CN114162960A - 一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置,属于电活性生物膜技术领域。现有微生物电化学系统中,电活性生物膜在自然条件下成膜过程缓慢、耗时长。针对现有技术的问题,本发明公开了一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置,主要是以廉价的导电大孔基材为阳极来搭建微生物电化学系统,进水在蠕动泵作用下以穿流模式通过阳极,水体中的微生物在大孔基材阳极的过滤和静电作用下,吸附在阳极表面;通过在微生物电化学系统中引入膜分离作用,强化电活性微生物向阳极的传质过程,从而达到快速构建电活性动态膜的效果。本发明耦合了传统微生物电化学系统与动态膜分离工艺,既可在成膜初期促进电活性生物在电极表面的吸附加速成膜过程;且生物膜形成后作为次生过滤层,具备良好的固液分离能力,强化对污水的处理效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种电活性动态膜的成膜方法,尤其涉及一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置,属于电活性生物膜技术领域。
背景技术
微生物电化学系统是一种潜在的绿色能源技术,可以利用电活性微生物作为催化剂降解废水中的有机/无机污染物,其中的化学能直接转化为电能(微生物燃料电池,MFC)或生产有价值的化学品(微生物电解池,MEC)。具有良好电活性的生物膜是微生物电化学技术的内核,但电活性生物在自然条件下成膜过程缓慢,导致现有微生物电化学技术中在电极表面形成成熟、高电流效率的生物膜耗时较长。
膜分离过程往往具有高效的固液分离能力,能够强化基底物质向膜面的传质。但传统膜分离技术因膜材料造价昂贵、运行能耗高、膜污染等问题而限制了其在实际应用过程中的进一步推广。动态膜技术将膜分离过程与生物处理过程相结合,其主要采用较大孔径的廉价微网为膜基底,在过滤过程中利用初期截留分离的污染物和微生物在膜基材上形成具有与微滤膜相当过滤效果的生物动态膜,从而达到改善出水水质的目的。在膜分离过程中,膜界面是污水中污染物必经的场所,而在动态膜技术中次生生物层的存在更为膜分离技术的界面功能化调控提供了更大可能。
发明内容
针对现有技术中的问题,本发明提供了一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置,本发明巧妙地耦合了传统微生物电化学系统与新型动态膜分离工艺,既可以在成膜初期通过截留、强化传质与增强静电作用,促进电活性生物在大孔导电基材表面的吸附、沉积等,从而加速成膜过程;同时,电活性生物膜形成后又可作为次生过滤层,具备良好的固液分离与污染物转化的能力,强化该体系对污水的处理效果。
为实现以上技术目的,本发明的技术方案是:
一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置,所述装置由进水系统、反应器壳体、电化学控制系统和出水系统组成;所述进水系统包含进水池及进水泵;所述电化学控制系统由电化学工作站、阴极、参比电极和大孔导电基材阳极组成,电极通过导线与电化学工作站相连,电化学工作站实时记录电流-时间曲线;所述出水系统由压力计、出水泵组成。进水在进水泵作用下进入反应器壳体,在出水泵抽吸作用下,以恒定的膜通量在穿流模式下通过大孔阳极基底排出反应器,接种源中的微生物等固体物质在阳极表面被分离截留;在电位作用下,阳极表面定向驯化得到电活性生物膜,出水系统中的压力计用于监测电活性动态膜形成过程的跨膜压力。
优选地,所述大孔导电基材阳极包括碳布、碳毡、泡沫钛、泡沫镍中的任意一种,所述大孔基材的目数为100~400目。
优选地,所述外加电位范围为+0.6~-0.6V,所述的膜通量范围为0~150L/(m2·h)。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1.本发明耦合了传统微生物电化学系统与新型动态膜分离工艺,在生物膜形成初期,通过大孔基材的分离与截留、电场引起的微生物与阳极间的静电作用及膜分离过程引起的强化传质作用,共同促进接种源中的微生物在阳极表面的吸附与沉积,从而加速动态膜的形成。
2.吸附沉积至阳极表面的微生物,在电场调控作用下,进一步富集电活性微生物,形成具有电活性的动态膜。
3.在大孔基材表面形成的电活性动态膜可作为次生过滤层,强化污水处理过程中的固液分离作用;同时,动态膜分离界面作为污染物转化的潜在载体与场所,负载在大孔基材上的电活性微生物可在污水经过膜界面时进一步强化污染物的转化与去除,从而达到改善水质、回收资源的效果。
附图说明
图1是本发明中快速构建电活性动态膜的装置示意图;
附图标记:1-1.进水池1-2.进水泵2-1.大孔基材阳极2-2.阴极2-3.参比电极2-4电化学工作站3-1.压力计3-2.出水泵3-3.出水池4-1.反应器壳体4-2.磁力转子
图2是本发明在不同通量条件下以MFC出水为接种源时的I-t曲线;
图3是本发明在不同通量条件下以实际生活污水为接种源时的I-t曲线;
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:
一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置,其装备示意图如图1所示,该装置主要由进水系统、反应器壳体、电化学控制系统和出水系统组成;其中,进水系统包含进水池及进水泵;电化学控制系统由电化学工作站、阴极、参比电极和大孔导电基材阳极组成,电极通过导线与电化学工作站相连,电化学工作站实时记录电流-时间曲线;出水系统由压力计、出水泵组成。进水在进水泵作用下进入反应器壳体,在出水泵抽吸作用下,以恒定的膜通量在穿流模式下通过大孔阳极基底排出反应器,接种源中的微生物等固体物质在阳极表面被分离截留;在电位作用下,阳极表面定向驯化得到电活性生物膜,出水系统中的压力计用于监测电活性动态膜形成过程的跨膜压力。
实施例2:
利用上述快速构建电活性动态膜的装置,以多孔碳布为阳极,以铂片为阴极,装置在以Ag/AgCl为参比电极电位为0V的条件下进行驯化,以稳定运行一年多的MFC出水为接种源,分别运行两组平行的装置,将膜通量分别设置为0LMH和25LMH,采用电化学工作站记录电极上产生的电流随时间的变化曲线,结果如图2所示。从图中可以看出,采用膜通量为25LMH的穿流式运行方式,可显著地缩短了该装置中电流响应时间,0LMH和25LMH的装置中电流启动时间分别为36h和13h;在成膜阶段电流的增长速率分别为5.3mA/(m2·h)和9.7mA/(m2·h)。动态膜分离性能测试采用SiO2颗粒(平均颗粒直径=2μm)来模拟水体中的胶体物质,通过向进水中添加一定量的SiO2颗粒,来考察动态膜形成前后分离性能,通过浊度仪测定进出水样品中的浊度。结果表明,生物膜形成后,两种流速下动态膜对水体中颗粒物的拦截去除率分别为92.7%和93.5%。
实施例3:
利用上述快速构建电活性动态膜的装置,以多孔碳布为阳极,以不锈钢丝网为阴极,装置在以Ag/AgCl为参比电极电位为0V的条件下进行驯化,以实际生活污水为接种源,分别运行两组平行的装置,将膜通量分别设置为0LMH和25LMH,采用电化学工作站记录电极上产生的电流随时间的变化曲线,结果如图3所示。从图中可以看出,采用膜通量为25LMH的穿流式运行方式,显著地缩短了该装置中电流响应时间,0LMH和25LMH的装置中电流相应时间分别为64h和108h;在成膜阶段电流的增长速率分别为3.4mA/(m2·h)和4.8mA/(m2·h)。动态膜分离性能测试采用SiO2颗粒(平均颗粒直径=2μm)来模拟水体中的胶体物质,通过向进水中添加一定量的SiO2颗粒,来考察动态膜形成前后分离性能,通过浊度仪测定进出水样品中的浊度。结果表明,生物膜形成后,两种流速下动态膜对水体中颗粒物的拦截去除率分别为94.7%和95.5%。
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 (4)
1.一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置,其特征在于,所述装置由进水系统、反应器壳体、电化学控制系统和出水系统组成;所述进水系统包含进水池及进水泵;所述电化学控制系统由电化学工作站、阴极、参比电极和大孔导电基材阳极组成,电极通过导线与电化学工作站相连,电化学工作站实时记录电流-时间曲线;所述出水系统由压力计、出水泵组成。进水在进水泵作用下进入反应器壳体,在出水泵抽吸作用下,以恒定的膜通量在穿流模式下通过大孔阳极基底排出反应器,接种源中的微生物等固体物质在阳极表面被分离截留;在电位作用下,阳极表面定向驯化得到电活性生物膜,出水系统中的压力计用于监测电活性动态膜形成过程的跨膜压力。
2.如权利要求1所述的一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置,其特征在于,开发了一种快速构筑微生物电化学系统中电活性生物膜的方法与装置,该方法通过在微生物电化学系统中引入膜分离过程强化了接种源中微生物向大孔基材阳极表面的传质,阳极的截留作用、弱电场引起的微生物与电极间的静电作用协同增强了微生物向阳极的吸附沉积;在不同接种源条件下,均可促进电化学系统中电活性生物膜的形成,缩短成膜过程中的电流响应时间。
3.如权利要求1所述的一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置,其特征在于,所述大孔导电基材阳极包括碳布、碳毡、泡沫钛、泡沫镍中的任意一种,所述大孔基材的目数为100~400目。
4.如权利要求1所述的一种电活性动态膜的快速构建方法及其装置,其特征在于,所述外加电位范围为+0.6~-0.6V,所述的膜通量范围为0~150L/(m2·h)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220311 |
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