CN111362403A - 基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法，属污水处理技术领域。通过引入流动碳电极，在外加电场的作用下，厌氧渗透膜生物反应器中污泥上清液通过脱盐室离子交换膜中间的腔室时，溶液中的阴阳离子会向两侧移动，离子交换膜外侧通过流动碳电极，当溶液中离子透过离子交换膜到达两侧的流动碳电极中，由于电势差的作用会被吸附在高比表面积的活性炭上，通过混合离子交换膜两侧的流动电极达到电荷中和的目的。脱盐后的污泥上清液会返回反应器，从而达到控制反应器中盐度积累的目的，进而达到提高反应器常规污染物去除率，稳定pH，降低SMP积累，减轻膜污染的目的。

Description

基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法
技术领域
本发明涉及一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法，属污水处理技术领域。
背景技术
由一次能源消耗引起的环境污染和温室效应日趋严重，使三大主要可再生资源之一的生物质能备受关注。污水、污泥、农业废物等富含生物质能的物质以每年约25％的速率增长，厌氧消化可将这些物质作为厌氧消化底物，在厌氧菌的作用下转化为可供利用的沼气等能源。
厌氧渗透膜生物反应器(AnOMBR)利用高截留率的正渗透(FO)膜代替厌氧膜生物反应器(AnMBR)中的超滤或微滤膜，在完成厌氧消化的同时，出水水质远优于AnMBR。另外，FO是以渗透压为驱动力的膜分离过程，相较于压力驱动的膜分离过程FO的膜污染小，能耗低。
虽然FO膜在提高出水水质方面有其他膜不可比拟的优势，但汲取液反向扩散导致的原料液侧盐度升高会影响产甲烷菌生长，甚至还会因渗透压过高导致细胞失水死亡。针对这一问题，本发明引入流动碳电极脱盐进行AnOMBR原料液脱盐，以期实现AnOMBR原料液盐度控制。
发明内容
本发明针对AnOMBR运行期间反向盐通量导致的原料液侧盐度积累问题，提出了一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法。
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法。本发明装置采用外置式FO膜组件，汲取液通过蠕动泵泵入组件支撑层一侧，反应器内污泥上清液通过蠕动泵供能依次通过FO膜组件活性层一侧以及脱盐室，最后返回反应器形成循环。含盐上清液经过脱盐室时，在外加电场的作用下，阴阳离子分别移向两极，到达离子交换膜外侧的流动碳电极中并被吸附在碳电极表面，之后通过混合两侧的流动电极达到电荷中和的目的，混合后的流动电极可以重复利用。
所述脱盐室构成(自电源正极到负极)为：阳极PMMA板、阳极集流体、阳极具腔室硅胶垫圈、阴离子交换膜、具腔室PMMA板、阳离子交换膜、阴极具腔室硅胶垫圈、阴极集流体和阴极PMMA板，集流体均采用活性炭布，利用不锈钢螺丝固定自组装。所用主体反应器有效体积1L，接种经蔗糖驯化后的厌氧污泥，初始混合液污泥浓度为12.73gMLSS/L。所用FO膜为三醋酸纤维素膜，有效膜面积24cm2，活性层面向原料液侧，通过PMMA板和不锈钢螺丝固定FO膜进行自组装形成FO膜组件。所有流动液体，包括原料液即污泥上清液、汲取液、流动碳电极，均通过蠕动泵泵入反应器各功能部分。所用流动碳电极制备方式为：过200目标准筛网，去离子水清洗至电导率恒定并呈中性，60℃烘箱烘干，制备300ml含质量分数5％活性炭粉的溶液，磁力搅拌24h形成均匀悬浮液。离子交换膜采用电解均相离子交换膜，有效膜面积48cm2，有效间距2cm。汲取液选取500ml 0.5M NaCl溶液。利用手持仪监测汲取液电导率，定期补充饱和NaCl溶液稳定渗透压。脱盐室施加直流电压3.0V，有效电流0.01A，日加电时间3.0h。以人造废水为进水进行性能测试，废水组成为：4000mgCOD/L、100mgN/L、20mgP/L，微量元素组成为1mL微量元素/L废水：0.37mmol/L Zn、2.5mmol/L Mn、0.14mmol/L Cu、8.4mmol/L Co、0.25mmol/L Ni、0.8mmol/L H3BO3和3.4mmol/L EDTA。通过脱盐，反应器内电导率十五天内可以维持在4.20mS/cm。
本发明的有益效果：一、16天内原料液侧电导率仅为4.20mS/cm，且水通量恶化减轻；二、实现了常规污染物COD、NH4 +、PO4 3-去除率的提高；三、实现了反应器原料液碱度的控制，使得反应器内pH始终稳定在产甲烷菌最适pH范围6.6-7.6内，反应器内VFAs累积明显减缓；四、构成膜表面无机污染的Ca、Fe、P的脱除率分别提高15.2％，58.1％，20.6％；五、实现了反应器内SMP积累的减轻，有助于缓解膜污染。
附图说明
图1为本发明基于流动碳电极脱盐的厌氧渗透膜生物反应器装置示意图。
图2为所用脱盐室示意图。
图中：1汲取液室，2汲取液泵，3FO膜组件，4脱盐室，5止水阀，6电导率仪，7原料液循环泵，8气袋，9厌氧消化反应器，10进水泵，11进水池，12阳极PMMA板，13阳极碳布集流体，14阳极具腔室硅胶垫圈，15阴离子交换膜，16具腔室PMMA板，17阳离子交换膜，18阴极具腔室硅胶垫圈，19阴极碳布集流体，20阴极PMMA板。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，对本发明作进一步详述。
实施例1：基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法
图1-2为本发明的一种基于流动碳电极脱盐的厌氧渗透膜生物反应器示意图。所述实验装置包括汲取液池1，FO膜组件3，脱盐室4，原料液池9，进水池11；汲取液池1通过蠕动泵2与FO膜组件相连，泵入FO膜组件的汲取液会再返回汲取液池；原料液池9通过蠕动泵7与FO膜组件相连，污泥上清液泵入FO膜组件活性层侧，出水再通过脱盐室4中的过水通道16，之后返回原料液池9；加电脱盐时间为3h/d，通过止水阀5控制原料液流向以控制脱盐时间；进水池11通过蠕动泵10与原料液室相连；手持仪6用以监测反应器内的电导率和pH；气袋8用以收集反应器内产生的气体。
流动碳电极采用活性炭粉制备，过200目标准筛，用去离子水清洗至中性，60℃烘箱烘干后，制备300ml 5wt％AC的含碳电极在磁力搅拌器上搅拌24小时，得到均匀的碳悬浮液，制备成功的流动碳电极分别通过PMMA板12和20下部进水口进入硅胶垫圈14和18的腔室内，之后分别从12和20上部出水口流出并混合使之电中和。
利用本发明进行人造废水处理，人造废水成分为4000mgCOD/L、100mgN/L、20mgP/L，微量元素组成为1mL微量元素/L废水：0.37mmol/L Zn、2.5mmol/L Mn、0.14mmol/L Cu、8.4mmol/L Co、0.25mmol/L Ni、0.8mmol/L H3BO3和3.4mmol/L EDTA，装入进水池11，通过蠕动泵10泵入原料池9。
原料液池9接种蔗糖驯化后的厌氧污泥，污泥浓度为12.73gMLSS/L，运行期间控制温度34-35℃。
对照例1
运行未引入流动碳电极脱盐的厌氧渗透膜生物反应器，即污泥上清液经FO膜组件后直接返回反应器内，其余运行条件均与实施例1一致。

Claims (8)

1.一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法，其特征在于，厌氧消化反应器内污泥上清液依次泵入FO膜组件(3)和脱盐室(4)并最终返回反应器(9)；经脱盐室(4)外加电压的作用，溶液中阴阳离子分别向两侧移动并透过离子交换膜吸附在离子交换膜外侧的流动碳电极上实现脱盐。
2.根据权利要求1所述的一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法，其特征在于，该方法所用的反应系统如下：厌氧消化反应器(9)主体与FO膜组件(3)相连，FO膜组件(3)中FO膜活性层一侧与脱盐室(4)相连，脱盐室(4)与厌氧消化反应器(9)主体相连形成循环回路；FO膜组件(3)中FO膜支撑层一侧与汲取液室(1)相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法，其特征在于，所述的脱盐室(4)组装，自电源正极到负极分别为阳极PMMA板(12)、阳极碳布集流体(13)、阳极具腔室硅胶垫圈(14)、阴离子交换膜(15)、具腔室PMMA板(16)、阳离子交换膜(17)、阴极具腔室硅胶垫圈(18)、阴极碳布集流体(19)和阴极PMMA板(20)；阴离子交换膜(15)和阳离子交换膜(17)有效间距2cm，厌氧消化反应器(9)内上清液循环流过此间隙；脱盐室(4)施加电压3.0V。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法，其特征在于，所用流动碳电极制备方式为：过200目筛，用去离子水清洗至中性，烘干后，制备5wt％AC的含碳电极搅拌24小时，得到均匀的碳悬浮液。
5.根据权利要求3所述的一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法，其特征在于，所用流动碳电极制备方式为：过200目筛，用去离子水清洗至中性，烘干后，制备5wt％AC的含碳电极搅拌24小时，得到均匀的碳悬浮液。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法，其特征在于，脱盐后的碳电极通过过滤即可再生利用，滤液中的氮磷可通过鸟粪石的方式回收。
7.根据权利要求3所述的一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法，其特征在于，脱盐后的碳电极通过过滤即可再生利用，滤液中的氮磷可通过鸟粪石的方式回收。
8.根据权利要求4所述的一种基于流动碳电极的厌氧渗透膜生物反应器脱盐方法，其特征在于，脱盐后的碳电极通过过滤即可再生利用，滤液中的氮磷可通过鸟粪石的方式回收。
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