CN111498980A - 一种防膜污染MFC-AnMBR耦合装置 - Google Patents

一种防膜污染MFC-AnMBR耦合装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防膜污染MFC‑AnMBR耦合装置，包括AnMBR反应池、好氧池和调节池，AnMBR反应池内设有阳极导电膜组件，好氧池内设有阴极，阳极导电膜组件通过电阻与阴极连接，另一端通过第一泵与调节池连接，调节池另一端利用第二泵通入好氧池，AnMBR反应池和好氧池之间设有盐桥，AnMBR反应池底部设有进水口，好氧池利用出水泵与集水池连接。该装置能够高效处理难降解有机物，其去除效率达73％，有效抑制膜污染问题，其极限运行时间可达56天，将装置使用寿命延长了一倍。

Description

一种防膜污染MFC-AnMBR耦合装置
技术领域
本发明涉及一种MFC-AnMBR耦合装置，更具体地，涉及一种防膜污染MFC-AnMBR耦合装置。
背景技术
水资源短缺和水环境污染不仅制约经济和社会的发展，也影响着人民的生命安全和社会的稳定。污水处理与回用是目前解决水资源问题的首选方案，废水厌氧生物处理技术是环境工程和能源工程中的一项重要技术，厌氧膜生物反应器技术在保留厌氧生物处理技术投资省、能耗低、负荷高、可回收利用沼气能源、产泥少、耐冲击负荷等诸多优点的基础上，引入膜组件，带来一系列优点，如：生化效果好，产水水质好且稳定等。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，MFC中阳极微生物利用阳极作为电子受体，将有机物氧化，反应过程伴随着电子和质子的释放，释放的电子通过导线传到阴极，质子在阴极与电子和氧气结合生成水。然而，AnMBR的应用受到了膜污染问题的限制，而MFC也存在出水水质差，产生的电能很难被有效收集和利用的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够有效抑制膜污染问题、高效处理难降解有机物的防膜污染MFC-AnMBR耦合装置。
技术方案：本发明所述一种防膜污染MFC-AnMBR耦合装置，包括AnMBR反应池、好氧池和调节池，AnMBR反应池内设有阳极导电膜组件，好氧池内设有阴极，阳极导电膜组件通过电阻与阴极连接，另一端通过第一泵与调节池连接，调节池另一端利用第二泵通入好氧池，AnMBR反应池和好氧池之间设有盐桥，AnMBR反应池底部设有进水口，好氧池利用出水泵与集水池连接。
其中，阳极导电膜组件包括导电膜层和不锈钢平板膜框架，导电膜层为导电高分子复合膜液抽滤制成的导电膜，导电高分子复合膜液包括膜液A和膜液B，膜液A由吡咯、蒽醌-2-磺酸钠、过硫酸铵和乙醇水溶液混合制成，膜液B由聚醚共聚乙酰胺和正丁醇水浴加热混合制成，吡咯、蒽醌-2-磺酸钠、过硫酸铵摩尔比为10～20:1:5，乙醇水溶液中乙醇和水的体积比为1：1，聚醚共聚乙酰胺和正丁醇的质量比为7～10：100，阴极由多孔活性碳毡导电层和承托层组成，承托层位于两层多孔活性碳毡导电层中间并利用钛丝固定，多孔活性碳毡厚度为3mm～10mm，所述承托层为金属网，电阻器为10Ω～10000Ω的定值电阻或者可变电阻器；阳极导电膜组件出水流速为0.5～1.5L/min。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、能够高效处理难降解有机物，其去除效率达73％；2、有效抑制膜污染问题，其极限运行时间可达56天，将装置使用寿命延长了一倍。
附图说明
图1是本发明的装置连接示意图；
图2是阴极结构示意图。
具体实施方式
实施例
如图1所示，防膜污染MFC-AnMBR耦合装置包括AnMBR反应池3、好氧池13和调节池8，AnMBR反应池3通过进水泵2与进水箱1连接，AnMBR反应池3内设有搅拌器4和阳极导电膜组件5，搅拌器4缓慢搅动，使污泥与污水充分接触、混合均匀，增加传质效率，并实现AnMBR反应池内部无水力死区，使池内的流态良好且稳定运行，好氧池13内设有阴极14，阳极导电膜组件5利用导线10与阴极14连接，阳极导电膜组件5和与阴极14之间连接有电阻11，电阻11为100～1000Ω的可变电阻器，用来抑制两极电位和电子流速，来达到最适氧化还原电位，另一端通过第一泵7与调节池8连接，第一泵7与调节池8之间还连接有真空表6，真空表6用以读取跨膜压力差，调节池8另一端利用第二泵9通入好氧池13，AnMBR反应池3内高浓度污水通过阳极导电膜组件5进行分离净化，通过第一泵7进入调节池8，调节池8内污水通过第二泵9进入好氧池13深度净化，好氧池13底部设置有连接曝气风机16的曝气头15，AnMBR反应池3和好氧池13之间设有盐桥12，以满足阳极导电膜组件5与阴极14间的离子传递，构建完整的微生物燃料电池回路，AnMBR反应池3的底部设有进水口，好氧池13利用出水泵17与集水池18连接。
如图2所示，阴极14包括两层多孔活性碳毡导电层141和承托层142，承托层142位于两层多孔活性碳毡导电层141中间并利用钛丝固定，多孔活性碳毡导电层141易吸附氧气，有利于阳极微生物在厌氧污泥中的降解而不受制于电子的积累，从而提高MFC的输出功率。
阳极导电膜组件5包括导电膜层和不锈钢平板膜框架，导电膜层的制备过程是：
S1：制备膜液A：将1.2mL吡咯、0.3103g蒽醌-2-磺酸钠、1g过硫酸铵和乙醇水溶液混合，超声分散10min得到膜液A；
S2：制备膜液B：将1.8g聚醚共聚乙酰胺和18.2g正丁醇在80℃水浴加热4h制得膜液B；
S3：将10mL膜液A和10mL膜液B混合超声4h，利用抽滤装置制备导电膜层。
处理废水包括以下步骤：
将制备好的导电膜层与不锈钢平板膜框架安装好，密封完成后，将钛丝和阳极导电膜组件5在导电胶的作用下粘合牢固，而后放入AnMBR反应池3的活性污泥中，在闭合外电路条件下培养富集电化学活性微生物；使用防膜污染MFC-AnMBR耦合装置时，将富集好电化学活性微生物的阳极导电膜组件5和阴极14断开3天，使阳极导电膜组件5上的分子氧被充分消耗，形成严格的厌氧环境，利于阳极电化学活性微生物的生长和代谢。同时监测开路电压，当开路电压达到500mV时，连通阳极导电膜组件5和阴极14，由电路将产生的胞外电子传递至好氧池13的阴极区，采用国家标准方法测定COD等水质指标，并监测进出水中难降解有机物浓度的变化，同时利用真空表6监测跨膜压力差的变化情况，在废水处理过程中，当防膜污染MFC-AnMBR耦合装置的阴阳两极电势差低于200mV时，说明电化学活性微生物的产电性能降低。此时，将阳极导电膜组件5重新富集电化学活性微生物；当真空表6监测获取的跨膜压力差在较长一段时间内超过30kPa而未出现下降的趋势，说明导电膜层已经被严重堵塞，表明防膜污染MFC-AnMBR耦合装置对膜污染的抑制作用已达到极限。
建立多组处理实验，通过改变电阻11和阳极导电膜组件5的出水流速，分析防膜污染MFC-AnMBR耦合装置对难降解有机物去除结果和膜污染抑制效果的影响。
表1 阳极导电膜组件出水流速、电阻值和运行天数、有机物去除效率的关系
Figure BDA0002465700240000031
Figure BDA0002465700240000041
当阳极膜组件的出水流速为1L/min，水力停留时间为24h时，通过改变两电极之间接入的100-1000Ω的外接电阻，分析MFC-AnMBR系统对难降解废水处理效果以及对阳极膜污染抑制效果的影响，其中第12组试验不连接阳极导电膜组件5和阴极14，即断开电路，其有机物去除效率仅为34.2％，当MFC-MBR耦合装置的外接电阻为1000Ω，水力停留时间为24h时，通过改变阳极导电膜材料的不同出水流速，实验结果显示，当阳极导电膜材料的出水流速为1.0L/min时，系统对难降解废水的处理效果和膜污染抑制效果达到最佳值。当阳极膜材料的出水流速分别为0.5，0.75，1.0，1.25，1.5L/min时，耦合装置对难降解有机物的去除效率分别为58.1％，63.2％，73％，69.7％和64.4％，系统对膜污染抑制效果达到极限时，实验的运行天数分别为45天，49天，56天，50天和47天。实验结果显示，当出水泵速较小时，此时的膜通量较小，膜比通量的下降速度较慢，膜比通量的下降速率也较小，但是，较小的出水泵速容易在流水管内形成生物膜，影响导电膜对难降解有机物的处理和系统对膜污染的抑制；当出水泵速较大时，膜通量较大，膜比通量增加较快，膜污染速度也加快。另外，当出水泵速较大时，会造成活性污泥的流失，同时污泥负荷增大会使污泥与泥水中的有机物反应不够充分，进而影响阳极导电膜对难降解有机物的处理。因此，当阳极膜材料的出水泵速为1.0L/min时，本发明对难降解有机物的去除和对膜污染的抑制达到最佳处理效果。
对比例
本对比例和实施1的区别是：阳极为聚醚共聚乙酰胺PEBA薄膜，实验运行38天后跨膜压力差达到30kPa。

Claims (10)

1.一种MFC-AnMBR耦合装置，其特征在于，包括AnMBR反应池(3)、好氧池(13)和调节池(8)，所述AnMBR反应池(3)内设有阳极导电膜组件(5)，所述好氧池(13)内设有阴极(14)，所述阳极(5)通过电阻(11)与阴极(14)连接，另一端通过第一泵(7)与调节池(8)连接，所述调节池(8)另一端利用第二泵(9)通入好氧池(13)，所述AnMBR反应池(3)和好氧池(13)之间设有盐桥(12)，所述AnMBR反应池(3)底部设有进水口，所述好氧池(13)利用出水泵(17)与集水池(18)连接。
2.根据权利要求1所述的MFC-AnMBR耦合装置，其特征在于，所述阳极导电膜组件(5)包括导电膜层和不锈钢平板膜框架。
3.根据权利要求2所述的MFC-AnMBR耦合装置，其特征在于，所述导电膜层为导电高分子复合膜液抽滤制成的导电膜。
4.根据权利要求3所述的MFC-AnMBR耦合装置，其特征在于，所述导电高分子复合膜液包括膜液A和膜液B，所述膜液A由吡咯、蒽醌-2-磺酸钠、过硫酸铵和乙醇水溶液混合制成，所述膜液B由聚醚共聚乙酰胺和正丁醇水浴加热混合制成。
5.根据权利要求3所述的MFC-AnMBR耦合装置，其特征在于，所述膜液A中吡咯、蒽醌-2-磺酸钠、过硫酸铵摩尔比为10～20:1:5，乙醇水溶液中乙醇和水的体积比为1：1。
6.根据权利要求3所述的MFC-AnMBR耦合装置，其特征在于，所述膜液B中聚醚共聚乙酰胺和正丁醇的质量比为7～10：100。
7.根据权利要求1所述的MFC-AnMBR耦合装置，其特征在于，所述阴极(14)由多孔活性碳毡导电层(141)和承托层(142)组成，所述承托层(142)位于两层多孔活性碳毡导电层(141)中间并利用钛丝固定。
8.根据权利要求7所述的MFC-AnMBR耦合装置，其特征在于，所述多孔活性碳毡导电层(141)厚度为3mm～10mm，所述承托层为金属网。
9.根据权利要求1所述的MFC-AnMBR耦合装置，其特征在于，所述电阻器(11)为10Ω～10000Ω的定值电阻或者可变电阻器。
10.根据权利要求1所述的MFC-AnMBR耦合装置，其特征在于，所述阳极导电膜组件(5)出水流速为0.5～1.5L/min。
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