CN209128122U

CN209128122U - 一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统

Info

Publication number: CN209128122U
Application number: CN201821841191.4U
Authority: CN
Inventors: 李慧; 秦哲; 梁淑轩; 赵春霞
Original assignee: Hebei University
Current assignee: Hebei University
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2019-07-19
Anticipated expiration: 2028-11-09

Abstract

本实用新型提供了一种一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统，其包括阳极室、阴极室以及膜生物池，在膜生物池与阳极室之间设置有阳离子交换膜，在膜生物池与阴极室之间设置有阴离子交换膜，在阳极室内部设置有阳极材料，在阴极室内部设有阴极材料和曝气装置，阴极材料与阳极材料之间经由设置有电阻值可调的变阻器的外电路相接。本实用新型通过将微生物产电技术、膜过滤技术与厌氧氨氧化技术高效耦合，根据污水中的NH₄ ⁺‑N浓度，调整变阻器的阻值，能够精准控制厌氧氨氧化过程中氨氮和亚硝氮的配比，操作简单，控制方便，污水处理效率高，具有广泛的应用前景。

Description

一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统

技术领域

本实用新型涉及一种污水生物处理技术，具体地说是涉及一种用于污水脱氮除碳的一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统。

背景技术

随着我国人口数量的持续增加和工农业生产的快速发展，人类生产和生活污水的排放日益增多，大量的环境污染物排放到水体中，导致受纳水体环境加速恶化，近年来，我国的水域环境富营养化呈现出加速恶化的趋势，地表水体的富营养化已经成为了我国水污染的核心问题之一，而大量含氮污水的排放是导致受纳水富营养化的重要原因，因此如何高效低能的实现污水脱氮成为全国污水处理厂普遍需要解决的问题。

目前，污水厂普遍应用的污水脱氮技术为传统的硝化-反硝化工艺，然而该传统脱氮技术存在明显的不足之处：反硝化需外加有机碳源；硝化需大量曝气，增加运行成本；工艺流程长，操作复杂，占地面积大，基建成本高；反应过程产生大量酸度需加碱中和，造成成本增加和二次污染；硝化液回流增加动力消耗等，因此，亟需开发经济高效的污水脱氮处理技术。

厌氧氨氧化是指在厌氧的环境下，厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐将氨氮氧化成氮气的新型、高效的自养生物脱氮过程。与传统硝化-反硝化脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺能够省去供氧能耗，占地面积小，无需外加有机碳源和中和试剂，脱氮效率高，污泥产率低，且对环境无二次污染。历经二十多年的发展，厌氧氨氧化技术日趋成熟，被认为是一种经济高效最可持续的污水脱氮技术，具有良好的应用前景和商业价值。

由于厌氧氨氧化菌时代时间长、生长条件苛刻，对环境变化敏感，在工艺启动过程厌氧氨氧化菌很难快速富集；在运行过程中传统的沉淀法进行泥水分离，很容易导致厌氧氨氧化菌的大量流失；污水中有机物的大量存在会严重抑制厌氧氨氧化菌的活性；为了最大限度的实现污水中氮的去除，厌氧氨氧化反应过程中氨氮和亚硝氮的比例需严格控制，但在实际运行中很难实现精准控制氨氮和亚硝氮的比例。这些都是目前严重制约厌氧氨氧化工艺实现广泛工程应用的重要因素。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统，以解决现有厌氧氨氧化污水处理工艺中厌氧氨氧化菌富集困难、容易流失，氨氮与亚硝氮难以实现精确配比，有机物对厌氧氨氧化菌活性产生抑制作用的问题。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统，包括阳极室、阴极室以及位于所述阳极室和所述阴极室之间的膜生物池，在所述膜生物池与所述阳极室之间设置有阳离子交换膜，在所述膜生物池与所述阴极室之间设置有阴离子交换膜；

在所述阳极室内部设置有阳极材料，在阳极材料表面附着有厌氧菌和产电菌；在所述阳极室上设置有阳极室进水管和阳极室出水管；

在所述阴极室内部设有阴极材料和曝气装置，在所述阴极室上设置有阴极室进水管与阴极室出水管；在所述阴极材料表面附着有亚硝化细菌，且所述阴极材料与所述阳极材料之间经由外电路相接，在外电路上设置有电阻值可调的变阻器；所述阴极室进水管与所述阳极室出水管相接；

在所述膜生物池内设置有厌氧氨氧化污泥和膜组件；在所述膜生物池上设置有膜生物池进水管，其与所述阴极室出水管相接；在所述膜组件上设置有膜组件出水管。

所述阳极室进水管设置在所述阳极室的侧壁上部，所述阳极室出水管设置在所述阳极室的底部。

所述阴极室进水管设置在阴极室的底部，所述阴极室出水管设置在所述阴极室的顶部。

所述曝气装置设置在所述阴极室的底部，且其与气泵相接，用于向阴极室内曝气，使阴极室内保持溶解氧浓度为0~1.0mg/L的低氧环境。优选地，曝气装置距离阴极室池体底部略有距离，以更好地实现曝气。

所述膜生物池进水管设置在所述膜生物池的顶部。

在所述膜生物池内部还设置有搅拌器，所述搅拌器穿设在所述膜组件中，用于将来自阳极室和阴极室的液体混合均匀。

所述变阻器的阻值根据污水中的NH₄ ⁺浓度而调节，使进入膜生物池的NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N的摩尔比为1∶1~1.32；优选地，调节所述变阻器的阻值，使进入膜生物池的NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N的摩尔比为1∶1.32。

本实用新型通过将微生物产电技术、膜过滤技术与厌氧氨氧化技术高效耦合，使降解有机物、短程硝化和厌氧氨氧化有效分离并依次作用，实现有机物和总氮的高效去除，解决了有机物对厌氧氨氧化菌活性产生抑制作用的问题。

本实用新型通过在该一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统中设置连接阴极室和阳极室的外电路，并且外电路的变阻器阻值可调，在膜反应池中设置膜组件，能够精准控制厌氧氨氧化过程中氨氮和亚硝氮的配比，解决了厌氧氨氧化过程中氨氮与亚硝氮难以实现精确配比的难题；阳极室产电菌在降解有机物的同时产生电能，使阳极材料和阴极材料之间产生内电场，对微生物具有电刺激作用，能够有效促进厌氧氨氧化菌的富集，并提高氨氧化菌的活性，并有效抑制膜污染的发生，减少膜组件频繁更换过程中氧气混入系统，对厌氧氨氧化菌生存环境造成的影响；膜组件的截留作用能够有效避免厌氧氨氧化菌的流失，使厌氧氨氧化菌始终保持高浓度状态。

本实用新型操作简单，控制方便，污水处理效率高，且能够保持稳定的污水处理效率，出水质量好，为污水中有机物和总氮的高效去除提供了一个有效的途径，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统的结构立体示意图。

图2是图1的结构剖面示意图。

图中：1、阳极室；2、阳极室进水管；3、阳极室出水管；4、阳极材料； 5、阳离子交换膜；6、膜生物池；7、膜组件；8、膜组件出水管；9、阴离子交换膜；10、阴极室；11、阴极室进水管；12、阴极室出水管；13、阴极材料；14、曝气装置；15、气泵；16、导线；17、变阻器；18、水泵；19、搅拌器；20、膜生物池进水管。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步的阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本实用新型的保护范围。

在下述实施例中未详细描述的过程和方法是本领域公知的常规方法，下述实施例均实现了本实用新型的目的。

如图1~2所示，本实用新型的一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统主要包括并排平行设置的阳极室1、阴极室10和膜生物池6，其中，膜生物池6位于阳极室1和阴极室10之间，在膜生物池6与阳极室1之间设置有阳离子交换膜5，在膜生物池6与阴极室10之间设置有阴离子交换膜9。

阳极室1主要起到降解污水中的有机物的作用，在阳极室1内设置有阳极材料4，在阳极室1的侧壁上部设置有阳极室进水管2，在阳极室1的底部设置有阳极室出水管3。在阳极材料4表面附着有普通厌氧菌和产电菌，以降解污水中的绝大部分有机物，同时，产电菌还能够产生电子，并将电子传递至阳极材料。

在阴极室10主要进行短程硝化反应，在阴极室10的内部设置有阴极材料13和曝气装置14，在阴极室10的底部设置有阴极室进水管11，在阴极室的顶部设置有阴极室出水管12。阴极室进水管11与阳极室出水管3经由水泵18和导管相接，其中，水泵18的进水端与阳极室出水管3相接，水泵18的出水端与阴极室进水管11相接。在阴极材料13的表面附着有亚硝化细菌，以将阴极室10内的NH₄ ⁺-N转化为NO₂ ^--N。阴极材料13与阳极材料4之间经由外电路（导线16）相接，在外电路上设置有变阻器17，以在阳极材料4和阴极材料13之间形成内电场。曝气装置14设置在阴极室10的底部，其与气泵18相接，用于向阴极室10内曝气，使阴极室10内保持低氧环境。优选地，曝气装置14距离阴极室10的池体底部略有距离，以更好地实现曝气。

阳极材料4和阴极材料13可以采用现有的阴阳极材料，如碳布、碳毡、碳纸、石墨板或不锈钢网等。变阻器17的阻值可调整，以调整外电路中电流的大小，进而调整进入膜生物池6的NH₄ ⁺-N的量。

在膜生物池6内主要进行厌氧氨氧化过程，在膜生物池6的顶部设置有膜生物池进水管20，其与阴极室出水管12相接。在膜生物池6内装有厌氧氨氧化污泥，在其内还设置有搅拌器19和膜组件7。在厌氧氨氧化污泥和搅拌器19的作用下，将进入膜生物池6内的NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N在厌氧氨氧化菌作用下生成氮气，进行脱氮处理。膜组件7呈类圆柱状，其包括上下两个环状的聚丙烯管和设置在聚丙烯管之间的中空纤维膜丝。搅拌器19穿过膜组件设置在膜生物池内，以使来自阳极室1和阴极室10的液体混合均匀。在膜组件7的顶部设置有竖直的膜组件出水管8，以将经膜组件7处理后的水排出。膜组件7的设置能够有效避免厌氧氨氧化菌的流失，使厌氧氨氧化菌始终保持高浓度状态，并对处理后的水进行过滤，将水排出。

采用该一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统进行污水处理时，含有机物和氨氮的污水通过阳极室进水管2进入阳极室1，阳极材料4表面附着的普通厌氧菌和产电菌将污水中的绝大部分有机物降解，同时产电菌还产生电子并将电子传递至阳极材料4，进而通过外电路传递至阴极材料13形成电流，在阳极材料4和阴极材料13之间形成内电场。阳极室1内的NH₄ ⁺-N在电场的作用下透过阳离子交换膜5进入膜生物池6。根据进水中的NH₄ ⁺-N浓度，可精确调整外接变阻器17的阻值，从而改变电流的大小，使原水中的NH₄ ⁺-N按照所需比例透过阳离子交换膜5进入膜生物池6。然后，在水泵18的作用下，将阳极室1处理后的污水经由导管输送至阴极室10内，通过控制曝气量使阴极室10内保持低氧环境（溶解氧浓度为0~1.0mg/L），则剩余的NH₄ ⁺-N在阴极材料13上附着的亚硝化菌的作用下实现氨氮的短程硝化生成NO₂ ^--N。之后，阴极室10处理后的污水通过连接在阴极室出水管12和膜生物池进水管20之间的导管进入膜生物池6，则膜生物池6中的NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N在厌氧氨氧化菌作用下生成氮气，实现脱氮，最后，将脱氮处理后的水通过膜组件6进行过滤，并从膜组件出水管8将水排出。

下述实施例为城市生活污水的处理，生活污水水质为：COD：450mg/L，NH₄ ⁺-N：32mg/L。

实施例1

设置外接变阻器的阻值为5Ω，生活污水由阳极室进水管进入阳极室，经过阳极室处理以后，阳极室出水水质为：COD：85mg/L，NH₄ ⁺-N：19mg/L；阳极室出水经水泵作用进入阴极室，经过阴极室处理后，阴极室出水水质为：COD：46mg/L，NO₂ ^--N：17mg/L，NH₄ ⁺-N：1.0mg/L；阴极室出水通过外管路进入膜生物反应池，进入膜生物反应池的NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N比例为1∶1.32，在膜生物反应池中NH₄ ⁺-N 和NO₂ ^--N在厌氧氨氧化菌作用下得到有效去除，最终通过膜过滤出水，膜过滤出水水质为：COD：30mg/L，NH₄ ⁺-N：0.5mg/L，NO₂ ^--N：1.5mg/L，NO₃ ^--N：0.5mg/L，出水COD去除率为93.3%，总氮去除率为92.2%。

实施例2

设置外接变阻器的阻值为2Ω，生活污水由阳极室进水管进入阳极室，经过阳极室处理以后，阳极室出水水质为：COD：80mg/L，NH₄ ⁺-N：17mg/L；阳极室出水经水泵作用进入阴极室，经过阴极室处理后，阴极室出水水质为：COD：44mg/L，NO₂ ^--N：15mg/L，NH₄ ⁺-N：2mg/L；阴极室出水通过外管路进入膜生物反应池，进入膜生物反应池的NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N比例为1∶1，在膜生物反应池中NH₄ ⁺-N 和NO₂ ^--N在厌氧氨氧化菌作用下得到有效去除，最终通过膜过滤出水，膜过滤出水水质为：COD：27mg/L，NH₄ ⁺-N：4.5mg/L，NO₂ ^--N：0.5mg/L，NO₃ ^--N：1mg/L，出水COD去除率为94%，总氮去除率为81.3%。

实施例3

设置外接变阻器的阻值为10Ω，生活污水由阳极室进水管进入阳极室，经过阳极室处理以后，阳极室出水水质为：COD：105mg/L，NH₄ ⁺-N：20mg/L；阳极室出水经水泵作用进入阴极室，经过阴极室处理后，阴极室出水水质为：COD：70mg/L，NO₂ ^--N：18mg/L，NH₄ ⁺-N： 2mg/L；阴极室出水通过外管路进入膜生物反应池，进入膜生物反应池的NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N比例为1∶1.5，在膜生物反应池中NH₄ ⁺-N 和NO₂ ^--N在厌氧氨氧化菌作用下得到有效去除，最终通过膜过滤出水，膜过滤出水水质为：COD：55mg/L，NH₄ ⁺-N：1mg/L，NO₂ ^--N：3.5mg/L，NO₃ ^--N：1mg/L，出水COD去除率为87.8%，总氮去除率为82.8%。

对比例1

采用专利CN108483821A的实施例作为对比例，其采用传统的部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺进行城市污水脱氮，亚硝酸盐/氨氮比例为1~1.4，污水总氮去除率为75~90%。该工艺虽然能够将亚硝酸盐/氨氮比例控制在1~1.4范围内，但难以有效地精确控制亚硝酸盐/氨氮的比例并使其维持在该合适的比例，因此，脱氮效果较差，从而使污水的总氮去除率波动范围较大且不稳定。

Claims

1.一种一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统，其特征在于，包括阳极室、阴极室以及位于所述阳极室和所述阴极室之间的膜生物池，在所述膜生物池与所述阳极室之间设置有阳离子交换膜，在所述膜生物池与所述阴极室之间设置有阴离子交换膜；

2.根据权利要求1所述的一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统，其特征在于，所述阳极室进水管设置在所述阳极室的侧壁上部，所述阳极室出水管设置在所述阳极室的底部。

3.根据权利要求1所述的一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统，其特征在于，所述阴极室进水管设置在阴极室的底部，所述阴极室出水管设置在所述阴极室的顶部。

4.根据权利要求1所述的一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统，其特征在于，所述曝气装置设置在所述阴极室的底部，且其与气泵相接，用于向阴极室内曝气，使阴极室内保持溶解氧浓度为0~1.0mg/L的低氧环境。

5.根据权利要求1所述的一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统，其特征在于，所述膜生物池进水管设置在所述膜生物池的顶部。

6.根据权利要求1所述的一体式厌氧氨氧化膜生物电化学系统，其特征在于，在所述膜生物池内部还设置有搅拌器，所述搅拌器穿设在所述膜组件中。