專利名稱：一種生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及廢水生物處理中的膜生物反應(yīng)器的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種生物電化
學(xué)膜反應(yīng)器裝置。
背景技術(shù)：
膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactors，MBRs)是一種將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型高效污水處理與回用技術(shù)，因其具有處理效率高、出水水質(zhì)好、污泥產(chǎn)量低的優(yōu)點(diǎn)，在近幾十年來(lái)得到迅猛發(fā)展，但是，目前仍存在著一些制約膜生物反應(yīng)器大規(guī)模應(yīng)用的因素，像膜組件成本高、嚴(yán)重的膜污染問(wèn)題以及較高的曝氣能耗。而利用粗網(wǎng)材料來(lái)代替微濾/超濾膜來(lái)實(shí)現(xiàn)泥水分離，可以有效降低MBR的成本，減緩膜污染，提高了 MBR 應(yīng)用的可行性。目前用在MBR上的主要粗網(wǎng)膜基材主要有無(wú)紡布，工業(yè)濾布，滌綸濾布，篩絹等，主要研究其過(guò)濾性能和對(duì)污染物的去除效率上。微生物燃料電池(Microbial fuel cells, MFCs)是以微生物為催化劑，通過(guò)降解有機(jī)物將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置。因其在降解污染物得同時(shí)可以回收電能而引起越來(lái)越多的關(guān)注。但是，目前也存在著一些缺點(diǎn)，像處理效率低、出水水質(zhì)差，并且由于貴金屬催化劑的使用以及昂貴的質(zhì)子交換膜的使用，使得MFC的成本很高，這些都嚴(yán)重地制約了 MFC在污水處理中的廣泛應(yīng)用。但是MFC可以跟常規(guī)的污水處理工藝相結(jié)合，作為污水預(yù)處理設(shè)施，在污水處理的同時(shí)回收電能。如何保證污水得到處理的同時(shí)可以從中回收電能，并且能夠部分抵消MBR的曝氣能耗，克服MFC生物量低、出水水質(zhì)差的缺點(diǎn)，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的重要技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，以保證污水得到處理的同時(shí)可以從中回收電能，并且能夠部分抵消MBR的曝氣能耗，克服MFC生物量低、出水水質(zhì)差的缺點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案一種生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，包括陽(yáng)極室，其上分別設(shè)有陽(yáng)極室進(jìn)水管和陽(yáng)極室出水管，其具有石墨棒電極，所述石墨棒電極周圍設(shè)有石墨粒，產(chǎn)電微生物附著生長(zhǎng)在其表面；外套于所述陽(yáng)極室外側(cè)的陰極室，其底部設(shè)有曝氣管，用于向陰極室內(nèi)的好氧微生物提供氧氣；為所述曝氣管供氣的空氣泵；套設(shè)于所述陽(yáng)極室外側(cè)的離子選擇性透過(guò)膜；套設(shè)于所述陽(yáng)極室外側(cè)，且與所述陽(yáng)極室具有間隙的導(dǎo)電性分離膜，其一端封閉， 另一端連接有反應(yīng)器出水管；
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與所述石墨棒電極和所述導(dǎo)電性分離膜串聯(lián)的外電阻優(yōu)選地，在上述生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中，所述離子選擇性透過(guò)膜為50_500g/ m2的無(wú)紡布。優(yōu)選地，在上述生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中，述離子選擇性透過(guò)膜為經(jīng)聚四氟乙烯浸泡后，在105-370°C下烘干2-8小時(shí)制成的無(wú)紡布。優(yōu)選地，在上述生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中，所述陽(yáng)極室、陰極室和所述導(dǎo)電性分離膜均為圓筒狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，在上述生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中，所述導(dǎo)電性分離膜距所述陽(yáng)極室的距離為5-50mm，距所述陰極室的距離為10-100mm。優(yōu)選地，在上述生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中，所述導(dǎo)電性分離膜為孔徑20-200 μ m 的不銹鋼絲網(wǎng)。優(yōu)選地，在上述生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中，還包括設(shè)置于所述陰極室內(nèi)的液位傳感器。優(yōu)選地，在上述生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中，所述陽(yáng)極室的外壁上開有小孔，孔徑為 0.5-10mmo優(yōu)選地，在上述生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中，所述石墨粒的粒徑為3_5mm ；所述陽(yáng)極室的水力停留時(shí)間為0. 25_5h。優(yōu)選地，在上述生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中，所述陽(yáng)極室的容積負(fù)荷可以選擇在 0. 5-22. 6kg COD/ (m3d)。從上述的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，先將廢水進(jìn)入陽(yáng)極室內(nèi)，處理后通過(guò)陽(yáng)極室出水管流入陰極室做進(jìn)一步處理；同時(shí)將導(dǎo)電性分離膜一端封閉，另一端連接反應(yīng)器出水管，在液位壓差的作用下，靠重力由反應(yīng)器出水管自流出水。生物電化學(xué)膜反應(yīng)器在陽(yáng)極室內(nèi)接種厭氧污泥，在陰極室內(nèi)接種好氧污泥。污水經(jīng)過(guò)陽(yáng)極室時(shí)，石墨粒上產(chǎn)電微生物催化有機(jī)物氧化分解，同時(shí)把電子導(dǎo)出到石墨棒電極上，然后流經(jīng)外電阻到達(dá)陰極(即導(dǎo)電性分離膜)上，與空氣泵提供的氧氣以及從陽(yáng)極室經(jīng)離子選擇性透過(guò)膜遷移至陰極的質(zhì)子反應(yīng)，最終生成水。本發(fā)明通過(guò)將膜生物反應(yīng)器與微生物燃料電池相耦合，賦予了導(dǎo)電性膜分離材料的雙重功能膜過(guò)濾和陰極，實(shí)現(xiàn)了污水得到處理的同時(shí)可以從中回收電能。此生物電化學(xué)膜反應(yīng)器具備了膜生物反應(yīng)器高效、出水水質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以從污水中回收電能，部分抵消MBR的曝氣能耗。而且還克服了 MFC生物量低、出水水質(zhì)差的缺點(diǎn)。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明提供的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1沿A-A線的剖面示意圖；圖3為陰極表面生物膜形成過(guò)程中反應(yīng)器出水濁度的變化圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開了一種生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，以保證污水得到處理的同時(shí)可以從中回收電能，并且能夠部分抵消MBR的曝氣能耗，克服MFC生物量低、出水水質(zhì)差的缺點(diǎn)。下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。請(qǐng)參閱圖1-圖3，圖1為本發(fā)明提供的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1沿A-A線的剖面示意圖；圖3為陰極表面生物膜形成過(guò)程中反應(yīng)器出水濁度的變化圖。本發(fā)明實(shí)施例提供的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，包括陽(yáng)極室2、陰極室4、空氣泵 14、離子選擇性透過(guò)膜7、導(dǎo)電性分離膜6、反應(yīng)器出水管9和外電阻12。其中，陽(yáng)極室2上分別設(shè)有陽(yáng)極室進(jìn)水管1和陽(yáng)極室出水管3，其具有石墨棒電極10，石墨棒電極10周圍設(shè)有石墨粒11，通常將石墨棒電極10布置于陽(yáng)極室2的中間。陰極室4外套于陽(yáng)極室2的外側(cè)，其底部設(shè)有曝氣管15，空氣泵14與曝氣管15相連，用于為曝氣管15供氣。離子選擇性透過(guò)膜7套設(shè)于陽(yáng)極室2的外側(cè)，導(dǎo)電性分離膜6套設(shè)于陽(yáng)極室2外側(cè)，且與陽(yáng)極室2具有間隙，其一端封閉，另一端連接有反應(yīng)器出水管9。外電阻12與石墨棒電極10和導(dǎo)電性分離膜6串聯(lián)，石墨棒電極10作為陽(yáng)極，導(dǎo)電性分離膜6作為陰極。本發(fā)明提供的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，先將廢水進(jìn)入陽(yáng)極室2內(nèi)，處理后通過(guò)陽(yáng)極室出水管3流入陰極室4做進(jìn)一步處理；同時(shí)將導(dǎo)電性分離膜6 —端封閉，另一端連接反應(yīng)器出水管9，在液位壓差8的作用下，靠重力由反應(yīng)器出水管9自流出水。生物電化學(xué)膜反應(yīng)器在陽(yáng)極室2內(nèi)接種厭氧污泥，在陰極室4內(nèi)接種好氧污泥。污水經(jīng)過(guò)陽(yáng)極室2時(shí)， 石墨粒11上產(chǎn)電微生物催化有機(jī)物氧化分解，同時(shí)把電子導(dǎo)出到石墨棒電極上，然后流經(jīng)外電阻12到達(dá)陰極(即導(dǎo)電性分離膜6)上，與空氣泵14提供的氧氣以及從陽(yáng)極室2經(jīng)離子選擇性透過(guò)膜7遷移至陰極的質(zhì)子反應(yīng)，最終生成水。本發(fā)明通過(guò)將膜生物反應(yīng)器與微生物燃料電池相耦合，賦予了導(dǎo)電性膜分離材料的雙重功能膜過(guò)濾和陰極，實(shí)現(xiàn)了污水得到處理的同時(shí)可以從中回收電能。此生物電化學(xué)膜反應(yīng)器具備了膜生物反應(yīng)器高效、出水水質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以從污水中回收電能，部分抵消MBR的曝氣能耗。而且還克服了 MFC生物量低、出水水質(zhì)差的缺點(diǎn)。導(dǎo)電性分離膜6在此生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中起到了雙重作用一是作為泥水分離膜，其截留絮狀污泥及懸浮膠體粒子，獲得較好的出水水質(zhì)；二是作為陰極，氧氣在其表面還原。生物電化學(xué)膜反應(yīng)器的陰陽(yáng)極之間的離子選擇性透過(guò)膜7采用廉價(jià)的無(wú)紡布，無(wú)紡布型號(hào)為50-500g/m2，經(jīng)聚四氟乙烯浸泡后，在105-370°C下烘干2_8小時(shí)制成。用無(wú)紡布取代昂貴的質(zhì)子交換膜，可以降低裝置的成本。導(dǎo)電性分離膜6為孔徑20-200 μ m的不銹鋼絲網(wǎng)，生物電化學(xué)膜反應(yīng)器在運(yùn)行過(guò)程中，不銹鋼絲網(wǎng)陰極表面會(huì)形成一層生物膜，此生物膜不僅可以截留污泥絮體和懸浮粒子，從而提高出水水質(zhì)；而且生物膜中的微生物可以催化氧氣在陰極表面還原，提高產(chǎn)電效率的同時(shí)，避免了貴重金屬催化劑的使用，降低了裝置的運(yùn)行費(fèi)用。陽(yáng)極室2、陰極室4和導(dǎo)電性分離膜6均為圓筒狀結(jié)構(gòu)。即生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，采用了三套筒結(jié)構(gòu)，圓筒狀陽(yáng)極室2置于圓筒狀陰極室4內(nèi)，陽(yáng)極室2和陰極室4被導(dǎo)電性分離膜6隔開；陽(yáng)極室2與陰極(即導(dǎo)電性分離膜6)被離子選擇性透過(guò)膜7隔開。 導(dǎo)電性分離膜6距陽(yáng)極室4的距離為5-50mm，到陰極室的距離為10-100mm。本發(fā)明還可包括設(shè)置于陰極室4內(nèi)的液位傳感器13。陽(yáng)極室2外壁上開有小孔，孔徑為0. 5-10mm ；外壁上包裹一層離子選擇透過(guò)性膜 7，防止水從陽(yáng)極滲漏至陰極的同時(shí)，允許質(zhì)子自由通過(guò)。陰極室4內(nèi)接種好氧活性污泥，濃度為3000-5000mg/L。石墨粒11的粒徑為3_5mm ；陽(yáng)極室2的水力停留時(shí)間為0. 25_5h。陽(yáng)極室2的容積負(fù)荷可以選擇在0. 5-22. 6kg COD/(m3d)。實(shí)施例1 在進(jìn)水COD (chemical oxygen demand,化學(xué)耗氧量)，濃度為 12. 6-439. lmg/L時(shí)，此生物電化學(xué)膜反應(yīng)器對(duì)COD的去除率為82. 5-93. 9%;在進(jìn)水氨氮濃度為13. 6-41. 7mg/L時(shí)，此生物電化學(xué)膜反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除率為92. 7-99. 6%，對(duì)TN的去除率為 27. 6-60. 7%。實(shí)施例2 在陽(yáng)極室水力停留時(shí)間為0. 25-5h時(shí)，此生物電化學(xué)膜反應(yīng)器陽(yáng)極室的庫(kù)倫效率為0. 51-12. 4%，對(duì)COD的去除率為5. 5-79. 1%，對(duì)氨氮的去除率為5. 3-24. 5%0實(shí)施例3:在陽(yáng)極室容積負(fù)荷為0.5-22. 6kg COD/(m3d)，此生物電化學(xué)膜反應(yīng)器產(chǎn)出的最大功率密度為4. 35W/m3，最大電流密度為18. 32A/m3。實(shí)施例4 此發(fā)明的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置中，采用不銹鋼絲粗網(wǎng)作為膜過(guò)濾材料和陰極，在反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，鋼絲網(wǎng)表面會(huì)形成一層生物膜，這層生物膜主要有細(xì)菌、糖類和蛋白等組成。此生物膜不僅可以截留污泥絮體和懸浮粒子，提高出水水質(zhì)，而且生物膜中的細(xì)菌可以催化氧氣在其表面還原，起到生物催化劑的作用。在反應(yīng)器正常的運(yùn)行條件下，此生物電化學(xué)膜反應(yīng)器的穩(wěn)定出水濁度在0. 6-2. INTU(濁度)。對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，其特征在于，包括陽(yáng)極室O)，其上分別設(shè)有陽(yáng)極室進(jìn)水管(1)和陽(yáng)極室出水管(3)，其具有石墨棒電極 (10)，所述石墨棒電極(10)周圍設(shè)有石墨粒(11)，產(chǎn)電微生物附著生長(zhǎng)在其表面；外套于所述陽(yáng)極室( 外側(cè)的陰極室G)，其底部設(shè)有曝氣管(15)，用于向陰極室內(nèi)的好氧微生物提供氧氣；為所述曝氣管(15)供氣的空氣泵(14)；套設(shè)于所述陽(yáng)極室(2)外側(cè)的離子選擇性透過(guò)膜(7)；套設(shè)于所述陽(yáng)極室( 外側(cè)，且與所述陽(yáng)極室( 具有間隙的導(dǎo)電性分離膜(6)，其一端封閉，另一端連接有反應(yīng)器出水管(9)；與所述石墨棒電極(10)和所述導(dǎo)電性分離膜(6)串聯(lián)的外電阻(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，其特征在于，所述離子選擇性透過(guò)膜(7)為50-500g/m2的無(wú)紡布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，其特征在于，述離子選擇性透過(guò)膜(7)為經(jīng)聚四氟乙烯浸泡后，在105-370°C下烘干2-8小時(shí)制成的無(wú)紡布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，其特征在于，所述陽(yáng)極室O)、陰極室(4)和所述導(dǎo)電性分離膜(6)均為圓筒狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，其特征在于，所述導(dǎo)電性分離膜 (6)距所述陽(yáng)極室O)的距離為5-50mm，距所述陰極室(4)的距離為10-100mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，其特征在于，所述導(dǎo)電性分離膜 (6)為孔徑20-200 μ m的不銹鋼絲網(wǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，其特征在于，還包括設(shè)置于所述陰極室內(nèi)的液位傳感器(13)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，其特征在于，所述陽(yáng)極室(2)的外壁上開有小孔，孔徑為0. 5-10mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，其特征在于，所述石墨粒(11)的粒徑為3-5mm ；所述陽(yáng)極室O)的水力停留時(shí)間為0.25-5h。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，其特征在于，所述陽(yáng)極室O)的容積負(fù)荷可以選擇在0. 5-22. 6kg COD/ (m3d)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，包括陽(yáng)極室，其上分別設(shè)有進(jìn)、出水管，其內(nèi)填充石墨粒，產(chǎn)電微生物附著生長(zhǎng)在其表面，并具有石墨棒電極；外套于陽(yáng)極室外側(cè)的陰極室，其底部設(shè)有曝氣裝置，為好氧微生物提供氧氣；套設(shè)于陽(yáng)極室外側(cè)的離子選擇性透過(guò)膜；套設(shè)于陽(yáng)極室外側(cè)，且與陽(yáng)極室具有間隙的導(dǎo)電性分離膜；與石墨棒電極和導(dǎo)電性分離膜串聯(lián)的外電阻。本發(fā)明賦予了導(dǎo)電性膜分離材料的雙重功能膜過(guò)濾和陰極；廢水中有機(jī)物先經(jīng)陽(yáng)極微生物部分降解轉(zhuǎn)化為電能，然后進(jìn)入陰極室得到繼續(xù)降解，實(shí)現(xiàn)了污水得到處理的同時(shí)可以從中回收電能。此生物電化學(xué)膜反應(yīng)器同時(shí)具備了MBR和MFC的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了MFC生物量低、出水水質(zhì)差的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)C02F3/02GK102381753SQ201110288409
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者俞漢青, 王允坤, 盛國(guó)平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)