CN103496789A - 一种生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置和方法。采用石墨材质填料作为阳极，通过石墨棒与外电路相连；阴极室中膜分离组件既充当MBR中膜分离组件又是MFC中阴极电极，在膜分离组件上镶有导电石墨棒与外电路相连。阴阳极室被分隔膜分离，有效阻碍阴极室溶解氧扩散至阳极室，允许质子自由扩散。当有机污水从阳极室进入，阳极室厌氧条件下被产电微生物氧化产生电子和质子，电子通过微生物传递到石墨填料电极，继而通过电路传递到阴极；质子则在阴阳极室电势差和扩散作用下通过分隔膜进入阴极室，继而与氧气及外电路传递而来的电子反应生成水形成内电路。污水继而通过连通管进入阴极室，通过膜分离组件抽吸出水。

Description

一种生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置和方法

技术领域

本发明涉及一种生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置和方法，属于污（废）水处理技术领域。

背景技术

膜生物反应器（Membrane Bioreactor, 以下简称MBR）是一种新型高效的水处理技术。是将膜分离组件直接浸没于反应器内，通过泵抽吸出水。由于膜的高效分离性能，使其与传统活性污泥污水处理工艺相比，具有占地面积小、容积负荷高、出水水质好等优点，被认为是具有发展前景的污水处理与回用技术之一。然而，MBR在实际推广应用过程中不甚理想。究其原因，主要存在以下3个问题：（1）运行能耗较高，目前好氧MBR运行能耗高于传统活性污泥法，致使运行费用较高；（2）膜材料较贵，目前实际工程中所使用的膜分离组件价格较贵，致使MBR工艺投资较高；（3）膜污染问题，现行工程中膜污染控制不易，致使膜性能下降。

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, 以下简称MFC）是一种利用微生物作为催化剂氧化有机物产生电能的装置。由于其能在处理有机污染物的同时回收电能，被视作最具有发展前景的技术之一。同时MFC还具有：（1）反应条件温和，能在常温下进行反应；（2）原料来源广泛，可以利用一般燃料电池不能利用的各种有机物，无机物以及微生物呼吸的代谢产物、发酵的产物、光合作用甚至污水等作为燃料；（3）无二次污染，不会产生有毒有害废弃物等优点。正因MFC有诸多优点，目前越来越受到人们的关注，其中以污水为燃料的MFC更受到广泛的关注。然而，目前为止，MFC还未能投入实际工程应用，除了产电功率密度较低之外，处理效率低，出水水质较差也是主要原因。因此，提高MFC处理效率及出水水质是急需解决的问题。

近年来，有学者针对MBR与MFC相结合的可行性进行了研究并形成一些不同的技术方法和配套装置。盛国平等人发明一种生物电化学膜生物反应器装置，专利公开号为CN102381753A。他们采用同心柱状结构，里面圆柱填满石墨颗粒为阳极，外圈采用不锈钢丝网围成圆柱形膜。但是，这样将阳极组装在柱形膜分离组件内，结构较为复杂不利于实际运用。同时该种装置，不方便膜的清洗与反冲洗。柳丽芬等发明了一种直接耦合膜生物反应器和微生物燃料电池的反应器和废水处理方法，专利公开号为CN102616918A。但是，其采用导电膜作阴极价格昂贵，经济性较差。

基于上述MBR和MFC的优点及各自存在的问题，本发明将这两种工艺相结合，发明出一种生物电化学膜生物反应器污水处理装置和方法。该工艺采用廉价材料作为电极和膜分离组件，以微生物燃料电池能从污水中回收电能来补充MBR运行能耗，同时利用MBR处理效率高及出水水质好的优点克服MFC处理效率低和出水水质差的不足。

近年来，国内外学者针对上述问题进行了多方面的研究，其中动态膜技术就是具有代表性的技术之一。动态膜动态膜技术是指采用廉价大孔材料作为污水过滤介质，利用初期截留的污染物及后期粘附的微生物产物形成生物膜，从而达到改善出水水质的目的。利用动态膜在保留传统MBR的优点的同时，大幅度降低MBR的投资费用，而且动态膜过滤阻力较小，可以在低至几毫米的水位差的驱动下自流出水。当动态膜发生污染后，采取加强膜下方曝气或气水反冲洗等方式即能恢复动态膜的通量。在此基础上运行能耗较高则是较为突出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置和方法。该方法能够有效去除污水中的有机污染物和氨氮，提高处理效率及出水水质克服MFC的不足，并且在污水处理的同时回收电能，补充MBR运行能耗。

本发明提出的生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置，由进水管、出水管、阳极室、阴极室、连通管、外电路和分隔膜组成，其中：阳极室一侧设有进水管，阴极室设有出水管，阳极室内填充石墨材质填料，所述石墨材质填料内设有阳极碳棒，阴极室包括膜分离组件和曝气管，所述膜分离组件同时充当阴极电极，膜分离组件上固定阴极碳棒，通过阴极碳棒与外电路相连；曝气管位于膜分离组件正下方，曝气既提供微生物生长所需氧气又提供膜区搅拌错流速率防止膜污染，同时还为阴极提供最终电子受体氧气；阳极室与阴极室通过分隔膜隔开，所述分隔膜允许阴极室和阳极室之间的离子通过，阻隔大量溶氧通过；在阴极室和阳极室之间固定有连通管，使进水从阳极室流入阴极室。

本发明中，所述石墨材质填料为石墨刷、石墨毡、石墨棒或石墨颗粒等中任一种。

本发明中，所述膜分离组件为不锈钢丝网，孔径为250目~500目。

本发明中，所述曝气管为穿孔曝气或微孔曝气。

本发明中，分隔膜为质子交换膜、离子交换膜、微滤膜或超滤膜等中任一种。

本发明中，所述连通管为有机玻璃或PVC管。

本发明提出的生物电化学辅助膜生物反应器污水处理方法，具体步骤如下：

有机污水或有机废水通过进水管进入阳极室，部分有机物在阳极室被产电微生物氧化分解，同时产生电子和质子；电子通过产电微生物传递给石墨材质填料，继而传递到埋在石墨材质填料中的阳极碳棒，从而通过外电路传递到阴极电极及膜分离组件，产生电能；质子在阴极室和阳极室电势差和扩散作用下，通过分隔膜进入阴极室；质子、外电路传递到阴极的电子和阴极室内溶氧反应生成水，整个电池形成回路；剩余有机物和氨氮通过连通管进入阴极室，在阴极室好氧条件下被生物氧化分解和硝化而去除，最终通过膜分离组件抽吸出水；随着反应的进行，污泥层和凝胶层吸附于膜表面形成动态膜，有效减小膜孔径，提高出水水质；其中：

阳极室控制厌氧，水力停留时间为15~60 min；阴极室：水力停留时间为3~12 h；曝气强度60~120 m³/(m²·h)；膜通量为10~40 L/( m²·h)；泥龄35~70 d。

本发明的工作原理，在阳极室，处于完全厌氧状态，填充导电材料，提供较大的比表面积供微生物生长并连接外电路，导电材料可为石墨毡、石墨棒、石墨颗粒、石墨刷等导电性能良好且生物相容性较好的石墨材料。以产电微生物为催化剂氧化有机物，产生的电子通过微生物传递到固体电极（阳极）上，继而经过外电路传递到阴极。同时产生的质子在阴阳极电势差以及扩散作用下，经过分隔膜进入阴极室，与外电路传递的电子一起和氧气反应生成水形成回路，产生电能。在阴极室，不锈钢丝网材质的膜分离组件既充当膜分离装置又是MFC中的阴极电极。随着膜的物理抽吸作用，被截留的颗粒和滋生的生物膜在膜表面形成动态膜。动态膜能有效截留污染物提高出水水质，且动态膜的生物层作用可以形成生物催化阴极。阴阳极室分隔膜可以为质子交换膜、离子交换膜、微滤膜、超滤膜等，其作用是防止两室溶液发生共混，同时允许两室之间离子通过，阻碍阴极室大量溶氧扩散至阳极室，对阳极室的厌氧环境破坏，使输出电能降低。本发明方法污水首先进入阳极室，部分有机污染物被产电微生物利用产生电能，继而通过连通管流入阴极室；在阴极室内绝大多数有机污染物被氧化分解，同时发生硝化作用去除氨氮，最后通过膜分离组件抽吸出水。由于MFC阴极在良好的混合条件下，即使溶解氧维持在较低的环境下依然能有较高的电能输出，故本发明中阴极室曝气以满足好氧膜生物反应器需求为要，不需额外提高曝气量。

本发明方法处理一般城市生活污水（COD为200~500 mg/L、氨氮20~35 mg/L），其COD、NH₄-N出水达一级A排放标准；处理较高浓度的废水，COD为600~1100 mg/L、氨氮40~60 mg/L，均能保证COD去除率在92%以上，氨氮去除率维持在98%。最大功率密度均能维持在10 W/m³以上。

本发明具有以下优点：

（1）本发明上流式电化学膜生物反应器适用于多种污水处理，如市政污水、污泥脱水上清液等；

（2）本发明结合MBR与MFC为一体，提高处理效率和出水水质，并且能从污水中回收电能补充运行能耗；

（3）本发明采用廉价材质不锈钢丝网做膜分离组件，降低投资费用；

（4）本发明采用膜分离组件作为阴极电极，一定程度上能降低膜污染。由于典型的活性污泥颗粒带负电，与带负电的膜分离组件之间存在斥力，降低膜污染；

（5）好氧DMBR反应器动态膜分离组件通量30 ~ 40 L/(m²·h)，动态膜物理清洗周期可达2个月。

附图说明

图1是本发明上流式电化学膜生物反应器系统结构图；

图2是本发明上流式电化学膜生物反应器原理图；

图中标号：1为阳极室、2为阴极室、3为分隔膜、4为连通管、5为石墨材质填料、6为阳极碳棒、7为膜分离组件、8为阴极碳棒、9为曝气管、10为外电路、11为进水管、12为出水管。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：如图1和图2所示，所述上流式电化学膜生物反应器由阳极室1、阴极室2、分隔膜3、连通管4、外电路10、进水管11和出水管12组成。阳极室1又包含石墨材质填料5和阳极碳棒6等，所述石墨材质填料5为石墨刷、石墨颗粒、石墨毡或其它形式中任一种，阴极室2内包含膜分离组件7、阴极碳棒8和曝气管9，曝气由曝气装置提供，曝气管9位于膜分离组件7正下方，便于对膜表面进行冲刷减轻膜污染。阳极室1、阴极室2和分隔膜3构成MFC内电路，与外电路10相连构成整个回路。膜分离组件7既充当膜分离装置又充当MFC的阴极电极，如此膜表面带有负电荷，与污泥之间形成静电斥力减轻膜污染。

有机污（废）水通过进水管11进入阳极室1，部分有机物在阳极室11被产电微生物氧化分解，同时产生电子和质子。电子通过产电微生物传递给石墨材质填料5，继而传递到埋在填料中的碳棒6，从而通过外电路10传递到阴极电极，及膜分离组件7产生电能；质子在阴阳极室电势差和扩散作用下，通过分隔膜进入阴极室；最终，质子、外电路传递到阴极的电子和阴极室内溶氧反应生成水，整个电池形成回路。剩余有机物和氨氮通过连通管进入阴极室，在阴极室好氧条件下被生物氧化分解和硝化而去除，最总通过膜分离组件抽吸出水。随着反应的进行，污泥层和凝胶层吸附于膜表面形成动态膜，有效减小膜孔径，提高出水水质。

实施例2：

利用实施例1所述装置和方法处理农村生活污水，进水COD浓度307.6±15.7 mg/L，氨氮浓度24.2±2.4 mg/L；阳极室水力停留时间17 min，阴极室水力停留时间6.1 h，膜通量为30 L/(m²·h)。COD平均去除率为90.3%±1.8，氨氮平均去除率为98.5%±0.8，出水浊度小于1NTU，膜清洗周期稳定维持在30d以上，最大功率密度为10.9 W/m³。

实施例3：

利用实施例1所述装置和方法处理典型城市生活污水，进水COD浓度644.2±21.5 mg/L，氨氮浓度35.2±2.6 mg/L；阳极室水力停留时间35 min，阴极室水力停留时间11.5 h，膜通量为25 L/(m²·h)。COD平均去除率为91.2%±1.6，氨氮平均去除率为99.1%±1.2，出水浊度小于1NTU，膜清洗周期稳定维持在30d以上，最大功率密度为14.9 W/m³。

实施例4：

利用实施例1所述装置和方法处理脱水污泥上清液，进水COD浓度1058±56.7 mg/L，氨氮浓度62.2±4.6 mg/L；阳极室水力停留时间47 min，阴极室水力停留时间15.2 h，膜通量为30 L/(m²·h)。COD平均去除率为93.3%±2.6，氨氮平均去除率为98.8%±0.6，出水浊度小于2NTU，膜清洗周期稳定维持在20d以上，最大功率密度为12.6 W/m³。

Claims (7)

1.一种生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置，由进水管、出水管、阳极室、阴极室、连通管、外电路和分隔膜组成，其特征在于：阳极室一侧设有进水管，阴极室设有出水管，阳极室内填充石墨材质填料，所述石墨材质填料内设有阳极碳棒，阴极室包括膜分离组件和曝气管，所述膜分离组件同时充当阴极电极，膜分离组件上固定阴极碳棒，通过阴极碳棒与外电路相连；曝气管位于膜分离组件正下方，曝气既提供微生物生长所需氧气又提供膜区搅拌错流速率防止膜污染，同时还为阴极提供最终电子受体氧气；阳极室与阴极室通过分隔膜隔开，所述分隔膜允许阴极室和阳极室之间的离子通过，阻隔大量溶氧通过；在阴极室和阳极室之间固定有连通管，使进水从阳极室流入阴极室。

2.根据权利要求1所述的生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置，其特征在于所述石墨材质填料为石墨刷、石墨毡、石墨棒或石墨颗粒中任一种。

3.根据权利要求1所述的生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置，其特征在于所述膜分离组件为不锈钢丝网，孔径为250目~500目。

4.根据权利要求1所述的生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置，其特征在于所述曝气管为穿孔曝气或微孔曝气。

5.根据权利要求1所述的生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置，其特征在于分隔膜为质子交换膜、离子交换膜、微滤膜或超滤膜等中任一种。

6.根据权利要求1所述的生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置，其特征在于所述连通管为有机玻璃或PVC管。

7.一种如权利要求1所述生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置的使用方法，其特征在于具体步骤如下：

有机污水或有机废水通过进水管进入阳极室，部分有机物在阳极室被产电微生物氧化分解，同时产生电子和质子；电子通过产电微生物传递给石墨材质填料，继而传递到埋在石墨材质填料中的阳极碳棒，从而通过外电路传递到阴极电极及膜分离组件，产生电能；质子在阴极室和阳极室电势差和扩散作用下，通过分隔膜进入阴极室；质子、外电路传递到阴极的电子和阴极室内溶氧反应生成水，整个电池形成回路；剩余有机物和氨氮通过连通管进入阴极室，在阴极室好氧条件下被生物氧化分解和硝化而去除，最终通过膜分离组件抽吸出水；随着反应的进行，污泥层和凝胶层吸附于膜表面形成动态膜，有效减小膜孔径，提高出水水质；其中：

阳极室控制厌氧，水力停留时间为15~60 min；阴极室：水力停留时间为3~12 h；曝气强度60~120 m³/(m²·h)；膜通量为10~40 L/( m²·h)；泥龄35~70 d。

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