一种厌氧条件下新型上流式MFC‑MBR耦合系统的制作方法

本发明涉及污水处理设备领域，具体涉及一种厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统。

背景技术：

随着经济发展环境问题日益突出，尤其是水污染问题。传统的水污染治理存在技术复杂、能耗高、净化效率低出水水质难以达到中水标准等一系列问题。研究发现污水中蕴含着巨大的能量，不论工业还是生活领域污水产量日益增加的今天，在进行污水治理获取清洁水的同时开发废水中有机物的能量具有实际意义。

mfc-mbr耦合系统近年来发展迅速得到各国的广泛关注，其将膜生物反应器(membranebio-reactor，mbr)与微生物燃料电池(microbialfuelcell，mfc)进行耦合发挥各自优势。mbr是一种高效的污水处理工艺，而mfc是一种通过微生物的催化氧化还原反应将废水中有机物的化学能直接转化为电能的技术。目前mfc大都采用非生物阴极其需要用到的质子交换膜(pem)价格昂贵、容易被污染。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，在进行污水处理的同时可以回收废水中有机物所蕴含的能量，并解决克服传统膜污染严重及膜清洗不便的难题。

为达到上述目的，本发明提供了一种厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，该耦合系统包括：

上下开口的第一壳体，其上部为膜分离区，下部为污泥沉降区；

上部开口并与第一壳体底部开口连接的第二壳体，其为厌氧流化床反应区，内部填充有附着厌氧微生物的载体颗粒；

与第一壳体顶部开口螺纹连接的接头板盖；

导流筒，设置于厌氧流化床反应区内的底部，其用于对污水进行导流和作为微生物燃料电池的阳极；

与导流筒通过电线连接的膜组件，设置于膜分离区内，其用于对污水进行膜分离和作为微生物燃料电池的生物阴极；

设置于导流筒和膜组件之间的电阻，其与导流筒和膜组件共同组成微生物燃料电池；

固液分离器，设置于导流筒的顶部，用于将污水和载体颗粒进行固液分离；

污水入口，设置于厌氧流化床反应区侧壁下部并与导流筒相连通，其用于向厌氧流化床反应区内投入待处理的污水；

清水出口，设置于膜分离区侧壁上，其用于排出经膜组件处理后的清水；生物气体出口，设置于膜分离区的顶部，其用于排出污水处理过程中所产生的生物气体。

上述的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，其中，所述耦合系统还包括：

设置于膜分离区侧壁下部的回流出口，其与污水入口通过回流管连接；

所述回流管上设置有第一阀门、第一流量计和第一膜抽吸泵，其用于将膜分离区中的泥水回流至厌氧流化床反应区；所述回流管与回流出口通过螺纹接头连接。

上述的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，其中，所述耦合系统还包括：与清水出口连接的清水储存罐，其用于收集清水出口排出的清水；所述清水出口和清水储存罐之间设置有第二膜抽吸泵，其用于将膜分离区产生的清水抽入清水储存罐或将清水储存罐内的清水反向抽入膜分离区以清洗膜组件。

上述的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，其中，所述耦合系统还包括：

设置于厌氧流化床反应区侧壁上的清洗液出口，其位置高于固液分离器，用于排出清洗膜组件后的清洗液；

所述第一壳体与第二壳体螺纹连接，以实现当断开与回流出口连接的螺纹接头和与膜组件连接的电线后通过旋转第一壳体使其上下运动，并利用反向螺栓固定调节后的第一壳体的位置；

所述第一壳体下部侧壁上设置有倾斜向下的上隔离片，其高度随第一壳体的旋转而改变；

所述第二壳体内清洗液出口的下部设置有倾斜向上的下隔离片；

所述上隔离片通过旋转第一壳体以降低高度并实现和下隔离片对接闭合，以防止清洗膜组件时清洗液进入下方的厌氧流化床反应区而降低微生物活性。

上述的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，其中，所述清洗液出口与回流管连接，并在其间设置有第二阀门和第三膜抽吸泵，其用于在上隔离片和下隔离片断开以进行污水处理时将回流管内的泥水反向压入厌氧流化床反应区内，以防止污泥回落堵塞清洗液出口。

上述的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，其中，所述膜组件包括：

多个并列设置的旋转轴；

设置在旋转轴上的串联连接的多个膜片，及，

与旋转轴连接的动力装置，其用于驱动旋转轴旋转；

相邻两个旋转轴上的膜片相互错开交叉放置。

上述的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，其中，所述接头板盖的四周设置有四周板块，其与接头板盖和第一壳体的顶部形成凹槽，用以向凹槽内加入液体进行液封，以防止空气进入耦合系统进而破坏厌氧环境。

上述的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，其中，所述膜组件和导流筒还与耦合系统内用电设备的电路连接，用以通过改变电阻结构，将微生物燃料电池产生的电能用于耦合系统内用电设备的能源消耗。

上述的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，其中，所述耦合系统还包括与第一膜抽吸泵连接的污水罐，其用于储存待处理的污水；所述污水罐和第一膜抽吸泵之间设置有第三阀门和第二流量计。

上述的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，其中，所述耦合系统还包括与生物气体出口连接的集气装置，其用于收集生物气体出口所排出的生物气体。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统。在进行污水处理的同时可以回收废水中有机物所蕴含的能量。该系统利用厌氧流化床反应区内的导流筒为阳极，膜分离区的膜组件为生物阴极，并通过钛丝连接。该系统兼备了膜生物反应器(mbr)高效截流和选择性分离的特点及微生物燃料电池(mfc)产生能源的优点。同时利用系统流态传递质子不需要质子交换膜，另外系统产生的电能部分将维持自身的能源消耗外还对膜污染起到了一定的抑制作用，延长了膜的使用寿命。改变系统污泥沉降区的结构构造设置螺纹接头，旋转第一壳体可调节位置高度。停止污水处理进行膜清洗时，第一壳体降至某一高度时内部已设置一定角度的上隔离片和下隔离片将会对接闭合，将厌氧反应区与上部结构隔离开，以保证膜清洗时产生的药水从清洗液出口流出。从而避免清洗液流入厌氧反应区降低微生物活性，保证了污水的高效处理。膜分离区上部密封盖设置成螺纹接头板盖，方便膜组件的拆除安装。同时四周板块高出一定高度加入水或油进行密封防止空气进入破坏厌氧环境。该耦合系统装置结构紧凑占地面积小结合了mfc和mbr各自的优势克服了传统膜污染严重及膜清洗不便的难题，并且产生的电能对微生物的活性具有一定的刺激作用提高了污水处理效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统进行污水处理时的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统进行膜清洗时的结构示意图；

图3为本发明厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统的膜组件的一个实施例的结构示意图；

图4为本发明又一个实施例的厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统进行污水处理时的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种厌氧条件下新型上流式mfc-mbr耦合系统，该耦合系统包括：

上下开口的第一壳体，其上部为膜分离区1，下部为污泥沉降区2；所述第一壳体上部为圆筒结构，下部为倒圆锥结构；

上部开口并与第一壳体底部开口连接的第二壳体，其为厌氧流化床反应区3，内部填充有附着厌氧微生物的载体颗粒；所述第二壳体为圆筒结构；

与第一壳体顶部开口螺纹连接的接头板盖4；

导流筒5，设置于厌氧流化床反应区3内的底部，其用于对污水进行导流和作为微生物燃料电池的阳极；

与导流筒5通过电线连接的膜组件6，设置于膜分离区1内，其用于对污水进行膜分离和作为微生物燃料电池的生物阴极；所述电线为钛丝；

设置于导流筒5和膜组件6之间的电阻7，其与导流筒5和膜组件6共同组成微生物燃料电池；

固液分离器8，设置于导流筒5的顶部，用于将污水和载体颗粒进行固液分离；

污水入口9，设置于厌氧流化床反应区3侧壁下部并与导流筒5相连通，其用于向厌氧流化床反应区3内投入待处理的污水；

清水出口10，设置于膜分离区1侧壁上，其用于排出经膜组件6处理后的清水；生物气体出口11，设置于膜分离区1的顶部，其用于排出污水处理过程中所产生的生物气体。

所述耦合系统还包括：

设置于膜分离区1侧壁下部的回流出口12，其与污水入口9通过回流管连接；

所述回流管上设置有第一阀门13、第一流量计14和第一膜抽吸泵15，其用于将膜分离区1中的泥水回流至厌氧流化床反应区3；所述回流管与回流出口12通过螺纹接头16连接。

所述耦合系统还包括：与清水出口10连接的清水储存罐17，其用于收集清水出口10排出的清水；所述清水出口10和清水储存罐17之间设置有第二膜抽吸泵18，其用于将膜分离区1产生的清水抽入清水储存罐17或将清水储存罐17内的清水反向抽入膜分离区1以清洗膜组件6。

所述耦合系统还包括：

设置于厌氧流化床反应区3侧壁上的清洗液出口19，其位置高于固液分离器8，用于排出清洗膜组件6后的清洗液；

所述第一壳体与第二壳体螺纹连接，以实现当断开与回流出口12连接的螺纹接头16和与膜组件6连接的电线后通过旋转第一壳体使其上下运动，并利用反向螺栓20固定调节后的第一壳体的位置；

所述第一壳体下部侧壁上设置有倾斜向下的上隔离片21，其高度随第一壳体的旋转而改变；

所述第二壳体内清洗液出口19的下部设置有倾斜向上的下隔离片22；

如图2所示，所述上隔离片21通过旋转第一壳体以降低高度并实现和下隔离片22对接闭合，以防止清洗膜组件6时清洗液进入下方的厌氧流化床反应区3而降低微生物活性。

所述清洗液出口19与回流管连接，并在其间设置有第二阀门23和第三膜抽吸泵24，其用于在上隔离片21和下隔离片22断开以进行污水处理时将回流管内的泥水反向压入厌氧流化床反应区3内，以防止污泥回落堵塞清洗液出口19。

如图3所示，所述膜组件6包括：

多个并列设置的旋转轴25；

设置在旋转轴25上的串联连接的多个膜片26，及，

与旋转轴25连接的动力装置，其用于驱动旋转轴25旋转；

相邻两个旋转轴25上的膜片26相互错开交叉放置。

所述膜片26为金属膜，具有良好的韧性、导电性和强度，适应性强，且使用周期长。

所述接头板盖4的四周设置有四周板块27，其与接头板盖4和第一壳体的顶部形成凹槽，用以向凹槽内加入液体进行液封，以防止空气进入耦合系统进而破坏厌氧环境。

所述膜组件6和导流筒5还与耦合系统内用电设备(膜抽吸泵、旋转轴25的动力装置)的电路连接，用以通过改变电阻7结构，将微生物燃料电池产生的电能用于耦合系统内用电设备的能源消耗。

如图4所示，所述耦合系统还包括与第一膜抽吸泵15连接的污水罐28，其用于储存待处理的污水；所述污水罐28和第一膜抽吸泵15之间设置有第三阀门29和第二流量计30。

所述耦合系统还包括与生物气体出口11连接的集气装置31，其用于收集生物气体出口11所排出的生物气体。所述生物气体中含有甲烷、氢气等清洁能源。

具体地，mfc-mbr耦合系统进行污水处理时，保证上隔离片21与下隔离片22相互分开，打开第三阀门29并利用第一膜抽吸泵15将污水罐28中的污水经过污水入口9供给厌氧流化床反应区3，污水首先进入导流筒5反应降解，经上端固液分离器8作用，将含有污水和载体颗粒的混合体系进行固液分离。同时厌氧环境下导流筒5作为阳极通过钛丝与阴极(膜组件6)连接，电子经钛丝流向电阻7后流入阴极形成电流。随后泥水上升从厌氧反应区进入污泥沉降区2在膜分离前污泥在沉降区进行沉降处理，明显降低污泥与膜组件6进行直接接触，有效降低膜污染速率和运行中的能耗。采用多轴错流式旋转膜组件6使得膜片26在膜表面形成剪切力和生物气体的产生经膜分离区1时加大在膜表面形成的剪切力进一步降低膜污染速率。污泥经过膜的有效截留使微生物完全截留在耦合系统内保证了微生物浓度，在污泥沉降区2污泥依靠自身重力落入厌氧流化床反应区3再次与厌氧微生物接触反应，有效降解污染物和毒害物质同时降低运行成本。在膜分离区1和厌氧流化床反应区3连有回流管，打开第一阀门13并通过第一膜抽吸泵15将膜分离区1的泥水抽入厌氧流化床反应区3，保证了耦合系统运行的连续性和膜分离区1与反应区泥水之间的回流。同时提供的水压使厌氧流化床反应区3泥水充分混匀。正常运行状态时，清洗液出口19处的第二阀门23打开并利用第三膜抽吸泵24向厌氧流化床反应区3压水防止清洗液出口19下端隔离片积累淤泥堵塞清洗液出口19。所产生的生物气体从生物气体出口11经气体管道储存在集气装置31中。利用第二膜抽吸泵18将经过膜组件6分离得到的清水抽出膜分离区1储存在清水储存罐17中。

mfc-mbr耦合系统进行膜清洗时，拔下螺纹接头16和电线使回流管和电线与膜分离区1分开，旋转调节第一壳体位置高度。第一壳体高度降至某一高度时内部上隔离片21和下隔离片22相对接闭合，利用反向螺栓20固定此时位置。利用清水储存罐17中的清水反向压水对膜进行反冲洗。产生的清洗液从清洗液出口19流出，不流入下方的厌氧流化床反应区3。膜清洗完成时旋转调升第一壳体，上隔离片21上升与下隔离片22分离回到正常运行状态。

综上所述，本发明mfc-mbr耦合系统在厌氧条件下，利用硝酸盐、co2、六价铬等作为电子受体，在厌氧微生物的作用下进行还原反应。运行过程中不需要o2从而防止库伦效率的下降。本发明采用生物阴极，利用反应器流态传递质子与mbr技术相结合兼备了各自的优点并弥补了传统反应器各自的不足。mfc-mbr耦合系统不仅具有良好的污水处理效果和产电性能，对膜污染也具有一定的抑制作用，产生的电流能激发电化学活性菌的活性。

本发明膜分离采用主动错流，生物气体在膜表面形成剪切力降低膜污染和能耗，经膜分离的有效截留使微生物完全截留在系统内保证了微生物浓度有效降解微生物等解决了传统膜生物反应器的缺陷。本发明还采用多轴膜组件，相邻旋转轴上的膜片相互错开交叉放置，加快了错流速度，在膜表面形成的剪切力更加显著降低了膜污染。

本发明mfc-mbr耦合系统在进行污水处理的同时可以回收废水中有机物所蕴含的能量。该系统利用厌氧流化床反应区内的导流筒为阳极，膜分离区的膜组件为生物阴极，并通过钛丝连接。该系统兼备了膜生物反应器(mbr)高效截流和选择性分离的特点及微生物燃料电池(mfc)产生能源的优点。同时利用系统流态传递质子不需要质子交换膜，另外系统产生的电能部分将维持自身的能源消耗外还对膜污染起到了一定的抑制作用，延长了膜的使用寿命。改变系统污泥沉降区的结构构造设置螺纹接头，旋转第一壳体可调节位置高度。停止污水处理进行膜清洗时，第一壳体降至某一高度时内部已设置一定角度的上隔离片和下隔离片将会对接闭合，将厌氧反应区与上部结构隔离开，以保证膜清洗时产生的药水从清洗液出口流出。从而避免清洗液流入厌氧反应区降低微生物活性，保证了污水的高效处理。膜分离区上部密封盖设置成螺纹接头板盖，方便膜组件的拆除安装。同时四周板块高出一定高度加入水或油进行密封防止空气进入破坏厌氧环境。该耦合系统装置结构紧凑占地面积小结合了mfc和mbr各自的优势克服了传统膜污染严重及膜清洗不便的难题，并且产生的电能对微生物的活性具有一定的刺激作用提高了污水处理效率。

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。