CN108793399A - 外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，包括进水箱、抽吸泵a、UASB反应器、储气罐、抽吸泵b、膜处理装置、抽吸泵c、气泵和出水箱；所述进水箱通过抽吸泵a连接至UASB反应器的进水口，UASB反应器的出水口通过抽吸泵b连接至膜处理装置的进水口，所述膜处理装置通过抽吸泵c连接至出水箱；所述储气罐分别与UASB反应器的顶部、气泵相连，所述气泵还与膜处理装置相连。在本发明中，设计的泡沫碳化硅填料、电极装置和膜装置等，使污泥中有机物使用比率增加，有效提高反应效率及污染物去除率。

Description

外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置

技术领域

本发明涉及一种生物反应装置，具体说是一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置。

背景技术

近年来，随着制药、印染和化工等行业的快速发展，人工合成的有机物种类与数量与日俱增，随之而来的是大量难降解有机污染物的产生。全国各大制药厂、印染厂、化工厂纷纷新建或扩建，增加产量，以满足市场的需求，这些工厂生产过程中排出大量的有机废水，一旦直接排放，不仅会对周边环境造成严重污染，更会给人类健康和生态环境带来严重的危害。制药、印染和化工等工业废水通常表现为成分易变，难降解，有效可用电子供体不充分，有机污染物浓度高；悬浮物比重较轻、难于沉淀的有机物含量高；色度较高；废水的可生化性较差；多为间歇排放，废水成分复杂，水质水量变化大。因此，制药、印染和化工等工业废水处理研究显得尤为重要。厌氧生物处理是一种高效的生物处理技术，具有有机负荷高、污泥产量小等优点，目前被广泛应用于高浓度有机废水的处理。但其出水浓度较高，去除效果较差。在专利号为201510338060.9的中国发明专利中公开了一种“用于污水处理的反应器”，该装置由UASB反应器池和位于以反应器池中央轴线上的支撑杆，支撑杆上连接有配水管，还包括污泥回流管。该工艺结构简单，布水效果好，填料架结构稳固，但也存在一些缺点：①反应器对参数控制要求较为苛刻，难以保证颗粒污泥中微生物在其最适条件下反应；②反应装置简单，处理方式单一，难以保证对有机废水的高去除率。

传统的UASB反应器在使用的过程中存在一定的缺陷，反应过程中污泥颗粒反应不充分，有机物处理不完全，温度、酸碱度等指标难控制，对污染物的去除效率低，导致反应器的污水处理效果不理想。另外，厌氧生物过程需要大量的电子供体用于微生物代谢等过程。解决这个问题的常用策略是添加额外的电子底物(如乳酸、葡萄糖和乙醇)，但这无疑增加了运营成本。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本申请提供了能实现全自控、连续出水、处理高浓度中药废水的新型外置浸没式电催化厌氧膜生物反应器。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，包括进水箱、抽吸泵a、UASB反应器、储气罐、抽吸泵b、膜处理装置、抽吸泵c、气泵和出水箱；所述进水箱通过抽吸泵a连接至UASB反应器的进水口，UASB反应器的出水口通过抽吸泵b连接至膜处理装置的进水口，所述膜处理装置通过抽吸泵c连接至出水箱；所述储气罐分别与UASB反应器的顶部、气泵相连，所述气泵还与膜处理装置相连。

进一步地，所述UASB反应器内由下至上依次设有布水装置、污泥浓缩区、污泥悬浮区和三相分离器，所述污泥浓缩区设有厌氧微生物污泥床，污泥悬浮区设有污泥反应室，所述污泥反应室内设有泡沫碳化硅填料，在泡沫碳化硅填料与三相分离器之间设有电催化装置；电催化装置产生的沼气由三相分离器进入储气罐中，在UASB反应器底部设有放空管。

进一步地，电催化装置接至外部电源，该电催化装置包括阴极、阳极和参比电极，所述阴极、阳极由石墨颗粒制成。

进一步地，三相分离器由沉淀区、回流缝和气室组成。

进一步地，在UASB反应器顶部设有液位传感器，在污泥反应室侧面的壳体上设有温度传感器、pH/ORP传感器，所述液位传感器、温度传感器、pH/ORP传感器均与PLC自控柜相连。

更进一步地，所述膜处理装置为外置式，具体包括膜组件和曝气管，所述曝气管位于膜组件下方。

更进一步地，膜组件设置在矩形反应池中，膜组件中的膜材料为高维网状结构聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜，反应池内设有6套以上膜组件。

更进一步地，所述储气罐与气泵的连接管道上设有流量计。

作为更进一步地，布水装置包括布水主管，所述布水主管上设有多个布水支管，每个布水支管上设有喷头，在布水主管与布水支管的连接处设有调节阀。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：

(1)在传统UASB反应器中内置参比电极形成电催化系统，在电催化的作用下，激发产酸菌、产甲烷菌和产电活性菌等菌的活性，提高产气量的同时使污泥中有机物使用比率增加，有效提高反应效率。

(2)本发明采用规整的泡沫碳化硅填料，泡沫碳化硅颗粒将污泥固定化，增加体系内的生物量，多孔结构和较大的表面积比更有利于微生物的生长繁殖。

(3)在UASB反应器外部设有一个PLC自控柜，用于控制反应器的温度、pH值、氧化还原电位、监测水位变化等。

(4)在反应器出水口添加一个膜处理装置，使污水中残余有机物被膜截留，使污泥龄(STR)延长，提高系统污泥浓度从而使污水得到进一步净化，提高污染物去除率。

(5)采用膜组件代替生物处理中的二沉池，减少占地面积，利用膜组件对含泥污的水进行过滤，实现泥水分离，使出水水质稳定。

(6)膜池采用外置浸没式，储气罐内沼气通过回流至气泵，通过曝气管对膜组件表面进行冲刷和清理，减轻膜污染，同时实现沼气的二次利用。

附图说明

图1为电催化厌氧膜生物反应装置结构示意图；

图2为UASB反应器剖视图；

图3为布水装置图；

图4为规整泡沫碳化硅填料图；

图5为电催化装置原理图；

图6为三相分离器原理图；

图7为膜处理装置原理图；

图1中：1—进水箱，2—抽吸泵a，3—UASB反应器的进水口，4—放空管，5—布水装置6—厌氧微生物污泥床，7—污泥反应室，8—电催化装置，9—三相分离器，10—储气罐，11—液位传感器，12—UASB反应器出水口，13—温度传感器，14—pH/ORP传感器，15—PLC自控柜，16—抽吸泵b，17—膜处理装置的进水口，18—膜组件，19—曝气管，20—气泵，21—流量计，22—抽吸泵c，23—出水箱，24-布水主管，25-布水支管，26-喷头，27-调节阀，28-参比电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

本实施例提供结合图1，本套装置包括：进水箱、抽吸泵a、UA SB反应器、储气罐、抽吸泵b、膜处理装置、抽吸泵c、气泵和出水箱。在UASB反应器底部反应区内加入大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水经抽吸泵a从反应器底部的左端进水口流入，经布水装置在反应区内与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，在污泥反应室经填料固菌，在上部电催化区的电催化作用下，加速沼气的产生，搅动沼气形成一个污泥浓度较稀薄的污泥，同时和水一起上升进入三相分离器，进而，沼气经反应器上端支管导出，排至储气罐中；UASB反应器中设有位液传感器、pH/ORP传感器和温度传感器，实时监测反应器内各项参数指标。UASB各部分之间均由法兰盘对接，方便反应器安装及规整填料的装卸。

结合图2，废水设计流量Q＝1000m³/d，进水pH控制在6-8，温度控制在25℃-35℃左右。设定污染物进水浓度：COD浓度10000mg/L，BOD浓度2000mg/L，SS浓度1500mg/L。反应装置对污染物的去除率达到：COD＝95％，BOD＝90％，SS＝95％。设定污染物出水浓度：COD浓度小于500mg/L，BOD浓度小于200mg/L，SS浓度小于75mg/L。厌氧反应器有效容积830m³，阳极室和阴极室分别具有空容积78.5m³，尺寸为底面直径长10m，高13.75m。阳极和阴极由石墨细颗粒组成，总体积为157m³。

结合图3，在UASB反应器底部安装有布水装置，包括环状布水主管、布水支管和喷头，所述布水支管沿着厌氧罐一周每45度一根均匀分布，每根布水支管设置有调节阀。

结合图4，反应室内置规整的泡沫碳化硅填料，多孔结构与较大的比表面积为菌体存活提供了更大的生存空间，为菌体生存与繁殖提供了更大的空间，可以更加有效地起到固菌作用。填料为波纹板构型FSP-500X-T1-D3，其中500表示填料的比表面积为500m²/m³，X代表填料的波纹倾斜角是30°，T1表示填料的厚度为1毫米，D3泡沫孔径为3毫米。

结合图5，阴极、阳极由石墨颗粒制成，所有石墨颗粒都通过浸泡进行清洗：将盐酸浸泡24小时，通过将石墨颗粒浸泡在溶液中进行酸处理。反应器的外部电阻为10Ω并使用直流稳压电源施加0.5V的电压。参比电极使用饱和甘汞电极(SCE)(+247m V vs.标准氢电极)。阳极，阴极和参比电极连接到数据采集系统每10分钟收集一次电位和电流。

结合图6，沼气碰到三相分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室，沼气经反应器上端支管导出，排至储气罐中；固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。

结合图7，污水经过三相分离器从出水管排出，经导管从膜处理装置进水口进入。在膜处理装置中，膜的机械过滤作用避免了微生物的流失，生物反应器内可保持高的污泥浓度，污水中残余的有机物被膜截留，净化后的水从膜装置出水口排出，在运行过程中，活性污泥会因废水中有机物浓度的变化而变化，并达到一种动态平衡，使得系统具有出水稳定、耐冲击负荷的优点。此外，储气罐内沼气经流量计进入气泵，经曝气管对膜组件进行冲刷和清洗，实现沼气的二次利用，同时避免膜污染的产生。膜反应装置为钢筋混凝土结构的膜池，设计处理量1000m³/d，即41.7m³/h，按照45m³/h设计，尺寸为10.5m×6m×4.5m，有效容积为275.5m³，膜组件下部安有曝气管，共10根，均匀分布于膜池底部，反应器内放置6套膜组件，每套100片，膜材料为高维网状结构聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜，单片膜面积2.5m²，膜孔径0.22μm，额定膜通量6L/(m²·h)。曝气装置采用曝气管，风量Q＝4.5m³/min，水压P≤34kPa。抽吸泵，采用25ZW8215污水自吸泵，流量Q＝8m³/h，扬程H＝15m，功率N＝1.5kW。抽吸泵采用间歇式运行方式。

本发明提供了一种全自控、连续出水、处理高浓度中废水的新型外置浸没式电催化厌氧膜生物反应器。将UASB、电极和膜装置耦合，通过厌氧产酸和产甲烷微生物、电化学活性细菌和膜截留作用，以电极作为电子和能量供体，通过特定的细胞膜蛋白、细胞结构或可溶性的氧化还原电子介体实现电子在固体电极和细胞间的传递，提高微生物酶活性和难降解有机污染物的去除率。

本发明的技术特点主要体现在：

1、在传统UASB反应器中添加电催化装置，在电催化装置中，阳极呼吸细菌降解有机物质释放电子然后将电子转移到阴极，阴极作为有效的电子供体用以发电，沼气(H2或CH4)生产，重金属回收，此外，除了催化还原重金属，生物阴极还可为某些具有电化学活性特征的微生物正常代谢提供所需的电子和能量，包括硝基还原，偶氮键裂解和去氢化等。

电催化装置中电荷可在微生物和电极间相互迁移，电化学活性细菌(EAB)具有独特的生理特性，可以利用外源导电性介质(如电极)作为细胞代谢过程中的电子供体或电子受体。利用这一特点以电极作为的电子和能量供体，驱动其对难降解有机污染物的降解。因此，在UASB反应器的电催化区内置一个参比电极，与阴阳两极形成闭合回路，相当于加入一个有着较低有机电子供给体要求的电催化装置系统，UASB+电催化装置系统与传统的厌氧方法相比，使污泥中有机物去除率增加。

2、本发明所采用的规整泡沫碳化硅填料，使泡沫碳化硅颗粒作为菌体附着载体，由菌膜的形成机制可知，物体表面越粗糙，生物膜越容易形成；同时多孔结构与较大的表面积比为菌体存活提供了更大的生存空间，为菌体生存与繁殖提供了更大的空间，可以更加有效地起到固菌作用。此外，碳化硅颗粒具有耐腐蚀、耐高温、导热系数高、热膨胀系数小、化学惰性、耐磨性能好、抗冲击等特性，解决了海绵填料所具有的可耐性低以及活性炭粉末等硬度小的问题。泡沫碳化硅颗粒将污泥固定化，增加体系内的生物量，增加菌体抗扰动能力。最大限度内保持反应体系内的生物持有量，有利于微生物的生长繁殖。

3、在UASB反应器外部所添加的膜处理装置(MBR)，膜材料为高维网状结构聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜，与出水口相连，截留孔径为0.22μm，过滤方式为外压抽吸式过滤。使中空纤维膜外侧具有活性的膜与污水进行充分接触，使污水中残余有机物被膜截留，从而使污水得到进一步净化，同时，膜组件利用回流的沼气进行清理，以减少膜污染。

4、在UASB反应器外部设有一个PLC自控柜，通过安装在反应器上的液位传感器、pH/ORP传感器和温度传感器，监测和控制UASB反应器，自控柜与电脑端相连，最终，将监测数据传至电脑端。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，其特征在于，包括进水箱、抽吸泵a、UASB反应器、储气罐、抽吸泵b、膜处理装置、抽吸泵c、气泵和出水箱；所述进水箱通过抽吸泵a连接至UASB反应器的进水口，UASB反应器的出水口通过抽吸泵b连接至膜处理装置的进水口，所述膜处理装置通过抽吸泵c连接至出水箱；所述储气罐分别与UASB反应器的顶部、气泵相连，所述气泵还与膜处理装置相连。

2.根据权利要求1所述一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，其特征在于，所述UASB反应器内由下至上依次设有布水装置、污泥浓缩区、污泥悬浮区和三相分离器，所述污泥浓缩区设有厌氧微生物污泥床，污泥悬浮区设有污泥反应室，所述污泥反应室内设有泡沫碳化硅填料，在泡沫碳化硅填料与三相分离器之间设有电催化装置；电催化装置产生的沼气由三相分离器进入储气罐中，在UASB反应器底部设有放空管。

3.根据权利要求2所述一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，其特征在于，电催化装置接至外部电源，该电催化装置包括阴极、阳极和参比电极，所述阴极、阳极由石墨颗粒制成。

4.根据权利要求1所述一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，其特征在于，三相分离器由沉淀区、回流缝和气室组成。

5.根据权利要求2所述一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，其特征在于，在UASB反应器顶部设有液位传感器，在污泥反应室侧面的壳体上设有温度传感器、pH/ORP传感器，所述液位传感器、温度传感器、pH/ORP传感器均与PLC自控柜相连。

6.根据权利要求1所述一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，其特征在于，所述膜处理装置为外置式，具体包括膜组件和曝气管，所述曝气管位于膜组件下方。

7.根据权利要求6所述一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，其特征在于，膜组件设置在矩形反应池中，膜组件中的膜材料为高维网状结构聚偏氟乙烯中空纤维膜，反应池内设有N套膜组件。

8.根据权利要求1所述一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，其特征在于，所述储气罐与气泵的连接管道上设有流量计。

9.根据权利要求2所述一种外置浸没式电催化厌氧膜生物反应装置，其特征在于，布水装置包括布水主管，所述布水主管上设有多个布水支管，每个布水支管上设有喷头，在布水主管与布水支管的连接处设有调节阀。