一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，該裝置包括陽極室、陰極室、設(shè)置在陽極室與陰極室之間的分隔膜、設(shè)置在陰極室的膜曝氣生物膜、與膜曝氣生物膜連接的外部供氧單元以及將陽極室與陰極室相連通的外接管路，陽極室、陰極室中分別設(shè)有生物陽極電極及生物陰極電極，并且生物陽極電極通過外接電路與生物陰極電極連接，裝置還包括電氣控制器以及污水自動補償控制單元，電氣控制器通過電路分別與外部供氧單元、污水自動補償控制單元電連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運行穩(wěn)定，高效節(jié)能，兼具污染物處理和產(chǎn)電功能，具有很好的開發(fā)運用前景。
【專利說明】
一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于污水處理技術(shù)與設(shè)備領(lǐng)域，涉及一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]面對能源危機與環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的高耗能污水處理技術(shù)難以契合可持續(xù)發(fā)展的趨勢，而微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell ,MFC)作為一種可持續(xù)的污水處理技術(shù)，可利用各種廢水中的有機物作為燃料，具有污染物處理與能源回收的雙重功能。面對如今越來越嚴(yán)重的氮素污染，人們嘗試將微生物燃料電池技術(shù)運用于含氮廢水的處理，以期實現(xiàn)同步廢水處理與能源回收的目的。由于傳統(tǒng)的脫氮需要經(jīng)歷硝化、反硝化反應(yīng)過程，而硝化反應(yīng)在好氧條件下完成，反硝化反應(yīng)需要在缺氧條件下完成，一個反應(yīng)腔體無法滿足兩種含氧條件，故常常需外置硝化反應(yīng)器，但外置硝化反應(yīng)器會帶來能耗高、反應(yīng)器構(gòu)造復(fù)雜、運行成本增大等缺點，不利于MFC用于含氮廢水處理的運用推廣。
[0003]膜曝氣生物膜反應(yīng)器(MembraneAerated B1film Reactor，MABR)是一種膜-生物處理組合工藝。在MABR中，曝氣膜組件既提供曝氣又兼做生物膜生長的載體。氣相(曝氣膜內(nèi)腔)中的氧是通過曝氣膜-生物膜的界面擴散進入生物膜內(nèi)，而液相(廢水)中的底物是從生物膜-液相界面上進入生物膜。這種氧和底物的異向傳質(zhì)導(dǎo)致生物膜具有不同活性的功能層化性，好氧微生物如硝化細(xì)菌富集在生物膜/曝氣膜介面，溶解氧從里往外逐步降低，當(dāng)供氧條件控制得當(dāng)時，反應(yīng)器處于缺氧狀態(tài)，生物膜最外層可以生長缺氧微生物如反硝化菌，這樣的分布利于在MABR的微環(huán)境實現(xiàn)同步硝化反硝化。傳統(tǒng)的機械和鼓風(fēng)曝氣方式屬于泡式供氧，僅5 % -25 %左右，而MABR中曝氣膜組件采用無泡曝氣的方式，氧利用率高且耗能低。此外，MABR還具有揮發(fā)性污染物氣提損失小、污泥發(fā)生量少以及運行管理方便等特點，是傳物、脫氮等應(yīng)用時一個引人注目的更新替代工藝。
[0004]作為厭氧處理技術(shù)之一，采用單一的MFC工藝難以系統(tǒng)進行污染物去除，且去除效率不高，若將MFC與MABR耦合，可有效改善出水水質(zhì)，實現(xiàn)高效脫氮的同時產(chǎn)生電能，在產(chǎn)電過程中利用電場的存在以及電流對微生物的刺激作用，能夠改變污泥性質(zhì)，延緩膜污染的發(fā)生。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，運行安全可靠，能實現(xiàn)自動化控制的用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置。
[0006]本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]—種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，該裝置包括陽極室、陰極室、設(shè)置在陽極室與陰極室之間的分隔膜、設(shè)置在陰極室的膜曝氣生物膜、與膜曝氣生物膜連接的外部供氧單元以及將陽極室與陰極室相連通的外接管路，所述的陽極室、陰極室中分別設(shè)有生物陽極電極及生物陰極電極，并且所述的生物陽極電極通過外接電路與生物陰極電極連接，所述的裝置還包括電氣控制器以及污水自動補償控制單元，所述的電氣控制器通過電路分別與外部供氧單元、污水自動補償控制單元電連接。
[0008]所述的污水自動補償控制單元包括與陽極室的進水口相連接的污水蓄水池、設(shè)置在陽極室中的第一浮控開關(guān)、設(shè)置在陽極室與污水蓄水池之間的第一電磁泄水閥、設(shè)置在陰極室中的第二浮控開關(guān)以及設(shè)置在陰極室與污水蓄水池之間的第二電磁泄水閥，所述的第一浮控開關(guān)、第一電磁泄水閥、第二浮控開關(guān)及第二電磁泄水閥均分別通過電路與電氣控制器電連接。
[0009]所述的污水蓄水池中的污水為含氮廢水。
[0010]所述的陽極室的出水口通過外接管路與陰極室的進水口相連通，并且所述的外接管路上設(shè)有循環(huán)栗。
[0011]所述的生物陽極電極包括陽極電極以及負(fù)載在陽極電極上的厭氧型微生物，所述的生物陰極電極包括陰極電極以及負(fù)載在陰極電極上的缺氧型微生物。
[0012]所述的厭氧微生物包括地桿菌、希瓦氏菌或紅螺菌中的一種，可降解有機物，產(chǎn)生電子。
[0013]所述的缺氧微生物包括反硝化桿菌、斯氏桿菌或螢氣極毛桿菌中的一種，可將硝酸鹽、亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣除去。
[0014]所述的陽極電極與陰極電極的電極材料為碳紙、碳布、碳?xì)?、石墨氈或石墨板中的一種。
[0015]所述的膜曝氣生物膜為平板膜，所述的分隔膜包括雙極膜、陽離子交換膜或陰離子交換膜中的一種。
[0016]所述的膜曝氣生物膜采用無泡曝氣。
[0017]所述的膜曝氣生物膜可以在保持氣體分壓低于泡點的情況下，向陰極室內(nèi)曝氣供氧，進而實現(xiàn)無泡曝氣，具有傳氧效率高、無泡沫形成、能耗低等優(yōu)點。
[0018]所述的膜曝氣生物膜上附著生長好氧硝化菌形成生物膜，在膜曝氣生物膜表面可實現(xiàn)氨氮的硝化反應(yīng)，生成硝酸鹽和亞硝酸鹽。
[0019]所述的膜曝氣生物膜在使用過程中，需控制曝氧量，使膜內(nèi)表面形成好氧狀態(tài)，進而形成好氧硝化菌層，而陰極室內(nèi)仍舊維持缺氧狀態(tài)。
[0020]所述的外部供氧單元包括依次與膜曝氣生物膜連接的壓力表、氣流調(diào)節(jié)閥以及空氣壓縮機。
[0021]所述的壓力表可實時測量膜曝氣生物膜的跨膜壓差，實時監(jiān)控膜曝氣生物膜的膜污染程度。
[0022]所述的外接電路為設(shè)有可調(diào)電阻的外接電路，并且所述的可調(diào)電阻的兩端連接有電壓數(shù)據(jù)采集器，該電壓數(shù)據(jù)采集器用于裝置的產(chǎn)電情況。
[0023]所述的陽極室、陰極室的壁面均為弧形面，無死角，解決了傳統(tǒng)微生物燃料電池內(nèi)部不易清洗及清洗不凈的問題。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下特點:
[0025]I)以含氮廢水為燃料產(chǎn)生電能，有效回收含氮廢水中蘊含的能量，將硝化反硝化與微生物燃料電池技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)同步脫氮和生物產(chǎn)電，陽極室為厭氧反應(yīng)區(qū)，陰極室為缺氧反應(yīng)區(qū)，膜曝氣生物膜上形成好氧硝化菌，陽極室內(nèi)廢水中的有機污染物被氧化、有機氮被轉(zhuǎn)化為氨氮，陽極出水進入陰極，氨氮流經(jīng)陰極內(nèi)置的膜曝氣生物膜組件進行硝化反應(yīng)，生成亞硝酸鹽和硝酸鹽，被陰極生物膜利用降解實現(xiàn)脫氮；
[0026]2)微生物燃料電池系統(tǒng)形成閉合回路，回收電能的同時將產(chǎn)生的電流強化生物反硝化過程和去除有機污染物的能力，對低、中、高濃度的含氮廢水均具有較好的適應(yīng)性，處理效果好，性能高效穩(wěn)定；
[0027]3)膜曝氣生物膜采用的是無泡曝氣的方式，氧氣利用率高、能量消耗低、揮發(fā)性污染物氣提損失小、污泥發(fā)生量少且運行管理方便；
[0028]4)膜曝氣生物膜采用平板膜代替普通的中空纖維膜絲，相比于中空纖維膜絲，平板膜的有效膜面積更大，壽命更長，運行費用低，也更不容易纏繞，更換清洗也更為方便，且其良好的機械強度和運行穩(wěn)定性使得它絕對不會發(fā)生斷絲現(xiàn)象；
[0029]5)在膜曝氣生物膜的微環(huán)境中進行同步硝化反硝化的同時，將膜曝氣生物膜內(nèi)置于陰極室中，從而將膜曝氣生物膜與微生物燃料電池有機地結(jié)合在一起，整體設(shè)計更加簡便，有效降低池體體積、減少裝置的構(gòu)建費用、減小占地面積、方便管理；
[0030]6)將膜曝氣生物膜與微生物燃料電池反應(yīng)器耦合，在產(chǎn)電過程中利用電場的存在以及電流對微生物的刺激作用，延緩膜曝氣生物膜污染的發(fā)生。
【附圖說明】
[0031]圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)不意圖；
[0032]圖中標(biāo)記說明:
[0033]! 一陽極室、2 一陰極室、3 一分隔膜、4 一膜曝氣生物膜、5—外接管路、6—生物陽極電極、7—生物陰極電極、8—外接電路、9一污水蓄水池、1—第一浮控開關(guān)、11 一第一電磁泄水閥、12—第二浮控開關(guān)、13—第二電磁泄水閥、14 一循環(huán)栗、15—壓力表、16—氣流調(diào)節(jié)閥、17—空氣壓縮機、18—可調(diào)電阻、19 一陽極室的進水口、20—陽極室的出水口、21—陰極室的進水口、22—陰極室的出水口。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細(xì)說明。
[0035]實施例1:
[0036]如圖1所示，一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，該裝置包括陽極室1、陰極室2、設(shè)置在陽極室I與陰極室2之間的分隔膜3、設(shè)置在陰極室2的膜曝氣生物膜
4、與膜曝氣生物膜4連接的外部供氧單元以及將陽極室I與陰極室2相連通的外接管路5，陽極室1、陰極室2中分別設(shè)有生物陽極電極6及生物陰極電極7，并且生物陽極電極6通過外接電路8與生物陰極電極7連接，裝置還包括電氣控制器以及污水自動補償控制單元，電氣控制器通過電路分別與外部供氧單元、污水自動補償控制單元電連接。外部供氧單元包括依次與膜曝氣生物膜4連接的壓力表15、氣流調(diào)節(jié)閥16以及空氣壓縮機17。外接電路8為設(shè)有可調(diào)電阻18的外接電路8，并且可調(diào)電阻18的兩端連接有電壓數(shù)據(jù)采集器。陽極室1、陰極室2的壁面均為弧形面。
[0037]其中，污水自動補償控制單元包括與陽極室的進水口19相連接的污水蓄水池9、設(shè)置在陽極室I中的第一浮控開關(guān)10、設(shè)置在陽極室I與污水蓄水池9之間的第一電磁泄水閥
11、設(shè)置在陰極室2中的第二浮控開關(guān)12以及設(shè)置在陰極室2與污水蓄水池9之間的第二電磁泄水閥13，第一浮控開關(guān)10、第一電磁泄水閥11、第二浮控開關(guān)12及第二電磁泄水閥13均分別通過電路與電氣控制器電連接。
[0038]陽極室的出水口20通過外接管路5與陰極室的進水口 21相連通，并且外接管路5上設(shè)有循環(huán)栗14，該循環(huán)栗14用于將陽極室I出水引至陰極室2進行硝化反硝化脫氮，脫氮后的水體直接由陰極室的出水口 22排出。
[0039]生物陽極電極6包括陽極電極以及負(fù)載在陽極電極上的厭氧型微生物，該厭氧微生物為地桿菌;生物陰極電極7包括陰極電極以及負(fù)載在陰極電極上的缺氧型微生物，該缺氧微生物為反硝化桿菌。
[0040]污水自動補償控制單元的工作過程為(以陽極室I為例):陽極室I中污水的水位通過第一浮控開關(guān)10進行控制，當(dāng)污水的水位超過陽極室I的最高水位值時，第一浮控開關(guān)10將水位信號傳遞至電氣控制器，電氣控制器根據(jù)接收的水位信號控制第一電磁泄水閥11開啟，及時將陽極室I中多余的污水排出，直至污水的水位低于既定最高值;而當(dāng)污水的水位低于陽極室I的最低水位值時，第一浮控開關(guān)10將水位信號傳遞至電氣控制器，電氣控制器根據(jù)接收的水位信號控制第一電磁泄水閥11關(guān)閉，通過污水蓄水池9向陽極室I中補給污水，使得陽極室I中污水的水位控制在設(shè)定值以內(nèi)，保證裝置的正常安全運行。
[0041]陰極室2的污水自動補償過程與陽極室I基本相同。
[0042]本實施例中，陽極電極的電極材料為碳布，陰極電極的電極材料為碳?xì)?，膜曝氣生物?為平板膜，分隔膜3為陽離子交換膜。
[0043]在實際使用時，注入陽極室I的廢水(即陽極液)為含有有機物和氨氮的廢水，pH為7.5-8.5,溶解氧濃度約為0.3mg/L，而陽極室I的流出液作為陰極液導(dǎo)入至陰極室2，其含有硝酸鹽和亞硝酸鹽，pH為6.5-7.5。
[0044]在實際設(shè)計時，陽極室1、陰極室2、陽極進水管、陰極進水管、陽極出水管、陰極出水管均采用有機玻璃制成。陽極室I和陰極室2整體設(shè)計為圓柱形反應(yīng)腔室，直徑為20cm，高為15cm，總?cè)莘e約為4.7L，設(shè)置質(zhì)分隔膜3將反應(yīng)腔體分隔為容積完全相同的陰陽兩極室。
[0045]本實施例中，外接電路8為閉合外電路，將可調(diào)電阻18大小設(shè)置為1000Ω。
[0046]含氮廢水通過陽極進水管進入陽極室I，陽極室I內(nèi)的物陽極電極6上附著大量厭氧產(chǎn)電微生物，廢水流經(jīng)陽極室I時，厭氧產(chǎn)電微生物會消耗降解有機質(zhì)產(chǎn)生質(zhì)子和電子，同時將有機氮轉(zhuǎn)化為氨氮，質(zhì)子通過分隔膜3進入陰極室2，電子由陽極導(dǎo)線流出，經(jīng)外接電路8流向陰極導(dǎo)線，并進入生物陰極電極7，陽極室I流出液通過陽極出水管流出，接著從陰極進水管進入陰極室2流經(jīng)陰極內(nèi)置的膜曝氣生物膜4進行硝化反應(yīng)，產(chǎn)生的硝氮、亞硝氮在生物陰極處作為電子受體接收電子，發(fā)生反硝化反應(yīng)生成氮氣除去。
[0047]采用本實施例裝置來處置高濃度含氮廢水，廢水的COD為1000mg/L左右，總氮濃度為200mg/L左右，反應(yīng)溫度控制為25°C附近，可調(diào)電阻18大小設(shè)置為1000 Ω，裝置最高輸出電壓可達(dá)到0.70V，連續(xù)運行250小時，COD降解率及系統(tǒng)脫氮率分別可達(dá)到53%和86%左右。由此可見，本實施例裝置能在達(dá)到較高的COD及總氮去除率的同時實現(xiàn)良好的產(chǎn)電效果O
[0048]實施例2:
[0049]本實施例中，厭氧微生物采用希瓦氏菌，缺氧微生物采用斯氏桿菌，分隔膜3為雙極膜，陽極電極的電極材料為石墨氈，陰極電極的電極材料為石墨板。廢水的COD為100mg/L左右，總氮濃度為100mg/L左右，供氧壓力0.1MPa，其余同實施例1。
[0050]實施例3:
[0051]本實施例中，厭氧微生物采用紅螺菌，缺氧微生物采用螢氣極毛桿菌，分隔膜3為陰離子交換膜，陽極電極的電極材料為碳紙，陰極電極的電極材料為碳布。廢水的COD為1000mg/L左右，總氮濃度為500mg/L左右，供氧壓力0.1MPa，其余同實施例1。
[0052]實施例4:
[0053]本實施例中，厭氧微生物采用地桿菌，缺氧微生物采用螢氣極毛桿菌，分隔膜3為超濾膜，陽極電極與陰極電極的電極材料為石墨氈。廢水的COD為1000mg/L左右，總氮濃度為200mg/L左右，供氧壓力0.05MPa。其余同實施例1。
[0054]實施例5:
[0055]本實施例中，厭氧微生物采用地桿菌，缺氧微生物采用斯氏桿菌，分隔膜3為微濾膜，陽極電極與陰極電極的電極材料為石墨板。廢水的COD為1000mg/L左右，總氮濃度為200mg/L左右，供氧壓力0.15MPa。其余同實施例1。
[0056]實施例6:
[0057]本實施例中，厭氧微生物采用紅螺菌，缺氧微生物采用斯氏桿菌，分隔膜3為陽離子交換膜，陽極電極與陰極電極的電極材料為碳?xì)?。廢水的COD為1000mg/L左右，總氮濃度為300mg/L左右，供氧壓力0.12MPa。其余同實施例1。
[0058]上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用實用新型。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本實用新型不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型的揭示，不脫離本實用新型范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，該裝置包括陽極室(I)、陰極室(2)、設(shè)置在陽極室(I)與陰極室(2)之間的分隔膜(3)、設(shè)置在陰極室(2)的膜曝氣生物膜(4)、與膜曝氣生物膜(4)連接的外部供氧單元以及將陽極室(I)與陰極室(2)相連通的外接管路(5)，所述的陽極室(1)、陰極室(2)中分別設(shè)有生物陽極電極(6)及生物陰極電極(7)，并且所述的生物陽極電極(6)通過外接電路(8)與生物陰極電極(7)連接，其特征在于，所述的裝置還包括電氣控制器以及污水自動補償控制單元，所述的電氣控制器通過電路分別與外部供氧單元、污水自動補償控制單元電連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，其特征在于，所述的污水自動補償控制單元包括與陽極室的進水口(19)相連接的污水蓄水池(9)、設(shè)置在陽極室(I)中的第一浮控開關(guān)(10)、設(shè)置在陽極室(I)與污水蓄水池(9)之間的第一電磁泄水閥(11)、設(shè)置在陰極室(2)中的第二浮控開關(guān)(12)以及設(shè)置在陰極室(2)與污水蓄水池(9)之間的第二電磁泄水閥(13)，所述的第一浮控開關(guān)(1)、第一電磁泄水閥(11)、第二浮控開關(guān)(12)及第二電磁泄水閥(13)均分別通過電路與電氣控制器電連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，其特征在于，所述的陽極室的出水口(20)通過外接管路(5)與陰極室的進水口(21)相連通，并且所述的外接管路(5)上設(shè)有循環(huán)栗(14)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，其特征在于，所述的生物陽極電極(6)包括陽極電極以及負(fù)載在陽極電極上的厭氧型微生物，所述的生物陰極電極(7)包括陰極電極以及負(fù)載在陰極電極上的缺氧型微生物。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，其特征在于，所述的陽極電極與陰極電極的電極材料為碳紙、碳布、碳租、石墨租或石墨板中的一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，其特征在于，所述的膜曝氣生物膜(4)為平板膜，所述的分隔膜(3)包括雙極膜、陽離子交換膜或陰離子交換膜中的一種。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，其特征在于，所述的外部供氧單元包括依次與膜曝氣生物膜(4)連接的壓力表(15)、氣流調(diào)節(jié)閥(16)以及空氣壓縮機(17)。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，其特征在于，所述的外接電路(8)為設(shè)有可調(diào)電阻(18)的外接電路(8)，并且所述的可調(diào)電阻(18)的兩端連接有電壓數(shù)據(jù)采集器。9.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的一種用于污水處理的膜曝氣生物膜與電化學(xué)耦合裝置，其特征在于，所述的陽極室(I)、陰極室(2)的壁面均為弧形面。
【文檔編號】C02F3/30GK205527999SQ201620167029
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月4日
【發(fā)明人】王榮昌, 周欣逸, 李樂雪, 姚佳斌, 王學(xué)昊
【申請人】同濟大學(xué)