CN106116019B - 一种无膜微生物燃料电池–空塔式接触氧化–膜生物反应器耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无膜微生物燃料电池–空塔式接触氧化–膜生物反应器耦合系统，属于污水净化与废水资源化利用技术领域，涉及将无膜微生物燃料电池、空塔式接触氧化、膜生物反应器进行技术耦合，设计出一种耐负荷序批式三级污水处理系统。耦合系统实现废水的连续三级高效处理，充分利用各处理单元技术优势，相互协同，达到污水处理+生物发电同时高效进行设计目的。本耦合系统的发明，实现了污水或废水的连续高效处理，大大减缓膜生物反应器处理负荷，提高了膜生物反应器过滤膜使用寿命，降低了污水处理运行成本，提升了污水或废水中有机质转化为生物电能效率，实现了污水中生物质资源的高效利用，耦合系统实用性强，工程应用优势显著。

Description

一种无膜微生物燃料电池–空塔式接触氧化–膜生物反应器耦 合系统

技术领域

本发明属于污水净化与废水资源化利用技术领域，涉及将无膜微生物燃料电池、空塔式接触氧化、膜生物反应器进行技术耦合，设计出一种耐高负荷三级污水处理系统。污水连续发生厌氧反应(无膜微生物燃料电池阳极单元)、兼性反应(空塔式接触氧化单元)、好氧反应，实现序批式三级处理，系统出水水质显著提升。耦合系统三级技术协同作用，提升了污水或废水中有机质转化为生物电能效率，实现了污水中生物质资源的高效利用。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)是近年来迅速发展起来的一种融合了污水处理和生物产电的新技术。微生物燃料电池阴极及阳极间设置的质子交换膜成本一直较高。目前微生物燃料电池污水处理工艺普遍出水水质较差，亟需与其它工艺耦合提升出水质量。

传统生物接触氧化工艺是采用固定式生物填料作为微生物的载体，生长有微生物的载体淹没在水中，曝气系统为反应器中的微生物供氧。本发明借鉴传统生物接触氧化工艺，创新式设计空塔式接触氧化工艺。空塔式接触氧化工艺仍采用固定式生物填料为微生物载体，微生物燃料电池阳极出水溢流进入空塔，好氧微生物、兼性微生物、厌氧微生物分布在空塔内多孔滤料不同区域，好氧、兼性、厌氧反应同时进行；滤料表面直接与空气接触，实现气液相直接溶氧。

膜生物反应器(Membrance bioreactor简称MBR)是一种集污水生物处理技术与膜分离技术于一体的新型高效污水处理技术。尤其是在近年，MBR技术更是以前所未有的速度快速推广和使用。然而，膜污染一直是MBR更为广泛应用的一大障碍。目前提高MBR抗污染性能的最为广泛方法是增加MBR池的曝气量，通过增加膜表面的抖动及纵向切力，减缓生物质在膜表面的沉积，但实际效果有限。运行过程中，操作人员只有不断地对膜进行清洗，才能实现膜通量的有效恢复。

本发明用石英砂质子交换仓替代质子交换膜，实现微生物燃料电池的无膜化。将无膜微生物燃料电池–空塔式接触氧化–膜生物反应器技术进行耦合，对污水或废水的序批式连续三级处理，充分利用各自优势，相互协同，达到污水处理+生物发电同时高效进行设计目的。本耦合系统的发明，实现了污染物的连续高效处理，大大减缓膜生物反应器处理负荷，提高了膜生物反应器过滤膜使用寿命，降低了工艺运行成本，系统工程应用优势明显，目前仍无研究者进行此方面研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种无膜微生物燃料电池–空塔式接触氧化–膜生物反应器耦合系统，解决MBR膜运行负荷高，易污染、使用寿命低的问题。

本发明的技术方案：

一种无膜微生物燃料电池–空塔式接触氧化–膜生物反应器耦合系统，步骤如下：

微生物燃料电池阳极室电极为碳棒，碳棒顶端内置金属丝；阳极室填充活性炭颗粒，活性炭颗粒的充填率75％～90％；阳极室设置下部折流进水，顶盖密封，水体经阳极室顶端溢流槽出水，阳极室水力停留时间6-8h；溢流槽出水直接进入空塔式接触氧化槽，空塔式接触氧化槽内填充多孔滤料作为生物膜载体，其多孔滤料填充率大于85％；空塔式接触氧化槽内的多孔滤料直接与空气接触，实现气液相直接溶氧；空塔式接触氧化槽内多孔滤料自然形成好氧区、兼性区和厌氧区，多孔滤料单体由外到内因溶氧差别同样存在好氧区、兼性区和厌氧区，水体与多孔滤料接触过程中，同时发生好氧、兼性和厌氧反应，提升水体脱氮除磷效率；空塔式接触氧化槽的槽壁单侧预留空气输送孔，保证空气流通；

微生物燃料电池阴极室内置导电双功能膜作为阴极，在阴极与阳极之间外接电阻；

石英砂质子交换仓设置在微生物燃料电池阳极室和阴极室间，替代传统质子交换膜；

微生物燃料电池阴极室同时作为膜生物反应器的曝气池，微生物燃料电池阴极室底部预置曝气头，控制溶解氧控制在4mg/L以上；膜生物反应器的膜组件由导电膜预制，导电膜同时起到微生物燃料电池导电及膜生物反应器水体过滤功能，膜组件负压抽滤出水；曝气池内接种好氧污泥。

本发明的有益效果：本耦合系统在MFC/MBR二级工艺基础上，创新式引进空塔式接触氧化工艺，解决了二级工艺膜生物反应器处理负荷过重，出水水质不稳等缺点；微生物燃料电池阳极出水在空塔式接触氧化槽内同步实现好氧、兼性、厌氧反应，显著提高氨氮、TP等污染物去除效率；石英砂质子交换仓替代昂贵质子交换膜，能够显著降低工艺成本；三级耦合系统协同作用能够有效控制MBR膜污染，能够解决目前MBR应用推广最大技术难题；本耦合系统耐冲击、适用高负荷污水处理，系统全膜法工艺流程设计保障了系统连续稳定运行。

附图说明

图1是本发明的耦合系统工艺流程图。

图2是本发明的氨氮脱除性能图。

图中：横坐标表示时间，单位d，纵坐标表示出水浓度和去除效率，单位mg/L和％，方块、圆点分别表示氨氮进水浓度、去除效率。

图3是本发明的总磷脱除性能图。

图中：横坐标表示时间，单位d，纵坐标表示浓度，单位mg/L，方块、圆点分别表示总磷进水浓度、出水浓度。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

微生物燃料电池阳极室：缓冲槽设计尺寸为0.03×0.1×0.5m，折流通道尺寸0.1×0.05m；阳极室设计尺寸为0.1×0.1×0.5m，底部折流入水；碳棒阳极电极10根，尺寸为Φ8(mm)×0.5m，排列方式为3-2-3-2，碳棒顶端内置铝丝，串联外引；活性炭填充阳极室(粒径：3-5mm)，填充率85％；阳极室上部插入甘汞电极，导线外引连接数据集成系统；溢流槽底部设置8内丝出水孔。

空塔式接触氧化槽：空塔式接触氧化槽设计尺寸为0.06×0.1×0.25m，槽内分层填充火山岩滤料，分别是下层填充高度0.1m,滤料粒径50mm；中层填充高度0.1m，滤料粒径30mm；上层填充高度0.05m,滤料粒径15mm；槽壁预留Φ12(mm)空气输送孔。

微生物燃料电池阴极室：应用导电双功能膜作为微生物燃料电池阴极，阴极与阳极外接1000Ω电阻；阳极电极、阴极电极、甘汞电极(参比电极)与数据集成系统相连，连续采集阳极电势和电池电势数据；阴极室设计尺寸为0.15×0.1×0.3m；底部预置鼓风曝气，溶解氧控制水平在4mg/L以上。

石英砂质子交换仓：交换仓设计尺寸为0.05×0.1×0.20m；石英砂粒径0.5-1mm，填充率100％；质子交换通道70×30mm,内丝帆布封口，防止石英砂外漏。

膜生物反应器：导电膜预制MBR膜组件，单膜净尺寸105×150mm，设双膜片，双模间距1.2cm；膜组件出水管尺寸为Φ8×30mm，软管外接出水泵，负压出水；系统启动前，曝气池自行培养驯化好氧污泥。

耦合系统过滤性能检验：阳极室接种产电希瓦氏菌。配制人工废水进行系统连续进水，阳极及电池电势平稳后，进行系统过滤性能测试。实验结果如图2、图3所示，说明耦合系统对氨氮、总磷等污染物去除效果显著。

Claims (1)

1.一种无膜微生物燃料电池–空塔式接触氧化–膜生物反应器耦合系统，其特征在于：

微生物燃料电池阳极室电极为碳棒，碳棒顶端内置金属丝；阳极室填充活性炭颗粒，活性炭颗粒的充填率75％～90％；阳极室设置下部折流进水，顶盖密封，水体经阳极室顶端溢流槽出水，阳极室水力停留时间6-8h；溢流槽出水直接进入空塔式接触氧化槽，空塔式接触氧化槽内填充多孔滤料作为生物膜载体，其多孔滤料填充率大于85％；空塔式接触氧化槽内的多孔滤料直接与空气接触，实现气液相直接溶氧；空塔式接触氧化槽内多孔滤料自然形成好氧区、兼性区和厌氧区，多孔滤料单体由外到内因溶氧差别同样存在好氧区、兼性区和厌氧区，水体与多孔滤料接触过程中，同时发生好氧、兼性和厌氧反应，提升水体脱氮除磷效率；空塔式接触氧化槽的槽壁单侧预留空气输送孔，保证空气流通；

微生物燃料电池阴极室内置导电双功能膜作为阴极，在阴极与阳极之间外接电阻；

石英砂质子交换仓设置在微生物燃料电池阳极室和阴极室间，替代传统质子交换膜；

微生物燃料电池阴极室同时作为膜生物反应器的曝气池，微生物燃料电池阴极室底部预置曝气头，控制溶解氧在4mg/L以上；膜生物反应器的膜组件由导电膜预制，导电膜同时起到微生物燃料电池导电及膜生物反应器水体过滤功能，膜组件负压抽滤出水；曝气池内接种好氧污泥。