CN107954572A - 一种有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统 - Google Patents

一种有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统 Download PDF

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Abstract

一种有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，涉及一种水处理系统。本发明为了解决现有的微生物电化学系统中离子或质子交换膜无法满足污水自然渗透、阴极室和阳极室之间管路设置冗余和装置成本高的问题。该系统由圆柱阳极室、数个阳极、数个阴极、外电阻和阴极室构成；所述阴极和圆柱阳极室设置于阴极室内部，数个阳极设置于圆柱阳极室内部，数个阴极并列围绕圆柱阳极室设置；数个阴极并联后与圆柱阳极室内部并联的数个阳极通过导线连接；圆柱阳极室由阳极多孔支撑管、进水管、出水管、滤膜、支撑网和管箍构成。本发明滤膜做为间隔材料减少了冗余的管路设置，降低了装置成本，同时提高了水处理效果，降低了膜污染的速率。

Description

一种有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统
技术领域
本发明涉及一种水处理系统。
背景技术
微生物电化学系统是能直接利用微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。在微生物电化学系统中，阳极中的微生物代谢废水中的有机或无机物质，将电子转移至阳极电极上，电子通过外电路传导至阴极，在阴极电子经过外电路与电子受体O2结合，质子从溶液中由阳极迁移至阴极，从而形成闭合回路，完成反应过程。生物阴极微生物电化学系统是指由微生物在阴极表面附着，从电极上获得电子并承担系统中氧还原的催化功能。现有的生物阴极微生物电化学系统如图1所示，包括：阳极室a1，阴极室b1，阳极c1，阴极d1，间隔材料e1和电阻f1，阳极室a内填充有阳极液，阴极室b1内填充有阴极液。在微生物电化学系统中，污水进入厌氧的阳极室，阳极降解大部分有机污染物并将阳极出水排入阴极室。阴极室则一般通过曝气的方式维持好氧的环境并进一步降低阳极室出水中的少量有机污染物。因此阳极和阴极室中间的间隔材料在整个系统中起到分割阴极和阳极室，维持阳极到阴极的有机污染物的浓度梯度(阳极高/阴极低)，以及阴极到阳极的溶解氧梯度的功能(阴极高/阳极低)。
在现有的微生物电化学系统中间隔材料多采用离子或质子交换膜。离子或质子交换膜目前的价格昂贵无法满足水处理行业对低成本的需求。同时，因为离子或质子交换膜并没有透过水的能力，离子或质子交换膜无法满足阳极液自然渗透进入阴极室的要求，阳极液必须通过管路绕流体系外部后进入阴极室，增加了体系的结构冗余和构建成本。离子或质子交换膜可以维持阴极的低有机污染物的化学需氧量(COD)浓度状态、阳极高有机污染物的化学需氧量浓度状态和阳极低阴极高的溶解氧梯度，但是连续流运行状态下离子或质子交换膜不能透过污水，污水通过管路绕流体系外部后进入阴极室的同时有机污染物也随之进入了阴极室，所以采用离子或质子交换膜的系统不具备截留有机污染物的能力。这种系统结构会造成阳极室中的大量有机污染物随着外部管路源源不断的进入阴极室，有机污染物进入阴极室后造成体系性能下降和水质状况下降；同时，离子交换膜的成本高。
膜处理工艺是近年来广受重视的新型水处理工艺，可以将污水中的大部分污染物截留处理，从而获得高处理效率和高标准的出水水质。如图2所示，膜生物反应器按照承压状态可以分为外压式膜组件和内压式膜组件。图2中g1为外压式膜组件，图2中h1为内压式膜组件；但是，在目前的研究中膜和微生物电化学系统之间仍然缺乏有效的组合形式。膜和微生物电化学系统之间的组合形式为将超滤/纳滤膜做为间歇性运行的微生物电化学系统的间隔材料取代离子交换膜组成，但组合形式为间歇运行的形式，由于这种组合形式设计缺乏运行连续性，因此导致实际应用性较差。其它的的耦合模式仅仅是将两种工艺的简单加合，如微生物电化学系统的出水排入膜反应器做后续处理，或者将膜反应器直接沉浸于阴极室内原位处理阴极液。这些组合模式只是将膜反应器和生物阴极微生物电化学系统简单组合，组合后仍是独立运行，未能将两种技术有机结合，进而造成结构冗余。
发明内容
本发明为了解决现有的微生物电化学系统中离子或质子交换膜无法满足污水自然渗透、阴极室和阳极室之间管路设置冗余和装置成本高的问题，提出一种有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统。
一种有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，该系统由圆柱阳极室、数个阳极、数个阴极、外电阻和阴极室构成；
所述阴极和圆柱阳极室设置于阴极室内部，数个阳极设置于圆柱阳极室内部，数个阴极并列围绕圆柱阳极室设置；数个阴极并联后与圆柱阳极室内部并联的数个阳极通过导线连接；
所述连接阴极与阳极的导线上设置有外电阻；
所述圆柱阳极室由阳极多孔支撑管、进水管、出水管、滤膜、支撑网和管箍构成；阳极多孔支撑管为圆柱状，阳极多孔支撑管的圆柱的管壁上设置有贯穿孔，阳极多孔支撑管的圆柱的两端设置有密封盖板，阳极多孔支撑管的圆柱的上端密封盖板上设置有进水管，阳极多孔支撑管的圆柱的下端密封盖板上设置有出水管，进水管和出水管与阳极多孔支撑管内部连通，滤膜为筒状，滤膜套设在阳极多孔支撑管外表面，支撑网为筒状，支撑网套设在滤膜外表面，管箍套设在支撑网外表面；
所述阳极多孔支撑管的圆柱的管壁厚度为0.1～10cm；所述阳极多孔支撑管的圆柱的管壁的材质为绝缘处理的不锈钢管、陶瓷、PVC、PC、PPR或PP；
所述进水管的直径小于等于阳极多孔支撑管的直径；
所述圆柱的管壁上设置的贯穿孔的直径为0.1～10cm；
所述阳极为碳刷阳极、碳纤维布阳极或导电填料阳极；
所述阴极为碳刷阴极、碳纤维布阴极或导电填料阴极；
所述滤膜为微滤膜、超滤膜或纳滤膜；
所述支撑网为尼龙网、锦纶丝网、涤纶丝网、纳纶丝网、碳纤维布、不锈钢网或钛网；
其中，阳极多孔支撑管的圆柱的管壁厚度为0.1～10cm能够保证对阳极室的有效支撑；其中，进水管的功能是将污水导入圆柱阳极室，圆柱阳极室设置的出水管处于常闭状态，出水管用于周期性排空或应急排空圆柱阳极室内污水和长期蓄积的污泥；支撑网应该具备一定的抗拉伸能力并耐腐蚀；其中，管箍的作用是将支撑网和滤网紧密压合在阳极多孔支撑管的表面；管箍的材质可以是工程塑料或者耐腐蚀的金属；
本发明水处理系统的运行过程及原理为：
污水从阳极室顶部的进水管进入圆柱阳极室，污水在污水泵或来水水头的作用下具有一定压力，圆柱阳极室内带有压力的污水下通过滤膜持续进入阴极室，污水在阴极室中进一步处理后最终排除系统，同时大部分有机污染物被滤膜截留在圆柱阳极室，仅少量有机污染物进入阴极室并在好氧曝气过程中氧化去除；截留在圆柱阳极室的有机污染物由阳极厌氧菌群代谢去除；最终处理后污水从阴极室排除，即完成；
本发明具备以下有益效果：
1、本发明提供一种将膜生物处理工艺和微生物电化学处理工艺有效结合的耦合系统，改变了目前两种耦合工艺仅为简单组合的现状本发明将滤膜和生物阴极有效结合，阳极室内的污水直接通过阳极多孔支撑管的圆柱的管壁渗透进入阴极室，其中，滤膜做为间隔材料包裹阳极室，带有压力的污水透过滤膜进入阴极室后排出，即阳极室与滤膜形成内压式膜组件，直接使阳极液直接渗流到阴极，阳极室内的污水直接通过阳极多孔支撑管的圆柱的管壁渗透进入阴极室，解决了离子或质子交换膜无法满足污水自然渗透的缺点，减少了现有阴极室和阳极室之间冗余的管路设置，降低了装置成本，同时提高了水处理效果；
现有的微生物电化学系统中生物阳极室出水有机污染物的化学需氧量浓度为150～200mg/L，即进入阴极室的有机污染物的化学需氧量浓度为150～200mg/L，处理后阴极室出水的有机污染物的化学需氧量浓度为56～60mg/L，本发明将间隔材料换成滤膜后进入阴极室的有机污染物的化学需氧量浓度仅为30～40mg/L，阴极出水有机污染物的化学需氧量浓度最低达到6mg/L；
3、粒径为10μm左右的污染物颗粒是污染滤膜的主要污染源，过多的10μm左右的污染物颗粒会提高膜污染的速率；一般污水中的菌和污染物颗粒带负电荷为负电荷物质，负电荷物质在微生物电化学系统中沿着电流方向向阳极迁移，负电荷物质迁移过程是远离膜表面的，在迁移过程中负电荷物质相互碰撞后从容易堵塞滤膜的小颗粒变成大颗粒沉降，大颗粒不能堵塞滤膜，最后大颗粒也会在电场下吸附在阳极上被微生物降解并脱离污水相；本发明水处理系统利用阳极和阴极之间的存在电场减少了粒径为10μm左右的容易造成膜污染的细小污染物颗粒在污水中颗粒物中的比例，有效的降低了膜污染的速率；
4、滤膜做为间隔材料具有将污染物截留在阳极的能力，保证了微生物电化学水处理系统的出水水质；同时还具有维持阴极室和阳极室溶解氧梯度的作用，提高了微生物电化学水处理系统的出水水质；本发明维持阴极室和阳极室溶解氧的梯度通过有机物污染污水的连续运行、滤膜以及滤膜上阳极一侧形成的微生物、微生物分泌物和颗粒物组成滤层；有机物污染污水连续从阳极向阴极单向流动，阴极室曝气时溶解氧很难逆水流向阳极扩散，同时滤膜本身由于孔隙很小进而减小溶解氧从阴极侧扩散到阳极的扩散系数；再者滤膜过滤时在滤膜阳极一侧自然形成的由微生物、微生物分泌物和颗粒物组成滤层能够进一步减小了溶解氧从阴极侧扩散到阳极的扩散系数；阴极扩散到阳极的溶解氧很少，可以被阳极的有机污染物迅速的消耗掉，实现了维持阳极中的溶解氧浓度处于低的状态。
附图说明：
图1为现有的生物阴极微生物电化学系统结构示意图；
图2为现有的外压式膜组件和内压式膜组件结构示意图；
图3为本发明水处理系统结构示意图；
图4为圆柱阳极室的结构示意图；
图5为阳极多孔支撑管1结构示意图；
图6为实施例1水处理系统结构示意图，其中a为圆柱阳极室，b为阳极；
图7为实施例1水处理系统的功率密度输出曲线图；
图8为实施例1水处理系统的滤膜的过膜压力曲线图；其中，c为接通阴极和阳极电路的条件下的曲线，d为不接通阴极和阳极电路的条件下的曲线；
图9实施例1水处理系统中不停粒径的颗粒物在污水中的组成比例曲线图，其中，e为不接通阴极和阳极电路的条件下的曲线，f为接通阴极和阳极电路的条件下的曲线；
图10为图9中粒径为0～20μm的颗粒物的组成比例曲线放大图。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：结合图1～图6说明本实施方式，本实施方式一种有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统由圆柱阳极室、数个阳极、数个阴极7、外电阻8和阴极室9构成；
所述阴极7和圆柱阳极室设置于阴极室9内部，数个阳极设置于圆柱阳极室内部，数个阴极7并列围绕圆柱阳极室设置；数个阴极7并联后与圆柱阳极室内部并联的数个阳极通过导线连接；
所述连接阴极7与阳极的导线上设置有外电阻8；
所述圆柱阳极室由阳极多孔支撑管1、进水管2、出水管3、滤膜4、支撑网5和管箍6构成；阳极多孔支撑管1为圆柱状，阳极多孔支撑管1的圆柱的管壁上设置有贯穿孔，阳极多孔支撑管1的圆柱的两端设置有密封盖板，阳极多孔支撑管1的圆柱的上端密封盖板上设置有进水管2，阳极多孔支撑管1的圆柱的下端密封盖板上设置有出水管3，进水管2和出水管3与阳极多孔支撑管1内部连通，滤膜4为筒状，滤膜4套设在阳极多孔支撑管1外表面，支撑网5为筒状，支撑网5套设在滤膜4外表面，管箍6套设在支撑网5外表面。
本实施方式具备以下有益效果：
1、本实施方式提供一种将膜生物处理工艺和微生物电化学处理工艺有效结合的耦合系统，改变了目前两种耦合工艺仅为简单组合的现状本实施方式将滤膜和生物阴极有效结合，阳极室内的污水直接通过阳极多孔支撑管1的圆柱的管壁渗透进入阴极室9，其中，滤膜做为间隔材料包裹阳极室，带有压力的污水透过滤膜进入阴极室后排出，即阳极室与滤膜形成内压式膜组件，直接使阳极液直接渗流到阴极，阳极室内的污水直接通过阳极多孔支撑管1的圆柱的管壁渗透进入阴极室9，解决了离子或质子交换膜无法满足污水自然渗透的缺点，减少了现有阴极室和阳极室之间冗余的管路设置，降低了装置成本，同时提高了水处理效果；
现有的微生物电化学系统中生物阳极室出水有机污染物的化学需氧量浓度为150～200mg/L，即进入阴极室的有机污染物的化学需氧量浓度为150～200mg/L，处理后阴极室出水的有机污染物的化学需氧量浓度为56～60mg/L，本实施方式将间隔材料换成滤膜4后进入阴极室的有机污染物的化学需氧量浓度仅为30～40mg/L，阴极出水有机污染物的化学需氧量浓度最低达到6mg/L；
3、粒径为10μm左右的污染物颗粒是污染滤膜的主要污染源，过多的10μm左右的污染物颗粒会提高膜污染的速率；一般污水中的菌和污染物颗粒带负电荷为负电荷物质，负电荷物质在微生物电化学系统中沿着电流方向向阳极迁移，负电荷物质迁移过程是远离膜表面的，在迁移过程中负电荷物质相互碰撞后从容易堵塞滤膜的小颗粒变成大颗粒沉降，大颗粒不能堵塞滤膜，最后大颗粒也会在电场下吸附在阳极上被微生物降解并脱离污水相；本实施方式水处理系统利用阳极和阴极之间的存在电场减少了粒径为10μm左右的容易造成膜污染的细小污染物颗粒在污水中颗粒物中的比例，有效的降低了膜污染的速率；
4、滤膜4做为间隔材料具有将污染物截留在阳极的能力，保证了微生物电化学水处理系统的出水水质；同时还具有维持阴极室和阳极室溶解氧梯度的作用，提高了微生物电化学水处理系统的出水水质；本实施方式维持阴极室和阳极室溶解氧的梯度通过有机物污染污水的连续运行、滤膜4以及滤膜4上阳极一侧形成的微生物、微生物分泌物和颗粒物组成滤层；有机物污染污水连续从阳极向阴极单向流动，阴极室曝气时溶解氧很难逆水流向阳极扩散，同时滤膜4本身由于孔隙很小进而减小溶解氧从阴极侧扩散到阳极的扩散系数；再者滤膜过滤时在滤膜4阳极一侧自然形成的由微生物、微生物分泌物和颗粒物组成滤层能够进一步减小了溶解氧从阴极侧扩散到阳极的扩散系数；阴极扩散到阳极的溶解氧很少，可以被阳极的有机污染物迅速的消耗掉，实现了维持阳极中的溶解氧浓度处于低的状态。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述阳极多孔支撑管1的圆柱的管壁厚度为0.1～10cm。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述阳极多孔支撑管1的圆柱的管壁的材质为绝缘处理的不锈钢管、陶瓷、PVC、PC、PPR或PP。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述进水管2的直径小于等于阳极多孔支撑管1的直径。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述圆柱的管壁上设置的贯穿孔的直径为0.1～10cm。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述阳极为碳刷阳极、碳纤维布阳极或导电填料阳极。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述阴极7为碳刷阴极、碳纤维布阴极或导电填料阴极。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述滤膜4为微滤膜、超滤膜或纳滤膜。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述支撑网5为尼龙网、锦纶丝网、涤纶丝网、纳纶丝网、碳纤维布、不锈钢网或钛网。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实验验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，该系统由圆柱阳极室、1个阳极、2个阴极7、外电阻8和阴极室9构成；
所述阴极7和圆柱阳极室设置于阴极室9内部，阳极设置于圆柱阳极室内部，2个阴极7对称于圆柱阳极室设置；2个阴极7并联后与圆柱阳极室内的阳极通过导线连接；
所述连接阴极7与阳极的导线上设置有外电阻8；
所述圆柱阳极室由阳极多孔支撑管1、进水管2、出水管3、滤膜4、支撑网5和管箍6构成；阳极多孔支撑管1为圆柱状，阳极多孔支撑管1的圆柱的管壁上设置有贯穿孔，阳极多孔支撑管1的圆柱的两端设置有密封盖板，阳极多孔支撑管1的圆柱的上端密封盖板上设置有进水管2，阳极多孔支撑管1的圆柱的下端密封盖板上设置有出水管3，进水管2和出水管3与阳极多孔支撑管1内部连通，滤膜4为筒状，滤膜4套设在阳极多孔支撑管1外表面，支撑网5为筒状，支撑网5套设在滤膜4外表面，管箍6套设在支撑网5外表面；
所述阳极多孔支撑管1的圆柱的管壁厚度为10cm；所述阳极多孔支撑管1的圆柱的管壁的材质为PVC；所述进水管2的直径为1cm；所述阳极为碳刷阳极；所述阴极7为碳刷阴极；所述滤膜4为微滤膜；所述支撑网5为尼龙网；
其中，阳极多孔支撑管1的高为20cm，内径为4cm；阳极多孔支撑管1的圆柱的管壁上设置的贯穿孔为直径1cm的圆孔，圆孔的总面积为阳极多孔支撑管1的圆柱的管壁总面积的45％；
本实施例进水为人工生活污水，有机污染物的化学需氧量浓度均值300mg/L，浓度范围为250～350mg/L；氨氮浓度为40～50mg/L；总氮浓度为50～60mg/L；阴极氧气来源为曝气；系统污水停留时间为14小时，其中阳极停留时间5小时，阴极停留时间9小时；经检测，该系统有机污染物去除率达到98％，出水有机污染物的化学需氧量浓度为6mg/L；氨氮去除率99.6％，总氮去除率80％；
图7为实施例1微生物电化学水处理系统的功率密度输出曲线图；可知本实例水处理系统的功率密度输出最高可达17W/m3；
图8为实施例1水处理系统的滤膜的过膜压力曲线图；其中，c为接通阴极和阳极电路的条件下的曲线，d为不接通阴极和阳极电路的条件下的曲线；可知本实例水处理系统中，在接通阴极和阳极电路的条件下有电流，滤膜的过膜压力上升比不接通电路无电流状态相比变的更加缓慢；进而说明本实施例水处理系统利用阳极和阴极之间的存在电场减少了粒径为10μm左右的污染物颗粒在污水颗粒物中的比例，有效的降低了膜污染的速率；
图9实施例1水处理系统中不同粒径的颗粒物在污水中的组成比例曲线图，其中，e为接通阴极和阳极电路的条件下的曲线，f为不接通阴极和阳极电路的条件下的曲线；图10为图9中粒径为0～20μm的颗粒物的组成比例曲线放大图；由图9和图10可知，与不接通阴极和阳极电路相比，微生物电化学水处理系统在接通阴极和阳极电路的条件下直径为10μm左右易于引起膜污染的颗粒比例减少而易于沉降的大颗粒比例增加；进而说明利用阳极和阴极之间的存在电场减少了粒径为10μm左右的污染物颗粒在污水颗粒物中的比例，有效的降低了膜污染的速率。

Claims (9)

1.一种有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，其特征在于：该系统由圆柱阳极室、数个阳极、数个阴极(7)、外电阻(8)和阴极室(9)构成；
所述阴极(7)和圆柱阳极室设置于阴极室(9)内部，数个阳极设置于圆柱阳极室内部，数个阴极(7)并列围绕圆柱阳极室设置；数个阴极(7)并联后与圆柱阳极室内部并联的数个阳极通过导线连接；
所述连接阴极(7)与阳极的导线上设置有外电阻(8)；
所述圆柱阳极室由阳极多孔支撑管(1)、进水管(2)、出水管(3)、滤膜(4)、支撑网(5)和管箍(6)构成；阳极多孔支撑管(1)为圆柱状，阳极多孔支撑管(1)的圆柱的管壁上设置有贯穿孔，阳极多孔支撑管(1)的圆柱的两端设置有密封盖板，阳极多孔支撑管(1)的圆柱的上端密封盖板上设置有进水管(2)，阳极多孔支撑管(1)的圆柱的下端密封盖板上设置有出水管(3)，进水管(2)和出水管(3)与阳极多孔支撑管(1)内部连通，滤膜(4)为筒状，滤膜(4)套设在阳极多孔支撑管(1)外表面，支撑网(5)为筒状，支撑网(5)套设在滤膜(4)外表面，管箍(6)套设在支撑网(5)外表面。
2.根据权利要求1所述的有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，其特征在于：所述阳极多孔支撑管(1)的圆柱的管壁厚度为0.1～10cm。
3.根据权利要求1所述的有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，其特征在于：所述阳极多孔支撑管(1)的圆柱的管壁的材质为绝缘处理的不锈钢管、陶瓷、PVC、PC、PPR或PP。
4.根据权利要求1所述的有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，其特征在于：所述进水管(2)的直径小于等于阳极多孔支撑管(1)的直径。
5.根据权利要求1所述的有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，其特征在于：所述圆柱的管壁上设置的贯穿孔的直径为0.1～10cm。
6.根据权利要求1所述的有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，其特征在于：所述阳极为碳刷阳极、碳纤维布阳极或导电填料阳极。
7.根据权利要求1所述的有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，其特征在于：所述阴极(7)为碳刷阴极、碳纤维布阴极或导电填料阴极。
8.根据权利要求1所述的有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，其特征在于：所述滤膜(4)为微滤膜、超滤膜或纳滤膜。
9.根据权利要求1所述的有效整合膜处理工艺的微生物电化学水处理系统，其特征在于：所述支撑网(5)为尼龙网、锦纶丝网、涤纶丝网、纳纶丝网、碳纤维布、不锈钢网或钛网。
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