CN114477421A - 双室连续流一体化的焦化废水处理装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双室连续流一体化的焦化废水处理装置和方法，涉及污水处理与能源回收利用领域。焦化废水处理装置的阳极室与阴极室之间通过分隔膜隔开，MBR膜过滤组件设置在阴极室中；在阳极室中设置第一碳毡作为阳极电极；在MBR膜过滤组件中间插入石墨棒，将石墨棒作为阴极电极，并在MBR膜过滤组件周围设置第二碳毡；工作时，焦化废水中的有机物在所述阳极室中被分解代谢并产生电子，所述电子通过所述第一碳毡分别到达所述石墨棒和所述第二碳毡，进而构成环形电场，以使得污染物做远离MBR膜过滤组件的定向运动。该装置大大降低了系统的构建成本，利用MFC产生的电量构建的环形微电场可以有效抑制和减缓膜过滤组件的污染。
Description
本发明是发明名称为“双室连续流MFC/MBR一体化的焦化废水处理装置和方法”的分案申请，其中，母案的申请号为201811530779.2，申请日为2018.12.14。
技术领域
本发明涉及污水处理与能源回收利用技术领域，特别是涉及一种双室连续流一体化的焦化废水处理装置和方法。
背景技术
膜生物反应器(Membrane bioreactor，以下简称MBR)是一种新型高效的污水处理工艺，一体化的MBR是将膜组件浸入水中，通过负压抽吸作用得到膜过滤出水。因其具有出水水质好，处理效率高，污泥产量低等优点而迅速发展，但是与此同时带来的MBR膜污染，是目前亟待解决的主要问题。
微生物燃料电池(Microbial fuel cell，以下简称MFC)是以微生物为催化剂，通过降解有机物，将有机物中的化学能转化为电能的装置。特别是其反应条件温和，无二次污染，在降解有机物的同时回收电能，因此，微生物燃料电池被认为是最有发展前景的技术之一。但是，MFC具有的出水水质差，产电低等缺点，成为制约其实际应用的主要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双室连续流一体化的焦化废水处理装置和方法，在MBR膜过滤组件中构建环形电场以抑制MBR运行过程中的膜污染，同时通过MFC与MBR一体化实现焦化废水的高效降解。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双室连续流一体化的焦化废水处理装置，包括阳极室、阴极室、分隔膜、导线、外接电阻、MBR膜过滤组件、曝气管、第一蠕动泵、第一橡胶管、第二蠕动泵和第二橡胶管；
所述阳极室与所述阴极室之间通过所述分隔膜隔开，所述MBR膜过滤组件设置在所述阴极室中；所述分隔膜为截留分子量为1KDa的超滤膜；
所述阳极室的上部设有第一进水口和第一出水口，所述阳极室的底部设有回流液进水口；所述阴极室的上部设有第二进水口和第二出水口，所述阴极室的底部设有回流液出水口；
且所述第一出水口与所述第二进水口通过所述第一蠕动泵和所述第一橡胶管连接；所述回流液出水口与所述回流液进水口通过所述第二蠕动泵和所述第二橡胶管连接；
所述阳极室中的第一碳毡为阳极电极；在所述MBR膜过滤组件中间插入石墨棒，所述石墨棒为阴极电极，并在所述MBR膜过滤组件周围设置第二碳毡；所述石墨棒和所述第二碳毡均通过导线与所述第一碳毡电连接；
所述阴极室的底部还设有曝气管，所述曝气管用于为所述阴极室中的好氧微生物提供氧气；
工作时，焦化废水中的有机物在所述阳极室中被分解代谢并产生电子，所述电子通过所述第一碳毡到达所述石墨棒，与所述第二碳毡构成环形电场，以使得污染物做远离MBR膜过滤组件的定向运动。
可选地，所述第一碳毡通过所述外接电阻与所述石墨棒连接。
可选地，所述导线的材质为钛丝。
可选地，所述第一碳毡的形状为正方形。
可选地，所述超滤膜的孔径大小为0.001μm。
为达上述目的，本发明还提供了如下技术方案：
一种双室连续流一体化的焦化废水处理方法，采用所述的双室连续流一体化的焦化废水处理装置，所述方法包括：
反应器在阳极室接种厌氧污泥，在阴极室中接种好氧污泥；
将焦化废水输送至阳极室，在阳极厌氧微生物的作用下进行分解代谢，得到阳极降解液；
由第一蠕动泵和第一橡胶管将所述阳极降解液输送至阴极室，并在阴极室中进行分解矿化；
通过所述阴极室的第二出水口将处理完的废水抽出排放；在此过程中，还有部分阴极混合液体通过第二蠕动泵回流到所述阳极室，以实现在强化焦化废水降解的同时完成脱氮。
可选地，所述由第一蠕动泵和第一橡胶管将所述阳极降解液输送至阴极室，并在阴极室中进行分解矿化，具体包括：
在阴极室中，通过MBR膜过滤组件中心设置的石墨棒和MBR膜过滤组件四周设置的第二碳毡形成的一个环形电场，用以抑制膜污染；由阴极的MBR系统对阳极降解液进行好氧矿化分解，处理后的废水通过MBR膜过滤组件进行过滤，最终由第二出水口出水排放。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将MFC与MBR进行耦合，其中，阳极室、进水口、出水口等组成MFC阳极室，阳极室中设置第一碳毡；阴极室中设置石墨棒和第二碳毡，且第一碳毡与石墨棒、第一碳毡与第二碳毡均通过导线直接连接，第二碳毡还设置在石墨棒的周围，环形围绕石墨棒。工作时，焦化废水中大部分的有机物在阳极室中被厌氧微生物分解代谢，产生的电子通过MFC阳极再经外电路传递至阴极石墨棒；由于第一碳毡与第二碳毡连接，使得第一碳毡与第二碳毡具有相同的电势，由此阴极室中的石墨棒与设置在其周围的第二碳毡形成一个呈发散状的环形电场，在电场的作用下，部分污染物做远离MBR膜过滤组件的定向运动，有效抑制膜污染。
本发明将MFC阳极室作为厌氧区，MFC阳极厌氧所产生的质子通过超滤膜进入阴极室好氧区，进而和电子以及氧气结合生成水，抑制了阳极室易酸化、抑制产电微生物活性的问题。此外，本发明中所采用的截留分子量为1KDa超滤膜还能大大提高装置中的污染物降解率、透氧率，还能减小装置内阻。
本发明装置结构简单，操作方便，采用超滤膜替代传统的质子交换膜，大大降低了系统的构建成本，利用MFC产生的电量构建的环形微电场可以有效抑制和减缓了膜过滤组件的污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的结构示意图。
图1为本发明双室连续流一体化的焦化废水处理装置的结构示意图。
符号说明：
1—阳极室，2—阴极室，3—第一进水口，4—第一出水口，5—第二进水口，6—第二出水口，7—回流液进水口，8—回流液出水口，9—外接电阻，10—曝气管，11—第一碳毡，12—石墨棒，13—分隔膜，14—MBR膜过滤组件，15—第二碳毡，16—导线，17—第一蠕动泵，18—第二蠕动泵，19—橡胶管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种双室连续流一体化的焦化废水处理装置，包括：阳极室1、阴极室2、分隔膜13(1K超滤膜)、导线16、外接电阻9、MBR膜过滤组件14、曝气管10、第一蠕动泵17、第一橡胶管、第二蠕动泵18和第二橡胶管。
所述阳极室与所述阴极室两室之间通过截留分子量为1KDa的超滤膜隔开，形成MFC/MBR耦合系统，阳极室1上部设有第一进水口3与第一出水口4，阳极室1中部设有第一碳毡11作为阳极；阳极室1底部设有回流液进水口7。
阴极室2上部分别设有第二进水口5和第二出水口6，阴极室2底部设有回流液出水口8；阳极室1的第一出水口4与阴极室2的第二进水口5通过第一蠕动泵17和橡胶管19连接。橡胶管19具体为第一橡胶管。
阴极室2底部的回流液出水口8与阳极室1底部的回流液进水口7通过第二蠕动泵18和橡胶管19连接，橡胶管19具体为第二橡胶管；实验过程中将处理完的废水由第二出水口6抽出排放，还有部分阴极混合液体通过第二蠕动泵18回流到阳极。
在MFC阴极室中放入MBR膜过滤组件14，MBR膜过滤组件14中间插入石墨棒12，作为MFC的阴极，石墨棒12通过导线16与阳极室1中的第一碳毡11连接，在MBR膜过滤组件14周围放置一圈碳毡(第二碳毡15)，第二碳毡15通过导线16与MFC的阳极连接；通过MBR膜过滤组件中心的石墨棒12和四周碳毡所形成的一个环形电场，用以抑制膜污染；阴极室2底部设有曝气管10，为阴极室2中的好氧微生物提供氧气，装置中所有电流导线均采用钛丝。
本发明提供了一种双室连续流一体化的焦化废水处理方法，采用上述装置，包括以下步骤：焦化废水进入MFC的阳极室，先在阳极厌氧微生物的作用下分解代谢，然后由蠕动泵将阳极降解液抽至阴极，由阴极MBR系统进一步对其进行分解矿化，最后通过蠕动泵将处理完的废水抽出排放；在此过程中，还有部分阴极混合液体通过蠕动泵回流到阳极，实现在强化焦化废水降解的同时完成脱氮。
进一步地，所述的焦化废水处理方法，具体包括以下步骤：
反应器在阳极室接种厌氧污泥，在阴极室中接种好氧污泥；焦化废水进入阳极室，先在阳极厌氧微生物的作用下分解代谢，然后由蠕动泵将阳极降解液抽至阴极，在阴极MBR膜过滤组件周围构建一个环形电场，在电场的作用下，部分污染物做远离膜过滤组件的定向运动，从而有效抑制和减缓了膜过滤组件的污染；由阴极的MBR系统对阳极降解液进行好氧矿化分解，处理后的废水通过膜过滤组件进行过滤，最终由第二出水口出水排放，此过程极大的提高了出水水质。
所述阳极室和阴极室之间采用截留分子量为1KDa的超滤膜(孔径大小为0.001μm)作为分隔膜，采用超滤膜替代传统的质子交换膜，大大降低了系统的构建成本。
在阴极MBR膜过滤组件周围构建一个环形电场，在电场的作用下，部分污染物做远离膜过滤组件的定向运动，从而有效抑制和减缓了膜过滤组件的污染。
实施例2
系统进水水质如下：COD浓度为2000mg/L,氨氮浓度为(320)mg/L，pH值为7；阳极室的水力停留时间为(10)h，溶解氧浓度为(0.4)mg/L；阴极室的水力停留时间为(6)h，溶解氧浓度为(2)mg/L；温度为25℃。最大输出电压0.7V，输出功率密度101.4mW/m2，COD去除率92.6％，氨氮去除率91.3％。与传统MBR(开路对照)相比，MFC/MBR耦合系统跨膜压差达到30KPa所需时间由对照组的215h提高到了604h。
实施例3
与实施例2的主要区别是阴阳极水利停留时间增加。系统进水水质如下：COD浓度为(2000)mg/L,氨氮浓度为(320)mg/L，pH值为7；阳极室的水力停留时间为(10)h，溶解氧浓度为(0.4)mg/L；阴极室的水力停留时间为(6)h，溶解氧浓度为(2)mg/L；温度为25℃。最大输出电压0.7V，输出功率密度98.6mW/m2，COD去除率96.5％，氨氮去除率95.8％。
实施例4
与实施例2的主要区别是进水浓度提升。系统进水水质如下：COD浓度为(3000)mg/L,氨氮浓度为(450)mg/L，pH值为7；阳极室的水力停留时间为(10)h，溶解氧浓度为(0.4)mg/L；阴极室的水力停留时间为(6)h，溶解氧浓度为(2)mg/L；温度为25℃。最大输出电压0.72V，输出功率密度104.3mW/m2，COD去除率90.1％，氨氮去除率88.9％。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种双室连续流一体化的焦化废水处理装置，其特征在于，所述焦化废水处理装置包括阳极室、阴极室、分隔膜、导线、外接电阻、MBR膜过滤组件、曝气管、第一蠕动泵、第一橡胶管、第二蠕动泵和第二橡胶管；
所述阳极室与所述阴极室之间通过所述分隔膜隔开，所述MBR膜过滤组件设置在所述阴极室中；所述分隔膜为截留分子量为1KDa的超滤膜；
所述阳极室的上部设有第一进水口和第一出水口，所述阳极室的底部设有回流液进水口；所述阴极室的上部设有第二进水口和第二出水口，所述阴极室的底部设有回流液出水口；
且所述第一出水口与所述第二进水口通过所述第一蠕动泵和所述第一橡胶管连接；所述回流液出水口与所述回流液进水口通过所述第二蠕动泵和所述第二橡胶管连接；
所述阳极室中的第一碳毡为阳极电极；在所述MBR膜过滤组件中间插入石墨棒，所述石墨棒为阴极电极，并在所述MBR膜过滤组件周围设置第二碳毡；所述石墨棒和所述第二碳毡均通过导线与所述第一碳毡电连接；
所述阴极室的底部还设有曝气管，所述曝气管用于为所述阴极室中的好氧微生物提供氧气；
工作时，焦化废水中的有机物在所述阳极室中被分解代谢并产生电子，所述电子通过所述第一碳毡到达所述石墨棒，与所述第二碳毡构成环形电场，以使得污染物做远离MBR膜过滤组件的定向运动。
2.根据权利要求1所述的双室连续流一体化的焦化废水处理装置，其特征在于，所述第一碳毡通过所述外接电阻与所述石墨棒连接。
3.根据权利要求1所述的双室连续流一体化的焦化废水处理装置，其特征在于，所述导线的材质为钛丝。
4.根据权利要求1所述的双室连续流一体化的焦化废水处理装置，其特征在于，所述第一碳毡的形状为正方形。
5.根据权利要求1所述的双室连续流一体化的焦化废水处理装置，其特征在于，所述超滤膜的孔径大小为0.001μm。
6.一种双室连续流一体化的焦化废水处理方法，采用权利要求1～5任一项所述的双室连续流一体化的焦化废水处理装置，其特征在于，所述方法包括：
反应器在阳极室接种厌氧污泥，在阴极室中接种好氧污泥；
将焦化废水输送至阳极室，在阳极厌氧微生物的作用下进行分解代谢，得到阳极降解液；
由第一蠕动泵和第一橡胶管将所述阳极降解液输送至阴极室，并在阴极室中进行分解矿化；
通过所述阴极室的第二出水口将处理完的废水抽出排放；在此过程中，还有部分阴极混合液体通过第二蠕动泵回流到所述阳极室，以实现在强化焦化废水降解的同时完成脱氮。
7.根据权利要求6所述的双室连续流一体化的焦化废水处理方法，其特征在于，所述由第一蠕动泵和第一橡胶管将所述阳极降解液输送至阴极室，并在阴极室中进行分解矿化，具体包括：
在阴极室中，通过MBR膜过滤组件中心设置的石墨棒和MBR膜过滤组件四周设置的第二碳毡形成的一个环形电场，用以抑制膜污染；由阴极的MBR系统对阳极降解液进行好氧矿化分解，处理后的废水通过MBR膜过滤组件进行过滤，最终由第二出水口出水排放。
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