CN105692894A - 一种新型厌氧电化学膜生物反应器系统及其水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型厌氧电化学膜生物反应器系统及其水处理方法，属于污水处理技术领域。本发明解决了厌氧生物处理法与膜分离相结合的技术存在的膜污染速度快，沼气难收集和运行成本高等问题。新型厌氧电化学膜生物反应器分生物反应区和膜过滤区，利用功能性导电碳中空纤维膜的双重作用：通过增强膜表面和污染物之间的排斥作用达到的有效缓解膜污染的作用和膜作为催化电极降解水体污染物达到的显著提高出水水质的作用；通过内筒下部倒置圆台形的设计及上部布水孔的设置，有效收集沼气和减缓膜污染。一种利用新型厌氧电化学膜生物水处理方法，使得集成的水处理系统能在低温条件下稳定运行，同时能够产生富含甲烷的沼气进行回收利用。

Description

一种新型厌氧电化学膜生物反应器系统及其水处理方法
技术领域
本发明涉及一种厌氧膜生物反应器，具体涉及一种用于污水处理的厌氧膜生物反应器水处理方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
世界能源形式的日益严峻以及污水负荷的急剧增长等都在要求我们找到一种能处理高负荷，能源消耗低，投资低，能够回收能源，产生剩余污泥较少的新型处理工艺。在这样的时代背景下，厌氧MBR应运而生。
相对于好氧技术，厌氧生物处理技术最大的特点是具有将污水中的有机物变废为宝转化为甲烷这种可回收利用的能源气体这一优势，同时已经发表的大部分研究表明厌氧生物处理技术的优点大于它的不足，厌氧生物处理技术具有产泥少、工艺相对稳定、基建费用较低、运行费用低廉、二次污染较少等生态、经济、技术优势。
膜污染问题一直是阻碍MBR快速发展并商品化的重要因素，总结起来，膜污染可以被定义为微生物、胶体、溶剂和细胞碎片在膜内部和表面的不合需要的沉积与集合，而这些物质通常表面带有负电荷。膜污染会导致膜通量的降低或者操作过程中跨膜压差(TMP)的升高，是限制MBR广泛应用的一个主要障碍，也是MBR技术面临的困难之一，因此减缓膜污染，延长膜组件对MBR的应用至关重要。
发明内容
本发明是为了解决目前厌氧工艺与膜分离相结合的技术所存在膜污染严重，气体难收集，运行费用高等问题，而提供的一种新型厌氧电化学膜生物水处理方法。
本发明的技术方案为：
一种新型厌氧电化学膜生物反应器系统，该新型厌氧电化学膜生物反应器系统由厌氧生物处理法与膜分离技术结合得到，分为生物反应区和膜过滤区；膜分离技术采用的膜组件包括导电网、导电中空纤维膜丝、导电密封胶和出水口，其中出水口与出水管相连，接连真空泵，抽吸出水；导电中空纤维膜丝通过导电密封胶连接出水口，导电中空纤维膜丝周围膜组件内壁附着导电网；反应器上端设有集气管；
膜组件整体置于膜过滤区的内筒中，其上部均匀设置一圈圆形布直径为2～5cm的水孔，使得上层较澄清的生物处理后的污水进入膜组件处理区域，而将含有大量污泥颗粒的污水阻隔在反应区，有效减缓膜污染；下部为倒置圆台形状代替三相分离器，附着和没有附着的气体向反应器顶部上升，与内筒外壁碰撞，引起附着气泡的污泥絮体脱气。气泡释放后污泥颗粒将沉淀到污泥反应区，沼气由顶部的集气管收集。
所述的导电中空纤维膜丝是功能性导电中空纤维膜，其膜孔径为0.05～10微米。所述的导电中空纤维膜丝是碳材料、导电聚合物或金属导电复合材料。
用新型厌氧电化学膜生物反应器系统进行水处理方法，运行过程：导电中空纤维膜丝与一个电极相连，膜组件内壁附着的导电网与另一电极相连，施加电压为0.1～2.5v或-0.1～2.5v；使得导电中空纤维膜发挥双重作用：一是增强膜表面和水中带电的污染物之间的电排斥作用，可有效缓解膜的污染；二是膜本身作为催化电极降解水体污染物，从而显著提高出水水质。
运行方式：污水从进水管通入反应器内接种厌氧污泥的生物反应区，再通过内筒上部布水孔进入内筒和膜组件之间的膜过滤区，经由膜组件过滤后得到的出水从出水管流出，产生的沼气通过集气管进行收集，剩余污泥由底部排泥口排出，停留时间为4～12小时。
本发明的有益效果：
本发明借助高强度、长寿命、抗污染、高通量的导电中空纤维膜，来解决传统有机膜处理生活废水时高能耗和膜易污染的问题，开发一种在低温低能耗同时还能产能的厌氧电化学膜生物反应器系统。
(1)导电中空纤维膜发挥双重作用：一是增强膜表面和水中带电的污染物之间的电排斥作用，可有效缓解膜的污染；二是膜本身作为催化电极降解水体污染物，从而显著提高出水水质；
(2)隔离反应区与膜过滤区的内筒为特殊形状，上部均匀设置一圈圆形布水孔，阻隔污水中大量的污泥颗粒，下部为倒置圆台形状代替三相分离器，提高沼气收集率；
(3)集成的水处理系统能在低温条件下稳定运行，同时能够产生富含甲烷的沼气进行回收利用，实现低能耗。
附图说明
图1为新型厌氧电化学膜生物反应器工作原理示意图。
图2为反应器内部膜组件结构示意图。
图3为采用有机中空纤维膜和导电碳纳米中空纤维膜处理生活污水的跨膜压差对比图。
图中：1内筒；2膜组件；3集气管；4导电网；5导电中空纤维膜丝；6导密封胶；7出水口。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例：利用导电碳纳米管中空纤维膜生物反应器处理城市污水
反应器主体为有机玻璃，活性污泥位于反应器底部，内筒1内部是膜过滤区，采取循环水浴保温，膜组件采用抗污染的导电中空纤维膜组成，中空纤维膜材料为碳纳米管，膜孔径为0.1微米，可以确保出水悬浮物小于50mg/L，碳纳米管中空纤维膜的膜通量大，为普通中空纤维膜的2倍；适应污泥浓度高为普通膜的2倍以上，此实例中在膜表面施加-1v电压。
本实施方案运行过程中，控制厌氧反应器的水温为35±1℃，主反应区污泥浓度为8.0-15.0g/L。进入反应器的生活污水的浓度为450±50mg/L，膜出水COD平均浓度为40±2mg/L，则COD去除率为91.1±0.5％，有机物去除效果显著。
膜污染情况如图3所示，图中横坐标为反应器稳定运行的天数，纵坐标为膜组件跨膜压差。由图3可以看出采用导电碳纳米管中空纤维膜的膜组件处理生活污水与普通有机的中空纤维膜相比，有显著减缓膜污染的效果。
厌氧膜生物反应器的工作流程为：
(1)将厌氧活性污泥投配至罐体内，污泥量约为罐体容积的20％左右，然后逐步注水至罐体满水。
(2)根据废水处理的工艺要求可对废水温度进行调整，本厌氧膜反应器适用于高温厌氧(55℃)、中温厌氧(35℃)及低温厌氧(15℃)。
(3)生活污水通过进水泵从反应器底部进入活性污泥反应区，污水向上通过包含颗粒污泥或絮状污泥的污泥床，厌氧反应发生在废水和污泥颗粒接触的过程。
(4)在厌氧反应器中，在较高的传质效果下，利用厌氧微生物的代谢功能将废水中有机物分解二产生的沼气(主要是甲烷和二氧化碳)引起了内部的循环，这对于颗粒污泥的形成和维持有利。
(5)在厌氧状态下产生的沼气在污泥层形成的一些气体附着在污泥颗粒上，附着和没有附着的气体向反应器顶部上升至内筒，与桶壁碰撞，引起附着气泡的污泥絮体脱气。气泡释放后污泥颗粒将沉淀到污泥反应区，附着和没有附着的沼气经顶部的集气管收集。
(6)经厌氧反应后的污水自布水孔流入膜过滤区，经中空纤维膜过滤后通过出水泵排出反应器，废水中的厌氧污泥颗粒被最大程度地截留在厌氧反应器活性污泥区。

Claims (5)

1.一种新型厌氧电化学膜生物反应器系统，其特征在于，该新型厌氧电化学膜生物反应器系统由厌氧生物处理法与膜分离技术结合得到，分为生物反应区和膜过滤区；膜分离技术采用的膜组件包括导电网、导电中空纤维膜丝、导电密封胶和出水口，其中出水口与出水管相连，接连真空泵，抽吸出水；导电中空纤维膜丝通过导电密封胶连接出水口，导电中空纤维膜丝周围膜组件内壁附着导电网；反应器上端设有集气管；
膜组件整体置于膜过滤区的内筒中，其上部均匀设置一圈圆形布直径为2～5cm的水孔，下部为倒置圆台形代替三相分离器。
2.根据权利要求1所述的新型厌氧电化学膜生物反应器系统，其特征在于，所述的导电中空纤维膜丝是功能性导电中空纤维膜，其膜孔径为0.05～10微米。
3.根据权利要求1或2所述的新型厌氧电化学膜生物反应器系统，其特征在于，所述的导电中空纤维膜丝是碳材料、导电聚合物或金属导电复合材料。
4.用权利要求1或2所述的新型厌氧电化学膜生物反应器系统进行水处理方法，其特征在于，运行过程：导电中空纤维膜丝与一个电极相连，膜组件内壁附着的导电网与另一电极相连，施加电压为0.1～2.5v或-0.1～2.5v；运行方式：污水从进水管通入反应器内接种厌氧污泥的生物反应区，再通过内筒上部布水孔进入内筒和膜组件之间的膜过滤区，经由膜组件过滤后得到的出水从出水管流出，产生的沼气通过集气管进行收集，剩余污泥由底部排泥口排出，停留时间为4～12小时。
5.用权利要求3所述的新型厌氧电化学膜生物反应器系统进行水处理方法，其特征在于，运行过程：导电中空纤维膜丝与一个电极相连，膜组件内壁附着的导电网与另一电极相连，施加电压为0.1～2.5v或-0.1～2.5v；运行方式：污水从进水管通入反应器内接种厌氧污泥的生物反应区，再通过内筒上部布水孔进入内筒和膜组件之间的膜过滤区，经由膜组件过滤后得到的出水从出水管流出，产生的沼气通过集气管进行收集，剩余污泥由底部排泥口排出，停留时间为4～12小时。
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