一种旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，包含膜处理污泥反应器；曝气装置，设置在膜处理污泥反应器的内部底部；阴极膜组件，设置在膜处理污泥反应器的内部、且位于曝气装置的上方；第一阳极和第二阳极，均设置在膜处理污泥反应器的内部、且分别位于阴极膜组件的两侧；阳极旋转控制装置，分别设置在第一阳极和第二阳极的内部，且与该第一阳极和第二阳极通过电路连接；电路控制装置，分别与第一阳极、第二阳极以及阴极膜组件通过电路连接。本发明通过在污泥中施加电场来减轻阴极膜组件污染；利用阳极电化学和电絮凝技术，提高污泥消化效率和出水水质；通过阳极旋转防止污泥和微生物沉积，保持有效电场强度，提高污泥脱水性能。
【专利说明】一种旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，能控制膜的被污染程度，以及提高出水水质，属于污泥处理领域，适用于膜分离处理污泥技术。
【背景技术】
[0002]膜分离技术运用于污泥处理过程，主要是利用小孔径的膜对污泥及大分子物质进行截留，而可透过膜的水和小分子物质在压力驱动下，分离出污泥溶液，同时利用反应器内曝气提高的好氧环境对污泥进行好氧消化，从而达到对污泥浓缩消化的目的。 [0003]与传统重力浓缩工艺相比，膜分离处理污泥技术具有占地面积小，浓缩效果稳定，不产生厌氧释磷现象，出水水质佳等优势。但该技术较一般的污泥处理过程而言，污水中的污泥浓度较高，同时污泥混合液中胶体和膜污染物质也较多，因此对膜的污染也就更加严重。而严重的膜污染会导致膜运行周期较短，清洗频率增加，从而造成运行成本的进一步增加，严重制约膜分离处理污泥技术的进一步运用。
[0004]中国专利CN 201210174719.8提出一种增加电场使中空纤维膜表面带电来控制膜污染和提高出水水质的方法，它是利用同种电荷互相排斥的原理，阻止污泥絮体及膜污染物质沉积在膜表面，从而达到控制膜污染的目的。
[0005]国内外有研究，在膜生物反应器运行过程中，通过增加电场的方式，使膜组件带负电，利用主要膜污染物质(蛋白质、胶体等)带负电的特征，减缓和控制膜污染，且利用电极电絮凝作用可提高出水水质。另有研究发现，在增加电场强度时，污泥性质会发生改变，通过调节电场强度和作用时间，可以改善污泥脱水性能；同时发现，污泥浓度不同，提高污泥脱水性能需要的电场强度和作用时间也不同。研究还发现，利用电极电化学作用可提高污泥的消化性能。根据以上研究，如将外加电场控制膜污染技术与膜分离同步浓缩消化污泥技术相结合，通过控制运行参数，可实现膜分离技术处理污泥，同时可提高污泥消化效率和出水水质，从而进一步降低工艺能耗。
[0006]然而，由于膜分离技术处理污泥的特殊性(污泥浓度大于40 g/L，远高于一般的膜生物反应器的污泥浓度约10 g/L)，在实验运行过程发现，电极表面会附着大量污泥絮体，增加了电极阻力，且随着运行的时间增加，电极附着的污泥逐渐增加，从而电极阻力也逐渐增加。电极电阻的增加会减弱电场强度，影响外加电场控制膜污染技术的效果。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，通过在污泥中施加电场来减轻对阴极膜组件的污染；同时利用阳极电化学和电絮凝技术，提高污泥消化效率和出水水质；并通过阳极旋转来防止污泥和微生物沉积，保持有效的电场强度，最终提高污泥脱水性能。
[0008]为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，包含:膜处理污泥反应器；曝气装置，其设置在所述膜处理污泥反应器的内部底部；阴极膜组件，其设置在所述膜处理污泥反应器的内部、且位于所述曝气装置的上方；第一阳极和第二阳极，其均设置在所述膜处理污泥反应器的内部、且分别位于所述阴极膜组件的两侧；阳极旋转控制装置，其分别设置在所述的第一阳极和第二阳极的内部，且与该第一阳极和第二阳极通过电路连接；电路控制装置，其分别与所述的第一阳极、第二阳极以及阴极膜组件通过电路连接。
[0009]本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，还包含进泥泵，其通过管道与所述的膜处理污泥反应器的侧面底部相连接，用于将污泥送入该膜处理污泥反应器中。
[0010]本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，还包含出水泵，其通过管道与所述的阴极膜组件的顶部相连接，用于将与污泥分离后的小分子物质和水从所述膜处理污泥反应器中抽吸出来。
[0011]本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，还包含压力表，其设置在出水泵和阴极膜组件之间的管道上，用于读取阴极膜组件的跨膜压差变化。
[0012]所述的阴极膜组件包含:多孔支撑板，其设置在所述的阴极膜组件的中心；两个导电碳布，分别叠加设置在所述的多孔支撑板的两侧；两个微滤/超滤膜，分别叠加设置在每个所述的导电碳布的外侧；两个固定框架，分别设置在每个所述的微滤/超滤膜的外侧且相互扣合，将所述的阴极膜组件包覆固定。
[0013]所述的微滤/超滤膜由具有导电高聚物的材料制成。 [0014]所述的第一阳极由金属铝或金属铁制成，在电场作用下，形成各种羟基络合物、多核羟基络合物以及氢氧化物；在电化学反应中，产生铝或铁的金属正离子。
[0015]所述的第二阳极的表面涂覆有Ti/Mn02或TiO2材料，在电化学电解反应中，产生具有强氧化性的羟基自由基。
[0016]每个所述的阳极旋转控制装置包含:微电脑控制器，与该微电脑控制器通过电路连接的变频电动机，每个变频电动机分别与所述的第一阳极和第二阳极通过电路连接；每个所述的变频电动机通过转动分别带动第一阳极和第二阳极旋转，并且通过微电脑控制器控制旋转速度。
[0017]所述的第一阳极和第二阳极的旋转速率为50~300r/min。
[0018]所述的电路控制装置包含:微电脑继电器，与该微电脑继电器通过电路连接的电源；所述的电源的负极与所述的阴极膜组件连接，所述的电源的正极分别与所述的第一阳极和第二阳极连接；通过微电脑继电器设置电源的断开或闭合时间。
[0019]所述的电源为直流电源或脉冲交流电源，且电压范围在3~30V之间。
[0020]本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，通过在污泥中施加电场来减轻对阴极膜组件的污染，延长其稳定运行周期；同时利用阳极电化学和电絮凝技术，提高污泥消化效率和出水水质；并通过阳极旋转来防止污泥沉积，最终通过出水回用及提高消化效率来降低污泥处理的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥系统的结构示意图；
图2为本发明中的阴极膜组件的结构示意图。【具体实施方式】
[0022]以下结合图1，详细说明本发明的一个优选的实施例。
[0023]如图1所示，为本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其包含膜处理污泥反应器2 ;曝气装置6，其设置在所述膜处理污泥反应器2的内部底部；阴极膜组件5，其设置在所述膜处理污泥反应器2的内部、且位于所述曝气装置6的上方；第一阳极4和第二阳极9，其均设置在所述膜处理污泥反应器2的内部、且分别位于所述阴极膜组件5的两侧；阳极旋转控制装置，其分别设置在所述的第一阳极4和第二阳极9的内部，且与该第一阳极4和第二阳极9通过电路连接；电路控制装置，其分别与所述的第一阳极4、第二阳极9以及阴极膜组件5通过电路连接。
[0024]本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，还包含进泥泵1，其通过管道与所述的膜处理污泥反应器2的侧面底部相连接，用于将污泥送入该膜处理污泥反应器2中。
[0025]本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，还包含出水泵7，其通过管道与所述的阴极膜组件5的顶部相连接，用于将与污泥分离后的小分子物质和水从所述膜处理污泥反应器2中抽吸出来。
[0026]本发明所提供 的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，还包含压力表8，其设置在出水泵7和阴极膜组件5之间的管道上，用于读取阴极膜组件5的跨膜压差变化，能在整个膜处理污泥过程中，直观简单的记录整个系统的工艺运行状况。
[0027]如图2所示，所述的阴极膜组件5包含:多孔支撑板51，其设置在所述的阴极膜组件5的中心；两个导电碳布52，分别叠加设置在所述的多孔支撑板51的两侧；两个微滤/超滤膜53，分别叠加设置在每个所述的导电碳布52的外侧；两个固定框架54，分别设置在每个所述的微滤/超滤膜53的外侧且相互扣合，将所述的阴极膜组件5包覆固定。
[0028]所述的微滤/超滤膜53由具有导电高聚物的材料制成，使得所述的微滤/超滤膜53改性具有导电功能。
[0029]所述的第一阳极4由金属铝或金属铁制成，在电场作用下，形成各种羟基络合物、多核羟基络合物以及氢氧化物；在电化学反应中，产生铝或铁的金属正离子。
[0030]所述的第二阳极9的表面涂覆有Ti/Mn02 (钛基二氧化锰)或TiO2 (二氧化钛)材料，在电化学电解反应中，产生具有强氧化性的羟基自由基。
[0031]每个所述的阳极旋转控制装置包含:微电脑控制器，与该微电脑控制器通过电路连接的变频电动机，每个变频电动机分别与所述的第一阳极4和第二阳极9通过电路连接；每个所述的变频电动机通过转动分别带动第一阳极4和第二阳极9旋转，并且通过微电脑控制器控制旋转速度。
[0032]所述的第一阳极4和第二阳极9的旋转速率为50~300r/min (圈/分钟)。
[0033]所述的电路控制装置包含:微电脑继电器，与该微电脑继电器通过电路连接的电源3 ;所述的电源3的负极与所述的阴极膜组件5连接，所述的电源3的正极分别与所述的第一阳极4和第二阳极9连接；通过微电脑继电器设置电源3的断开或闭合时间，控制电场的运行模式为常开模式或开闭结合模式。
[0034]所述的电源3为直流电源或脉冲交流电源，且电压范围在3~30V之间。[0035]本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，具体工艺流程如下详述。污泥通过进泥泵I被送入膜处理污泥反应器2中，且到达预先指定的液位。曝气装置6设置在膜处理污泥反应器2的底部，其通过不断曝气使污泥混合均匀。当设置在膜处理污泥反应器2内部的阴极膜组件5、第一阳极4和第二阳极9均浸没在污泥中时，阴极膜组件5开始出水，利用小孔径的微滤/超滤膜53截留污泥及大分子大粒径物质，对污泥进行浓缩和消化，而能够渗透过微滤/超滤膜53的水和小分子物质在压力驱动下，从污泥溶液中被分离出来，并通过出水泵6被抽吸出膜处理污泥反应器2准备进行再次回用。
[0036]在整个膜处理污泥的过程中，由于阴极膜组件5连接在电路控制装置的电源3的负极端，而第一阳极4和第二阳极9则分别连接在电路控制装置的电源3的正极端。通过微电脑继电器自动设置电源3的断开或闭合时间，从而控制电场作用的最佳强度和最佳时间，降低能耗。当微电脑继电器控制电源3闭合时，阴极膜组件5带负电，其分别与第一阳极4和第二阳极9之间产生电场，通过电泳及静电排斥作用，就能够阻止同样带负电的污泥絮体及膜污染物质沉积在阴极膜组件5的表面。
[0037]与现有技术相比，本发明所提供的阴极膜组件5增加设置了导电碳布52，其设置在多孔支撑板51和微滤/超滤膜53之间，该增加设置的导电碳布52能够增强阴极膜组件5的电场，使得阴极膜组件5对带负电的污泥絮体及膜污染物质的排斥作用更强。
[0038]在阴极膜组件5处理污泥的过程中，每个阳极旋转控制装置中的变频电动机通过转动分别带动第一阳极4和第二阳极9旋转，从而防止在较高污泥浓度下出现污泥和微生物沉积阳极，使阳极电阻增大，有效电场强度被降低的现象发生；并且通过微电脑控制器控制相应的旋转速度，优 化控制电场强度并降低能耗。
[0039]并且，由于曝气装置6不断曝气，其能够对设置在其上方的阴极膜组件5的表面进行冲刷，防止污泥沉积在其表面，保持膜面清洁，降低并减缓膜污染速率，延长阴极膜组件5的清洗周期；并且该曝气装置6能够提高并保持污泥内的溶解氧含量，促进污泥进行好氧消化。
[0040]进一步，在整个膜处理污泥的过程中，还利用两个阳极采用不同的电极材料，在电场作用下，发生电化学及电絮凝反应，来提高污泥消化效率及最终的出水水质。其中，第一阳极4由金属铝或金属铁制成，其在电场作用下，会形成各种羟基络合物、多核羟基络合物以及氢氧化物，使污泥中的大分子污染物、胶体及小颗粒絮体能够絮凝成大颗粒物质，使其能够被阴极膜组件5截留，从而提高出水水质；另外，该第一阳极4在电化学反应中，会产生铝或铁的金属正离子，其同样能够将污泥中的胶体、有机污染物絮凝成大颗粒物质，使其能够被阴极膜组件5截留，从而进一步提高出水水质。而第二阳极9则表面涂覆有Ti/Mn02或TiO2材料，在电化学电解反应中，会产生具有强氧化性的羟基自由基，其能够促使污泥絮体破解，具有灭菌和降解有机污染物的作用，提高污泥消化效率。
[0041]实施例1
本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，与普通膜处理污泥系统相比较，当进泥浓度均为3~4g/L，气水比均为60:1，水力停留时间均为24小时，在一个排泥周期15d内连续运行出水，膜通量均为17L/(m2h)。但是本发明系统的污泥VSS累计消化率高于普通系统10%，且本发明系统的膜压力上升速率、出水COD (化学需氧量)分别低于普通系统约20%和15%。[0042]实施例2
本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，与普通膜处理污泥系统相比较，当进泥浓度均为3~4g/L，气水比均为40:1，水力停留时间均为8小时，在一个排泥周期30d内连续运行出水，出泥浓度均在35 g/L左右，膜通量均为15L/(m2h)。但是本发明系统的膜压力上升速率、出水COD分别低于普通系统约23%和10%。
[0043]本发明所提供的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，具有以下有益效果:
I)阴极膜组件带负电，能够排斥并阻止同样带负电的污泥絮体及膜污染物质沉积在其表面，延长阴极膜组件稳定运行的周期，减少维护和清洗的费用，提高污泥脱水性能。
[0044]2)通过对两个阳极选择不同的材料，同时利用电化学及电絮凝反应，来提高污泥的消化效率及出水水质。
[0045]3)两个阳极均设置有阳极旋转控制装置，具有自动控制旋转功能，可防止污泥和微生物沉积在阳极上，避 免阳极电阻增大，保持阳极的有效电场强度。
[0046]4)能适应不同的进泥情况和处理要求，具有占地面积小，浓缩效果稳定，污泥处理量增加和污泥处理成本较低的优势。
[0047]5)与传统的投加药剂来控制膜污染的技术相比较，本发明相对控制膜污染的效果更好，且无二次污染，环保可持续，具有较广泛的应用前景。
[0048]6)本发明自动化程度高，安装维护方便，运行稳定，对操作人员要求低。
[0049]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其特征在于，包含: 膜处理污泥反应器(2); 曝气装置(6)，其设置在所述膜处理污泥反应器(2)的内部底部； 阴极膜组件(5)，其设置在所述膜处理污泥反应器(2)的内部、且位于所述曝气装置(6)的上方； 第一阳极(4)和第二阳极(9)，其均设置在所述膜处理污泥反应器(2)的内部、且分别位于所述阴极膜组件(5)的两侧； 阳极旋转控制装 置，其分别设置在所述的第一阳极(4)和第二阳极(9)的内部，且与该第一阳极(4)和第二阳极(9)通过电路连接； 电路控制装置，其分别与所述的第一阳极(4)、第二阳极(9)以及阴极膜组件(5)通过电路连接。
2.如权利要求1所述的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其特征在于，还包含进泥泵(I )，其通过管道与所述的膜处理污泥反应器(2)的侧面底部相连接，用于将污泥送入该膜处理污泥反应器(2)中。
3.如权利要求1所述的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其特征在于，还包含出水泵(7)，其通过管道与所述的阴极膜组件(5)的顶部相连接，用于将与污泥分离后的小分子物质和水从所述膜处理污泥反应器(2)中抽吸出来。
4.如权利要求3所述的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其特征在于，还包含压力表(8)，其设置在出水泵(7)和阴极膜组件(5)之间的管道上，用于读取阴极膜组件(5)的跨膜压差变化。
5.如权利要求1所述的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其特征在于，所述的阴极膜组件(5)包含: 多孔支撑板(51)，其设置在所述的阴极膜组件(5)的中心； 两个导电碳布(52)，分别叠加设置在所述的多孔支撑板(51)的两侧； 两个微滤/超滤膜(53)，分别叠加设置在每个所述的导电碳布(52)的外侧； 两个固定框架(54)，分别设置在每个所述的微滤/超滤膜(53)的外侧且相互扣合，将所述的阴极膜组件(5 )包覆固定。
6.如权利要求5所述的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其特征在于，所述的微滤/超滤膜(53)由具有导电高聚物的材料制成。
7.如权利要求1所述的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其特征在于，所述的第一阳极(4)由金属铝或金属铁制成，在电场作用下，形成各种羟基络合物、多核羟基络合物以及氢氧化物；在电化学反应中，产生铝或铁的金属正离子。
8.如权利要求1所述的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其特征在于，所述的第二阳极(9)的表面涂覆有Ti/Mn02或TiO2材料，在电化学电解反应中，产生具有强氧化性的羟基自由基。
9.如权利要求1所述的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其特征在于，每个所述的阳极旋转控制装置包含:微电脑控制器，与该微电脑控制器通过电路连接的变频电动机，每个变频电动机分别与所述的第一阳极(4)和第二阳极(9)通过电路连接； 每个所述的变频电动机通过转动分别带动第一阳极(4)和第二阳极(9)旋转，并通过微电脑控制器控制旋转速度； 所述的第一阳极(4)和第二阳极(9)的旋转速率为50~300r/min。
10.如权利要求1所述的旋转电极耦合平板膜处理污泥的系统，其特征在于，所述的电路控制装置包含:微电脑继电器，与该微电脑继电器通过电路连接的电源(3);所述的电源(3)的负极与所述的阴极膜组件(5)连接，所述的电源(3)的正极分别与所述的第一阳极(4)和第二阳极(9)连接；通过微电脑继电器设置电源(3)的断开或闭合时间； 所述的电源(3)为 直流电源或脉冲交流电源，且电压范围在3~30V之间。
【文档编号】C02F11/00GK103979762SQ201410257762
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】朱学峰, 周明远, 杨泽斌, 吴志超, 苑文仪, 张澍, 郎茂倩, 樊丽, 李秀丽, 关杰, 徐莹 申请人:上海第二工业大学