CN104628133B - 一种溢流式电化学生物膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溢流式电化学生物膜反应器。在其反应容器中设有环形阳极室、用于生长产电微生物的环形阳极、阴极室和环形导电性分离膜；阳极室和阴极室分别为厌氧、好氧环境，阳极置于环形阳极室内，环形导电性分离膜置于阴极室内；阴极室设于环形阳极室的内圈中，在阴极室的外壁和环形阳极室的内圈壁的外壁之间形成通道；阳极室的进水口低于其出水口；阴极室进水口低于阳极室出水口，阳极室出水口通过通道与阴极室进水口连通；阴极室液面高于阳极室液面；阴极室出水口高于其进水口，且阴极室出水口低于阴极室的液面；阴极室还设有出气口；导电性分离膜的一端封闭，另一端通过出水管连接阴极室出水口；阳极和导电性分离膜之间串联有外电阻。
Description
技术领域
本发明涉及一种废水生物处理中的膜生物反应器的技术领域，特别涉及一种溢流式电化学生物膜反应器。
背景技术
能量和水资源的短缺，是全球面临的两个重要挑战。应用广泛的城镇污水处理工艺包括传统活性污泥工艺及变形，如厌氧-缺氧-好氧法（A2O）工艺、氧化沟工艺、序批式活性污泥法（SBR）工艺等。这些工艺对污染物的去除效果好，但运行能耗高、剩余污泥产量大。实际上，污水中蕴含了巨大的能量，1kg化学需氧量（COD）完全氧化为水和CO2理论上可以产生3.86kW·h的能量，如果生活污水以400mg/LCOD计，则所含能量为1.544kW·h/m3，是我国污水处理厂处理1m3污水平均电耗的5.3倍。近几年微生物燃料电池（MFC）的出现和快速发展，也实现了从废水中回收电能，但也存在着生物量低造成的能量效率和污水处理负荷低以及出水水质差的缺点。
中国专利ZL201110134094.8提供了一种生物电化学膜反应器装置。该装置将膜生物反应器（MBR）和MFC耦合在一起，使其能在废水生物处理的同时回收电能并得到较好的出水水质，但上述系统中的阳极室与阴极室的隔离需要离子选择性透过膜，这使得反应器的成本大大的提高。
因此，提供一种能在废水生物处理的同时回收电能并得到较好的出水水质，并且利用反应器的流态从而不需要离子选择性透过膜的溢流式电化学生物膜反应器，降低反应器成本，成为本领域技术人员额待解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种溢流式电化学生物膜反应器。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明溢流式电化学生物膜反应器包括反应容器，在所述反应容器中设有环形阳极室、用于生长产电微生物的环形阳极、阴极室和环形导电性分离膜；所述环形阳极室内为厌氧环境，所述阴极室为好氧环境，所述阳极置于环形阳极室内，所述环形导电性分离膜置于阴极室内；所述阴极室设于环形阳极室的内圈中，并在阴极室的外壁和环形阳极室的内圈壁的外壁之间形成通道；环形阳极室设有阳极室进水口，阳极室出水口，阴极室设有阴极室出气口、阴极室进水口和阴极室出水口；所述阳极室进水口低于阳极室出水口；所述阴极室进水口低于阳极室出水口，所述阳极室出水口通过所述通道与阴极室进水口连通；阴极室的液面高于阳极室的液面；阴极室出水口高于阴极室进水口，且所述阴极室出水口低于阴极室的液面；所述导电性分离膜的一端封闭，另一端通过出水管连接所述阴极室出水口，以使阴极室内的废水经由所述出水管流到所述反应器的外部；所述阳极和所述导电性分离膜之间串联有外电阻。
进一步地，本发明还包括供氧装置，来自所述供氧装置的氧气经由阴极室进水口进入所述阴极室内。
进一步地，本发明所述供氧装置包括相互连通的曝气头和空气泵，其中，所述曝气头置于阴极室进水口处，所述空气泵置于所述反应容器外。
进一步地，本发明所述反应容器的内壁作为环形阳极室的外圈壁的内壁。
进一步地，本发明所述所述阳极室进水口设于阳极室的底部，阳极室出水口设于阳极室的顶部，所述阴极室进水口设于阴极室的底部，阴极室出水口设于阴极室的顶部。
进一步地，本发明所述阴极室由反应容器的顶部伸出，且所述反应容器的顶部与阴极室的外壁之间密封连接；所述环形阳极室的内圈壁的高度低于所述反应容器的顶部，由此在所述环形阳极室的内圈壁与反应容器的顶部之间形成所述阳极室出水口。
进一步地，本发明所述阴极室的底部高于反应容器的底部，所述阴极室进水口设于所述阴极室的底部。
进一步地，本发明所述阴极室的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口。
进一步地，本发明所述导电性分离膜的底端封闭，顶端通过出水管连接所述阴极室出水口。
进一步地，本发明所述阳极的体积为所述阳极室的体积的1/3～2/3。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：（1）采用阳极室的厌氧生物反应和阴极室的好氧生物反应相耦合，强化污染物的去除，同时实现在处理废水的过程中回收电能；（2）本发明采用导电性分离膜作为反应器的阴极，在运行过程中不仅能够回收电能，同时在导电性分离膜的表面会形成一层生物膜，截留污泥絮体和悬浮颗粒，从而提高水质，发挥了膜生物反应器（MBR）的高效截留及选择性分离和微生物燃料电池（MFC）产能的优点，同时也克服MBR的成本高、MFC出水水质差的问题；（3）利用阳极室的内壁与阴极室的外壁之间的空间作为物理阻隔，能够有效阻断氧气从阴极室向阳极室的扩散，保障阳极室的绝对厌氧环境，同时通过废水从阳极室向阴极室的溢流而达到传递质子的目的，因此利用反应器的流态从而不需要离子选择性透过膜，降低了反应器成本。
附图说明
图1是本发明溢流式电化学生物膜反应器的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图中：1-阳极室进水口，2-阳极室，3-通道，4-阴极室，5-生物膜，6-导电性分离膜，7-出水管；8-液位压差，9-阳极，10-外电阻，11-曝气头，12-空气泵，13-阳极室出水口，14-环形阳极室的内圈壁，15-阴极室进水口，16-阴极室出水口，17-阴极室出气口，18-反应容器。
具体实施方式
如图1所示，本发明溢流式电化学生物膜反应器包括反应容器18，在反应容器18中设有环形阳极室2、用于生长产电微生物的环形阳极9、阴极室4和环形导电性分离膜6。本发明反应器可在阳极室2内接种有产电微生物的厌氧污泥，在阴极室4内接种好氧污泥，从而使得环形阳极室2内为厌氧环境，阴极室4为好氧环境。阳极9置于环形阳极室2内，阳极靠近环形阳极室2的内圈壁。环形导电性分离膜6置于阴极室4内。阴极室4设于环形阳极室2的内圈中，并在阴极室4的外壁和环形阳极室2的内圈壁的外壁之间形成通道3。环形阳极室2设有阳极室进水口1，阳极室出水口13，阴极室4设有阴极室出气口17、阴极室进水口15和阴极室出水口16。阳极室进水口1低于阳极室出水口13。阴极室进水口15低于阳极室出水口13，阳极室出水口13通过通道3与阴极室进水口15连通，从而使环形阳极室2内溢流出的废水经由通道3，由阴极室进水口13流入阴极室4，并使阴极室4的液面高于阳极室2的液面。阴极室出水口16高于阴极室进水口15，且阴极室出水口16低于阴极室4的液面。导电性分离膜6的底端封闭，顶端则通过出水管7连接阴极室出水口16。因此可以利用阴极室4的液面与阴极室出水口16之间形成的液位压差8而使阴极室内的处理过的废水经出水管7由阴极室出水口16引到本发明反应器的外部。阳极9和导电性分离膜6之间串联有外电阻10。
本发明可通过供氧装置为阴极室4提供氧气。来自供氧装置的氧气经由阴极室进水口15进入阴极室4内。作为本发明的一种实施方式，供氧装置可由相互连通的曝气头11和空气泵12组成。其中，曝气头11置于阴极室进水口15处，空气泵12置于所述反应容器18外，曝气头11通过穿过反应容器底部的导气管与空气泵12连通。
作为本发明的一种优选实施方式，直接以反应容器18的内壁作为环形阳极室2的外圈壁的内壁。阳极室进水口1设于阳极室2的底部，阳极室出水口13设于环形阳极室2的顶部，例如，可使环形阳极室2的内圈壁的高度低于所述反应容器18的顶部，由此在环形阳极室2的内圈壁与反应容器18的顶部之间形成阳极室出水口13。
阴极室进水口15设于阴极室4的底部，阴极室出水口16设于阴极室4的顶部。阴极室4由反应容器18的顶部伸出，从而保证阴极室4的液面能够高于阳极室2的液面；并且，反应容器18的顶部与阴极室4的外壁之间密封连接，从而保证环形阳极室2内为厌氧环境。
作为本发明的一种结构紧凑的实施方式，阴极室4的底部高于反应容器18的底部，阴极室进水口15设于阴极室4的底部。更优选地，将阴极室进水口15设计为喇叭状。此外，优选地将阴极室4的顶部设为敞口状，该敞口为阴极室出气口17。
本发明溢流式电化学生物膜反应器工作时，先将废水引入到阳极室2内，经阳极室2厌氧处理后通过阳极室出水口13溢流至阳极室2的内圈壁的外壁与阴极室4的外壁之间所形成的通道3中，然后再经阴极室进水口15流入至阴极室4内。由于阴极室4内设有导电性分离膜6，导电性分离膜6的一端封闭，另一端连接出水管7。随着反应器的运行，微生物会在导电性分离膜6上形成生物膜5，通过膜孔的压力变大，从而导致阴极室4的液面高于阴极室出水口16，在两者间形成液位压差8。在液位压差8的存在下，废水通过导电性分离膜6的膜孔进入膜内，然后经出水管7由阴极室出水口16引到本发明反应器的外部。反应器可在阳极室2内接种有产电微生物的厌氧污泥，在阴极室4内接种好氧污泥。来自外部的污水经过阳极室2时，阳极9上的产电微生物催化废水中的有机物氧化分解而产生电子和质子，其主要反应的反应式为：CH3COO-+4H2O→2HCO3 -+9H++8e-。其中，产电微生物将所产生的电子导出到阳极9上，阳极9上的电子流经外电阻10到达阴极（即导电性分离膜6）上；产电微生物将所产生的质子则从阳极室2随废水一起经由通道3流至阴极室4内。导电性分离膜6上的电子与阴极室4内的质子和氧气反应最终生成水，其主要反应的反应式为：4H++4e-+O2→2H2O。阴极室4内的氧气主要由供氧装置提供。此外，废水自阳极室2经通道3流至阴极室4内后，废水中的含氮的化合物在阴极微生物的催化下，发生硝化及反硝化等反应，其主要反应的反应式为：NH4 ++2O2→NO3 -+H2O+2H+、2NO3 -+12H++10e-→N2+6H2O，由此最终生成氮气由阴极室出气口17排出，从而实现总氮的去除。
本发明的阳极室2优选为密闭式，这样可保持阳极室2的厌氧环境；阴极室4的顶部优选呈敞口状，使得阴极室4内生成的氮气可以很好地从阴极室出气口排除，同时方便阴极室4的曝气。
阳极室2和导电性分离膜6优选为环形结构。阴极室4置于环形阳极室2的内圈中，使得环形阳极室2包围阴极室4，而导电性分离膜6又置于阴极室4内，从而可以既保持整个反应器结构紧凑，又使阳极室2、阴极室4和导电性分离膜6的体积最大化。
通道3在本发明反应器中起到了双重作用：一是作为作为阳极室2与阴极室4之间的物理阻隔，能够有效阻断氧气从阴极室4向阳极室2的扩散，保障阳极室2的绝对厌氧环境；二是作为连接阳极室2与阴极室4之间的通道，可以使阳极室2内的废水从阳极室出水口13溢流至通道3，然后经由阴极室进水口15流入至阴极室4内，从而达到传递质子的目的。环形阳极9的高度小于等于环形阳极室2的内圈壁14的高度，且环形阳极室2的内圈壁14的高度低于反应容器18的高度，从而在内圈壁14与反应容器18的顶部之间形成空隙，该空隙即为阳极室出水口13，阳极室出水口13的大小以方便阳极室2内的废水流出为宜。阴极室4的底部开设有阴极室进水口15。阴极室4的底部与反应容器18的底部之间留有足够的间隙，该间隙的大小以方便阳极室2内的废水流入阴极室4为宜。由此，废水由位于上方的阳极室出水口13溢出后经由通道3后可从位于下方的阴极室进水口15流入到阴极室4内，该流态使得本发明反应器不需要使用离子选择性透过膜，可以降低反应器成本。
在本发明中，设于阴极室4底部的阴极室进水口15优选呈倒喇叭状，可以使废水更好地从阳极室2经通道3平稳地流至阴极室4。
阳极9可选用厚度为5mm的碳毡，呈环形状，且阳极9的体积优选为阳极室2体积的1/3～2/3，以维持废水在阳极室2内的流动效果并保证阳极室2内的产电微生物的总量充足。
导电性分离膜6优选为孔径20～200μm的不锈钢丝网，在本发明溢流式电化学生物膜反应器在运行过程中，导电性分离膜6作为阴极，其不锈钢网（即阴极）的表面会形成一层生物膜5，截留污泥絮体和悬浮颗粒，从而提高水质。同时，生物膜5中的微生物可以催化还原氧气，并且生物膜5中还包含硝化细菌和反硝化细菌可以去除废水中的含氮化合物，最终变成氮气排出。导电性分离膜6作为生物阴极，避免了贵金属催化剂的使用，降低了装置的成本。
当从阳极室进水口1进入阳极室2的废水的COD为288～312mg/L，在阳极室2的HRT为1.8～18.5h时，本发明溢流式电化学生物膜反应器对COD的去除率为85.3%～94.9%。当从阳极室进水口1进入阳极室2的废水的氨氮浓度为29.8～34.8mg/L时，本发明溢流式电化学生物膜反应器对氨氮的去除率为92.1%～98.9%，对总氮的去除率为45.8%～82.1%。
在容积负荷选择为0.43～4.33kgCOD/(m3·d)时，本发明溢流式电化学生物膜反应器的库伦效率为0.71～13.1%，最大功率密度为3.82W/m3，最大电流密度为16.52A/m3，出水浊度为0.61～2.32NTU。
综上可见，本发明溢流式电化学生物膜反应器能在对废水进行生物处理的同时回收电能并得到较好的出水水质，并且利用反应器的流态从而不需要离子选择性透过膜，降低了反应器的成本。
Claims (10)
1.一种溢流式电化学生物膜反应器，其特征在于：包括反应容器（18），在所述反应容器（18）中设有环形阳极室（2）、用于生长产电微生物的环形阳极（9）、阴极室（4）和环形导电性分离膜（6）；所述环形阳极室（2）内为厌氧环境，所述阴极室（4）为好氧环境，所述阳极（9）置于环形阳极室（2）内，所述环形导电性分离膜（6）置于阴极室（4）内；所述阴极室（4）设于环形阳极室（2）的内圈中，并在阴极室（4）的外壁和环形阳极室（2）的内圈壁的外壁之间形成通道（3）；环形阳极室（2）设有阳极室进水口（1）和阳极室出水口（13），阴极室（4）设有阴极室出气口（17）、阴极室进水口（15）和阴极室出水口（16）；所述阳极室进水口（1）低于阳极室出水口（13）；所述阴极室进水口（15）低于阳极室出水口（13），所述阳极室出水口（13）通过所述通道（3）与阴极室进水口（15）连通；阴极室（4）的液面高于阳极室（2）的液面；阴极室出水口（16）高于阴极室进水口（15），且所述阴极室出水口（16）低于阴极室（4）的液面；所述导电性分离膜（6）的一端封闭，另一端通过出水管（7）连接所述阴极室出水口（16），以使阴极室（4）内的废水经由所述出水管（7）流到所述反应器的外部；所述阳极（9）和所述导电性分离膜（6）之间串联有外电阻（10）。
2.根据权利要求1所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：还包括供氧装置，来自所述供氧装置的氧气经由阴极室进水口（15）进入所述阴极室（4）内。
3.根据权利要求2所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述供氧装置包括相互连通的曝气头（11）和空气泵（12），其中，所述曝气头（11）置于阴极室进水口（15）处，所述空气泵（12）置于所述反应容器（18）外。
4.根据权利要求1或2所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述反应容器（18）的内壁作为环形阳极室（2）的外圈壁的内壁。
5.根据权利要求4所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述阳极室进水口（1）设于阳极室（2）的底部，所述阳极室出水口（13）设于阳极室（2）的顶部，所述阴极室进水口（15）设于阴极室（4）的底部，阴极室出水口（16）设于阴极室（4）的顶部。
6.根据权利要求1、2或5所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述阴极室（4）由反应容器（18）的顶部伸出，且所述反应容器（18）的顶部与阴极室（4）的外壁之间密封连接；所述环形阳极室（2）的内圈壁的高度低于所述反应容器（18）的顶部，由此在所述环形阳极室（2）的内圈壁与反应容器（18）的顶部之间形成所述阳极室出水口（13）。
7.根据权利要求6所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述阴极室（4）的顶部呈敞口状，该敞口为所述阴极室出气口（17）。
8.根据权利要求1、2、5或7所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述阴极室（4）的底部高于反应容器（18）的底部，所述阴极室进水口（15）设于所述阴极室（4）的底部。
9.根据权利要求8所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述导电性分离膜（6）的底端封闭，顶端通过出水管（7）连接所述阴极室出水口（16）。
10.根据权利要求1、2、5、7或9所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述阳极的体积为所述阳极室的体积的1/3～2/3。
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