申請(qǐng)日2016.05.27

　　公開(公告)日2016.08.17

　　IPC分類號(hào)C02F3/30

　　摘要

　　基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法，涉及污水處理。處理裝置設(shè)有陽(yáng)極室、陰極室和曝氣裝置，陽(yáng)極室設(shè)有溫度計(jì)、攪拌裝置和陽(yáng)極，陰極室設(shè)有曝氣頭和陰極。原水進(jìn)入?yún)捬?#8209;陽(yáng)極池和好氧‑陰極池，厭氧‑陽(yáng)極池底部排泥;好氧‑陰極池內(nèi)部裝有穿孔曝氣管，底部排泥;厭氧‑陽(yáng)極池和好氧‑陰極池中放置動(dòng)態(tài)膜組件，通過恒流泵將厭氧‑陽(yáng)極池中的污水通過動(dòng)態(tài)膜組件的出水口抽至好氧‑陰極池中;將好氧‑陰極池中的污水用恒流泵將動(dòng)態(tài)膜組件的出水口抽回至厭氧‑陽(yáng)極池，以形成厭氧‑陽(yáng)極池和好氧‑陰極池中污水在時(shí)間和空間上同時(shí)連續(xù)循環(huán)處理，完成對(duì)污水的處理過程;通過恒流泵控制進(jìn)水流速和循環(huán)流速，出水達(dá)標(biāo)后排放。

　　摘要附圖

 

　　權(quán)利要求書

　　1.基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理裝置，其特征在于設(shè)有陽(yáng)極室、陰極室和曝氣裝置，所述陽(yáng)極室和陰極室通過陽(yáng)離子交換膜分隔開，陽(yáng)極室設(shè)有陽(yáng)極加液口、溫度計(jì)、攪拌裝置和陽(yáng)極，陰極室設(shè)有陰極加液口、曝氣裝置的曝氣頭和陰極，陽(yáng)極和陰極通過外電路連接，外電路設(shè)有負(fù)載電阻和電路開關(guān);陽(yáng)極室加入?yún)捬鮿?dòng)態(tài)膜組件，陰極室加入好氧膜組件，通過恒流泵構(gòu)成循環(huán)體系。

　　2.如權(quán)利要求1所述基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理裝置，其特征在于所述陽(yáng)極和陰極的材料選自石墨棒、碳紙、碳布、石墨氈、不銹鋼網(wǎng)中的一種。

　　3.如權(quán)利要求2所述基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理裝置，其特征在于所述陽(yáng)極和陰極的材料為石墨氈;所述石墨氈是指經(jīng)過預(yù)處理的石墨氈，所述預(yù)處理的方法為將石墨氈置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的雙氧水溶液中，在溫度為90℃條件下水浴煮2h，接著用去離子水在同一溫度下水浴煮2h，再用烘箱烘干。

　　4.如權(quán)利要求1所述基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理裝置，其特征在于所述厭氧動(dòng)態(tài)膜組件的材料選自滌綸短纖、滌綸長(zhǎng)纖、維綸、丙綸常見工業(yè)濾布作為動(dòng)態(tài)膜基材;所述好氧膜組件的材料選自滌綸短纖、滌綸長(zhǎng)纖、維綸、丙綸常見工業(yè)濾布作為動(dòng)態(tài)膜基材。

　　5.基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于包括以下步驟：

　　1)原水經(jīng)調(diào)節(jié)池首先進(jìn)入微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧循環(huán)一體化反應(yīng)體系的厭氧-陽(yáng)極池和好氧-陰極池，厭氧-陽(yáng)極池內(nèi)置加熱與攪拌裝置，厭氧-陽(yáng)極池底部排泥;好氧-陰極池在溫度為10～35℃條件下運(yùn)行，內(nèi)部裝有穿孔曝氣管，由外部的空氣壓縮機(jī)鼓風(fēng)曝氣，以轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量，好氧-陰極池中溶解氧DO≥2mg/L，底部排泥;

　　2)厭氧-陽(yáng)極池和好氧-陰極池中放置由工業(yè)濾布制成的動(dòng)態(tài)膜組件，通過恒流泵將厭氧-陽(yáng)極池中的污水通過動(dòng)態(tài)膜組件的出水口抽至好氧-陰極池中;同時(shí)，將好氧-陰極池中的污水用恒流泵將動(dòng)態(tài)膜組件的出水口抽回至厭氧-陽(yáng)極池，以形成厭氧-陽(yáng)極池和好氧-陰極池中污水在時(shí)間和空間上同時(shí)連續(xù)循環(huán)處理，完成對(duì)污水的處理過程;

　　3)根據(jù)廢水水質(zhì)類型、處理水量和有機(jī)負(fù)荷，通過恒流泵控制進(jìn)水流速和循環(huán)流速，使得廢水在厭氧-陽(yáng)極池和好氧-陰極池中通過微生物燃料電池技術(shù)的動(dòng)態(tài)膜進(jìn)行循環(huán)處理而完成厭氧和好氧微生物的降解，出水達(dá)標(biāo)后排放。

　　6.如權(quán)利要求5所述基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于在步驟1)中，所述加熱的溫度為15～35℃，攪拌的速度為60～200r/min。

　　7.如權(quán)利要求5所述基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于在步驟1)中，所述穿孔曝氣管采用砂芯曝氣頭，由空氣壓縮機(jī)鼓風(fēng)曝氣;所述曝氣量可為0.5～5L/min。

　　8.如權(quán)利要求5所述基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于在步驟1)中，所述溶解氧DO為2～6mg/L。

　　9.如權(quán)利要求5所述基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于在步驟2)中，所述工業(yè)濾布選自滌綸短纖、滌綸長(zhǎng)纖、維綸、丙綸中的至少一種。

　　10.如權(quán)利要求5所述基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于在步驟3)中，所述循環(huán)流速為5～500mL/min。

　　說明書

　　基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及污水處理，具體是涉及一種基于基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法。

　　背景技術(shù)

　　隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，印染、化工、食品、造紙等行業(yè)的排放的工業(yè)廢水成為污水處理領(lǐng)域亟需解決的難題之一。近年來廢水生物處理技術(shù)已由傳統(tǒng)單一的厭氧法、好氧法轉(zhuǎn)向厭氧-好氧聯(lián)合處理方法，但是存在剩余污泥量大、能耗高、占地面積大等問題。膜-生物反應(yīng)器技術(shù)(MBR)是將膜分離技術(shù)與廢水生物處理技術(shù)組合而成的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)以膜分離技術(shù)替代二級(jí)生物處理工藝中的二沉池，具有工藝流程簡(jiǎn)單、占地少、管理方便、處理效率高、出水可直接回用等特點(diǎn)。然而，膜污染是制約膜-生物反應(yīng)器在污水處理中廣泛應(yīng)用的主要瓶頸，研究表明，傳統(tǒng)的膜-生物反應(yīng)器中存在活性污泥等微生物的附著是造成膜污染、影響膜通量的重要因素之一。因此，改進(jìn)膜-生物反應(yīng)器中微生物的存在形式，減輕其對(duì)膜污染的影響勢(shì)在必行。公開號(hào)為CN01016185A、CN1974439A、CN01100333A的發(fā)明專利分別采用采取填料表明附著工程菌或酶形式，或采用顆粒污泥的形式使得膜-生物反應(yīng)器中的微生物不再以懸浮狀態(tài)存在，從而減輕對(duì)膜通量的影響。然而，利用填料表面附著微生物的方式改進(jìn)存在著不利于特種微生物的生長(zhǎng)、微生物濃度低、去污能力差等缺點(diǎn);利用顆粒污泥進(jìn)行改進(jìn)存在顆粒污泥容易破碎、導(dǎo)致堵塞膜孔、顆粒污泥自身形成的群落結(jié)構(gòu)難以人工控制微生物群落穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

　　盡管上述專利對(duì)生物處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)，但是MBR工藝在大型污水處理中應(yīng)用的實(shí)例不多。造成這種現(xiàn)狀的原因主要是：膜組件的成本過高，運(yùn)行過程動(dòng)力消耗過高，造成運(yùn)行費(fèi)用很高，在膜的運(yùn)行過程中懸浮污染物在壓力的作用下被截留或吸附在膜表面，造成膜的污染，出水通量的衰減問題難以解決。通常的膜過濾過程中，溶液中的膠體和懸浮顆粒在過濾壓力的作用下被截留或吸附在膜表面，造成了膜通量的下降，這一現(xiàn)象稱為膜污染。但從另外一個(gè)角度看，膜表面的污染層增強(qiáng)了膜的截留能力，使微濾膜可以截留病毒甚至小分子有機(jī)物，就好像在原有的膜之上又增加了一層膜。由于這層膜是在過濾過程中形成的，其組成及厚度都可能隨時(shí)間及生物反應(yīng)器運(yùn)行等條件的變化而變化，故一些研究者稱之為動(dòng)態(tài)膜或次生膜。相應(yīng)地，將這種稱為動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器。動(dòng)態(tài)膜的出現(xiàn)很好地解決了上述MBR的兩大難題，因?yàn)橛捎诙嗫椎啄ず皖A(yù)涂劑的選材廣泛和價(jià)廉易得，使得動(dòng)態(tài)膜的造價(jià)較之傳統(tǒng)的MBR有很大幅度的下降。另外，由于多孔底膜即膜基質(zhì)的通量本身就很大，在膜污染嚴(yán)重的情況下還可以將膜基質(zhì)表面的動(dòng)態(tài)膜去除以后再重新預(yù)涂或自生，從而有效地控制膜污染。而且動(dòng)態(tài)膜還具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易、處理效果較好等其他優(yōu)點(diǎn)，因此，動(dòng)態(tài)膜技術(shù)已廣泛地引起了人們的研究和關(guān)注。然而，廢水中存在的一些難降解的有機(jī)物難以被微生物完全降解，近年來，學(xué)者通過光催化、電化學(xué)、電芬頓等方式對(duì)廢水污染物進(jìn)一步去除，雖取得了較為明顯的效果，但成本高、剩余污泥多等缺點(diǎn)限制了這些技術(shù)的工程應(yīng)用。近來年發(fā)展起來的微生物燃料電池技術(shù)(Microbial fuel cells，MFC)是充分把廢水中能量與電化學(xué)相結(jié)合的一個(gè)新技術(shù)，微生物燃料電池技術(shù)是一種將有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，它能從廣泛的有機(jī)廢水中獲取電能，同時(shí)完成廢水處理，迅速成為新概念廢水處理熱點(diǎn)，其中MFC技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的驗(yàn)證，其中MFC的陽(yáng)極不僅可利用簡(jiǎn)單的純化合物產(chǎn)電，而且可從復(fù)雜的有機(jī)廢水中直接獲取電能，同時(shí)完成廢水處理。目前以復(fù)雜有機(jī)物作為微生物燃料電池電子供體產(chǎn)電的研究已屢見不鮮，利用微生物燃料電池生物陰極進(jìn)行好氧生物處理也得到了廣泛報(bào)導(dǎo)。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有對(duì)污水處理中所存在的效率不高、設(shè)備占地面積大、投資成本高等問題，提供一種基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理裝置。

　　本發(fā)明的另一目的在于提供基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法。

　　所述基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理裝置設(shè)有陽(yáng)極室、陰極室和曝氣裝置，所述陽(yáng)極室和陰極室通過陽(yáng)離子交換膜分隔開，陽(yáng)極室設(shè)有陽(yáng)極加液口、溫度計(jì)、攪拌裝置和陽(yáng)極，陰極室設(shè)有陰極加液口、曝氣裝置的曝氣頭和陰極，陽(yáng)極和陰極通過外電路連接，外電路設(shè)有負(fù)載電阻和電路開關(guān);陽(yáng)極室加入?yún)捬鮿?dòng)態(tài)膜組件，陰極室加入好氧膜組件，通過恒流泵構(gòu)成循環(huán)體系。

　　所述陽(yáng)極和陰極的材料可選自石墨棒、碳紙、碳布、石墨氈、不銹鋼網(wǎng)等中的一種，優(yōu)選石墨氈;所述石墨氈是指經(jīng)過預(yù)處理的石墨氈，所述預(yù)處理方法為將石墨氈置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的雙氧水溶液中，在溫度為90℃條件下水浴煮2h，接著用去離子水在同一溫度下水浴煮2h，再用烘箱烘干。

　　所述厭氧動(dòng)態(tài)膜組件的材料可選自滌綸短纖、滌綸長(zhǎng)纖、維綸、丙綸等常見工業(yè)濾布作為動(dòng)態(tài)膜基材，優(yōu)選具有良好過濾性能的丙綸單復(fù)絲4518工業(yè)濾布作為動(dòng)態(tài)膜基材。

　　所述好氧膜組件的材料可選自滌綸短纖、滌綸長(zhǎng)纖、維綸、丙綸等常見工業(yè)濾布作為動(dòng)態(tài)膜基材，優(yōu)選具有良好過濾性能的丙綸單復(fù)絲4518工業(yè)濾布作為動(dòng)態(tài)膜基材。

　　所述負(fù)載電阻的電阻值優(yōu)選50～1000Ω。

　　所述基于微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧污水處理方法，包括以下步驟：

　　1)原水經(jīng)調(diào)節(jié)池首先進(jìn)入微生物燃料電池的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧循環(huán)一體化反應(yīng)體系的厭氧-陽(yáng)極池和好氧-陰極池，厭氧-陽(yáng)極池內(nèi)置加熱與攪拌裝置，厭氧-陽(yáng)極池底部排泥;好氧-陰極池在溫度為10～35℃條件下運(yùn)行，內(nèi)部裝有穿孔曝氣管，由外部的空氣壓縮機(jī)鼓風(fēng)曝氣，以轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量，好氧-陰極池中溶解氧DO≥2mg/L，底部排泥;

　　2)厭氧-陽(yáng)極池和好氧-陰極池中放置由工業(yè)濾布制成的動(dòng)態(tài)膜組件，通過恒流泵將厭氧-陽(yáng)極池中的污水通過動(dòng)態(tài)膜組件的出水口抽至好氧-陰極池中;同時(shí)，將好氧-陰極池中的污水用恒流泵將動(dòng)態(tài)膜組件的出水口抽回至厭氧-陽(yáng)極池，以形成厭氧-陽(yáng)極池和好氧-陰極池中污水在時(shí)間和空間上同時(shí)連續(xù)循環(huán)處理，完成對(duì)污水的處理過程;

　　3)根據(jù)廢水水質(zhì)類型、處理水量和有機(jī)負(fù)荷，通過恒流泵控制進(jìn)水流速和循環(huán)流速，使得廢水在厭氧-陽(yáng)極池和好氧-陰極池中通過微生物燃料電池技術(shù)的動(dòng)態(tài)膜進(jìn)行循環(huán)處理而完成厭氧和好氧微生物的降解，出水達(dá)標(biāo)后排放。

　　在步驟1)中，所述加熱的溫度可為15～35℃，攪拌的速度可為60～200r/min;所述穿孔曝氣管可采用砂芯曝氣頭，由空氣壓縮機(jī)鼓風(fēng)曝氣;所述曝氣量可為0.5～5L/min;所述溶解氧DO可為2～6mg/L。

　　在步驟2)中，所述工業(yè)濾布可選自滌綸短纖、滌綸長(zhǎng)纖、維綸、丙綸等中的至少一種。

　　在步驟3)中，所述循環(huán)流速可為5～500mL/min。

　　微生物燃料電池技術(shù)的動(dòng)態(tài)膜厭氧-好氧循環(huán)一體化的作用及功能如下：

　　1)動(dòng)態(tài)膜解決了MBR膜的高成本和膜污染難題：傳統(tǒng)的膜組件的成本高，運(yùn)行過程動(dòng)力消耗大，造成運(yùn)行費(fèi)用高。在膜的運(yùn)行過程中懸浮污染物在壓力的作用下被截留或吸附在膜表面，造成膜的污染。而動(dòng)態(tài)膜由多孔底膜和預(yù)涂劑的選材廣泛和價(jià)廉易得，使得其成本和造價(jià)較之傳統(tǒng)的MBR有很大幅度的下降。多孔底膜即膜基質(zhì)的通量本身較大，在膜污染嚴(yán)重的情況下還可以將膜基質(zhì)表面的動(dòng)態(tài)膜去除以后再重新預(yù)涂或自生，從而有效地控制膜污染。

　　2)用動(dòng)態(tài)膜取代傳統(tǒng)的膜組件，它將膜分離技術(shù)和生物反應(yīng)過程有機(jī)結(jié)合，以膜技術(shù)的高效分離作用取代傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝所無法比擬的泥水分離和污泥濃縮效果，消除了污泥膨脹的影響。它還大幅度提高了曝氣池中活性污泥的濃度，省卻了污泥回流系統(tǒng)，大大延長(zhǎng)了泥齡，減少了剩余污泥量，并通過膜對(duì)廢水中SS、有機(jī)物、病原菌和病毒的高效截留作用，大大提高了處理出水水質(zhì)。

　　3)通過動(dòng)態(tài)膜中液體的循環(huán)將厭氧池中產(chǎn)生的揮發(fā)性酸等中間產(chǎn)物在對(duì)厭氧微生物產(chǎn)生抑制之前及時(shí)地被轉(zhuǎn)移到好氧池中而被氧化分解，同時(shí)，未及時(shí)被水解酸化的大分子污染物又能在經(jīng)過好氧池后及時(shí)循環(huán)回厭氧池進(jìn)一步地降解。發(fā)揮厭氧和好氧微生物體各自優(yōu)勢(shì)。

　　4)通過與微生物燃料電池技術(shù)相結(jié)合有效地實(shí)現(xiàn)廢水資源化，陰極采用曝氣的方式，一方面用于提供微生物降解污染物所需的氧氣，另一方面剩余的O2可作為電子受體來實(shí)現(xiàn)微生物燃料電池的產(chǎn)電。應(yīng)用于實(shí)際廢水好氧處理過程，可提高氧氣的利用率，從而節(jié)約能源。

　　5)通過循環(huán)工藝，有效解決了廢水中難降解的有機(jī)物難以厭氧礦化完全的缺點(diǎn)，經(jīng)厭氧-陽(yáng)極室染料脫色后水的廢水流經(jīng)好氧-陰極室進(jìn)一步降解;同時(shí)，好氧-陰極室的小分子有機(jī)物又循環(huán)至厭氧-陽(yáng)極室進(jìn)一步被產(chǎn)電微生物利用，提高電池的產(chǎn)電性。