CN108033546A - 一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警方法 - Google Patents

一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警方法，选用本发明提供的特定的污染处理及水质预警装置。在使用时，在阳极室接种厌氧污泥，阴极室接种好氧污泥，污泥浓度均为4000～12000mg/L，阳极室的水力停留时间为5～10h，阳极室的容积负荷为0.05～1kgCOD/(m3·d)，连续运行一段时间，使阳极室和阴极室中的微生物稳定生成在电极表面；然后通入污水进行水处理。本发明提供的污水处理及水质预警方法能够有效解决装置产电低、MBR膜污染严重的问题，还充分利用了装置产生的电能。

Description

一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预 警方法
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体地，涉及一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警方法。
背景技术
微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是以微生物为催化剂将化学能转化为电能的新技术。由于其操作条件温和、无需能量输入等优点，受到了学术界和工业界的广泛关注，并逐步应用于污水处理领域以实现废水的资源化利用。MFC的基本原理为：阳极表面微生物利用污水中的有机物（如葡萄糖、多糖和乙酸等）产生二氧化碳、质子和电子；电子通过间接或直接方式传递给阳极再经外电路到达阴极；质子通过溶液迁移穿过质子交换膜进入阴极室，然后与阴极室的氧气发生还原反应生成水。这一系列反应实现了电荷的传递，完成生物电化学过程及能量转换过程。目前，MFC技术仍存在功率密度低及处理效果不佳的问题。膜生物反应器（Membrane bioreactor，MBR）将膜分离技术和活性污泥法相结合，取代传统活性污泥法的二沉池实现有效的固液分离，具有污泥产量低、出水水质高、占地面积小等优点。但是，MBR膜易发生堵塞且运行成本高。
MFC耦合MBR污水处理系统则较好地克服了上述缺点，具有无需能耗、出水水质好、膜污染降低的特点。例如：中国科学技术大学盛国平在专利201110288409.4中公开了一种圆筒状的生物电化学膜反应器装置，该装置同时具备MFC和MBR的优点且克服了MFC生物量低、出水水质差的缺点；中国专利201310157063.3公开了一种高质出水与低膜污染的膜生物电化学反应装置，该装置一方面将MBR部分出水回流至阳极实现脱氮，另一方面导电膜同时作为MFC的阴极减缓膜污染的形成；中国专利201410006955.8公开了一种耦合MBR与MFC的碳泡沫催化电极系统，从新型电极材料制备的角度解决催化剂成本高、产电量低、膜污染的问题；除此之外，中国专利申请号201610514054.9、201610541618.8、201610577024.2均从导电过滤双功能膜材料的角度申请了膜材料制备方法相关的专利。
现有的MFC耦合MBR体系主要着眼于导电过滤膜材料的开发，即制备同时作为MFC阴极和MBR过滤膜的材料。目前所报道的上述方法虽然在一定程度上提高了产电、污染物去除及减缓膜污染方面的性能，但是产生的电能均未得到有效利用。由于MFC在技术和成本方面的限制，使其在实际应用方面遇到了瓶颈。例如，MFC构建成本较大，难以在工程中进行扩大应用，MFC产生的电流极弱无法被充分利用等。如何充分利用 MFC产生的微弱电能，日渐成为MFC 技术领域中一个新的研究热点，尤其是在能源供需矛盾日益突出的今天，其对缓解经济发展与能源短缺之间的矛盾有很大的助益。因此，在提高MFC产电能力的研究基础上如何有效利用产生的电能成为一个亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警方法，本发明提供的污水处理及水质预警方法能够有效解决MFC产电低、MBR膜污染严重的问题，还充分利用了MFC产生的电能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警方法，所述方法选用如下装置进行污水处理：
一种污染处理及水质预警装置，包括并列设置的阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室之间设置有阳离子交换膜，所述阳极室和阴极室上方相连通，所述装置还包括水箱，所述水箱与阳极室通过进水管相连通；所述阳极室内设置有石墨刷阳极，所述阴极室内设置有MBR膜组件，所述石墨刷阳极和MBR膜组件之间设置有固定电阻，所述固定电阻与电化学传感器相连；所述MBR膜组件下方设置有曝气头，所述装置还包括曝气设备，所述曝气头与曝气设备相连通；所述MBR膜组件上设置有出水管，所述出水管上设置有第一阀门，所述阴极室上还设置有带有第二阀门的回流管，所述阴极室和阳极室通过回流管相连通；
阳极室接种厌氧污泥，阴极室接种好氧污泥，污泥浓度均为4000～12000mg/L，阳极室的水力停留时间为5～10h，阳极室的容积负荷为0.05～1kgCOD/( m3·d)，连续运行一段时间，使阳极室和阴极室中的微生物稳定生成在电极表面；然后通入污水进行水处理。优选地，所述水箱和阳极室之间设置有进水泵。
优选地，所述进水管上设置有进水泵。
优选地，所述曝气设备与曝气头之间设置有气体流量计。
优选地，所述固定电阻通过钛丝与所述石墨刷阳极和MBR膜组件相连接。
优选地，所述MBR膜组件与回流管之间的出水管上设置有出水泵。
优选地，所述MBR膜组件和出水泵之间设置有真空压力表。
优选地，所述回流管上设置有回流泵。
在本发明中，所述阴极室中的MBR膜组件由若干不锈钢平板膜的膜片密封形成立方体空腔。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警方法在对污水进行处理的同时产生电能，MBR膜组件同时作为体系MFC体系的阴极，由于存在电场的作用，可以有效缓解膜污染的形成。MFC产生的电能通过电化学传感器采集并进行解析，用于监测进水的水质情况，针对水质突变情况采取相应的应急措施。一方面，通过微生物燃料电池的产电可以实时监测基本的水质参数（如COD和BOD5等）；另一方面，当处理系统中存在毒性因子（如重金属及高毒性有机物）时，可以通过MFC的输出电压的变化来反映，因此微生物燃料电池耦合MBR传感器也能够作为毒性报警装置，以保证废水处理稳定并有效的进行。
本发明提供的方法及装置具有较好的污水处理效果，如进水COD负荷为0.05～1kgCOD/(m3 d)时，COD的去除率可达到85.4～96.8%，且出水浊度小于1 NTU。另外，该装置在进行污水处理并进行产电的同时，对微生物燃料电池产生的电能进行原位利用。现有的MBR装置在线清洗的周期为3～15天，而MFC耦合MBR系统则可以达到35～40天。
附图说明
图1为实施例1提供的一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警装置。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警方法，所述方法选用如图1所示装置进行污水处理：
一种污染处理及水质预警装置，包括并列设置的阳极室3和阴极室9，所述阳极室3和阴极室9之间设置有阳离子交换膜6，所述阳极室3和阴极室9上方相连通，所述装置还包括水箱1，所述水箱1与阳极室3通过进水管17相连通；所述阳极室3内设置有石墨刷阳极4，所述阴极室9内设置有MBR膜组件10，所述石墨刷阳极4和MBR膜组件10之间设置有固定电阻8，所述固定电阻8与电化学传感器5相连；所述MBR膜组件10下方设置有5个曝气头11，所述装置还包括曝气设备13，所述曝气头11与曝气设备13相连通；所述MBR膜组件10上设置有出水管18，所述出水管18上设置有第一阀门19，所述阴极室9上还设置有带有第二阀门21的回流管20，所述阴极室9和阳极室3通过回流管20相连通；
阳极室3接种厌氧污泥，阴极室9接种好氧污泥，污泥浓度均为4000～12000mg/L，阳极室3的水力停留时间为5～10h，阳极室3的容积负荷为0.05～1kgCOD/( m3·d)，连续运行一段时间，使阳极室3和阴极室9中的微生物稳定生成在电极表面；然后通入污水进行水处理。
其中，所述进水管17上设置有进水泵2，所述曝气设备13与曝气头11之间设置有气体流量计12。
如图1所示，所述固定电阻8通过钛丝与所述石墨刷阳极4和MBR膜组件10相连接，所述MBR膜组件10与回流管20之间的出水管18上设置有出水泵15。
所述MBR膜组件10和出水泵15之间设置有真空压力表14，所述回流管20上设置有回流泵16。
电化学传感器5与固定电阻8两端连接，用来采集MFC的产电数据。厌氧条件下，MFC阳极室3的微生物利用污水中的有机物进行代谢生长，产生电子、质子和二氧化碳；产生的电子经过外电路到达阴极10，质子则透过阳离子交换膜6进入阴极室9；阴极室通过曝气提供氧气，质子与氧气反应生成水；进水的水质直接影响MFC电压及电流的大小，因而该体系同时可以兼当水质传感器的作用。
水箱1中的污水先通过进水泵的作用从MFC反应器阳极室3底部的进水口流入，MFC的阳极室3接种厌氧污泥，阴极室9接种好氧污泥。阳极室中的微生物经过长时间的驯化生长在石墨刷阳极4的表面并形成稳定的生物膜；污水流经阳极室3时，微生物催化有机物分解，同时把电子传递至石墨刷阳极4，电子再通过钛丝连接流经外电阻8达到阴极10（即MBR膜组件），与曝气设备13提供的氧气以及从阳极室3经阳离子交换膜6迁移至阴极的质子反应，最终生成水。MFC反应器产生的电压及电流信号通过电化学传感器5采集并解析。
在使用时，阳极室3接种厌氧污泥，污泥浓度为4000～12000mg/L，阴极室9接种好氧污泥，浓度为4000～12000mg/L；控制阳极室3的水力停留时间为5～10h,阳极室3的容积负荷选择为0.05～1kg COD/(m3·d)；连续运行一段时间，使得阳极室3和阴极室9中的微生物稳定生成在电极表面，体系具有稳定的出水水质和产电能力。配置一定浓度梯度的污水（COD范围为：100～1000mg/L），分别用不同浓度的污水运行反应器，水力停留时间均为8h；运行稳定之后记录各水质指标的处理效率及MFC产电的数据，得出不同的进水COD浓度与MFC产电稳定电压的关系。
进水COD浓度为46.8～347.4mg/L时，微生物燃料电池耦合膜生物反应器对COD的去除率为86.4～95.7%；进水氨氮浓度为9.5～56.3mg/L时，氨氮的去除率为91.3～98.6%，总氮的去除率为34.5～73.2%。
本发明通过微生物燃料电池与膜生物反应器耦合，其中的导电平板膜具有双重功能：即MFC阴极和膜过滤的功能，实现了污水处理的同时回收电能。此系统不仅具备膜生物反应器的出水水质高的优点，同时可以通过MFC反应器从污水处理过程中回收电能，产生的电能也具有双重功能：一方面由于电场作用的存在，MBR膜组件不易发生膜污染；另一方面通过采集MFC产电数据解析其特征进而监控进水的水质状况，成为水质传感器。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质预警方法，其特征在于，所述方法选用如下装置进行污水处理：
一种污染处理及水质预警装置，包括并列设置的阳极室（3）和阴极室（9），所述阳极室（3）和阴极室（9）之间设置有阳离子交换膜（6），所述阳极室（3）和阴极室（9）上方相连通，所述装置还包括水箱（1），所述水箱（1）与阳极室（3）通过进水管（17）相连通；所述阳极室（3）内设置有石墨刷阳极（4），所述阴极室（9）内设置有MBR膜组件（10），所述石墨刷阳极（4）和MBR膜组件（10）之间设置有固定电阻（8），所述固定电阻（8）与电化学传感器（5）相连；所述MBR膜组件（10）下方设置有曝气头（11），所述装置还包括曝气设备（13），所述曝气头（11）与曝气设备（13）相连通；所述MBR膜组件（10）上设置有出水管（18），所述出水管（18）上设置有第一阀门（19），所述阴极室（9）上还设置有带有第二阀门（21）的回流管（20），所述阴极室（9）和阳极室（3）通过回流管（20）相连通；
阳极室（3）接种厌氧污泥，阴极室（9）接种好氧污泥，污泥浓度均为4000～12000mg/L，阳极室（3）的水力停留时间为5～10h，阳极室（3）的容积负荷为0.05～1kgCOD/( m3·d)，连续运行一段时间，使阳极室（3）和阴极室（9）中的微生物稳定生成在电极表面；然后通入污水进行水处理。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述进水管（17）上设置有进水泵（2）。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述曝气设备（13）与曝气头（11）之间设置有气体流量计（12）。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述固定电阻（8）通过钛丝与所述石墨刷阳极（4）和MBR膜组件（10）相连接。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述MBR膜组件（10）与回流管（20）之间的出水管（18）上设置有出水泵（15）。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述MBR膜组件（10）和出水泵（15）之间设置有真空压力表（14）。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述回流管（20）上设置有回流泵（16）。
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