CN213037497U - 微生物电化学耦合膜生物反应器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了微生物电化学耦合膜生物反应器系统。包括气升环流式膜生物反应器、微生物电化学装置和氮磷回收区。气升环流式膜生物反应器包括多个气升环流式膜生物反应器单元，气升环流式膜生物反应器单元包括缺氧区、厌氧区、好氧区；微生物电化学装置包括阳极电极、阴极电极、连接阴阳两极的外部电路；氮磷回收区包括阴离子交换膜、阳离子交换膜及其之间的区域。该系统既具有气升环流式膜生物反应器的高效污水处理和固液分离能力，减少了污泥回流能耗，又结合了环流系统厌氧好氧区域分布的特点，通过耦合微生物电化学系统进一步强化整体的脱氮除磷能力，进一步提升了出水水质。

Description

微生物电化学耦合膜生物反应器系统

技术领域

本实用新型涉及污水处理技术领域，具体而言，本实用新型涉及微生物电化学耦合膜生物反应器系统。

背景技术

资源短缺和水污染严重一直是人类社会的关键问题。膜生物反应器(MBR)作为新型污水处理工艺能够利用膜组件实现高效的固液分离，有效提升了污泥浓度，进而提升了出水水质、减少了占地面积。MBR已在城镇和农村生活污水、工业污水、垃圾渗滤液等污水处理领域有广泛应用。MBR工艺技术挑战：(1)常规MBR的曝气能耗较高；(2)单一MBR能够有效去除有机物和氨氮，但对总氮、总磷的去除尚不理想；(3)磷在处理过程中转入污泥，进而被废弃。鉴于以上挑战和难点，在MBR技术的基础上进一步开发节约能耗，回收氮磷的新型废水处理技术成为一种潜在的发展方向。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出微生物电化学耦合膜生物反应器系统。利用结合微生物电化学系统的气升环流式膜生物反应器进行废水的强化生化处理过程与固液分离过程，既具有气升环流式膜生物反应器的高效污水处理和固液分离能力，减少了污泥回流能耗，又结合环流系统厌氧好氧区域分布的特点，通过耦合微生物电化学系统进一步强化整体的脱氮除磷能力，进一步提升了出水水质。

本实用新型提出了一种微生物电化学耦合膜生物反应器系统。根据本实用新型的实施例，该微生物电化学耦合膜生物反应器系统包括：

气升环流式膜生物反应器，所述气升环流式膜生物反应器包括多个气升式气升环流式膜生物反应器单元，各个所述气升式气升环流式膜生物反应器单元之间相互连通，所述气升式气升环流式膜生物反应器单元包括缺氧区、厌氧区、好氧区；所述好氧区包括好氧升流区和好氧降流区；所述气升环流式膜生物反应器单元还包括设置在所述好氧升流区的膜组件；

微生物电化学装置，所述微生物电化学装置包括设置在所述厌氧区的阳极电极、设置在所述好氧区的阴极电极、连接阴阳两极的外部电路；

氮磷回收区，所述氮磷回收区包括设置在相邻的阴/阳极区之间的阴离子交换膜、阳离子交换膜以及相邻阴阳离子交换膜之间的区域。

根据本实用新型上述实施例的微生物电化学耦合膜生物反应器系统，利用结合微生物电化学系统的气升环流式膜生物反应器进行废水的强化生化处理过程与固液分离过程，既具有气升环流式膜生物反应器的高效污水处理和固液分离能力，减少了污泥回流能耗，又结合环流系统厌氧好氧区域分布的特点，通过耦合微生物电化学系统进一步强化整体的脱氮除磷能力，进一步提升了出水水质。

另外，根据本实用新型上述实施例的气升环流式气升环流式膜生物反应器系统还可以具有如下附加的技术特征：

在本实用新型的一些实施例中，所述阳极电极包括阳极碳布和阳极碳刷；所述阴极电极包括阴极碳布和阴极碳刷。

在本实用新型的一些实施例中，所述微生物电化学装置还包括设置在阴阳两极之间的控制单元。由此，通过外部电路以及控制单元对阴阳极施加电压，可以强化电场，进而强化磷酸根离子和铵根离子的定向迁移能力，达到提升脱氮除磷和氮磷回收的能力。

在本实用新型的一些实施例中，所述氮磷回收区包括至少两组阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜交替分布。

在本实用新型的一些实施例中，所述阴极电极设置在所述好氧降流区。

在本实用新型的一些实施例中，所述缺氧区与厌氧区之间设有第一折流板，所述第一折流板的上方具有第一预留间隙，所述缺氧区与厌氧区通过所述第一预留间隙相连通；所述厌氧区与所述好氧升流区之间设有第二折流板，所述第二折流板的下方具有第二预留间隙，所述厌氧区与所述好氧升流区通过所述第二预留间隙相连通；所述好氧升流区与所述好氧降流区之间设有第三折流板，所述第三折流板的上方具有第三预留间隙，所述好氧升流区与所述好氧降流区通过所述第三预留间隙相连通；所述好氧降流区与所述缺氧区之间设有第四折流板，所述第四折流板的下方具有第四预留间隙，所述好氧降流区与所述缺氧区通过所述第四预留间隙相连通。由此，上述气升环流式膜生物反应器装置利用折流板控制水流方向，无需进行污泥回流，降低了污水运行能耗，并产生了交替分布的厌氧、缺氧和好氧区，有利于强化污染物的去除能力。

在本实用新型的一些实施例中，所述气升环流式膜生物反应器单元还包括：第一曝气装置；所述第一曝气装置设置在所述膜组件的下方，利用所述第一曝气装置推动水流循环流动。

在本实用新型的一些实施例中，所述气升环流式膜生物反应器单元还包括：第二曝气装置，所述第二曝气装置设在所述好氧降流区的底部。

在本实用新型的一些实施例中，所述第二曝气装置为微孔曝气头，利用所述微孔曝气头调控好氧反应和促进污泥悬浮。

在本实用新型的一些实施例中，所述膜组件为浸没式膜组件，所述浸没式膜组件采用的膜为超滤膜或微滤膜。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型实施例的微生物电化学耦合膜生物反应器系统的示意图。

图2是本实用新型实施例的微生物电化学耦合膜生物反应器系统的A-A截面示意图。

图3是本实用新型实施例的微生物电化学耦合膜生物反应器系统的B-B截面示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个、四个、五个、六个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种微生物电化学耦合膜生物反应器系统。参考图1～3，根据本实用新型的实施例，所述微生物电化学耦合膜生物反应器系统包括：

气升环流式膜生物反应器，所述气升环流式膜生物反应器包括多个气升环流式膜生物反应器单元，各个所述气升环流式膜生物反应器单元之间相互连通，所述气升环流式膜生物反应器单元包括缺氧区100、厌氧区200、好氧区300；所述好氧区包括好氧升流区310和好氧降流区320；所述气升环流式膜生物反应器单元还包括设置在好氧升流区310的膜组件330。

在本实用新型的一些实施例中，所述缺氧区100与厌氧区200之间设有第一折流板101，所述第一折流板的上方具有第一预留间隙102，所述缺氧区100与厌氧区200通过所述第一预留间隙102相连通；所述厌氧区200与所述好氧升流区310之间设有第二折流板201，所述第二折流板201的下方具有第二预留间隙202，所述厌氧区200与所述好氧升流区310通过所述第二预留间隙202相连通；所述好氧升流区310与所述好氧降流区320之间设有第三折流板311，所述第三折流板311的上方具有第三预留间隙312，所述好氧升流区310与所述好氧降流区320通过所述第三预留间隙312相连通；所述好氧降流区320与所述缺氧区100之间设有第四折流板321，所述第四折流板321的下方具有第四预留间隙322，所述好氧降流区320与所述缺氧区100通过所述第四预留间隙322相连通。由此，上述气升环流式膜生物反应器装置利用折流板控制水流方向，无需进行污泥回流，降低了污水运行能耗，并产生了交替分布的厌氧、缺氧和好氧区，有利于强化污染物的去除能力。

在本实用新型的一些实施例中，参考附图2，所述气升环流式膜生物反应器单元还包括设置在膜组件330下方的第一曝气装置340；优选地，第一曝气装置为曝气管。由此，上述气升环流式膜生物反应器装置通过曝气推动水流。

在本实用新型的一些实施例中，所述气升环流式膜生物反应器单元还包括：第二曝气装置350，所述第二曝气装置设在所述好氧降流区的底部。优选地，所述第二曝气装置可以为微孔曝气头。通过深水微孔曝气头曝气，在上升气流的作用下，防止污泥沉淀。

可以理解的是，在气升式膜生物反应器单元中，好氧升流区310与好氧区降流区320的氧含量相对较高，可以为污水中的微生物提供好氧条件；随着污水的运行及污泥和附着在载体上的微生物在反应过程中对氧气的消耗，水中的含氧量下降，进而，缺氧区100可以为污水中的微生物提供缺氧条件，厌氧区200可以为污水中的微生物提供厌氧条件。

在本实用新型的一些实施例中，所述膜组件为浸没式膜组件。需要注意的是，浸没式膜组件的具体类型并不限定，本领域人员可根据实际需要进行选择，例如可以采用超滤膜或微滤膜等。

根据本实用新型的一些实施例，设好氧区的容积为V1，设缺氧区与厌氧区的容积之和为V2，V1:V2＝1:(2～4)。由此，可以进一步满足厌氧过程对厌氧环境的需要。如果缺氧区与厌氧区的容积之和过小，则可能导致缺氧反硝化过程不充分，总氮的去除效果下降；如果缺氧区与厌氧区的容积之和过大，则可能导致悬浮污泥在进入好氧升流区之前发生大量沉降，污泥浓度下降，整体的生化降解能力下降。优选地，V1:V2＝1:3。由此，可以进一步满足厌氧过程对厌氧环境的需要。需要说明的是，上述实施例所述的气升环流式膜生物反应器包括多个气升式膜生物反应器单元(也称为MBR池)，例如两个、三个、四个、六个等。在运行中，各个MBR池之间工作可不相互干扰，且同时进行曝气操作，具有较强的抗击水力负荷的变化的能力。待处理污水进入系统中的一个气升式膜生物反应器单元后，反复经过多个处理单元处理，处理完成的水从气升式膜生物反应器单元的膜组件中汇集，经由出水管路排出。

微生物电化学装置，所述微生物电化学装置包括设置在所述厌氧区的阳极电极400、设置在所述好氧区的阴极电极500、连接阴阳两极的外部电路。上述微生物电化学装置通过阳极电极400在厌氧区附着微生物，在提升有机物处理能力的同时为阴极电极500提供电子，而阴极电极500利用膜区曝气的溶解氧与电子质子结合生成水，阴阳极之间形成电流，进一步促进阳极的有机物降解过程，提升污水的处理能力。

在本实用新型的实施例中，所述阴极电极设置在所述好氧区的具体位置并不受特别限制，本领域人员可以根据实际情况随意选择，作为一种优选的方案，所述阴极电极设置在所述好氧降流区。

作为一种优选的方案，所述微生物电化学装置还包括设置在阴阳两极之间的控制单元。

在本实用新型的一些实施例中，参考附图3，所述阳极电极400包括阳极碳布410和阳极碳刷420；所述阴极500包括阴极碳布510和阴极碳刷520；碳布电极的作用在于平行布置于离子交换膜附近，保证产生稳定的电场为离子迁移提供推动力，碳刷电极的作用在于提升电极的比表面积，有利于更多微生物的附着，可以强化有机物的去除能力和阴阳极电压，进而强化电场强度，有利于离子的定向迁移过程。

氮磷回收区600，参考附图3，所述氮磷回收区包括设置在相邻的阴/阳极区之间的阴离子交换膜、阳离子交换膜以及相邻阴阳离子交换膜之间的区域。作为一种优选的方案，所述氮磷回收区设置有交替堆叠的阴阳离子交换膜(至少两组)。其中分隔阴极区与氮磷回收区为阴离子交换膜610，分隔阳极区与氮磷回收区为阳离子交换膜620，其余阴阳离子交换膜交替分布。交替分布的阴阳离子交换膜将氮磷回收区分为了浓室与淡室，其中，1、3和5为浓室，2和4为淡室。浓室通过管路与回收瓶相连，内部溶液不断循环，定期回收；膜出水通过淡室后排出。系统利用微生物电化学系统的电场驱动铵根离子和磷酸根离子分别从阳极区(厌氧区)、阴极区(好氧区)和淡室的膜出水溶液中迁移进入氮磷回收区的浓室。

本实用新型实施例中的氮磷回收区与微生物电化学装置耦合，微生物电化学装置的阴阳电极之间的电势差所形成的电场能够有效推动阴阳离子定向移动，其中阳离子(如铵根离子)从阳极区向阴极区定向移动，经过阳离子交换膜进入氮磷回收区，被阴离子交换膜阻隔滞留在氮磷回收区；阴离子(如磷酸根离子)从阴极区向阳极区定向移动，经过阴离子交换膜进入氮磷回收区，被阳离子交换膜阻隔滞留在氮磷回收区；铵根离子和磷酸根离子在氮磷回收区的浓室中浓缩富集，提升了系统的氮磷去除能力，同时浓室中富集的磷酸根、铵根，可进一步通过磷酸铵镁的形式回收。同时通过外接电路以及控制单元对阴阳极施加正向电压，可以有效提升电极间的电势，强化电场，进而提升铵根离子和磷酸根离子的迁移速率，进一步提升装置对于氮磷的去除能力。

根据本实用新型实施例所述的微生物电化学耦合膜生物反应器系统，至少具有以下优点之一：(1)本实用新型实施例的耦合装置兼具气升环流式膜生物反应器系统和微生物电化学系统的特点与功能，具有污水处理能力强、无需污泥回流能耗、固液分离良好和出水优质稳定等优点，同时进一步提升了系统的有机物和氮磷去除能力，并能够回收部分氮磷资源。(2)微生物电化学系统的电极可以作为载体，有效提升膜生物反应器系统的生物量，从而提升了有机物去除能力；同时阴阳电极产生电场，为氮磷回收提供驱动电场。(3)与常规微生物电化学系统相比，阴极可以直接利用膜生物反应器系统曝气区的氧气，不需要额外消耗氧化剂或额外供氧，节约能耗。(4)在外加电压的条件下，该耦合系统结合气升环流膜生物反应器的缺氧、厌氧和好氧区域交替分布的特点，能够强化电场、提升氮磷回收能力。

为了方便理解，下面对采用上述的微生物电化学耦合膜生物反应器系统进行污水处理的方法进行详细描述，该方法通过将污水从缺氧区通入反应器后，反复经过多个缺氧、厌氧和好氧处理单元处理，最后处理后的水从膜组件中汇集后流出，具体过程如下：

S1：将新进污水和上一好氧区处理后的混合液通入缺氧区后混合，并在缺氧区发生部分反硝化过程。

在该步骤中具体反应如下，污水混合进入缺氧区100，反硝化菌利用硝酸盐和有机物进行反硝化过程，达到部分脱碳和脱氮的目的。

S2：步骤S1缺氧区的混合液进入厌氧区，在厌氧区发生脱碳、回收铵根离子过程。在该步骤中具体反应如下，缺氧区100的混合液进入厌氧区200后(1)附着在阳极上410/420的产电菌在厌氧条件下将有机物分解，释放的电子由外电路向阴极传递，产生电场，混合液中的铵根离子在电场的作用下定向迁移，通过阳离子交换膜进入氮磷回收区，整个过程达到提升阳极有机物降解和回收铵根离子的目的；(2)聚磷菌利用ATP摄入有机物形成碳源储能物质，在这个过程中生成并释放少量含磷的ADP。

S3：步骤S2厌氧区的混合液进入好氧区，在曝气装置曝气的推动下，带动整体水流上升，为整个气升环流式MBR运行提供推动力，与此同时膜组件330集中在好氧升流区310，经过气升作用，经过膜组件过滤出水，在分离出水的同时水流上升形成膜的错流过滤，保证了膜面的清洁，维持了膜分离的稳定运行。未通过膜组件330分离的污水与污泥被推动进入好氧降流区320。好氧降流段320布置有阴极碳刷510和阴极碳布520，在该区域发生脱碳、除磷、氨氮去除和回收磷酸根离子过程，剩余污水混合液流入下一反应单元的缺氧区。

在该步骤中具体反应如下，混合液进入好氧区的好氧条件下(1)阴极接受外电路传递的电子，将溶解氧还原，产生电场，混合液中的磷酸根离子在电场的作用下定向迁移，通过阴离子交换膜进入氮磷回收区，整个过程达到提升有机物降解和回收磷酸盐的目的；(2)混合液和载体上的好氧菌消耗大量溶解氧去除有机物；(3)混合液和载体中的硝化菌进行铵根离子的硝化过程，去除部分氨氮的目的；(4)混合液中的聚磷菌进行充分的好氧代谢过程，该过程吸收污水中的大部分磷酸盐，达到除磷的目的。

在该步骤(1)中，磷酸根离子在电场的促进下定向迁移，通过阴离子交换膜610进入氮磷回收区600后，被阳离子交换膜620截留并停留在氮磷回收区600内。铵根离子与磷酸根离子在氮磷回收区的浓室中浓缩富集，可进一步通过磷酸铵镁的形式回收，达到回收污水中氮磷的目的，同时在沉淀形成后降低了离子的迁移阻力，有利于离子迁移的持续发生。

S4：步骤S3好氧区的膜出水进入氮磷回收区的淡室，在阴阳电极电场的作用下，膜出水中残余的磷酸根离子和铵根离子分别经过阴/阳离子交换膜进入浓室，进一步去除出水汇总的氮磷；氮磷元素在浓室中不断富集，通过管路与外部循环瓶连接，定期回收氮磷元素。

本实用新型实施例所述的进行污水处理的方法，污水在经过缺氧、厌氧和好氧三个处理过程的同时利用生物电化学系统，进一步强化了整体的脱氮除磷能力，进一步提升了出水水质，并能够达到回收氮磷的目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种微生物电化学耦合膜生物反应器系统，其特征在于，包括：

气升环流式膜生物反应器，所述气升环流式膜生物反应器包括多个气升环流式膜生物反应器单元，各个所述气升环流式膜生物反应器单元之间相互连通，所述气升环流式膜生物反应器单元包括缺氧区、厌氧区、好氧区；所述好氧区包括好氧升流区和好氧降流区；所述气升环流式膜生物反应器单元还包括设置在所述好氧升流区的膜组件；

微生物电化学装置，所述微生物电化学装置包括设置在所述厌氧区的阳极电极、设置在所述好氧区的阴极电极、连接阴阳两极的外部电路；

氮磷回收区，所述氮磷回收区包括设置在相邻的阴/阳极区之间的阴离子交换膜、阳离子交换膜以及相邻阴阳离子交换膜之间的区域。

2.根据权利要求1所述的微生物电化学耦合膜生物反应器系统，其特征在于，所述阳极电极包括阳极碳布和阳极碳刷；

所述阴极电极包括阴极碳布和阴极碳刷。

3.根据权利要求1所述的微生物电化学耦合膜生物反应器系统，其特征在于，所述微生物电化学装置还包括设置在阴阳两极之间的控制单元。

4.根据权利要求1所述的微生物电化学耦合膜生物反应器系统，其特征在于，所述氮磷回收区包括至少两组阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜交替分布。

5.根据权利要求1所述的微生物电化学耦合膜生物反应器系统，其特征在于，所述阴极电极设置在所述好氧降流区。

6.根据权利要求1所述的微生物电化学耦合膜生物反应器系统，其特征在于，所述缺氧区与厌氧区之间设有第一折流板，所述第一折流板的上方具有第一预留间隙，所述缺氧区与厌氧区通过所述第一预留间隙相连通；所述厌氧区与所述好氧升流区之间设有第二折流板，所述第二折流板的下方具有第二预留间隙，所述厌氧区与所述好氧升流区通过所述第二预留间隙相连通；所述好氧升流区与所述好氧降流区之间设有第三折流板，所述第三折流板的上方具有第三预留间隙，所述好氧升流区与所述好氧降流区通过所述第三预留间隙相连通；所述好氧降流区与所述缺氧区之间设有第四折流板，所述第四折流板的下方具有第四预留间隙，所述好氧降流区与所述缺氧区通过所述第四预留间隙相连通。

7.根据权利要求1所述的微生物电化学耦合膜生物反应器系统，其特征在于，所述气升环流式膜生物反应器单元还包括：第一曝气装置；所述第一曝气装置设置在所述膜组件的下方，利用所述第一曝气装置推动水流循环流动；

任选地，所述气升环流式膜生物反应器单元还包括：第二曝气装置，所述第二曝气装置设在所述好氧降流区的底部；

任选地，所述第二曝气装置为微孔曝气头，利用所述微孔曝气头调控好氧反应和促进污泥悬浮。

8.根据权利要求1所述的微生物电化学耦合膜生物反应器系统，其特征在于，所述膜组件为浸没式膜组件；所述浸没式膜组件采用的膜为超滤膜或微滤膜。

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