CN104628134B - 一种上流式电化学生物膜反应器 - Google Patents

一种上流式电化学生物膜反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种上流式电化学生物膜反应器，其反应容器由刚性多孔塑料垫片分隔成阳极室和阴极室，阴极室位于阳极室的上方；阳极室内为厌氧环境，阴极室为好氧环境，在阳极室内设有用于生长产电微生物的阳极，在阴极室内设有导电性分离膜；阳极室设有进水口；阴极室设有出气口和出水口，且该出气口设于阴极室的顶部，该出水口低于阴极室的液面；导电性分离膜的一端封闭，导电性分离膜管流到反应器的外部；阳极和所述导电性分离膜之间串联有外电阻。本发明可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。

Description

一种上流式电化学生物膜反应器
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，特别涉及一种上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。
中国专利文献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上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上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：
本发明上流式电化学生物膜反应器包括反应容器，所述反应容器由刚性多孔塑料垫片分隔成阳极室和阴极室，所述阴极室位于阳极室的上方；所述阳极室内为厌氧环境，所述阴极室为好氧环境，在所述阳极室内设有用于生长产电微生物的阳极，在所述阴极室内设有导电性分离膜；阳极室设有进水口；阴极室设有出气口和出水口，且所述出气口设于阴极室的顶部，所述出水口低于阴极室的液面；所述导电性分离膜的一端封闭，所述导电性分离膜的另一端通过导管与所述出水口连通，以使阴极室内的废水经该导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进入所述阴极室内。
进一步地，本发明来自所述供氧装置的氧气经由阴极室的底部进入所述阴极室内。
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内，所述空气泵置于所述反应容器外。
进一步地，本发明所述曝气头置于阴极室的底部。
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的出气口。
进一步地，本发明所述阳极室的进水口设于阳极室的底部。
进一步地，本发明所述阳极的体积为阳极室的体积的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）利用刚性多孔塑料垫片作为物理阻隔，保证废水从阳极室到阴极室自下而上地单向流动，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，同时废水从阳极室自下而上通过刚性多孔塑料垫片流至阴极室内，从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是本发明上流式电化学生物膜反应器的结构示意图。
图中：1-阳极室的进水口，2-阳极室，3-刚性多孔塑料垫片，4-阴极室，5-生物膜，6-导电性分离膜，7-阴极室的出水口；8-液位压差，9-碳毡，10-石墨棒电极，11-外电阻，12-曝气头，13-空气泵，14-阴极室的出气口，15-反应容器。
具体实施方式
如图1所示，本发明上流式电化学生物膜反应器包括反应容器15，反应容器15由刚性多孔塑料垫片3分隔成阳极室2和阴极室4，其中，阴极室4位于阳极室2的上方；阳极室2内为厌氧环境，阴极室4为好氧环境。在阳极室2内设有用于生长产电微生物的阳极，在阴极室4内设有导电性分离膜6。阳极室2设有进水口1，进水口1一般设于阳极室2的底部。阴极室4设有出气口14和出水口7，且阴极室4的出气口14设于阴极室4的顶部，阴极室4的出水口7低于阴极室4的液面。导电性分离膜6的一端封闭，导电性分离膜6的另一端通过导管与阴极室4的出水口7连通，以使阴极室4内的废水经该导管流到本发明反应器的外部。优选地，导电性分离膜6的底端封闭，导电性分离膜6的顶端通过导管与阴极室4的出水口7连通。阳极和导电性分离膜6之间串联有外电阻11。
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通常经由阴极室4的底部进入阴极室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12和空气泵13组成。其中，曝气头12置于阴极室4的底部，空气泵13置于反应容器15外，曝气头12通过穿过反应容器底部的导气管与空气泵13连通。
作为本发明的一种结构紧凑的实施方式，阴极室4的顶部呈敞口状，该敞口直接作为阴极室的出气口14。
本发明上流式电化学生物膜反应器工作时，先使废水由进水口1进入阳极室2内，废水经阳极室2厌氧处理后通过阳极室2与阴极室4之间的刚性多孔塑料垫片3流入至阴极室4以作下一步处理。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7，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。来自外部的废水经过阳极室2时，阳极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，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上，阳极上的电子流经外电阻11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从阳极室2随废水一起经由刚性多孔塑料垫片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经刚性多孔塑料垫片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的出气口14排出，从而实现总氮的去除。
刚性多孔塑料垫片3在本发明反应器中起到了双重作用：一是作为阳极室2与阴极室4之间的物理阻隔，保证废水从阳极室2到阴极室4自下而上地单向流动，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2自下而上通过刚性多孔塑料垫片3流至阴极室4内，从而达到传递质子的目的，由此，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。
阳极可有碳布、碳刷、石墨粒、石墨毡等多种选择。如图1所示，在本实施中，阳极由石墨棒电极10和碳毡9共同构成。碳毡9的大小为1cm×1cm×0.6cm，碳毡9分别在石墨棒电极10的周围。阳极的总体积优选为阳极室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。在本发明上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，这些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。
当从进水口1进入阳极室2的废水的COD为322～342mg/L，在阳极室HRT为2.1～21h时，此上流式电化学生物膜反应器对COD的去除率为83.5%～96.1%.当从进水口1进入阳极室2的废水氨氮浓度为28.9～35.8mg/L时，本发明上流式电化学生物膜反应器对氨氮的去除率为93.2%～99.2%，对总氮的去除率为35.6%～75.1%。
在容积负荷选择为0.37～3.66kgCOD/(m3·d)时，本发明上流式电化学生物膜反应器的库伦效率为0.51～15.1%，最大功率密度为3.52W/m3，最大电流密度为14.31A/m3，出水浊度为0.44～1.81NTU。
综上可见，本发明上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)

1.一种上流式电化学生物膜反应器，其特征在于，包括反应容器（15），所述反应容器（15）由刚性多孔塑料垫片（3）分隔成阳极室（2）和阴极室（4），所述阴极室（4）位于阳极室（2）的上方；所述阳极室（2）内为厌氧环境，所述阴极室（4）为好氧环境，在所述阳极室（2）内设有用于生长产电微生物的阳极，在所述阴极室（4）内设有导电性分离膜（6）；阳极室（2）设有进水口（1）；阴极室（4）设有出气口（14）和出水口（7），且所述出气口（14）设于阴极室（4）的顶部，所述出水口（7）低于阴极室（4）的液面；所述导电性分离膜（6）的一端封闭，所述导电性分离膜（6）的另一端通过导管与所述出水口（7）连通，以使阴极室（4）内的废水经该导管流到所述反应器的外部；所述阳极和所述导电性分离膜（6）之间串联有外电阻（11）。
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：来自所述供氧装置的氧气经由阴极室（4）的底部进入所述阴极室（4）内。
4.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（12）和空气泵（13），其中，所述曝气头（12）置于阴极室（4）内，所述空气泵（13）置于所述反应容器（15）外。
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：所述曝气头（12）置于阴极室（4）的底部。
6.根据权利要求1至5中任一项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的出气口（14）。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述阳极室（2）的进水口（1）设于阳极室（2）的底部。
8.根据权利要求6所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述阳极室（2）的进水口（1）设于阳极室（2）的底部。
9.根据权利要求1、2、3、4、5或8所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述阳极的体积为阳极室的体积的1/3～2/3。
10.根据权利要求6所述的电化学生物膜反应器，其特征在于：所述阳极的体积为阳极室的体积的1/3～2/3，所述阳极室（2）的进水口（1）设于阳极室（2）的底部。
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CN107666005A (zh) * 2017-09-21 2018-02-06 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 微生物燃料电池及去除废水中含氮化合物的方法
CN113893660B (zh) * 2021-10-22 2023-06-30 广东省科学院微生物研究所(广东省微生物分析检测中心) 一种利用无膜连续流生物电化学系统烟气脱硝的装置和方法
CN115124133B (zh) * 2022-06-17 2023-05-30 宁夏鹏旭环保科技有限公司 一种高度集成的回流式的生物电化学废水智能处理系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103739070A (zh) * 2013-12-26 2014-04-23 江南大学 一种低能耗市政污水回用的方法
CN204569544U (zh) * 2015-02-04 2015-08-19 浙江大学 上流式电化学生物膜反应器

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