CN110156145A - 一种新型电化学流化床微滤膜生物反应器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型电化学流化床微滤膜生物反应器及其应用，属于水处理技术领域。本发明反应器包括进水管、反应器壳体、石墨板阳极、电化学微滤膜组件、流化导电颗粒、电源、曝气系统和出水管。本发明采用石墨板作为阳极，采用电化学微滤膜组件直接作为电化学系统中的阴极，采用导电颗粒作为流化床颗粒，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，而且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，此外，导电颗粒及电化学过程中产生的活性物质都可以有效抑制膜生物反应器运行过程中产生的膜污染问题，大大降低膜生物反应器中的膜污染速率。

Description

一种新型电化学流化床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，具体涉及新型电化学流化床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
随着药物、抗生素、抗菌剂等化合物的广泛应用，它们都将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有效地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)，一旦进入水体将造成严重二次污染问题。
膜生物反应器是一种集膜分离技术和传统生物法污水处理技术于一体的新型工艺，对常规污染物能高效去除。但膜生物反应器对难降解有机物(如抗生素等)的去除效率有限，且生物法去除抗生素、抗菌剂等化合物易引起耐药性和抗性基因问题。电化学高级氧化法是一种新兴的污水处理技术，能有效去除污水中难降解污染物。通过外加电场，可以原位生成氧化剂物种(如羟基自由基、H2O2等)，从而降解水体中的难降解有机污染物。但只依靠电化学氧化技术难以完全去除难降解有机物，矿化率有限，如氧化降解的中间产物仍然存在于出水中。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微生物进一步降解的有效结合是目前亟待研究和实践的重点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种新型电化学流化床微滤膜生物反应器及其应用，本发明结构简单，采用石墨板作为阳极，采用电化学微滤膜组件直接作为电化学系统中的阴极，采用导电颗粒作为流化床颗粒，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，而且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，此外，导电颗粒及电化学过程中产生的活性物质都可以有效抑制膜生物反应器运行过程中产生的膜污染问题，大大降低膜生物反应器中的膜污染速率。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种新型电化学流化床微滤膜生物反应器，包括进水管、反应器壳体、石墨板阳极、电化学微滤膜组件、流化导电颗粒、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；所述石墨板阳极、电化学微滤膜组件、流化导电颗粒均位于反应器壳体内，所述石墨板阳极通过导线与电源的正极相连，所述电化学微滤膜组件包括膜框、导流网、内嵌钛丝网的平板微滤膜；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，所述导流网设于膜框外两侧，所述内嵌钛丝网的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；所述出水管与出水泵相连。
优选地，所述内嵌钛丝网的平板微滤膜的制备方法为：将钛丝网置于无纺布上，在钛丝网上刮涂铸膜液，相转化后得到内嵌钛丝网的平板微滤膜，膜孔径为 0.1～0.4μm。
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，所述石墨板阳极与平板微滤膜的距离为2～10mm。
优选地，所述流化导电颗粒为活性纤维碳毡颗粒或活性碳颗粒。
优选地，所述流化导电颗粒的填充体积占反应器总体积的10～30％。
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电化学流化床微滤膜反应器内，难降解有机物先被石墨板阳极表面产生的氧化性物质(羟基自由基)初步氧化降解，降解所得的中间产物与水中的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，水中的污染物到达阴极电化学微滤膜组件的平板微滤膜表面，其中，大分子颗粒和胶体污染物被平板微滤膜拦截留在反应器中，水中溶解的O2在平板微滤膜表面得电子被还原生成H2O2，进一步提高难降解有机物的去除率；经处理进入膜框膜腔的水经出水管流出。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明采用石墨板作为阳极，采用电化学微滤膜组件直接作为电化学系统中的阴极，采用导电颗粒作为流化床颗粒，在施加外加电场的连续流模式下操作运行时，阳极产生的羟基自由基能实现难降解有机物的初步氧化；氧化中间产物可以进一步被反应器中的微生物生物降解，而少量未完全降解去除的中间产物可进一步被阴极表面产生的过氧化氢氧化降解，不仅能实现污水中悬浮颗粒的去除，还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生物反应器的高效耦合，此外，在外电场作用下，微滤膜带负电增加了与混合液中带负电污染物之间的静电阻力，可以阻碍污染物在微滤膜膜面的沉积，阴极表面产生的H2O2能够氧化去除一定量的膜面污染物，从而可以大大降低膜生物反应器中的膜污染速率。
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钛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。
3.本发明引入的外加导电颗粒在曝气作用下形成流化状态，会对平板微滤膜的膜表面形成一定的刮擦作用，可进一步抑制膜污染过程；同时，导电颗粒的引入能够提高体系中的电子传递效率，加强难降解有机物的电化学氧化效果。
4.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。
5.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是本发明中电化学微滤膜组件的结构示意图；
图3是实施例1中两个反应器(a.空白对照组；b.实验组)的跨膜压力随时间的变化图；
附图标记：
1.进水管 2.反应器壳体 3.石墨板阳极 4.电化学微滤膜组件 41.膜框 42.导流网 43.内嵌钢丝网的平板微滤膜 5.流化导电颗粒 6.电源 71.曝气管 72.曝气泵 73.气体流量计 8.压力计 9.出水管 91.出水泵
具体实施方式
下面通过实施案例，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：
一种新型电化学流化床微滤膜生物反应器，包括进水管1、反应器壳体2、石墨板阳极3、电化学微滤膜组件4、流化导电颗粒5、电源6、曝气系统、压力计8和出水管9；所述进水管1一端置于反应器壳体2内；所述石墨板阳极3、电化学微滤膜组件4、流化导电颗粒5均位于反应器壳体2内，所述石墨板阳极 3通过导线与电源6的正极相连，所述电化学微滤膜组件4包括膜框41、导流网 42、内嵌钛丝网的平板微滤膜43；所述膜框41上设有与膜框41内腔相通的抽吸口，抽吸口与出水管9相连，所述导流网42设于膜框41外两侧，所述内嵌钛丝网的平板微滤膜43设于导流网42外侧，平板微滤膜43通过导线与电源6的负极相连，平板微滤膜43与石墨板阳极3的距离为10mm；所述内嵌钛丝网的平板微滤膜43的制备方法为：将钛丝网置于无纺布上，然后在钛丝网上刮涂聚偏氟乙烯铸膜液，相转化后得到钛丝网内嵌于铸膜液涂层中的平板微滤膜43，膜孔径为0.4μm；所述流化导电颗粒5为活性纤维碳毡颗粒，活性纤维碳毡颗粒的总体积占反应器总体积的20％(即填充比例为20％)；所述电源6为稳压直流电源6，电源6电压为2V；所述曝气系统包括曝气管71、气体流量计73和曝气泵72，曝气管71位于电化学微滤膜组件4下方，气体流量计73用于调节进气量；所述出水管9与出水泵91相连，出水管9上设有压力计8。
利用上述电化学流化床微滤膜生物反应器，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/(m2h)，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。
利用上述电化学流化床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，两个反应器的跨膜压力随时间的变化情况如图1所示，由图1可知，相比空白对照组，外加2V电压的电化学流化床微滤膜生物反应器的膜污染可以得到大大改善，反应器运行20天后检测反应器出水情况，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电压的电化学流化床微滤膜生物反应器(实验组)对磺胺甲恶唑的去除率可稳定维持在90％左右。
实施例2：
一种新型电化学流化床微滤膜生物反应器，包括进水管1、反应器壳体2、石墨板阳极3、电化学微滤膜组件4、流化导电颗粒5、电源6、曝气系统、压力计8和出水管9；所述进水管1一端置于反应器壳体2内；所述石墨板阳极3、电化学微滤膜组件4、流化导电颗粒5均位于反应器壳体2内，所述石墨板阳极 3通过导线与电源6的正极相连，所述电化学微滤膜组件4包括膜框41、导流网 42、内嵌钛丝网的平板微滤膜43；所述膜框41上设有与膜框41内腔相通的抽吸口，抽吸口与出水管9相连，所述导流网42设于膜框41外两侧，所述内嵌钛丝网的平板微滤膜43设于导流网42外侧，平板微滤膜43通过导线与电源6的负极相连，平板微滤膜43与石墨板阳极3的距离为2mm；所述内嵌钛丝网的平板微滤膜43的制备方法为：将钛丝网置于无纺布上，然后在钛丝网上刮涂聚偏氟乙烯铸膜液，相转化后得到钛丝网内嵌于铸膜液涂层中的平板微滤膜43，膜孔径为0.1μm；所述流化导电颗粒5为活性纤维碳毡颗粒，活性纤维碳毡颗粒的总体积占反应器总体积的10％(即填充比例为10％)；所述电源6为稳压直流电源6，电源6电压为0.5V；所述曝气系统包括曝气管71、气体流量计73和曝气泵72，曝气管71位于电化学微滤膜组件4下方，气体流量计73用于调节进气量；所述出水管9与出水泵91相连，出水管9上设有压力计8。
利用上述电化学流化床微滤膜生物反应器，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/(m2h)，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。
利用上述电化学流化床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天后检测反应器出水情况，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 电压的电化学流化床微滤膜生物反应器对磺胺甲恶唑的去除率可稳定维持在80％以上。
实施例3：
一种新型电化学流化床微滤膜生物反应器，包括进水管1、反应器壳体2、石墨板阳极3、电化学微滤膜组件4、流化导电颗粒5、电源6、曝气系统、压力计8和出水管9；所述进水管1一端置于反应器壳体2内；所述石墨板阳极3、电化学微滤膜组件4、流化导电颗粒5均位于反应器壳体2内，所述石墨板阳极 3通过导线与电源6的正极相连，所述电化学微滤膜组件4包括膜框41、导流网 42、内嵌钛丝网的平板微滤膜43；所述膜框41上设有与膜框41内腔相通的抽吸口，抽吸口与出水管9相连，所述导流网42设于膜框41外两侧，所述内嵌钛丝网的平板微滤膜43设于导流网42外侧，平板微滤膜43通过导线与电源6的负极相连，平板微滤膜43与石墨板阳极3的距离为6mm；所述内嵌钛丝网的平板微滤膜43的制备方法为：将钛丝网置于无纺布上，然后在钛丝网上刮涂聚偏氟乙烯铸膜液，相转化后得到钛丝网内嵌于铸膜液涂层中的平板微滤膜43，膜孔径为0.3μm；所述流化导电颗粒5为活性纤维碳毡颗粒，活性纤维碳毡颗粒的总体积占反应器总体积的20％(即填充比例为20％)；所述电源6为稳压直流电源6，电源6电压为1V；所述曝气系统包括曝气管71、气体流量计73和曝气泵72，曝气管71位于电化学微滤膜组件4下方，气体流量计73用于调节进气量；所述出水管9与出水泵91相连，出水管9上设有压力计8。
利用上述电化学流化床微滤膜生物反应器，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/(m2h)，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。
利用上述电化学流化床微滤膜生物反应器处理含磺胺嘧啶的模拟生活污水，实验工况设置为：进水COD 250mg/L，NH4 +-N 35mg/L，磺胺嘧啶浓度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天后检测反应器出水情况，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电压的电化学流化床微滤膜生物反应器对磺胺嘧啶的去除率可稳定维持在96％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 (9)

1.一种新型电化学流化床微滤膜生物反应器，其特征在于，包括进水管、反应器壳体、石墨板阳极、电化学微滤膜组件、流化导电颗粒、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；所述石墨板阳极、电化学微滤膜组件、流化导电颗粒均位于反应器壳体内，所述石墨板阳极通过导线与电源的正极相连，所述电化学微滤膜组件包括膜框、导流网、内嵌钛丝网的平板微滤膜；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，所述导流网设于膜框外两侧，所述内嵌钛丝网的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；所述出水管与出水泵相连。
2.如权利要求1所述的新型电化学流化床微滤膜生物反应器，其特征在于，所述内嵌钛丝网的平板微滤膜的制备方法为：将钛丝网置于无纺布上，在钛丝网上刮涂铸膜液，相转化后得到内嵌钛丝网的平板微滤膜，膜孔径为0.1～0.4μm。
3.如权利要求1所述的新型电化学流化床微滤膜生物反应器，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所述的新型电化学流化床微滤膜生物反应器，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所述的新型电化学流化床微滤膜生物反应器，其特征在于，所述石墨板阳极与平板微滤膜的距离为2～10mm。
6.如权利要求1所述的新型电化学流化床微滤膜生物反应器，其特征在于，所述流化导电颗粒为活性纤维碳毡颗粒或活性炭颗粒。
7.如权利要求1所述的新型电化学流化床微滤膜生物反应器，其特征在于，所述流化导电颗粒的填充体积占反应器总体积的10～30％。
8.如权利要求1～7任一所述的反应器在污水处理上的应用。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，水力停留时间为2～6h。
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