一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，该装置包括阳极室、阴极室、设置在阳极室与阴极室之间的分隔膜、设置在阴极室的膜曝气生物膜、与膜曝气生物膜连接的外部供氧单元以及将阳极室与阴极室相连通的外接管路，阳极室、阴极室中分别设有生物阳极电极及生物阴极电极，并且生物阳极电极通过外接电路与生物阴极电极连接，装置还包括电气控制器以及污水自动补偿控制单元，电气控制器通过电路分别与外部供氧单元、污水自动补偿控制单元电连接。与现有技术相比，本实用新型结构简单紧凑，运行稳定，高效节能，兼具污染物处理和产电功能，具有很好的开发运用前景。
【专利说明】
一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置
技术领域
[0001]本实用新型属于污水处理技术与设备领域，涉及一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置。
【背景技术】
[0002]面对能源危机与环境污染的双重挑战，传统的高耗能污水处理技术难以契合可持续发展的趋势，而微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ,MFC)作为一种可持续的污水处理技术，可利用各种废水中的有机物作为燃料，具有污染物处理与能源回收的双重功能。面对如今越来越严重的氮素污染，人们尝试将微生物燃料电池技术运用于含氮废水的处理，以期实现同步废水处理与能源回收的目的。由于传统的脱氮需要经历硝化、反硝化反应过程，而硝化反应在好氧条件下完成，反硝化反应需要在缺氧条件下完成，一个反应腔体无法满足两种含氧条件，故常常需外置硝化反应器，但外置硝化反应器会带来能耗高、反应器构造复杂、运行成本增大等缺点，不利于MFC用于含氮废水处理的运用推广。
[0003]膜曝气生物膜反应器(MembraneAerated B1film Reactor，MABR)是一种膜-生物处理组合工艺。在MABR中，曝气膜组件既提供曝气又兼做生物膜生长的载体。气相(曝气膜内腔)中的氧是通过曝气膜-生物膜的界面扩散进入生物膜内，而液相(废水)中的底物是从生物膜-液相界面上进入生物膜。这种氧和底物的异向传质导致生物膜具有不同活性的功能层化性，好氧微生物如硝化细菌富集在生物膜/曝气膜介面，溶解氧从里往外逐步降低，当供氧条件控制得当时，反应器处于缺氧状态，生物膜最外层可以生长缺氧微生物如反硝化菌，这样的分布利于在MABR的微环境实现同步硝化反硝化。传统的机械和鼓风曝气方式属于泡式供氧，仅5 % -25 %左右，而MABR中曝气膜组件采用无泡曝气的方式，氧利用率高且耗能低。此外，MABR还具有挥发性污染物气提损失小、污泥发生量少以及运行管理方便等特点，是传物、脱氮等应用时一个引人注目的更新替代工艺。
[0004]作为厌氧处理技术之一，采用单一的MFC工艺难以系统进行污染物去除，且去除效率不高，若将MFC与MABR耦合，可有效改善出水水质，实现高效脱氮的同时产生电能，在产电过程中利用电场的存在以及电流对微生物的刺激作用，能够改变污泥性质，延缓膜污染的发生。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单，操作方便，运行安全可靠，能实现自动化控制的用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置。
[0006]本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]—种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，该装置包括阳极室、阴极室、设置在阳极室与阴极室之间的分隔膜、设置在阴极室的膜曝气生物膜、与膜曝气生物膜连接的外部供氧单元以及将阳极室与阴极室相连通的外接管路，所述的阳极室、阴极室中分别设有生物阳极电极及生物阴极电极，并且所述的生物阳极电极通过外接电路与生物阴极电极连接，所述的装置还包括电气控制器以及污水自动补偿控制单元，所述的电气控制器通过电路分别与外部供氧单元、污水自动补偿控制单元电连接。
[0008]所述的污水自动补偿控制单元包括与阳极室的进水口相连接的污水蓄水池、设置在阳极室中的第一浮控开关、设置在阳极室与污水蓄水池之间的第一电磁泄水阀、设置在阴极室中的第二浮控开关以及设置在阴极室与污水蓄水池之间的第二电磁泄水阀，所述的第一浮控开关、第一电磁泄水阀、第二浮控开关及第二电磁泄水阀均分别通过电路与电气控制器电连接。
[0009]所述的污水蓄水池中的污水为含氮废水。
[0010]所述的阳极室的出水口通过外接管路与阴极室的进水口相连通，并且所述的外接管路上设有循环栗。
[0011]所述的生物阳极电极包括阳极电极以及负载在阳极电极上的厌氧型微生物，所述的生物阴极电极包括阴极电极以及负载在阴极电极上的缺氧型微生物。
[0012]所述的厌氧微生物包括地杆菌、希瓦氏菌或红螺菌中的一种，可降解有机物，产生电子。
[0013]所述的缺氧微生物包括反硝化杆菌、斯氏杆菌或萤气极毛杆菌中的一种，可将硝酸盐、亚硝酸盐转化为氮气除去。
[0014]所述的阳极电极与阴极电极的电极材料为碳纸、碳布、碳毡、石墨毡或石墨板中的一种。
[0015]所述的膜曝气生物膜为平板膜，所述的分隔膜包括双极膜、阳离子交换膜或阴离子交换膜中的一种。
[0016]所述的膜曝气生物膜采用无泡曝气。
[0017]所述的膜曝气生物膜可以在保持气体分压低于泡点的情况下，向阴极室内曝气供氧，进而实现无泡曝气，具有传氧效率高、无泡沫形成、能耗低等优点。
[0018]所述的膜曝气生物膜上附着生长好氧硝化菌形成生物膜，在膜曝气生物膜表面可实现氨氮的硝化反应，生成硝酸盐和亚硝酸盐。
[0019]所述的膜曝气生物膜在使用过程中，需控制曝氧量，使膜内表面形成好氧状态，进而形成好氧硝化菌层，而阴极室内仍旧维持缺氧状态。
[0020]所述的外部供氧单元包括依次与膜曝气生物膜连接的压力表、气流调节阀以及空气压缩机。
[0021]所述的压力表可实时测量膜曝气生物膜的跨膜压差，实时监控膜曝气生物膜的膜污染程度。
[0022]所述的外接电路为设有可调电阻的外接电路，并且所述的可调电阻的两端连接有电压数据采集器，该电压数据采集器用于装置的产电情况。
[0023]所述的阳极室、阴极室的壁面均为弧形面，无死角，解决了传统微生物燃料电池内部不易清洗及清洗不净的问题。
[0024]与现有技术相比，本实用新型具有以下特点:
[0025]I)以含氮废水为燃料产生电能，有效回收含氮废水中蕴含的能量，将硝化反硝化与微生物燃料电池技术相结合，实现同步脱氮和生物产电，阳极室为厌氧反应区，阴极室为缺氧反应区，膜曝气生物膜上形成好氧硝化菌，阳极室内废水中的有机污染物被氧化、有机氮被转化为氨氮，阳极出水进入阴极，氨氮流经阴极内置的膜曝气生物膜组件进行硝化反应，生成亚硝酸盐和硝酸盐，被阴极生物膜利用降解实现脱氮；
[0026]2)微生物燃料电池系统形成闭合回路，回收电能的同时将产生的电流强化生物反硝化过程和去除有机污染物的能力，对低、中、高浓度的含氮废水均具有较好的适应性，处理效果好，性能高效稳定；
[0027]3)膜曝气生物膜采用的是无泡曝气的方式，氧气利用率高、能量消耗低、挥发性污染物气提损失小、污泥发生量少且运行管理方便；
[0028]4)膜曝气生物膜采用平板膜代替普通的中空纤维膜丝，相比于中空纤维膜丝，平板膜的有效膜面积更大，寿命更长，运行费用低，也更不容易缠绕，更换清洗也更为方便，且其良好的机械强度和运行稳定性使得它绝对不会发生断丝现象；
[0029]5)在膜曝气生物膜的微环境中进行同步硝化反硝化的同时，将膜曝气生物膜内置于阴极室中，从而将膜曝气生物膜与微生物燃料电池有机地结合在一起，整体设计更加简便，有效降低池体体积、减少装置的构建费用、减小占地面积、方便管理；
[0030]6)将膜曝气生物膜与微生物燃料电池反应器耦合，在产电过程中利用电场的存在以及电流对微生物的刺激作用，延缓膜曝气生物膜污染的发生。
【附图说明】
[0031]图1为本实用新型结构不意图；
[0032]图中标记说明:
[0033]! 一阳极室、2 一阴极室、3 一分隔膜、4 一膜曝气生物膜、5—外接管路、6—生物阳极电极、7—生物阴极电极、8—外接电路、9一污水蓄水池、1—第一浮控开关、11 一第一电磁泄水阀、12—第二浮控开关、13—第二电磁泄水阀、14 一循环栗、15—压力表、16—气流调节阀、17—空气压缩机、18—可调电阻、19 一阳极室的进水口、20—阳极室的出水口、21—阴极室的进水口、22—阴极室的出水口。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
[0035]实施例1:
[0036]如图1所示，一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，该装置包括阳极室1、阴极室2、设置在阳极室I与阴极室2之间的分隔膜3、设置在阴极室2的膜曝气生物膜
4、与膜曝气生物膜4连接的外部供氧单元以及将阳极室I与阴极室2相连通的外接管路5，阳极室1、阴极室2中分别设有生物阳极电极6及生物阴极电极7，并且生物阳极电极6通过外接电路8与生物阴极电极7连接，装置还包括电气控制器以及污水自动补偿控制单元，电气控制器通过电路分别与外部供氧单元、污水自动补偿控制单元电连接。外部供氧单元包括依次与膜曝气生物膜4连接的压力表15、气流调节阀16以及空气压缩机17。外接电路8为设有可调电阻18的外接电路8，并且可调电阻18的两端连接有电压数据采集器。阳极室1、阴极室2的壁面均为弧形面。
[0037]其中，污水自动补偿控制单元包括与阳极室的进水口19相连接的污水蓄水池9、设置在阳极室I中的第一浮控开关10、设置在阳极室I与污水蓄水池9之间的第一电磁泄水阀
11、设置在阴极室2中的第二浮控开关12以及设置在阴极室2与污水蓄水池9之间的第二电磁泄水阀13，第一浮控开关10、第一电磁泄水阀11、第二浮控开关12及第二电磁泄水阀13均分别通过电路与电气控制器电连接。
[0038]阳极室的出水口20通过外接管路5与阴极室的进水口 21相连通，并且外接管路5上设有循环栗14，该循环栗14用于将阳极室I出水引至阴极室2进行硝化反硝化脱氮，脱氮后的水体直接由阴极室的出水口 22排出。
[0039]生物阳极电极6包括阳极电极以及负载在阳极电极上的厌氧型微生物，该厌氧微生物为地杆菌;生物阴极电极7包括阴极电极以及负载在阴极电极上的缺氧型微生物，该缺氧微生物为反硝化杆菌。
[0040]污水自动补偿控制单元的工作过程为(以阳极室I为例):阳极室I中污水的水位通过第一浮控开关10进行控制，当污水的水位超过阳极室I的最高水位值时，第一浮控开关10将水位信号传递至电气控制器，电气控制器根据接收的水位信号控制第一电磁泄水阀11开启，及时将阳极室I中多余的污水排出，直至污水的水位低于既定最高值;而当污水的水位低于阳极室I的最低水位值时，第一浮控开关10将水位信号传递至电气控制器，电气控制器根据接收的水位信号控制第一电磁泄水阀11关闭，通过污水蓄水池9向阳极室I中补给污水，使得阳极室I中污水的水位控制在设定值以内，保证装置的正常安全运行。
[0041]阴极室2的污水自动补偿过程与阳极室I基本相同。
[0042]本实施例中，阳极电极的电极材料为碳布，阴极电极的电极材料为碳毡，膜曝气生物膜4为平板膜，分隔膜3为阳离子交换膜。
[0043]在实际使用时，注入阳极室I的废水(即阳极液)为含有有机物和氨氮的废水，pH为7.5-8.5,溶解氧浓度约为0.3mg/L，而阳极室I的流出液作为阴极液导入至阴极室2，其含有硝酸盐和亚硝酸盐，pH为6.5-7.5。
[0044]在实际设计时，阳极室1、阴极室2、阳极进水管、阴极进水管、阳极出水管、阴极出水管均采用有机玻璃制成。阳极室I和阴极室2整体设计为圆柱形反应腔室，直径为20cm，高为15cm，总容积约为4.7L，设置质分隔膜3将反应腔体分隔为容积完全相同的阴阳两极室。
[0045]本实施例中，外接电路8为闭合外电路，将可调电阻18大小设置为1000Ω。
[0046]含氮废水通过阳极进水管进入阳极室I，阳极室I内的物阳极电极6上附着大量厌氧产电微生物，废水流经阳极室I时，厌氧产电微生物会消耗降解有机质产生质子和电子，同时将有机氮转化为氨氮，质子通过分隔膜3进入阴极室2，电子由阳极导线流出，经外接电路8流向阴极导线，并进入生物阴极电极7，阳极室I流出液通过阳极出水管流出，接着从阴极进水管进入阴极室2流经阴极内置的膜曝气生物膜4进行硝化反应，产生的硝氮、亚硝氮在生物阴极处作为电子受体接收电子，发生反硝化反应生成氮气除去。
[0047]采用本实施例装置来处置高浓度含氮废水，废水的COD为1000mg/L左右，总氮浓度为200mg/L左右，反应温度控制为25°C附近，可调电阻18大小设置为1000 Ω，装置最高输出电压可达到0.70V，连续运行250小时，COD降解率及系统脱氮率分别可达到53%和86%左右。由此可见，本实施例装置能在达到较高的COD及总氮去除率的同时实现良好的产电效果O
[0048]实施例2:
[0049]本实施例中，厌氧微生物采用希瓦氏菌，缺氧微生物采用斯氏杆菌，分隔膜3为双极膜，阳极电极的电极材料为石墨毡，阴极电极的电极材料为石墨板。废水的COD为100mg/L左右，总氮浓度为100mg/L左右，供氧压力0.1MPa，其余同实施例1。
[0050]实施例3:
[0051]本实施例中，厌氧微生物采用红螺菌，缺氧微生物采用萤气极毛杆菌，分隔膜3为阴离子交换膜，阳极电极的电极材料为碳纸，阴极电极的电极材料为碳布。废水的COD为1000mg/L左右，总氮浓度为500mg/L左右，供氧压力0.1MPa，其余同实施例1。
[0052]实施例4:
[0053]本实施例中，厌氧微生物采用地杆菌，缺氧微生物采用萤气极毛杆菌，分隔膜3为超滤膜，阳极电极与阴极电极的电极材料为石墨毡。废水的COD为1000mg/L左右，总氮浓度为200mg/L左右，供氧压力0.05MPa。其余同实施例1。
[0054]实施例5:
[0055]本实施例中，厌氧微生物采用地杆菌，缺氧微生物采用斯氏杆菌，分隔膜3为微滤膜，阳极电极与阴极电极的电极材料为石墨板。废水的COD为1000mg/L左右，总氮浓度为200mg/L左右，供氧压力0.15MPa。其余同实施例1。
[0056]实施例6:
[0057]本实施例中，厌氧微生物采用红螺菌，缺氧微生物采用斯氏杆菌，分隔膜3为阳离子交换膜，阳极电极与阴极电极的电极材料为碳毡。废水的COD为1000mg/L左右，总氮浓度为300mg/L左右，供氧压力0.12MPa。其余同实施例1。
[0058]上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，该装置包括阳极室(I)、阴极室(2)、设置在阳极室(I)与阴极室(2)之间的分隔膜(3)、设置在阴极室(2)的膜曝气生物膜(4)、与膜曝气生物膜(4)连接的外部供氧单元以及将阳极室(I)与阴极室(2)相连通的外接管路(5)，所述的阳极室(1)、阴极室(2)中分别设有生物阳极电极(6)及生物阴极电极(7)，并且所述的生物阳极电极(6)通过外接电路(8)与生物阴极电极(7)连接，其特征在于，所述的装置还包括电气控制器以及污水自动补偿控制单元，所述的电气控制器通过电路分别与外部供氧单元、污水自动补偿控制单元电连接。2.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，其特征在于，所述的污水自动补偿控制单元包括与阳极室的进水口(19)相连接的污水蓄水池(9)、设置在阳极室(I)中的第一浮控开关(10)、设置在阳极室(I)与污水蓄水池(9)之间的第一电磁泄水阀(11)、设置在阴极室(2)中的第二浮控开关(12)以及设置在阴极室(2)与污水蓄水池(9)之间的第二电磁泄水阀(13)，所述的第一浮控开关(1)、第一电磁泄水阀(11)、第二浮控开关(12)及第二电磁泄水阀(13)均分别通过电路与电气控制器电连接。3.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，其特征在于，所述的阳极室的出水口(20)通过外接管路(5)与阴极室的进水口(21)相连通，并且所述的外接管路(5)上设有循环栗(14)。4.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，其特征在于，所述的生物阳极电极(6)包括阳极电极以及负载在阳极电极上的厌氧型微生物，所述的生物阴极电极(7)包括阴极电极以及负载在阴极电极上的缺氧型微生物。5.根据权利要求4所述的一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，其特征在于，所述的阳极电极与阴极电极的电极材料为碳纸、碳布、碳租、石墨租或石墨板中的一种。6.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，其特征在于，所述的膜曝气生物膜(4)为平板膜，所述的分隔膜(3)包括双极膜、阳离子交换膜或阴离子交换膜中的一种。7.根据权利要求1所述的一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，其特征在于，所述的外部供氧单元包括依次与膜曝气生物膜(4)连接的压力表(15)、气流调节阀(16)以及空气压缩机(17)。8.根据权利要求1至7任一项所述的一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，其特征在于，所述的外接电路(8)为设有可调电阻(18)的外接电路(8)，并且所述的可调电阻(18)的两端连接有电压数据采集器。9.根据权利要求1至7任一项所述的一种用于污水处理的膜曝气生物膜与电化学耦合装置，其特征在于，所述的阳极室(I)、阴极室(2)的壁面均为弧形面。
【文档编号】C02F3/30GK205527999SQ201620167029
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月4日
【发明人】王荣昌, 周欣逸, 李乐雪, 姚佳斌, 王学昊
【申请人】同济大学