CN109626551B - 一种阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器及其应用 - Google Patents

一种阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器及其应用，属于水处理技术领域。该反应器包括进水管、反应器壳体、电化学微滤膜组件、电源、曝气系统和出水管，电化学微滤膜组件包括膜框、导流网、内嵌钢丝网的平板微滤膜和钛基IrO2/Ta2O5涂层电极。本发明采用IrO2/Ta2O5涂层钛基电极作阳极代替传统平板膜组件中的支撑板，采用内嵌钢丝网的平板微滤膜作阴极膜并置于膜框外两侧，可使阴阳极均内置于微滤膜中，通过外加稳压直流电源施加外加电场，在连续流模式下操作运行时，不仅能实现污水中悬浮颗粒的去除；同时无需任何化学剂的添加就可利用电催化产生的强氧化性物质实现难降解有机物的高效去除，实现了电化学氧化与微滤膜分离技术的高效耦合，能耗低。

Description

一种阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器及其应用
技术领域
本发明涉及一种膜生物反应器及其应用，具体涉及阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器及其应用，属于水处理技术领域。
背景技术
随着有机农药、多氯联苯、抗生素等化合物的广泛应用，它们通过各种途径进入市政污水管网中。运用常规的污水处理方法通常难以去除这些微量或痕量有机物(如难生物降解的磺化芳香胺类物质)，一旦排出这些物质，将造成二次点源污染。
电化学高级氧化法是一种新兴的处理污水中难降解污染物的环境友好型技术。通过外加电场，可以原位生成氧化剂物种(如H2O2等)，从而降解水体中的难降解有机污染物。膜生物反应器是一种将膜分离技术和传统活性污泥法生物处理于一体的新型工艺，对常规污染物能高效去除。如何实现电化学氧化与膜生物反应器的高效耦合，从而实现难降解有机物氧化与常规污染物高效去除的双重功能是拓展膜分离技术应用的关键。在技术研发中，要同时考虑技术的低耗、高效等性能。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器及其应用，本发明反应器结构简单，采用IrO2/Ta2O5涂层钛基电极作为阳极代替传统平板膜组件中的支撑板，并置于膜组件内部；采用内嵌钢丝网的平板微滤膜作为阴极膜并置于膜框外两侧，可以使阴阳极均内置于微滤膜中，通过外加稳压直流电源施加外加电场，在连续流模式下操作运行时，不仅能实现污水中悬浮颗粒的去除；同时，无需任何化学剂的添加就可利用电催化产生的强氧化性物质实现难降解有机物的高效去除，实现了电化学氧化与微滤膜分离技术的高效耦合。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，包括进水管、反应器壳体、电化学微滤膜组件、电源、曝气系统和出水管；所述进水管一端置于反应器壳体内；所述电化学微滤膜组件设于反应器壳体内，电化学微滤膜组件包括膜框、导流网、内嵌钢丝网的平板微滤膜和钛基IrO2/Ta2O5涂层阳极，所述膜框上设有与膜框内腔相通的抽吸口，抽吸口与出水管相连，膜框内腔内设有钛基IrO2/Ta2O5涂层阳极，钛基IrO2/Ta2O5涂层阳极通过导线与电源的正极相连，所述导流网设于膜框外两侧，所述平板微滤膜设于导流网外侧，平板微滤膜通过导线与电源的负极相连；所述曝气系统包括曝气管、气体流量计和曝气泵，曝气管位于电化学微滤膜组件下方，气体流量计用于调节进气量；所述出水管与蠕动泵相连。
优选地，所述内嵌钢丝网的平板微滤膜的制备方法为：将不锈钢丝网置于无纺布上，在钢丝网上刮涂铸膜液，相转化后得到内嵌钢丝网的平板微滤膜，膜孔径为0.1～0.4μm。
进一步优选地，所述铸膜液所用的高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚四氟乙烯和聚丙烯腈中的任意一种。
优选地，所述电源为稳压直流电源，电源的电压范围为0.5～2V。
优选地，所述钛基IrO2/Ta2O5涂层阳极与平板微滤膜的距离为2～10mm。
上述反应器在污水处理上的应用。
优选地，水力停留时间为2～6h。
本发明的原理：污水首先经由进水系统进入到新型阴阳极内置式电化学微滤膜反应器内，易降解的污染物被反应器中的活性污泥降解去除；同时，在蠕动泵的抽吸作用下，水中的污染物到达电化学微滤膜阴极表面，其中，大分子颗粒和胶体污染物被微滤膜拦截留在反应器中；曝气泵提供的O2在阴极表面得电子被还原生成H2O2，H2O2和O2通过腐蚀作用促进钢丝表面产生Fe(II)，从而在阴极界面发生Fenton反应，同时Fe(III)又可通过接受电子还原成Fe(II)，从而保证氧化剂物种的持续生成，提高难降解有机物的去除率；经处理进入膜框膜腔的水再次被阳极中产生的氧化剂物质氧化降解，处理后的水经出水管流出。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，
1.本发明通过制备内嵌钢丝网的平板微滤膜，通过用IrO2/Ta2O5涂层钛基电极作为阳极代替传统平板膜组件中的支撑板，可以使阴阳极均内置于微滤膜中，微滤膜能够有效拦截反应器中的颗粒、胶体以及大分子污染物，不仅能实现水体中小分子难降解有机物的氧化降解去除，还可避免阴阳极受到反应器中颗粒物污染的问题。此外，本发明通过将IrO2/Ta2O5涂层钛基阳极设置在膜组件内部，将内嵌钢丝网的平板微滤膜作为阴极膜设置在膜框外两侧，实现了电化学氧化与微滤膜分离技术的耦合，不仅可以有效降低膜污染，而且可使电化学微滤膜组件及反应器的体积和面积大大减小，能耗低，处理成本低。
2.本发明通过设置曝气系统，利用曝气扰动使反应器内水混合均匀及利用气泡对平板微滤膜表面的冲刷作用可以有效减少内嵌钢丝网的平板微滤膜的膜孔堵塞，进一步减缓膜污染，延长电化学微滤膜组件的使用寿命；同时，在电化学作用下，其提供的O2在阴极表面失电子还原生成H2O2，O2和H2O2通过腐蚀作用促进钢丝网溶出Fe(II)，从而加速在阴极界面发生的Fenton反应，促进氧化剂物种的生成，提高难降解有机物去除效率。
3.本发明通过将稳压直流电源的电压范围设置在0.5～2V，在连续流模式下运行时，较低的外加电场对微生物没有副作用，系统中活性污泥微生物能降解水体中的易降解污染物，提高对水体的处理效果。
4.采用本发明反应器对污水进行处理，无化学添加，不会造成二次污染。
附图说明
图1是本发明反应器的结构示意图；
图2是本发明中的微滤膜组件的结构示意图；
图3是本发明中的微滤膜组件的制备流程示意图；
图4是本发明中的内嵌钢丝网的平板微滤膜的制备流程示意图；
附图标记：
1.进水管 2.反应器壳体 3.电化学微滤膜组件 31.膜框 32.导流网 33.内嵌钢丝网的平板微滤膜 34.钛基IrO2/Ta2O涂层阳极 35.不锈钢丝网 36.无纺布 37.铸膜液涂层 4.稳压直流电源 51.曝气管 52.曝气泵 53.气体流量计 6.出水管
具体实施方式
下面通过实施例子，进一步阐述本发明的特点，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1：
一种阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，包括进水管1、反应器壳体2、电化学微滤膜组件3、稳压直流电源4、曝气系统和出水管6；所述进水管1一端置于反应器壳体2内；所述电化学微滤膜组件3设于反应器壳体2内，电化学微滤膜组件3包括膜框31、导流网32、内嵌钢丝网的平板微滤膜33和钛基IrO2/Ta2O涂层阳极34，所述膜框31上设有与膜框31内腔相通的抽吸口，抽吸口与出水管6相连，膜框31内腔内设有钛基IrO2/Ta2O涂层阳极34，钛基IrO2/Ta2O涂层阳极34通过导线与稳压直流电源4的正极相连，所述导流网32设于膜框31外两侧，所述内嵌钢丝网的平板微滤膜33设于导流网32外侧，平板微滤膜33通过导线与稳压直流电源4的负极相连，平板微滤膜33与钛基IrO2/Ta2O涂层阳极34的距离为10mm；所述内嵌钢丝网的平板微滤膜33的制备方法为：将不锈钢丝网35置于无纺布36上，然后在钢丝网35上刮涂聚偏氟乙烯铸膜液，相转化后得到钢丝网内嵌于铸膜液涂层37中的平板微滤膜33，膜孔径为0.4μm；所述稳压直流电源4的电压为2V；所述曝气系统包括曝气管51、气体流量计53和曝气泵52，曝气管51位于电化学微滤膜组件3正下方，气体流量计53用于调节进气量；所述出水管6与蠕动泵相连。
利用上述阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，考察电化学微滤膜组件在过滤模式下的膜分离性能，实验参数设置为：通量25L/(m2 h)，进水添加100mg/L的SiO2颗粒(粒径为2μm)，进水浊度为32NTU，测得出水浊度保持在0.9NTU左右。
利用上述阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器处理含磺胺甲恶唑的模拟生活污水，实验工况设置为：进水COD 250mg/L，NH4 +-N 35mg/L，磺胺甲恶唑浓度100μg/L，污泥浓度控制在10g/L左右，水力停留时间为4h，稳压直流电源电压为2V。其他条件相同，设置不加电压的反应器为空白对照组。在连续流模式下操作运行20天，结果显示，两个反应器的出水COD均低于20mg/L，空白组对磺胺甲恶唑的去除率只能达到约10％，而外加2V电压的阴阳极内置式微滤膜反应器对磺胺甲恶唑的去除率可稳定维持在88％以上。
实施例2：
一种阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，包括进水管1、反应器壳体2、电化学微滤膜组件3、稳压直流电源4、曝气系统和出水管6；所述进水管1一端置于反应器壳体2内；所述电化学微滤膜组件3设于反应器壳体2内，电化学微滤膜组件3包括膜框31、导流网32和内嵌钢丝网的平板微滤膜33，所述膜框31上设有与膜框31内腔相通的抽吸口，抽吸口与出水管6相连，膜框31内腔内设有钛基IrO2/Ta2O涂层阳极34，钛基IrO2/Ta2O涂层阳极34通过导线与稳压直流电源4的正极相连，所述导流网32设于膜框31外两侧，所述内嵌钢丝网的平板微滤膜33设于导流网32外侧，平板微滤膜33通过导线与稳压直流电源4的负极相连，平板微滤膜33与钛基IrO2/Ta2O涂层阳极34的距离为2mm；所述内嵌钢丝网的平板微滤膜33的制备方法为：将不锈钢丝网35置于无纺布36上，然后在钢丝网35上刮涂聚醚砜铸膜液，相转化后得到钢丝网内嵌于铸膜液涂层37中的平板微滤膜33，膜孔径为0.1μm；所述稳压直流电源4的电压为0.5V；所述曝气系统包括曝气管51、气体流量计53和曝气泵52，曝气管51位于电化学微滤膜组件3正下方，气体流量计53用于调节进气量；所述出水管6与蠕动泵相连。
利用上述阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，考察电化学微滤膜组件在过滤模式下的膜分离性能，实验参数设置为：通量25L/(m2 h)，进水添加100mg/L的SiO2颗粒(粒径为2μm)，进水浊度为32NTU，测得出水浊度保持在0.9NTU左右。
利用上述阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器处理含磺胺甲恶唑的模拟生活污水，实验工况设置为：进水COD 250mg/L，NH4 +-N 35mg/L，磺胺甲恶唑浓度100μg/L，污泥浓度控制在10g/L左右，水力停留时间为2h，稳压直流电源电压为0.5V。其他条件相同，设置不加电压的反应器为空白对照组。在连续流模式下操作运行20天，结果显示，两个反应器的出水COD均低于20mg/L，空白组对磺胺甲恶唑的去除率只能达到约10％，而外加0.5V电压的阴阳极内置式微滤膜反应器对磺胺甲恶唑的去除率可稳定维持在75％以上。
实施例3：
一种阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，包括进水管1、反应器壳体2、电化学微滤膜组件3、稳压直流电源4、曝气系统和出水管6；所述进水管1一端置于反应器壳体2内；所述电化学微滤膜组件3设于反应器壳体2内，电化学微滤膜组件3包括膜框31、导流网32和内嵌钢丝网的平板微滤膜33，所述膜框31上设有与膜框31内腔相通的抽吸口，抽吸口与出水管6相连，膜框31内腔内设有钛基IrO2/Ta2O涂层阳极34，钛基IrO2/Ta2O涂层阳极34通过导线与稳压直流电源4的正极相连，所述导流网32设于膜框31外两侧，所述内嵌钢丝网的平板微滤膜33设于导流网32外侧，平板微滤膜33通过导线与稳压直流电源4的负极相连，平板微滤膜33与钛基IrO2/Ta2O涂层阳极34的距离为6mm；所述内嵌钢丝网的平板微滤膜33的制备方法为：将不锈钢丝网35置于无纺布36上，然后在钢丝网35上刮涂聚四氟乙烯铸膜液，相转化后得到钢丝网内嵌于铸膜液涂层37中的平板微滤膜33，膜孔径为0.3μm；所述稳压直流电源4的电压为1V；所述曝气系统包括曝气管51、气体流量计53和曝气泵52，曝气管51位于电化学微滤膜组件3正下方，气体流量计53用于调节进气量；所述出水管6与蠕动泵相连。
利用上述阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，考察电化学微滤膜组件在过滤模式下的膜分离性能，实验参数设置为：通量25L/(m2 h)，进水添加100mg/L的SiO2颗粒(粒径为2μm)，进水浊度为32NTU，测得出水浊度保持在0.9NTU左右。
利用上述阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器处理含磺胺甲恶唑的模拟生活污水，实验工况设置为：进水COD 250mg/L，NH4 +-N 35mg/L，磺胺甲恶唑浓度100μg/L，污泥浓度控制在10g/L左右，水力停留时间为6h，稳压直流电源电压为1V。其他条件相同，设置不加电压的反应器为空白对照组。在连续流模式下操作运行20天，结果显示，两个反应器的出水COD均低于20mg/L，空白组对磺胺甲恶唑的去除率只能达到约10％，而外加1V电压的阴阳极内置式微滤膜反应器对磺胺甲恶唑的去除率可稳定维持在95％以上。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，其特征在于，包括进水管、反应器壳体、电化学微滤膜组件、电源、曝气系统和出水管；所述进水管一端置于反应器壳体内；所述电化学微滤膜组件设于反应器壳体内，电化学微滤膜组件包括膜框、导流网、内嵌钢丝网的平板微滤膜和钛基IrO2/Ta2O5涂层阳极，所述膜框上设有与膜框内腔相通的抽吸口，抽吸口与出水管相连，膜框内腔内设有钛基IrO2/Ta2O5涂层阳极，钛基IrO2/Ta2O5涂层阳极通过导线与电源的正极相连，所述导流网设于膜框外两侧，所述平板微滤膜设于导流网外侧，平板微滤膜通过导线与电源的负极相连；所述曝气系统包括曝气管、气体流量计和曝气泵，曝气管位于电化学微滤膜组件下方，气体流量计用于调节进气量；所述出水管与蠕动泵相连。
2.如权利要求1所述的阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，其特征在于，所述内嵌钢丝网的平板微滤膜的制备方法为：将不锈钢丝网置于无纺布上，在钢丝网上刮涂铸膜液，相转化后得到内嵌钢丝网的平板微滤膜，膜孔径为0.1～0.4μm。
3.如权利要求2所述的阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，其特征在于，所述铸膜液所用的高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚四氟乙烯和聚丙烯腈中的任意一种。
4.如权利要求1所述的阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，其特征在于，所述电源为稳压直流电源，电源的电压范围为0.5～2V。
5.如权利要求1所述的阴阳极内置式电化学微滤膜生物反应器，其特征在于，所述钛基IrO2/Ta2O5涂层阳极与平板微滤膜的距离为2～10mm。
6.如权利要求1～5任一所述的反应器在污水处理上的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，水力停留时间为2～6h。
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