效得控制了膜污染。两套系统的运行工况相同，两套系统膜污染程度的差异主要来源于污泥混合液性质的不同和电场的作用。 

MFC的产电性能：当外阻为1000Ω时，当外阻为1000Ω时，13h后电压升到0.3V以上，30h时达到最高值0.4V，直到184h电压一直稳定保持在0.3-0.4V之间，之后开始大幅度下降，最大功率密度54.2mW/m²。 

采用梯度电阻法测定污泥MFC的极化曲线，其中一个MFC的极化曲线和功率密度曲线如图7所示：该MFC的电压-电流线性归化方程是：y＝-343.65x+0.5483，R²＝0.9907。故MFC内阻为344Ω。测得所有MFC的极化曲线相似，内阻皆为300-400Ω。 

MFC能够利用MBR的剩余污泥，产生连续稳定的电能，虽然其产电量比较小，但是却可以为本发明提出的电场抑制膜污染的MBR系统提供稳定的电能，其产生的电能除用于为MBR供电，也可以储存，用于其他需要电能的地方，随着MFC研究的进行，产电性能的提高，其电能的利用途径也会增多。 

Claims (5)

1.一种膜生物反应器与微生物燃料电池组联用系统，所述系统包括高位水箱(1)、阀门(2)、真空压力表(8)、蠕动泵(9)和排泥阀(14)，高位水箱(1)通过阀门(2)与膜生物反应器(3)的进水口连通，其特征在于所述系统还包括膜生物反应器(3)、膜组件(6)、不锈钢网或钛金属网(7)、第一排泥泵(15)、微生物燃料电池组(16)和第二排泥泵(17)，膜组件(6)与不锈钢网或钛金属网(7)设置在膜生物反应器(3)内，膜组件(6)由集水管(6-3)、导线(6-6)、多根膜丝(6-1)和多根第一钛丝(6-2)构成，多根膜丝(6-1)连接在集水管(6-3)上，集水管(6-3)设有出水口(6-4)和钛丝出口(6-5)，膜组件(6)的出水口(6-4)与出水管连通，出水管上装有蠕动泵(9)和真空压力表(8)，每根膜丝(6-1)的下端封口，上端为出水端，每根第一钛丝(6-2)设于相应膜丝(6-1)内，每根第一钛丝(6-2)一端位于相应的下端封口处，每根第一钛丝(6-2)的另一端从膜丝(6-1)的上端伸出并穿入集水管(6-3)中，多根第一钛丝(6-2)连接在一起后，由钛丝出口(6-5)引出，然后与导线(6-6)的一端连接，导线(6-6)的另一端通过第二钛丝18与微生物燃料电池组(16)的阳极连接，不锈钢网或钛金属网(7)通过导线及第二钛丝18与微生物燃料电池组(16)的阴极连接，膜生物反应器(3)的泥水混合液排出口通过排泥阀(14)及第一排泥泵(15)与微生物燃料电池组(16)的所有进泥口连通，微生物燃料电池组(16)的所有排泥口通过第二排泥泵(17)与膜生物反应器(3)的泥水混合液进入口连通。

2.根据权利要求1所述膜生物反应器与MFC联用系统，其特征在于微生物燃料电池组(16)由多个微生物燃料电池串联或并联构成，每个微生物燃料电池包括阳极(18)、阴极(19)和容器(26)，容器(26)的顶部设有参比电极插孔(21)和进泥口(22)，容器(26)的底部设有排泥口(25)。

3.根据权利要求1或2所述膜生物反应器与MFC联用系统，其特征在于所述系统还包括转子(23)和磁力搅拌器(24)，容器(26)内设有转子(23)，容器(26)设在磁力搅拌器(24)的上方，磁力搅拌器(24)与转子(23)通过磁力转动连接。

4.根据权利要求3所述膜生物反应器与MFC联用系统，其特征在于所述系统还包括气泵(10)、气体流量计(11)、阀门(12)和曝气装置(13)，气泵(10)、气体流量计(11)、阀门(12)和曝气装置(13)依次通过管路连通，曝气装置(13)设在膜生物反应器(3)的底部。

5.根据权利要求4所述膜生物反应器与MFC联用系统，其特征在于所述系统还包括液位控制器(4)和挡板(5)，膜生物反应器(3)的进水口处装有用于控制液位的液位控制器(4)，挡板(5)设在膜生物反应器(3)内用于分隔进水区与主反应区。

Images