CN111170567B - 一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器及其应用，属于污水处理技术领域。该反应器包括进水管、进水泵、反应器壳体、管式铱钽钛阳极、钛丝网阴极、无泡曝气中空纤维膜、出水管和曝气系统；进水管一端置于反应器壳体内；钛丝网阴极位于反应器壳体内，钛丝网阴极呈柱状且与电源的负极电连接；管式铱钽钛阳极置于钛丝网阴极内侧且与电源的正极电连接；无泡曝气中空纤维膜置于管式铱钽钛阳极内腔；曝气系统包括曝气泵、分别与无泡曝气中空纤维膜上端和下端相连的进气管和废气管；出水管与管式铱钽钛阳极内腔连通。本发明反应器在连续流模式下运行时可实现难降解有机物的高效氧化降解和矿化去除，大大提高对难降解有机污染物的去除效率。

Description

一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器及其应用
技术领域
本发明具体涉及一种一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器及其应用，属于污水处理技术领域。
背景技术
随着药物、个人护理用品等化合物的广泛应用，抗生素等有毒有害难降解有机物能通过多种途径进入水体中。运用常规的处理方法通常无法有效地去除这些微量或痕量有机物，一旦进入水体将造成严重二次污染问题。
膜曝气生物膜反应器(Membrane-aerated biofilm reactor，MABR)是利用透气膜进行曝气供氧的一种污水生物处理工艺，溶解氧通过气体透过性膜扩散进入生物膜进而氧化污染物，同时气体透过性膜也可作为生物膜生长的载体，膜曝气生物膜反应器由于采用无泡曝气的方式，氧气的传递效率可以接近100％，高效的氧传质速率、较高的生物膜表面积和内外分层的特殊生物膜结构，使得MABR在污水处理中具有明显的优势。但是目前膜曝气生物膜反应器对抗生素等难降解有机污染物的去除效率十分有限，且在抗生素等有机物胁迫条件下反应器中的微生物易产生耐药性和抗性基因，抗性微生物的扩散和抗性基因的横向转移会造成新的二次污染问题。
电化学高级氧化法作为一种新兴污水处理技术，其通过在电极间施加电压，能够快速产生强氧化性物质(如羟基自由基、H2O2等)，有效降解污水中的难降解有机污染物。但由于电化学高级氧化法难以有效矿化有机污染物，抗生素等难降解有机污染物经强氧化性物质氧化降解后产生的中间产物易在系统内积累，随出水进入水体，从而影响出水水质。
因此，如何将电化学高级氧化与膜曝气生物膜反应器进行高效耦合，以实现抗生素等难降解有机物的高效电化学氧化和中间产物的微生物矿化，从而大大提高反应器对抗生素等难降解有机污染物的去除效率是目前研究和实践的重点。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器及其应用，该反应器采用钛丝网作为阴极，管式铱钽钛电极作为阳极，通过稳压直流电源施加电场构成反应器的电解区，采用无泡曝气中空纤维膜置于管式铱钽钛阳极内部作为微生物生长聚集的载体，通过曝气系统供给空气形成生物膜构成反应器的生物区，在连续流模式下操作运行时，无需添加任何化学试剂，即可通过产生强氧化性物质和生物协同，实现难降解有机物的高效氧化降解和高效矿化去除，大大提高反应器对抗生素等难降解有机污染物的去除效率。此外，前置的电解区可以有效抑制污水处理过程中抗性微生物和抗性基因的产生，大大降低抗生素废水处理的环境风险。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器，包括进水管、进水泵、反应器壳体、管式铱钽钛阳极、钛丝网阴极、无泡曝气中空纤维膜、出水管、曝气系统、电源；所述进水管一端置于反应器壳体内，进水管上设有进水泵；所述钛丝网阴极位于反应器壳体内，钛丝网阴极呈柱状，钛丝网阴极通过导线与电源的负极相连；所述管式铱钽钛阳极置于钛丝网阴极内侧，管式铱钽钛阳极通过导线与电源的正极相连；所述无泡曝气中空纤维膜置于管式铱钽钛阳极内腔；所述曝气系统包括曝气泵、进气管和废气管，进气管一端与曝气泵相连，另一端与无泡曝气中空纤维膜上端相连通，废气管一端与无泡曝气中空纤维膜下端相连通，另一端与大气连通；所述出水管与管式铱钽钛阳极内腔相连通。
作为优选方案，所述反应器还包括穿孔布水槽，穿孔布水槽位于反应器壳体顶部，进水管一端置于穿孔布水槽内。
作为优选方案，所述反应器还包括柱形导流网，柱形导流网位于钛丝网阴极和管式铱钽钛阳极之间。通过设置柱形导流网可以防止钛丝网阴极和管式铱钽钛阳极之间发生短路。
作为优选方案，所述进气管上设有气体流量计和压力表，气体流量计用于调节进气量，压力表用于检测曝气压力。
作为优选方案，所述钛丝网阴极与管式铱钽钛阳极外侧的距离为2～15mm。
作为优选方案，所述电源为稳压直流电源，电源的电压范围为1～2V。
作为优选方案，所述无泡曝气中空纤维膜为PVDF无泡曝气中空纤维膜。
上述反应器在水处理上的应用。
作为优选方案，总水力停留时间为3～18h。
本发明的原理：本发明采用钛丝网作为阴极，管式铱钽钛电极作为阳极，通过稳压直流电源施加电场构成反应器的电解区，采用无泡曝气中空纤维膜置于管式铱钽钛阳极内部作为微生物生长聚集的载体，通过曝气系统供给空气在无泡曝气中空纤维膜表面形成生物膜构成反应器的生物区，待处理污水首先经进水管进入到一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器的电解区，污水中的难降解有机污染物如抗生素被电极表面产生的强氧化性物质(如羟基自由基)氧化降解，降解所得的中间产物和残余的少量难降解有机污染物进入生物区被附着在无泡曝气中空纤维膜上的微生物膜矿化去除，经处理后的水经出水管流出。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明反应器采用钛丝网作为阴极，管式铱钽钛电极作为阳极，通过稳压直流电源施加电场构成反应器的电解区，采用无泡曝气中空纤维膜置于管式铱钽钛阳极内部作为微生物生长聚集的载体，通过曝气系统供给空气形成生物膜构成反应器的生物区，在连续流模式下操作运行时，无需添加任何化学试剂，即可通过产生强氧化性物质和生物协同，实现难降解有机物的高效氧化降解和高效矿化去除，大大提高反应器对抗生素等难降解有机污染物的去除效率。
2.本发明通过将电解区置于生物区前可以有效抑制污水处理过程中抗性微生物和抗性基因的产生，大大降低抗生素废水处理的环境风险。
3.本发明通过将稳压直流电源的电压范围设置在1～2V，在连续流模式下运行时，较低的外加电场对微生物膜没有副作用，有利于促进微生物对水体中污染物的降解，提高对水体的处理效果。
4.本发明采用一体化设计，结构简单、紧凑，易制成模块化装备，适用性广。
附图说明
图1是本发明反应器的结构示意图；
附图标记：
1.进水管 11.进水泵 2.反应器壳体 21.穿孔布水槽 3.钛丝网阴极 4.导流网5.管式铱钽钛阳极 6.无泡曝气中空纤维膜 71.曝气泵 72.进气管 73.废气管 74.气体流量计 75.压力表 8.电源 9.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：
一种一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器，包括进水管1、进水泵11、反应器壳体2、管式铱钽钛阳极5、钛丝网阴极3、PVDF无泡曝气中空纤维膜6、曝气系统、稳压直流电源8和出水管9；所述进水管1一端置于设于反应器壳体2顶部的穿孔布水槽21内，进水管1上设有进水泵11；所述钛丝网阴极3位于反应器壳体2内，钛丝网阴极3呈柱状，钛丝网阴极3通过导线与电源8的负极相连；所述管式铱钽钛阳极5置于钛丝网阴极3内侧，管式铱钽钛阳极5外侧与钛丝网阴极3的距离为5mm，管式铱钽钛阳极5通过导线与电源8的正极相连；所述无泡曝气中空纤维膜6置于管式铱钽钛阳极5内腔；所述曝气系统包括曝气泵71、进气管72和废气管73，进气管72一端与曝气泵71相连，另一端与无泡曝气中空纤维膜6上端相连通，进气管72上设有用于调节进气量的气体流量计74和用于检测曝气压力的压力表75，废气管73一端与无泡曝气中空纤维膜6下端相连通，另一端与大气连通；所述出水管9与管式铱钽钛阳极5内腔相连通。
其中，为防止钛丝网阴极3和管式铱钽钛阳极5之间发生短路，钛丝网阴极3和管式铱钽钛阳极5之间设有柱状导流网4。
利用上述一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器处理含磺胺嘧啶的模拟地表水，实验工况设置为：进水COD 45mg/L，NH4+-N 2mg/L，磺胺嘧啶100μg/L，曝气压力为0.02MPa，稳压直流电源电压为2.0V，进水流量为1.7L/d，电解区水力停留时间为2.5h，生物区水力停留时间为3.6h。其他条件相同，设置无外加电场的反应器为空白对照组。在连续流模式下运行，连续运行40天，结果显示，两个反应器出水COD均低于5mg/L，空白组对磺胺嘧啶的去除率约20％，而外加2.0V电压的一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器对磺胺嘧啶的去除率可达到95％以上。
实施例2：
利用与实施例1相同的一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器处理含磺胺嘧啶的模拟地表水，实验工况设置为：进水COD 45mg/L，NH4+-N 2mg/L，磺胺嘧啶100μg/L，曝气压力为0.02MPa，稳压直流电源电压为1.5V，进水流量为1.7L/d，电解区水力停留时间为5h，生物区水力停留时间为7.2h。其他条件相同，设置无外加电场的反应器为空白对照组。在连续流模式下运行，连续运行40天，结果显示，两个反应器出水COD均低于5mg/L，空白组对磺胺嘧啶的去除率约30％，而外加1.5V电压的一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器对磺胺嘧啶的去除率可达到90％以上。
实施例3：
利用与实施例1相同的一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器处理含磺胺嘧啶的模拟地表水，实验工况设置为：进水COD 45mg/L，NH4+-N 2mg/L，磺胺嘧啶100μg/L，曝气压力为0.02MPa，稳压直流电源电压为1.0V，进水流量为1.7L/d，电解区水力停留时间为7h，生物区水力停留时间为10h。其他条件相同，设置无外加电场的反应器为空白对照组。在连续流模式下运行，连续运行40天，结果显示，两个反应器出水COD均低于5mg/L，空白组对磺胺嘧啶的去除率约35％，而外加1.0V电压的一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器对磺胺嘧啶的去除率可达到90％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)

1.一种一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器，其特征在于，包括进水管、进水泵、反应器壳体、管式铱钽钛阳极、钛丝网阴极、无泡曝气中空纤维膜、出水管、曝气系统、电源；所述钛丝网阴极位于反应器壳体内，钛丝网阴极呈柱状，钛丝网阴极通过导线与电源的负极相连，所述管式铱钽钛阳极置于钛丝网阴极内侧，管式铱钽钛阳极通过导线与电源的正极相连，通过稳压直流电源施加电场构成反应器的电解区；所述无泡曝气中空纤维膜置于管式铱钽钛阳极内腔；所述曝气系统包括曝气泵、进气管和废气管，进气管一端与曝气泵相连，另一端与无泡曝气中空纤维膜上端相连通，废气管一端与无泡曝气中空纤维膜下端相连通，另一端与大气连通，通过曝气系统供给空气在无泡曝气中空纤维膜表面形成生物膜构成反应器的生物区；所述出水管与管式铱钽钛阳极内腔相连通；所述进水管一端置于反应器壳体内，进水管上设有进水泵，待处理污水首先经进水管进入到一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器的电解区，污水中的难降解有机污染物被电极表面产生的强氧化性物质氧化降解，降解所得的中间产物和残余的少量难降解有机污染物进入生物区被附着在无泡曝气中空纤维膜上的微生物膜矿化去除，经处理后的水经出水管流出。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器还包括穿孔布水槽，穿孔布水槽位于反应器壳体顶部，进水管一端置于穿孔布水槽内。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器还包括柱形导流网，柱形导流网位于钛丝网阴极和管式铱钽钛阳极之间。
4.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述进气管上设有气体流量计和压力表，气体流量计用于调节进气量，压力表用于检测曝气压力。
5.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述钛丝网阴极与管式铱钽钛阳极外侧的距离为2～15mm。
6.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述电源为稳压直流电源，电源的电压范围为1～2V。
7.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述无泡曝气中空纤维膜为PVDF无泡曝气中空纤维膜。
8.如权利要求1～7任一所述的反应器在水处理上的应用。
9.如权利要求8所述的反应器在水处理上的应用，其特征在于，总水力停留时间为3～18h。
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