CN114573091B - 一种电极过滤除菌的纯膜mbbr装置及除菌方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电极过滤除菌的纯膜MBBR装置及除菌方法，该电极过滤除菌的纯膜MBBR装置包括生物反应装置,生物反应装置通过筛网拦截装置和蠕动泵与灭菌装置连接，灭菌装置包括除菌反应器，除菌反应器设置有进料口和出料口，除菌反应器内部在进料口和出料口之间设置有炭纤维毡电极，炭纤维毡电极成对设置并分别连接电源的阴极和阳极，除菌反应器的进料口与蠕动泵连接，除菌反应器的出料口与生物反应装置连接，使得生物反应装置的物料经过灭菌装置后再循环至生物反应装置内。本发明还提供了利用上述装置对纯膜MBBR装置的除菌方法。本发明可对MBBR系统中脱落的微生物进行杀灭，减少MBBR系统中脱落生物膜的积累，提高MBBR系统运行效率，改善MBBR系统出水水质。

Description

一种电极过滤除菌的纯膜MBBR装置及除菌方法
技术领域
本发明涉及流体除菌领域，具体涉及一种电极过滤除菌的纯膜MBBR装置及除菌方法。
背景技术
移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)是一种革新型生物膜反应器，该反应器内载体填料在混合液的回旋翻转作用下自由移动，能够促进微生物在填料表面大量富集，从而实现优势功能菌属的有效固定，并发挥其降解能力，相较于传统活性污泥法和传统生物膜法具有不可替代的优势。此外，MBBR工艺还可根据需求，设置不同运行参数，形成多级串联的MBBR工艺。然而载体上的生物膜不可避免的会在水流和气流的冲刷切割作用下脱落，进而影响出水水质或影响下一级工艺的运行。因此，为减少MBBR系统中脱落生物膜的积累，需要对系统中脱落的微生物进行杀灭。在水处理技术中，常见的微生物去除技术包括膜过滤、紫外消毒、氯消毒和臭氧消毒。其中，膜过滤存在膜污染问题，紫外消毒存在细菌的复活风险，氯消毒和臭氧消毒过程存在消毒副产物大量生成的风险。
因此，设计一种除菌效果好的电极过滤除菌的纯膜MBBR装置及除菌方法，对MBBR工艺的进一步发展和具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种电极过滤除菌的纯膜MBBR装置及除菌方法。本发明在MBBR装置中嵌入灭菌装置，该灭菌装置为电极过滤除菌装置，去除从载体表面脱落的微生物，提高MBBR装置运行效率，改善MBBR装置出水水质。
术语说明：
OD600：指的是某种溶液在600nm波长处的吸光值。吸光值正比于溶液中的吸光物质的浓度，相应地与样品的透过率T值成反比，在数值上来说，它们之间是对数关系。
本发明的技术方案如下：
一种电极过滤除菌的纯膜MBBR装置，包括生物反应装置,所述的生物反应装置通过筛网拦截装置和蠕动泵与灭菌装置连接，所述的灭菌装置包括除菌反应器，所述的除菌反应器设置有进料口和出料口，所述的除菌反应器内部在进料口和出料口之间设置有炭纤维毡电极，所述的炭纤维毡电极成对设置并分别连接电源的阴极和阳极，所述的除菌反应器的进料口与蠕动泵连接，所述的除菌反应器的出料口与生物反应装置连接，使得生物反应装置的物料经过灭菌装置后再循环至生物反应装置内。
根据本发明，优选的，所述的除菌反应器的进料口处设置有布水板。布水板设置可以更加均匀的对待灭菌的废水分布到除菌反应器内。
根据本发明，优选的，与电源的阳极连接的炭纤维毡电极为炭纤维毡阳极，与电源的阴极连接的炭纤维毡电极为炭纤维毡阴极，所述的炭纤维毡阴极靠近进料口，所述的炭纤维毡阳极靠近出料口。进水先经过炭纤维毡阴极处理，O2和H2O分子被还原成H2O2和H2，并产生大量的OH离子，导致炭纤维毡阴极处理液溶液pH升高至9.8-10.3；进而在碱性条件下，炭纤维毡阳极表面的电化学氧化反应更容易发生，且OH离子参与炭纤维毡阳极氧化反应，实现低电压下直接氧化机制主导的高效消毒。
根据本发明，优选的，所述的除菌反应器为圆柱体结构，炭纤维毡电极设置在圆柱体的横截面上；进一步优选的，所述的炭纤维毡电极为圆盘结构并与圆柱体的横截面相适应；
优选的，所述的除菌反应器材质为有机玻璃。
根据本发明，优选的，所述的除菌反应器的进料口位于除菌反应器底部，所述的除菌反应器的出料口位于除菌反应器的顶部。
根据本发明，优选的，所述的生物反应装置为圆筒结构，生物反应装置的下部设置有进水口，生物反应装置的上部设置有出水口；
优选的，所述的进水口通过进料泵与进水箱连接，所述的出水口与出水箱连接。
根据本发明，优选的，所述的生物反应装置还设置有机械搅拌装置。机械搅拌装置用于生物反应装置混合液的混合搅拌。
根据本发明，优选的，所述的生物反应装置还设置有填料。
根据本发明，优选的，所述的生物反应装置还设置有曝气盘，所述的曝气盘连接曝气泵。曝气盘用于提供溶解氧。
根据本发明，优选的，所述的蠕动泵和电源还连接定时开关装置，用于设置运行间隔时间和运行时间。
根据本发明，利用上述电极过滤除菌的纯膜MBBR装置除菌的方法，包括步骤如下：
将待处理的废水通过进料泵和进水口进入到生物反应装置中，在机械搅拌装置和曝气盘的作用下使生物反应装置中的填料依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态，生物反应装置的废水通过筛网拦截装置和蠕动泵从进料口经布水板进入到除菌反应器中，经过碳纤维毡阴极，再经过碳纤维毡阳极，然后从出料口进入回流到生物反应装置中，在灭菌装置构建的还原-氧化体系作用下实现高效消毒，去除填料表面脱落的微生物。
本发明中微生物在电极过滤除菌的纯膜MBBR装置的处理流程为：
处理水样首先通过进料泵和进水口进入到生物反应装置中，生物反应装置中的附着在填料上的微生物在水流和气流的冲刷切割作用下脱落，脱落的微生物在生物反应装置中流入灭菌装置，灭菌装置构建为还原-氧化体系；即混合液从进料水口经布水板布水后，经过碳纤维毡阴极，再经过碳纤维毡阳极，然后从出料口回流到生物反应装置中。优选的条件下，电极过滤除菌的纯膜MBBR装置首先要进行预处理5min，用于去除装置中的气体和碳纤维毡电极中的去离子水，之后将炭纤维毡电极与电源连接，施加预设电压。在还原-氧化体系中，进水先经过炭纤维毡阴极处理，O2和H2O分子被还原成H2O2和H2，并产生大量的OH离子，导致炭纤维毡阴极处理液溶液pH升高至9.8-10.3；进而在碱性条件下，炭纤维毡阳极表面的电化学氧化反应更容易发生，且OH离子参与炭纤维毡阳极氧化反应，实现低电压下直接氧化机制主导的高效消毒。优选的，还可以将蠕动泵和电源连接上定时开关装置，设置运行间隔时间和运行时间。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用炭纤维毡作为电极，价格低廉、面体比大、电导率高、网状式微米纤维结构等特点，在低供电压下炭纤维毡电极内过滤消毒技术可满足的高效消毒和较低能耗，又能减缓电极腐蚀和降低消毒副产物生成风险。
2、本发明在工业领域具有广泛的应用基础，具有易构建、运行和管理方便等优点。可强化阳极直接氧化机制对消毒效果的贡献，能在较低的电流密度或供电压下实现微生物的高效灭活，可有效降低消毒能耗和消毒副产物生成风险。
3、本发明可实现在低供电压下高处理通量、高能效和低消毒副产物生成潜力的高效消毒，为再生水生产、储备和输配过程中的微生物风险控制提供技术支持。
4、本发明可很好的实现对MBBR系统中脱落的微生物进行杀灭，减少MBBR系统中脱落生物膜的积累，提高MBBR系统运行效率，改善MBBR系统出水水质。
附图说明
图1为电极过滤除菌的纯膜MBBR装置的主体结构示意图。
图2为电极过滤除菌的纯膜MBBR装置中灭菌装置的结构示意图。
图3为试验例1中OD600在通电前后的对比折线图。
图4为试验例1中细菌菌落总数在通电前后的对比折线图。
其中：1.生物反应装置，2.筛网拦截装置，3.曝气泵，4.进料泵，5.蠕动泵，6.填料，7.机械搅拌装置，8.进水口，9.出水口，10.曝气盘，11.灭菌装置，111.除菌反应器，112.炭纤维毡电极，12.电源。
具体实施方式
举出一些实施例解释实施本发明创造的具体技术方案和一些要求。在技术方案的基础上对发明内容作进一步详细说明，尽量提出一些可能存在的技术方案，比如说笔可能有钢笔、毛笔等技术存在。另外可以描述工作原理、怎么进行使用操作等，如有附图，请结合附图详细说明。
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1-2所示，一种电极过滤除菌的纯膜MBBR装置，包括生物反应装置1,所述的生物反应装置1通过筛网拦截装置2和蠕动泵5与灭菌装置11连接，所述的灭菌装置11包括除菌反应器111，所述的除菌反应器111设置有进料口和出料口，所述的除菌反应器111内部在进料口和出料口之间设置有炭纤维毡电极112，所述的炭纤维毡电极112成对设置并分别连接电源12的阴极和阳极，所述的除菌反应器111的进料口与蠕动泵5连接，所述的除菌反应器111的出料口与生物反应装置1连接，使得生物反应装置1的物料经过灭菌装置11后再循环至生物反应装置1内。
本实施例中所述的除菌反应器111的进料口处设置有布水板。布水板设置可以更加均匀的对待灭菌的废水分布到除菌反应器内。与电源的阳极连接的炭纤维毡电极112为炭纤维毡阳极，与电源的阴极连接的炭纤维毡电极112为炭纤维毡阴极，所述的炭纤维毡阴极靠近进料口，所述的炭纤维毡阳极靠近出料口。所述的除菌反应器111为圆柱体结构，炭纤维毡电极112设置在圆柱体的横截面上；所述的炭纤维毡电极112为圆盘结构并与圆柱体的横截面相适应；所述的除菌反应器111材质为有机玻璃。所述的除菌反应器111的进料口位于除菌反应器111底部，所述的除菌反应器111的出料口位于除菌反应器111的顶部。所述的生物反应装置1为圆筒结构，生物反应装置1的下部设置有进水口8，生物反应装置1的上部设置有出水口9；所述的进水口8通过进料泵4与进水箱连接，所述的出水口9与出水箱连接。所述的生物反应装置1还设置有机械搅拌装置7、填料6、曝气盘10，所述的曝气盘10连接曝气泵3，曝气盘10用于提供溶解氧，机械搅拌装置7用于生物反应装置1混合液的混合搅拌。
实施例2
如实施例1所述，不同的是：
所述的蠕动泵5和电源12还连接定时开关装置，用于设置运行间隔时间和运行时间。
实施例3
利用实施例1或2所述的电极过滤除菌的纯膜MBBR装置除菌的方法，包括步骤如下：
将待处理的废水通过进料泵4和进水口8进入到生物反应装置1中，在机械搅拌装置7和曝气盘10的作用下使生物反应装置1中的填料依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态，生物反应装置1的废水通过筛网拦截装置2和蠕动泵5从进料口经布水板进入到除菌反应器111中，经过碳纤维毡阴极，再经过碳纤维毡阳极，然后从出料口进入回流到生物反应装置1中，在灭菌装置11构建的还原-氧化体系作用下实现高效消毒，去除填料表面脱落的微生物。
试验例1
将炭纤维毡切割成直径为44mm，厚度约为5mm，作为炭纤维毡电极。采用1:1乙醇和去离子水对碳纤维毡电极清洗，去除杂质，并反复用去离子水清洗，去残留乙醇，最后存放于去离子水中备用。
准备两个完全相同的生物反应装置1及填料6，生物反应装置1中所用填料6是扁圆柱状，所用填料的填充率为30％。
将两个完全相同的生物反应装置1，一组实验连接灭菌装置11，另一组为空白实验，不连接灭菌装置11，作为对照组。
两组实验采用同样的进水水质，进水水质为自己配制的溶液，将乙酸钠、葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾、土壤浸出液、1+9硫酸溶液(调节pH)按照一定比例配制，使系统进水的C:N:P＝100:5:1,COD浓度为500mg/L,氨氮浓度为25mg/L，磷浓度为5mg/L。进水流量为6.53mL/min，进水pH值宜为6.0-9.0，一天配一次进水，保持水质的稳定。
生物反应装置1共有4.7升处理水样，先将两个MBBR装置独自运行一段时间，给填料6一段时间适应水质。之后将灭菌装置11将搭建好，即将进料口、布水板、碳纤维毡阴极、碳纤维毡阳极、出料口，由下到上的方向组装好，涂抹凡士林，防止装置漏水。利用蠕动泵5将生物反应装置1的处理水样以50mL/min通过灭菌装置11，预处理5min，去灭菌装置11中的气体和碳纤维毡电极112中的去离子水。预处理后，将碳纤维毡电极112与电源12连接，施加预设电压为3V，处理流量50mL/min，为将两个定时装置安装在电源上，分别连接电源12和蠕动泵5的插头，可以定时进行开关。使电源12和蠕动泵5同时开关，可保证实验的准确性。利用定时装置使系统每12小时运行一次，每次运行100分钟。定时时间表如表1所示。
表1
为了避免发生膜污堵，要对电极过滤除菌的纯膜MBBR装置进行流速通量的检测，即从灭菌装置11的出料口计时一分钟或两分钟的流量，一天进行一次，实验运行三天，通量均为50mL/min，说明电极过滤除菌的纯膜MBBR装置运行良好。
为了避免生物反应装置1的pH过大或过小，杀死生物反应装置1的微生物，每天要对其pH值进行测量，每日的pH均稳定在7.0-8.0之间。如果pH值过大或过小，一定要及时调节pH值。
预设电压为3V，电流稳定在0.02-0.03A之间。
在两个MBBR系统的出水，取2000mL的水样于量筒中，观察两个水样的浑浊及沉降情况，可以发现连接灭菌装置11的实验组出水明显比对照组清澈且沉降值小。
每天在通电前后取两个生物反应装置中的水样，分别测量其OD600的值，如表2、图3所示。取出的剩余水样放置于离心管中，放置在4℃的冰箱中备用，用于后续检测细菌浓度。
表2 OD600值
本试验例使用的微生物为混合菌群，细菌浓度采用平板计数方法测定。将收集好的水样从冰箱取出，将水样经无菌生理盐水(0.9％氯化钠溶液)以10倍梯度稀释后，稀释溶液加入到凝固的NA琼脂培养基中，利用无菌涂布棒将液体均匀涂布于培养基表面。倒置于培养箱中，培养三日后，对平板上的细菌菌落进行计数，如表3、图4所示。
表3细菌总数的数据
通过表2、3，图3、4可知，本发明电极过滤除菌的纯膜MBBR装置的具有很好的除菌效果，减少MBBR系统中脱落生物膜的积累，提高MBBR系统运行效率，改善MBBR系统出水水质。

Claims (8)

1.一种纯膜MBBR装置的除菌方法，包括使用电极过滤除菌的纯膜MBBR装置，该电极过滤除菌的纯膜MBBR装置包括生物反应装置,所述的生物反应装置通过筛网拦截装置和蠕动泵与灭菌装置连接，所述的灭菌装置包括除菌反应器，所述的除菌反应器设置有进料口和出料口，所述的除菌反应器内部在进料口和出料口之间设置有炭纤维毡电极，所述的炭纤维毡电极成对设置并分别连接电源的阴极和阳极，所述的除菌反应器的进料口与蠕动泵连接，所述的除菌反应器的出料口与生物反应装置连接，使得生物反应装置的物料经过灭菌装置后再循环至生物反应装置内；与电源的阳极连接的炭纤维毡电极为炭纤维毡阳极，与电源的阴极连接的炭纤维毡电极为炭纤维毡阴极，所述的炭纤维毡阴极靠近进料口，所述的炭纤维毡阳极靠近出料口；
包括步骤如下：
将待处理的废水通过进料泵和进水口进入到生物反应装置中，在机械搅拌装置和曝气盘的作用下使生物反应装置中的填料依靠曝气和水流的提升作用处于流化状态，生物反应装置的废水通过筛网拦截装置和蠕动泵从进料口经布水板进入到除菌反应器中，经过碳纤维毡阴极，再经过碳纤维毡阳极，然后从出料口进入回流到生物反应装置中，在灭菌装置构建的还原-氧化体系作用下实现高效消毒，去除填料表面脱落的微生物。
2.根据权利要求1所述的纯膜MBBR装置的除菌方法，其特征在于，所述的除菌反应器的进料口处设置有布水板。
3.根据权利要求1所述的纯膜MBBR装置的除菌方法，其特征在于，所述的除菌反应器为圆柱体结构，炭纤维毡电极设置在圆柱体的横截面上；
所述的炭纤维毡电极为圆盘结构并与圆柱体的横截面相适应；
所述的除菌反应器材质为有机玻璃。
4.根据权利要求1所述的纯膜MBBR装置的除菌方法，其特征在于，所述的除菌反应器的进料口位于除菌反应器底部，所述的除菌反应器的出料口位于除菌反应器的顶部。
5.根据权利要求1所述的纯膜MBBR装置的除菌方法，其特征在于，所述的生物反应装置为圆筒结构，生物反应装置的下部设置有进水口，生物反应装置的上部设置有出水口；
所述的进水口通过进料泵与进水箱连接，所述的出水口与出水箱连接。
6.根据权利要求1所述的纯膜MBBR装置的除菌方法，其特征在于，所述的生物反应装置还设置有机械搅拌装置；
所述的生物反应装置还设置有填料。
7.根据权利要求1所述的纯膜MBBR装置的除菌方法，其特征在于，所述的生物反应装置还设置有曝气盘，所述的曝气盘连接曝气泵。
8.根据权利要求1所述的纯膜MBBR装置的除菌方法，其特征在于，所述的蠕动泵和电源还连接定时开关装置。
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