CN110078333B - 一种电极耦合平板膜的厌氧电化学污泥处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电极耦合平板膜的厌氧电化学污泥处理装置，其特点是平板膜组件两侧设有碳毡与钛网组成的挂膜电极，挂膜电极和平板膜组件由两固定挡板支撑，设置在曝气管上方；所述碳毡/碳布以10~15毫米间隙距离设置在平板膜组件两侧；所述钛网贴合在碳毡/碳布外侧。本发明与现有技术相比具有电活性生物膜结构，丰富微生物种群多样性，定向驯导电活性功能微生物，快速稳定内部厌氧微生物代谢环境，提高内部消化效率，同时可以减少絮状物、胶体等在平板膜组件的沉积，缓解膜污染，提高底物消化效率，改善出水水质，同时实现CO2甲烷化和生物气原位升级提纯，从而减少CO2排放，增强生物能源回收。
Description
技术领域
本发明涉及膜分离和厌氧电化学技术领域，尤其是一种挂膜负载电极耦合平板膜的厌氧电化学污泥处理装置。
背景技术：
厌氧膜生物反应器（AnMBRs）于上世纪70年代由Grethlein等人首次提出，经过不断的改进和完善，已在工业废水、生活污水等的厌氧处理中得到大量研究和成功应用。该技术主要借助于细微膜孔径对大分子物质的截留作用，以及反应器在厌氧环境下对污泥等生物质废物的厌氧消化作用，来提高对底物的处理效果。与好氧工艺和传统的厌氧工艺相比，厌氧膜生物反应器工艺具有多重优势，如厌氧消化过程更加稳定、能耗降低、占地面积缩小、污泥产量减少、处理效果提升、能源回收效率增强等。但是，膜污染是一直是制约其应用与推广的重要限制因素，该现象的发生和加重，会导致膜通量下降、膜压升高，继而使得反应器运行性能恶化。因此，为了缓解和控制膜污染，许多专家学者对其进行了深入研究。
中国专利《一种能有效缓解膜污染的分置式厌氧陶瓷膜生物反应器》（申请公布号CN 108191055 A，申请公布日 2018.06.22）提出一种利用陶瓷膜和厌氧生物反应器结合来缓解膜污染的方法，该方法通过陶瓷膜组件本身较薄的厚度，同时借助于反应器不断进水冲刷膜表面的回流作用，来达到缓解膜污染的目的，缺点在于陶瓷膜的高造价和冲刷的高能耗，难以被工程应用。
中国专利《一种减缓膜生物反应器中膜污染的折板膜组件》（申请公布号CN104876327 A，申请公布日 2015.09.02）提出一种利用折板膜组件和膜反应器结合来减缓膜污染的方法，该方法通过提高近膜面流体的错流速率，增强近膜面流体的湍流扰动效应，来减少颗粒物在膜表面的沉积，从而减缓膜污染，延长膜组件的使用寿命，并大幅降低其运行成本，缺点在于折板膜组件制造较为复杂，成本高。
中国专利《一种减缓膜污染的膜生物反应器装置及污水处理方法》（申请公布号CN104556364 A，申请公布日 2015.04.29）提供一种利用旋转膜过滤组件、三相分离器、在线超声波清洗、化学清洗设备和膜反应器结合来控制减缓膜污染的方法。该方法通过旋转膜过滤组件来增加旋转剪切力作用，三相分离器来作为膜组件的气洗源，同时设置在线超声波清洗、化学清洗设备来减少膜片清洗过程中的拆装工序，从而达到减缓膜污染的目的，缺点在于工艺较为复杂，扩大了占地面积大，而且能源需求高。
中国专利《一种旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统》（申请公布号CN 103979762A，申请公布日 2014.08.13）提供一种旋转电极结合平板膜来提升反应器处理效果的方法，该方法通过在污泥中施加电场，利用阳极电化学和电絮凝技术和电极的旋转效果，提高污泥消化效率和出水水质以及后续脱水性能，同时减缓膜污染，缺点旋转电极的结构复杂，制作工艺繁琐，不适合普遍应用。
综上所述，现有技术存在着膜组件结构复杂，成本较高，工艺较为复杂，能耗高，运行成本大，难以投入规模化应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种挂膜负载电极耦合平板膜的厌氧电化学污泥处理装置，采用平板膜两侧加入挂膜电极组件的电活性生物膜结构，使其作为一种载体，供微生物附着、生长、繁殖，丰富微生物种群多样性，定向驯导电活性功能微生物，从而快速稳定内部厌氧微生物代谢环境，改善进样底物的消化效率和出水水质，缓解膜污染，并通过微生物电甲烷化作用，促进CO2甲烷化和生物气原位升级提纯，强化能源回收效率，大大降低膜污染速率，提高出水水质，减少后续处理成本，结构简易，能耗低，大大降低装置的维护和运行成本。
本发明的目的是这样实现的：一种电极耦合平板膜的厌氧电化学污泥处理装置，包括设置在厌氧膜生物反应器内的平板膜组件，以及设置在平板膜组件下方的曝气管，其特点是平板膜组件两侧设有碳毡与钛网组成的挂膜电极，挂膜电极和平板膜组件由两固定挡板支撑，且垂直设置在厌氧膜生物反应器的对称轴线上；所述固定挡板底部设有插槽和导流板，两导流板与两固定挡板呈外“八”字形设置；所述碳毡/碳布以10~15毫米间隙距离设置在平板膜组件两侧；所述钛网设置在碳毡/碳布外侧，且与碳毡/碳布紧密贴合；所述固定挡板设置在钛网外侧，且与钛网紧密贴合；所述平板膜组件与挂膜电极由插槽夹持在两固定挡板内，且与插槽为插接；所述曝气管设置在呈外“八”字形设置的两导流板内；所述钛网电性连接电势调控装置；所述厌氧膜生物反应器（顶部设有湿式气体流量计与循环气泵组成的生物气体循环管路，以及污泥进管和出水管；所述污泥进管上设有污泥蠕动泵；所述出水管一端与平板膜组件上部的出水口连接，另一端依次连接压力表和出水蠕动泵。
所述电势调控装置为控制并调节挂膜电极的极化电流输出，使其恒定在设定的电位值。
所述厌氧膜生物反应器外设有保温层。
所述平板膜组件为孔径0.20~0.45微米的氯化聚氯乙烯膜制作的板式膜过滤器。
所述钛网上设有金属铱的活性镀层。
本发明与现有技术相比具有以下优点和技术效果：
1）、挂膜电极可以供微生物、絮状物、胶体、大分子颗粒物等沉积，形成类似电活性生物膜结构，丰富微生物种群多样性，定向驯导电活性功能微生物，快速稳定内部厌氧微生物代谢环境，提高内部消化效率，同时可以减少絮状物、胶体等在平板膜组件的沉积，缓解膜污染。
2）、通过微生物电甲烷化作用，促进胞外聚合物的溶出、絮体破解，提高底物消化效率，改善出水水质，同时实现CO2甲烷化和生物气原位升级提纯，从而减少CO2排放，增强生物能源回收。
3）、在导流挡板的作用下，可以加强内部生物气对平板膜表面的冲刷，减少膜污染物质的沉积，进一步降低膜污染速率。
4）、防膜污染控制效果好，且无二次污染，大大提高了生物能回收效率，更具应用前景。
5）、结构简单，安装方便，维护成本低，运行稳定，对操作人员要求低，而且可以处理不同类型基质，占地面积小，浓缩效果好，可以减少后续处理成本。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为平板膜组件结构示意图；
图3为平板膜组件安装示意图；
图4为未挂膜电极的平板膜厌氧处理装置结构示意图。
具体实施方式
参阅附图1，本发明包括设置在厌氧膜生物反应器10内的平板膜组件12，以及设置在平板膜组件12下方的曝气管9，所述平板膜组件12两侧设有碳毡/碳布5与钛网6组成的挂膜电极，挂膜电极和平板膜组件12由两固定挡板4支撑，且垂直设置在厌氧膜生物反应器10的对称轴线上；所述固定挡板4底部设有插槽7和导流板8，两导流板8与两固定挡板4呈外“八”字形设置；所述碳毡/碳布5以10~15毫米间隙距离设置在平板膜组件12两侧；所述钛网6设置在碳毡/碳布5外侧，且与碳毡/碳布5紧密贴合；所述固定挡板4设置在钛网6外侧，且与钛网6紧密贴合；所述平板膜组件12与挂膜电极由插槽7夹持在两固定挡板4内，且与插槽7为插接；所述曝气管9设置在呈外“八”字形设置的两导流板8内；所述钛网6电性连接电势调控装置13；所述厌氧膜生物反应器10顶部设有湿式气体流量计14与循环气泵11组成的生物气体循环管路18，以及污泥进管16和出水管17；所述污泥进管16上设有污泥蠕动泵15；所述出水管17一端与平板膜组件12上部的出水口连接，另一端依次连接压力表2和出水蠕动泵1；所述电势调控装置13为控制并调节挂膜电极的极化电流输出，使其恒定在设定的电位值；所述厌氧膜生物反应器10外设有保温层3。
参阅附图2~图3，所述挂膜电极包含：设置在平板膜组件12两侧导电的碳毡/碳布5，并将其与平板膜组件1固定在固定挡板4的插槽7上，碳毡/碳布5与平板膜组件12具有5~10毫米的空隙距离；所述钛网6为上设有金属铱的活性镀层，钛网6叠加设置在碳毡/碳布5外侧，且与导电碳毡/碳布5为紧密贴合固定。
所述碳毡/碳布5供微生物附着、生长、繁殖，形成类似电活性生物膜结构，丰富微生物种群多样性，定向驯导电活性功能微生物，快速稳定内部厌氧微生物代谢环境，改善污泥等生物质废物的消化效率和出水水质，同时具有导电性能和电子传导性能，可以进行后续电化学操作。
所述的镀铱钛网6在电化学作用下，产生具有强氧化性的羟基自由基，促进胞外聚合物的溶出、絮体破解，从而提高底物的利用和转化率，同时进行微生物电甲烷作用，促进CO2甲烷化和生物气原位升级提纯，强化能源回收效率。
所述平板膜组件12由氯化聚氯乙烯制成，孔径在0.20~0.45微米，可以截留细菌、微生物、胶体、大分子物质等，从而净化水质。
以下为某城市污水处理厂的剩余污泥与餐厨垃圾以0.4: 0.6的挥发性固体比混合作为进样基质，其总固体量为6~7 g/L，挥发性固体量为3~4 g/L，总化学需氧量为0.7~0.9 g/L，将未挂膜电极的平板膜厌氧处理系统的处理结果与本发明实施例进行比较，对本发明的技术效果作进一步的详细说明。
对比例1
参阅附图4，将污泥与餐厨垃圾以0.4: 0.6的挥发性固体比混合作为进样基质，其总固体量为6~7 g/L，挥发性固体量为3~4 g/L，总化学需氧量为0.7~0.9 g/L。基质经污泥蠕动泵15进入厌氧膜生物反应器10，而后在出水蠕动泵1的抽吸作用下，净化的出水从平板膜组件12上部的出水口流出，控制循环气泵11的速率为5 L/min，并设定为每两个小时工作两分钟。调节出水蠕动泵1速率，控制水力停留时间设置为10天，并调节保温层3的温度，使其控制在35 ± 1℃。湿式气体流量计14记录每天生物气产量，压力表2记录平板膜组件12的透膜压差变化。在连续进样运行条件下，总化学需氧量去除率达到了90%，透膜压差达到了32~33 Kpa，上升速率相对较快，甲烷浓度约在45%，平均甲烷产量为0.042 ± 0.02 L/L/d（每升反应器每天），总化学需氧量至甲烷的转化率为12%。
实施例1
参阅附图1，将污泥与餐厨垃圾以0.4: 0.6的挥发性固体比混合作为进样基质，其总固体量为6~7 g/L，挥发性固体量为3~4 g/L，总化学需氧量为0.7~0.9 g/L。基质经污泥蠕动泵15进入厌氧膜生物反应器10，而后在出水蠕动泵1抽吸作用下，净化的出水从平板膜组件12上部的出水口流出。控制循环气泵11的速率为5 L/min，并设定为每两个小时工作两分钟。调节出水蠕动泵1速率，控制水力停留时间设置为10天。调节保温层3的温度，使其控制在35 ± 1℃；将电势调控装置13的电压控制在0.4 V；湿式气体流量计14记录每天生物气产量；压力表2记录平板膜组件12的透膜压差的变化。在连续进样运行条件下，总化学需氧量去除率达到了95%，透膜压差稳定在23~24 Kpa，较对比例1下降了28%，模压上升速率减慢；甲烷浓度约为60%，较对比例1提高了15%；平均甲烷产量为0.088 ± 0.04 L/L/d（每升反应器每天），较对比例1增加了110%；总化学需氧量至甲烷的转化率为33%，较对比例1增长了21%。
实施例2
将污泥和餐厨垃圾以0.4: 0.6的挥发性固体比混合作为进样基质，其总固体量为6~7 g/L，挥发性固体量为3~4 g/L，总化学需氧量为0.7~0.9 g/L。基质经污泥蠕动泵15进入厌氧膜生物反应器10，而后在出水蠕动泵1抽吸作用下，净化的出水从平板膜组件12上部的出水口流出。控制循环气泵11的速率为5 L/min，并设定为每两个小时工作两分钟。调节出水蠕动泵1速率，控制水力停留时间设置为10天。调节保温层3的温度，使其控制在35 ±1℃；将电势调控装置13的电压控制在0.4 V；湿式气体流量计14记录每天生物气产量；压力表2记录平板膜组件12的透膜压差的变化。在连续进样运行条件下，总化学需氧量去除率达到了95%，透膜压差稳定在24~25 Kpa，较对比例1下降了25%，模压上升速率减慢；甲烷浓度约为70%，较对比例1提高了25%；平均甲烷产量为0.116 ± 0.05 L/L/d（每升反应器每天），较对比例1增加了176%；总化学需氧量至甲烷的转化率为45%，较对比例1增长了33%。
实施例3
将污泥和餐厨垃圾以0.4: 0.6的挥发性固体比混合作为进样基质，其总固体量为6~7 g/L，挥发性固体量为3~4 g/L，总化学需氧量为0.7~0.9 g/L。基质经污泥蠕动泵15进入厌氧膜生物反应器10，而后在出水蠕动泵1抽吸作用下，净化的出水从平板膜组件12上部的出水口流出。控制循环气泵11的速率为5 L/min，并设定为每两个小时工作两分钟。调节出水蠕动泵1速率，控制水力停留时间设置为10天。调节保温层3的温度，使其控制在35 ±1℃；将电势调控装置13的电压控制在0.4 V；湿式气体流量计14记录每天生物气产量；压力表2记录平板膜组件12的透膜压差的变化。在连续进样运行条件下，总化学需氧量去除率达到了95%，透膜压差稳定在25~26 Kpa，较对比例1下降了24%，模压上升速率减慢；甲烷浓度约为75%，较对比例1提高了30%；平均甲烷产量为0.111 ± 0.05 L/L/d（每升反应器每天），较对比例1增加了164%；总化学需氧量至甲烷的转化率为45%，较对比例增长了33%。
实施例4
将污泥和餐厨垃圾以0.4: 0.6的挥发性固体比混合作为进样基质，其总固体量为6~7 g/L，挥发性固体量为3~4 g/L，总化学需氧量为0.7~0.9 g/L。基质经污泥蠕动泵15进入厌氧膜生物反应器10，而后在出水蠕动泵1抽吸作用下，净化的出水从平板膜组件12上部的出水口流出。控制循环气泵11的速率为5 L/min，并设定为每两个小时工作两分钟。调节出水蠕动泵1速率，控制水力停留时间设置为10天。调节保温层3的温度，使其控制在35 ±1℃；将电势调控装置13的电压控制在0.4 V；湿式气体流量计14记录每天生物气产量；压力表2记录平板膜组件12的透膜压差的变化。在连续进样运行条件下，总化学需氧量去除率达到了95%，透膜压差稳定在25~26 Kpa，较对比例1下降了24%，模压上升速率减慢；甲烷浓度约为70%，较对比例1提高了25%；平均甲烷产量为0.101 ± 0.05 L/L/d（每升反应器每天），较对比例1增加了140%；总化学需氧量至甲烷的转化率为41%，较对比例1增长了29%。
本发明对进样基质通过10目筛网去除大颗粒物质，而后添加自来水来调整进样基质的TS、VS浓度的预处理，混合均匀后利用污泥蠕动泵15将其输送至厌氧膜生物反应器10中进行厌氧处理。为保证厌氧膜生物反应器10的正常运行，平板膜组件12与碳毡/碳布5和钛网6都需要浸没在污泥等生物质废物中。在出水蠕动泵1的作用下，平板膜组件12开始出水，通过膜细微孔径对细菌、微生物、胶体、絮状物、大分子蛋白质等物质的截留作用和内部厌氧消化作用，对进样基质进行处理和净化，反应器出水可以作为回用水进行二次利用。在整个运行过程中，平板膜组件12两侧的碳毡/碳布5和钛网6通过电路与电势调控装置13连接，在电势调控装置13的控制下，改变电压电势，确定最佳效果下的电压电势，减少能耗。电极可以产生电场，在电泳及静电排斥作用下，可以减少带正电或负电的膜污染物质在平板膜组件12两侧表面的沉积，缓解膜污染。同时在微生物电甲烷化作用的作用下，丰富厌氧微生物种群结构，提高厌氧系统的消化效率，强化生物能源回收。本发明在平板膜组件12两侧增加由碳毡/碳布5与钛网6组成的挂膜电极，可以供微生物、絮状物、胶体、大分子颗粒物等沉积，形成类似电活性生物膜结构，快速稳定内部厌氧微生物代谢环境，提高内部消化效率，同时可以减少絮状物、胶体等在平板膜组件12表面的沉积。
并且，在导流板8的作用下，曝气管9所引起的生物气内部循环，不仅可以使得厌氧膜生物反应器10内部的溶液混合均匀，强化传质效果，改善内部消化效率，而且可以加强生物气对设置在其上方的平板膜组件12的表面的冲刷，防止絮状物、胶体等在其表面的沉积，从而缓解膜污染，并延长平板膜组件12的清洗周期和使用寿命。在整个运行过程中，利用碳毡/碳布5与钛网6组成的挂膜电极的导电性能，进行电压电势的施加，通过微生物电化学作用，可以诱导特殊电化学微生物生长和富集，从而丰富和稳定微生物生态结构，稳定厌氧消化过程，并促进底物的水解并加强其利用和转化。同时，镀有金属铱活性渡层的钛网6的电极会产生具有强氧化性作用羟基自由基，可以促进胞外聚合物的溶出、絮体破解，从而提高污染物的去除率，改善出水水质。此外，基于微生物电甲烷化作用，阳极会氧化分解有机物，从而释放质子（H+），胞外输出电子（e−），并在外电势（约0.2~0.8 V）作用下，将阳极聚集的电子输送至阴极，通过阴极电活性微生物的诱导作用，可以催化还原CO2，实现CO2甲烷化和生物气原位升级提纯，从而促进CO2减排，提高能源回收效率。
以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种电极耦合平板膜的厌氧电化学污泥处理装置，包括设置在厌氧膜生物反应器内的平板膜组件，以及设置在平板膜组件下方的曝气管，其特征在于平板膜组件两侧设有碳毡/碳布与钛网组成的挂膜电极，挂膜电极和平板膜组件由两固定挡板支撑，且垂直设置在厌氧膜生物反应器的对称轴线上；所述固定挡板底部设有插槽和导流板，两导流板与两固定挡板呈外“八”字形设置；所述碳毡/碳布以10~15毫米间隙距离设置在平板膜组件两侧；所述钛网设置在碳毡/碳布外侧，且与碳毡/碳布紧密贴合；所述固定挡板设置在钛网外侧，且与钛网紧密贴合；所述平板膜组件与挂膜电极由插槽夹持在两固定挡板内，且与插槽为插接；所述曝气管设置在呈外“八”字形设置的两导流板内；所述钛网电性连接电势调控装置；所述厌氧膜生物反应器顶部设有湿式气体流量计与循环气泵组成的生物气体循环管路，以及污泥进管和出水管；所述污泥进管上设有污泥蠕动泵；所述出水管一端与平板膜组件上部的出水口连接，另一端依次连接压力表和出水蠕动泵。
2.根据权利要求1所述电极耦合平板膜的厌氧电化学污泥处理装置，其特征在于所述电势调控装置为控制并调节挂膜电极的极化电流输出，使其恒定在设定的电位值。
3.根据权利要求1所述电极耦合平板膜的厌氧电化学污泥处理装置，其特征在于所述厌氧膜生物反应器外设有保温层。
4.根据权利要求1所述电极耦合平板膜的厌氧电化学污泥处理装置，其特征在于所述平板膜组件为孔径0.20~0.45微米的氯化聚氯乙烯膜制作的板式膜过滤器。
5.根据权利要求1所述电极耦合平板膜的厌氧电化学污泥处理装置，其特征在于所述钛网上设有金属铱的活性镀层。
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