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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