用于污水处理的电化学耦合动态膜组件和反应器及其应用的制作方法

本发明涉及一种膜组件和膜反应器，具体涉及一种用于污水处理的电化学耦合动态膜组件和反应器，属于污水处理技术领域。

背景技术：

膜生物反应器是一种将膜分离过程与生物降解相结合的水处理技术。由于膜的高效分离性能，使其与传统活性污泥水处理工艺相比具有污泥产量低、占地面积小、容积负荷高、出水水质好等优点，在污水深度处理及提标改造中日益得到广泛关注和推广，被认为是21世纪最有发展前景的污水处理与回用技术之一。但由于膜组件造价昂贵、运行耗能高及膜污染造成通量衰减等问题限制了膜生物反应器在实际推广中的应用。动态膜生物反应器将动态膜过滤技术和生物处理工艺相结合，其采用较大孔径的廉价微网材料作为膜基材，在活性污泥过滤过程中利用初期截留的污染物及后期粘附的微生物在膜基材上形成具有微滤膜过滤效果的生物动态膜，从而达到改善出水水质的目的。与传统膜生物反应器相比，动态膜生物反应器在保留传统膜生物反应器优点的同时，可大幅降低过滤膜组件的造价，同时还具有出水水质优良、通量大、抗污染能力显著提高、膜污染清除简易，能耗小的突出优点。

水中病原菌严重威胁着人类的健康和生命，城市生活污水中含有大量的致病菌和病毒，一般的生化处理并不能有效地杀灭污水中的致病菌和病毒。根据我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)中规定，城镇污水处理厂出水作为回用水要达到一级a标准，粪大肠菌群指标控制在10³个/l以内方可排入水体。为使水质符合细菌学标准，在污水的处理过程中除了需要对污水进行过滤分离之外，对污水进行杀菌消毒也是必不可少的一项措施。

传统的氯消毒过程会产生大量消毒副产物，如三卤甲烷和卤乙酸等，这些副产物具有“三致作用”，对健康产生严重影响。而紫外消毒和臭氧消毒的能耗大，运行费用高，杀菌效率不稳定。

电化学杀菌消毒是一种高效、广谱杀菌法，可一次性杀灭绝大多数细菌、病毒、真菌和藻类，同时具有高效率、低能耗、低成本、对环境友好等特点。

在目前的污水处理过程中，常常采用分步法对污水进行过滤和杀菌处理，其中，利用动态膜生物反应器对污水进行过滤步骤，利用电化学装置对污水进行杀菌步骤，分步处理操作麻烦，能耗大，成本高。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明提供一种用于污水处理的电化学耦合动态膜组件和反应器，本发明膜组件巧妙地将电极与动态膜耦合，实现了动态膜过滤装置和电化学装置的一体化，可以对污水进行过滤分离和杀菌消毒一体化处理，具有结构简单、操作方便、能耗小和成本低等优点。

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种用于污水处理的电化学耦合动态膜组件，包括膜框、塑料网、钛网、活性炭纤维毡，动态膜基材和导线，所述膜框上设有与膜框内腔相通的抽吸口，抽吸口与出水管相连，所述钛网设于膜框的膜腔内，钛网通过导线与电源的负极相连，所述塑料网设于膜框外两侧，所述活性炭纤维毡附于塑料网外侧上，活性炭纤维毡通过导线与电源的正极相连，所述动态膜基材设于活性炭纤维毡外侧。

优选地，所述钛网的目数为80～270目。

优选地，所述塑料网的目数为16～160目。

优选地，所述活性炭纤维毡的比表面积不小于800m²/g，厚度不超过2mm。

优选地，所述动态膜基材为涤纶网、尼龙网、筛娟或无纺布中的任意一种，动态膜基材的目数为100～400目。

一种用于污水处理的电化学耦合动态膜反应器，包括进水系统、主体反应池、曝气系统和出水系统，所述进水系统包括进水槽、进水管和第一蠕动泵，进水槽通过进水管与主体反应池相连，第一蠕动泵将污水由进水槽抽入主体反应池；所述曝气系统包括曝气泵和曝气管，曝气管设于主体主体反应池内；所述出水系统包括出水管、第二蠕动泵、电源和上述所述的电化学耦合动态膜组件，所述电源的正极和负极分别与活性炭纤维毡和钛网电连接，所述电化学耦合动态膜组件设于主体反应池内，膜组件的抽吸口与出水管相连，第二蠕动泵将经膜组件处理后的污水从抽吸口抽出。

优选地，所述电源为恒电位仪、直流稳压电源或电池中的任意一种，电源电压不超过4v/cm。

一种用于污水处理的电化学耦合动态膜反应器在污水处理中的应用，进水槽中的污水在第一蠕动泵的驱动下进入主体反应池；在第一蠕动泵的抽吸作用下，污水中的可悬浮固体、微生物及其代谢产物在动态膜基材表面沉积形成具有分离和生物降解功能的动态膜，在电化学耦合动态膜组件下方曝气可有效减缓膜污染，污水经动态膜过滤后进入膜框内腔，利用外加电源提供电压使得阴阳电极带电，滤液中的微生物在电场和电极产生的过氧化氢和羟基自由基的作用下，失去生理活性死亡而达到杀菌消毒的效果；经杀菌消毒后的水在第一蠕动泵的作用下被从膜框上的抽吸口抽出。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1.本发明膜组件将电化学系统与动态膜耦合，通过设置在动态膜内的电极可以对经动态膜过滤截留后的废水进行电化学杀菌，具有动态膜过滤截留和电化学杀菌的双重效果，可使出水水质大幅提升，同时，动态膜的过滤截留作用对内置的电极具有保护作用，可以防止电极发生污染，使电极杀菌效率维持在稳定高效的水平。

2.本发明采用活性炭纤维毡作正极材料，活性炭纤维毡比表面积大，导电性和化学稳定性好，相比传统正极材料，价格低廉且使用寿命长。

3.本发明中采用的动态膜基材廉价易得，可以降低膜组件价格，经济性能优越。

4.本发明所需的电源电压极低(不超过4v/cm)，电化学系统内功率低，电能消耗少，节能环保。

5.发明人之前申请的公开号为cn103496789a的中国发明专利公开了一种生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置和方法，该污水处理装置虽然也可以对污水进行过滤分离和杀菌消毒一体化处理，但从原理上看，该发明采用的是微生物燃料电池的原理，而本发明是电解池原理，相较于微生物染料电池，电解池易于实现电压调节；从技术上看，本发明将过滤截留技术与电化学杀菌消毒技术耦合在一个膜组件上，工艺简化，操作便捷，处理效率高。

附图说明

图1是本发明电化学耦合动态膜组件的结构示意图。

图2是本发明电化学耦合动态膜反应器的结构示意图。

附图标记：

1.膜框2.抽吸口3.钛网4.导线5.塑料网6.活性炭纤维毡7.动态膜基材8.膜组件9.进水槽10.进水管11.第一蠕动泵12.主体反应池13.曝气泵14.曝气管15.电源16.出水管17.流量计18.压力计19.第二蠕动泵

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1：

如图1所示，一种用于污水处理的电化学耦合动态膜组件，包括膜框、塑料网、钛网、活性炭纤维毡，动态膜基材和导线，所述膜框上设有与膜框内腔相通的抽吸口，抽吸口与出水管相连，所述钛网设于膜框的膜腔内，钛网通过导线与电源的负极相连，所述塑料网设于膜框外两侧，所述活性炭纤维毡附于塑料网外侧上，活性炭纤维毡通过导线与电源的正极相连，所述动态膜基材设于活性炭纤维毡外侧。

如图2所示，一种用于污水处理的电化学耦合动态膜反应器，包括进水系统、主体反应池、电化学耦合动态膜组件、曝气系统、出水系统和电源，所述进水系统包括进水槽和进水管，进水槽通过进水管与主体反应池相连，进水管上设有流量计、压力计和第一蠕动泵，第一蠕动泵将污水由进水槽抽入主体反应池；所述电化学耦合动态膜组件设于主体反应池内，所述曝气系统包括曝气泵和曝气管，曝气管设于主体主体反应池内；所述出水系统包括出水管，出水管与动态膜组件的抽吸口相连，出水管上设有流量计、压力计和第二蠕动泵，第二蠕动泵将经电化学耦合动态膜组件处理后的污水从抽吸口抽出，所述电源的正极和负极分别与活性炭纤维毡和钛网电连接。

采用电化学耦合动态膜反应器对污水进行处理，进水槽中的污水在第一蠕动泵的驱动下进入主体反应池；在第一蠕动泵的抽吸作用下，污水中的可悬浮固体、微生物及其代谢产物在动态膜基材表面沉积形成具有分离和生物降解功能的动态膜，在电化学耦合动态膜组件下方曝气可有效减缓膜污染，污水经动态膜过滤后进入膜框内腔，利用外加电源提供电压使得阴阳电极带电，滤液中的微生物在电场和电极产生的过氧化氢和羟基自由基的作用下，失去生理活性死亡而达到杀菌消毒的效果；经杀菌消毒后的水在第一蠕动泵的作用下被从膜框上的抽吸口抽出。

实施例2：

利用实施例1所述的电化学耦合动态膜反应器处理模拟污水，模拟污水中含有浓度为10⁶cfu/ml的大肠杆菌以及10mmol/l硫酸钠。其中，钛网目数为80目，塑料网目数为16目，活性炭纤维毡的比表面积为960m²/g，厚度为1mm，动态膜材采用110目的涤纶网，膜组件单侧有效面积为18cm²，阴阳极距离为1cm，膜通量为150lm^-2h^-1，电源采用直流稳压电源，电源电压为3v。连续运行30天，出水未检测到活菌，出水浊度为2ntu。

实施例3：

利用实施例1所述的电化学耦合动态膜反应器处理模拟污水，模拟污水中含有浓度为10⁶cfu/ml的大肠杆菌以及10mmol/l硫酸钠。其中，钛网目数为80目，塑料网目数为16目，活性炭纤维毡的比表面积为1600m²/g，厚度为1.8mm，动态膜材采用280目的涤纶网，膜组件单侧有效面积为18cm²，阴阳极距离为1cm，膜通量为140lm^-2h^-1，电源采用直流稳压电源，电源电压为3v。连续运行30天，出水未检测到活菌，出水浊度为1ntu。

实施例4：

利用实施例1所述的电化学耦合动态膜反应器处理模拟污水，模拟污水中含有浓度为10⁶cfu/ml的大肠杆菌以及10mmol/l硫酸钠。其中，钛网目数为270目，塑料网目数为158目，活性炭纤维毡的比表面积为1200m²/g，厚度为1.5mm，动态膜材采用400目的尼龙网，膜组件单侧有效面积为18cm²，阴阳极距离为1cm，膜通量为150lm^-2h^-1，电源采用直流稳压电源，电源电压为3v。连续运行30天，出水无活菌被检测到且水质稳定，出水浊度为1ntu。

实施例5：

利用实施例1所述的电化学耦合动态膜反应器处理模拟污水，模拟污水中含有浓度为10⁶cfu/ml的大肠杆菌以及10mmol/l硫酸钠。其中，钛网目数为160目，塑料网目数为100目，活性炭纤维毡的比表面积为1300m²/g，厚度为1.5mm，动态膜材采用380目的尼龙网，膜组件单侧有效面积为18cm²，阴阳极距离为1cm，膜通量为150lm^-2h^-1，电源采用直流稳压电源，电源电压为2v。连续运行30天，出水无活菌被检测到且水质稳定，出水浊度为1ntu。

对比例1：

利用实施例1所述的电化学耦合动态膜反应器处理模拟污水，模拟污水中含有浓度为10⁶cfu/ml的大肠杆菌以及10mmol/l硫酸钠。其中，钛网目数为80目，塑料网目数为16目，活性炭纤维毡的比表面积为700m²/g，厚度为1mm，动态膜材采用110目的涤纶网，膜组件单侧有效面积为18cm²，阴阳极距离为1cm，膜通量为150lm^-2h^-1，电源采用直流稳压电源，电源电压为3v。连续运行30天，出水未检测到活菌，出水浊度为5ntu。

对比例2：

利用实施例1所述的电化学耦合动态膜反应器处理模拟污水，模拟污水中含有浓度为10⁶cfu/ml的大肠杆菌以及10mmol/l硫酸钠。其中，钛网目数为60目，塑料网目数为16目，活性炭纤维毡的比表面积为960m²/g，厚度为1mm，动态膜材采用110目的涤纶网，膜组件单侧有效面积为18cm²，阴阳极距离为1cm，膜通量为150lm^-2h^-1，电源采用直流稳压电源，电源电压为3v。连续运行30天，出水未检测到活菌，出水浊度为4ntu。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。