申請(qǐng)日2013.10.14

　　公開(公告)日2014.01.08

　　IPC分類號(hào)H01M8/16; C02F3/30

　　摘要

　　本發(fā)明涉及一種生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置和方法。采用石墨材質(zhì)填料作為陽極，通過石墨棒與外電路相連;陰極室中膜分離組件既充當(dāng)MBR中膜分離組件又是MFC中陰極電極，在膜分離組件上鑲有導(dǎo)電石墨棒與外電路相連。陰陽極室被分隔膜分離，有效阻礙陰極室溶解氧擴(kuò)散至陽極室，允許質(zhì)子自由擴(kuò)散。當(dāng)有機(jī)污水從陽極室進(jìn)入，陽極室厭氧條件下被產(chǎn)電微生物氧化產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子通過微生物傳遞到石墨填料電極，繼而通過電路傳遞到陰極;質(zhì)子則在陰陽極室電勢差和擴(kuò)散作用下通過分隔膜進(jìn)入陰極室，繼而與氧氣及外電路傳遞而來的電子反應(yīng)生成水形成內(nèi)電路。污水繼而通過連通管進(jìn)入陰極室，通過膜分離組件抽吸出水。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置，由進(jìn)水管、出水管、陽極室、陰極室、連通管、外電路和分隔膜組成，其特征在于：陽極室一側(cè)設(shè)有進(jìn)水管，陰極室設(shè)有出水管，陽極室內(nèi)填充石墨材質(zhì)填料，所述石墨材質(zhì)填料內(nèi)設(shè)有陽極碳棒，陰極室包括膜分離組件和曝氣管，所述膜分離組件同時(shí)充當(dāng)陰極電極，膜分離組件上固定陰極碳棒，通過陰極碳棒與外電路相連;曝氣管位于膜分離組件正下方，曝氣既提供微生物生長所需氧氣又提供膜區(qū)攪拌錯(cuò)流速率防止膜污染，同時(shí)還為陰極提供最終電子受體氧氣;陽極室與陰極室通過分隔膜隔開，所述分隔膜允許陰極室和陽極室之間的離子通過，阻隔大量溶氧通過;在陰極室和陽極室之間固定有連通管，使進(jìn)水從陽極室流入陰極室。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置，其特征在于所述石墨材質(zhì)填料為石墨刷、石墨氈、石墨棒或石墨顆粒中任一種。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置，其特征在于所述膜分離組件為不銹鋼絲網(wǎng)，孔徑為250目~500目。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置，其特征在于所述曝氣管為穿孔曝氣或微孔曝氣。

　　5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置，其特征在于分隔膜為質(zhì)子交換膜、離子交換膜、微濾膜或超濾膜等中任一種。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置，其特征在于所述連通管為有機(jī)玻璃或PVC管。

　　7.一種如權(quán)利要求1所述生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置的使用方法，其特征在于具體步驟如下：

　　有機(jī)污水或有機(jī)廢水通過進(jìn)水管進(jìn)入陽極室，部分有機(jī)物在陽極室被產(chǎn)電微生物氧化分解，同時(shí)產(chǎn)生電子和質(zhì)子;電子通過產(chǎn)電微生物傳遞給石墨材質(zhì)填料，繼而傳遞到埋在石墨材質(zhì)填料中的陽極碳棒，從而通過外電路傳遞到陰極電極及膜分離組件，產(chǎn)生電能;質(zhì)子在陰極室和陽極室電勢差和擴(kuò)散作用下，通過分隔膜進(jìn)入陰極室;質(zhì)子、外電路傳遞到陰極的電子和陰極室內(nèi)溶氧反應(yīng)生成水，整個(gè)電池形成回路;剩余有機(jī)物和氨氮通過連通管進(jìn)入陰極室，在陰極室好氧條件下被生物氧化分解和硝化而去除，最終通過膜分離組件抽吸出水;隨著反應(yīng)的進(jìn)行，污泥層和凝膠層吸附于膜表面形成動(dòng)態(tài)膜，有效減小膜孔徑，提高出水水質(zhì);其中：

　　陽極室控制厭氧，水力停留時(shí)間為15~60 min;陰極室：水力停留時(shí)間為3~12 h;曝氣強(qiáng)度60~120 m3/(m2·h);膜通量為10~40 L/( m2·h);泥齡35~70 d。

　　說明書

　　一種生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置和方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置和方法，屬于污(廢)水處理技術(shù)領(lǐng)域。

　　背景技術(shù)

　　膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor, 以下簡稱MBR)是一種新型高效的水處理技術(shù)。是將膜分離組件直接浸沒于反應(yīng)器內(nèi)，通過泵抽吸出水。由于膜的高效分離性能，使其與傳統(tǒng)活性污泥污水處理工藝相比，具有占地面積小、容積負(fù)荷高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是具有發(fā)展前景的污水處理與回用技術(shù)之一。然而，MBR在實(shí)際推廣應(yīng)用過程中不甚理想。究其原因，主要存在以下3個(gè)問題：(1)運(yùn)行能耗較高，目前好氧MBR運(yùn)行能耗高于傳統(tǒng)活性污泥法，致使運(yùn)行費(fèi)用較高;(2)膜材料較貴，目前實(shí)際工程中所使用的膜分離組件價(jià)格較貴，致使MBR工藝投資較高;(3)膜污染問題，現(xiàn)行工程中膜污染控制不易，致使膜性能下降。

　　微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, 以下簡稱MFC)是一種利用微生物作為催化劑氧化有機(jī)物產(chǎn)生電能的裝置。由于其能在處理有機(jī)污染物的同時(shí)回收電能，被視作最具有發(fā)展前景的技術(shù)之一。同時(shí)MFC還具有：(1)反應(yīng)條件溫和，能在常溫下進(jìn)行反應(yīng);(2)原料來源廣泛，可以利用一般燃料電池不能利用的各種有機(jī)物，無機(jī)物以及微生物呼吸的代謝產(chǎn)物、發(fā)酵的產(chǎn)物、光合作用甚至污水等作為燃料;(3)無二次污染，不會(huì)產(chǎn)生有毒有害廢棄物等優(yōu)點(diǎn)。正因MFC有諸多優(yōu)點(diǎn)，目前越來越受到人們的關(guān)注，其中以污水為燃料的MFC更受到廣泛的關(guān)注。然而，目前為止，MFC還未能投入實(shí)際工程應(yīng)用，除了產(chǎn)電功率密度較低之外，處理效率低，出水水質(zhì)較差也是主要原因。因此，提高M(jìn)FC處理效率及出水水質(zhì)是急需解決的問題。

　　近年來，有學(xué)者針對(duì)MBR與MFC相結(jié)合的可行性進(jìn)行了研究并形成一些不同的技術(shù)方法和配套裝置。盛國平等人發(fā)明一種生物電化學(xué)膜生物反應(yīng)器裝置，專利公開號(hào)為CN102381753A。他們采用同心柱狀結(jié)構(gòu)，里面圓柱填滿石墨顆粒為陽極，外圈采用不銹鋼絲網(wǎng)圍成圓柱形膜。但是，這樣將陽極組裝在柱形膜分離組件內(nèi)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜不利于實(shí)際運(yùn)用。同時(shí)該種裝置，不方便膜的清洗與反沖洗。柳麗芬等發(fā)明了一種直接耦合膜生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的反應(yīng)器和廢水處理方法，專利公開號(hào)為CN102616918A。但是，其采用導(dǎo)電膜作陰極價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)性較差。

　　基于上述MBR和MFC的優(yōu)點(diǎn)及各自存在的問題，本發(fā)明將這兩種工藝相結(jié)合，發(fā)明出一種生物電化學(xué)膜生物反應(yīng)器污水處理裝置和方法。該工藝采用廉價(jià)材料作為電極和膜分離組件，以微生物燃料電池能從污水中回收電能來補(bǔ)充MBR運(yùn)行能耗，同時(shí)利用MBR處理效率高及出水水質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)克服MFC處理效率低和出水水質(zhì)差的不足。

　　近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述問題進(jìn)行了多方面的研究，其中動(dòng)態(tài)膜技術(shù)就是具有代表性的技術(shù)之一。動(dòng)態(tài)膜動(dòng)態(tài)膜技術(shù)是指采用廉價(jià)大孔材料作為污水過濾介質(zhì)，利用初期截留的污染物及后期粘附的微生物產(chǎn)物形成生物膜，從而達(dá)到改善出水水質(zhì)的目的。利用動(dòng)態(tài)膜在保留傳統(tǒng)MBR的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，大幅度降低MBR的投資費(fèi)用，而且動(dòng)態(tài)膜過濾阻力較小，可以在低至幾毫米的水位差的驅(qū)動(dòng)下自流出水。當(dāng)動(dòng)態(tài)膜發(fā)生污染后，采取加強(qiáng)膜下方曝氣或氣水反沖洗等方式即能恢復(fù)動(dòng)態(tài)膜的通量。在此基礎(chǔ)上運(yùn)行能耗較高則是較為突出的問題。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的在于提供一種生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置和方法。該方法能夠有效去除污水中的有機(jī)污染物和氨氮，提高處理效率及出水水質(zhì)克服MFC的不足，并且在污水處理的同時(shí)回收電能，補(bǔ)充MBR運(yùn)行能耗。

　　本發(fā)明提出的生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理裝置，由進(jìn)水管、出水管、陽極室、陰極室、連通管、外電路和分隔膜組成，其中：陽極室一側(cè)設(shè)有進(jìn)水管，陰極室設(shè)有出水管，陽極室內(nèi)填充石墨材質(zhì)填料，所述石墨材質(zhì)填料內(nèi)設(shè)有陽極碳棒，陰極室包括膜分離組件和曝氣管，所述膜分離組件同時(shí)充當(dāng)陰極電極，膜分離組件上固定陰極碳棒，通過陰極碳棒與外電路相連;曝氣管位于膜分離組件正下方，曝氣既提供微生物生長所需氧氣又提供膜區(qū)攪拌錯(cuò)流速率防止膜污染，同時(shí)還為陰極提供最終電子受體氧氣;陽極室與陰極室通過分隔膜隔開，所述分隔膜允許陰極室和陽極室之間的離子通過，阻隔大量溶氧通過;在陰極室和陽極室之間固定有連通管，使進(jìn)水從陽極室流入陰極室。

　　本發(fā)明中，所述石墨材質(zhì)填料為石墨刷、石墨氈、石墨棒或石墨顆粒等中任一種。

　　本發(fā)明中，所述膜分離組件為不銹鋼絲網(wǎng)，孔徑為250目~500目。

　　本發(fā)明中，所述曝氣管為穿孔曝氣或微孔曝氣。

　　本發(fā)明中，分隔膜為質(zhì)子交換膜、離子交換膜、微濾膜或超濾膜等中任一種。

　　本發(fā)明中，所述連通管為有機(jī)玻璃或PVC管。

　　本發(fā)明提出的生物電化學(xué)輔助膜生物反應(yīng)器污水處理方法，具體步驟如下：

　　有機(jī)污水或有機(jī)廢水通過進(jìn)水管進(jìn)入陽極室，部分有機(jī)物在陽極室被產(chǎn)電微生物氧化分解，同時(shí)產(chǎn)生電子和質(zhì)子;電子通過產(chǎn)電微生物傳遞給石墨材質(zhì)填料，繼而傳遞到埋在石墨材質(zhì)填料中的陽極碳棒，從而通過外電路傳遞到陰極電極及膜分離組件，產(chǎn)生電能;質(zhì)子在陰極室和陽極室電勢差和擴(kuò)散作用下，通過分隔膜進(jìn)入陰極室;質(zhì)子、外電路傳遞到陰極的電子和陰極室內(nèi)溶氧反應(yīng)生成水，整個(gè)電池形成回路;剩余有機(jī)物和氨氮通過連通管進(jìn)入陰極室，在陰極室好氧條件下被生物氧化分解和硝化而去除，最終通過膜分離組件抽吸出水;隨著反應(yīng)的進(jìn)行，污泥層和凝膠層吸附于膜表面形成動(dòng)態(tài)膜，有效減小膜孔徑，提高出水水質(zhì);其中：

　　陽極室控制厭氧，水力停留時(shí)間為15~60 min;陰極室：水力停留時(shí)間為3~12 h;曝氣強(qiáng)度60~120 m3/(m2·h);膜通量為10~40 L/( m2·h);泥齡35~70 d。

　　本發(fā)明的工作原理，在陽極室，處于完全厭氧狀態(tài)，填充導(dǎo)電材料，提供較大的比表面積供微生物生長并連接外電路，導(dǎo)電材料可為石墨氈、石墨棒、石墨顆粒、石墨刷等導(dǎo)電性能良好且生物相容性較好的石墨材料。以產(chǎn)電微生物為催化劑氧化有機(jī)物，產(chǎn)生的電子通過微生物傳遞到固體電極(陽極)上，繼而經(jīng)過外電路傳遞到陰極。同時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)子在陰陽極電勢差以及擴(kuò)散作用下，經(jīng)過分隔膜進(jìn)入陰極室，與外電路傳遞的電子一起和氧氣反應(yīng)生成水形成回路，產(chǎn)生電能。在陰極室，不銹鋼絲網(wǎng)材質(zhì)的膜分離組件既充當(dāng)膜分離裝置又是MFC中的陰極電極。隨著膜的物理抽吸作用，被截留的顆粒和滋生的生物膜在膜表面形成動(dòng)態(tài)膜。動(dòng)態(tài)膜能有效截留污染物提高出水水質(zhì)，且動(dòng)態(tài)膜的生物層作用可以形成生物催化陰極。陰陽極室分隔膜可以為質(zhì)子交換膜、離子交換膜、微濾膜、超濾膜等，其作用是防止兩室溶液發(fā)生共混，同時(shí)允許兩室之間離子通過，阻礙陰極室大量溶氧擴(kuò)散至陽極室，對(duì)陽極室的厭氧環(huán)境破壞，使輸出電能降低。本發(fā)明方法污水首先進(jìn)入陽極室，部分有機(jī)污染物被產(chǎn)電微生物利用產(chǎn)生電能，繼而通過連通管流入陰極室;在陰極室內(nèi)絕大多數(shù)有機(jī)污染物被氧化分解，同時(shí)發(fā)生硝化作用去除氨氮，最后通過膜分離組件抽吸出水。由于MFC陰極在良好的混合條件下，即使溶解氧維持在較低的環(huán)境下依然能有較高的電能輸出，故本發(fā)明中陰極室曝氣以滿足好氧膜生物反應(yīng)器需求為要，不需額外提高曝氣量。

　　本發(fā)明方法處理一般城市生活污水(COD為200~500 mg/L、氨氮20~35 mg/L)，其COD、NH4-N出水達(dá)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn);處理較高濃度的廢水，COD為600~1100 mg/L、氨氮40~60 mg/L，均能保證COD去除率在92%以上，氨氮去除率維持在98%。最大功率密度均能維持在10 W/m3以上。

　　本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)本發(fā)明上流式電化學(xué)膜生物反應(yīng)器適用于多種污水處理，如市政污水、污泥脫水上清液等;

　　(2)本發(fā)明結(jié)合MBR與MFC為一體，提高處理效率和出水水質(zhì)，并且能從污水中回收電能補(bǔ)充運(yùn)行能耗;

　　(3)本發(fā)明采用廉價(jià)材質(zhì)不銹鋼絲網(wǎng)做膜分離組件，降低投資費(fèi)用;

　　(4)本發(fā)明采用膜分離組件作為陰極電極，一定程度上能降低膜污染。由于典型的活性污泥顆粒帶負(fù)電，與帶負(fù)電的膜分離組件之間存在斥力，降低膜污染;

　　(5)好氧DMBR反應(yīng)器動(dòng)態(tài)膜分離組件通量30 ~ 40 L/(m2·h)，動(dòng)態(tài)膜物理清洗周期可達(dá)2個(gè)月。