一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的系统

本技术涉及有机固废厌氧膜生物能源转化处理和生物电化学，尤其是一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的系统。

背景技术：

1、有机固废的高效转化和循环利用是解决全球环境污染、能源短缺和资源缺乏的重要手段。厌氧发酵具有集中高效、环境友好、能源再生的特点，是实现固废资源化、处置无害化的重要实现手段。废水污泥和餐厨垃圾是有机固废的重要组成，两者协同进行厌氧共消化，能克服单基质发酵的弊端，更好地平衡c/n比并促进体系稳定，是更具有潜力的处理方式。然而在实践应用中，厌氧发酵往往存在停留周期长，操作复杂，消化表现不稳定等弊端，因此，亟需对现有的厌氧发酵工艺进行改进优化。

2、厌氧膜生物反应器(anmbrs)是厌氧处理工艺中新兴的装置手段，凭借其膜材料的细小孔径对大分子物质的截留作用，实现水力停留时间与固体停留时间的完全分离。与传统厌氧工艺相比，厌氧膜生物反应器具有发酵过程稳定、能耗较低、处理效果提升等优势。但是，厌氧膜生物反应器一般应用于高浓度有机废水的处理，其处理有机固废的启动时间仍然较长，运行成本较高。此外，单策略调控下甲烷转化率低也是制约其进一步发展的关键因素。因此，为节约成本，提高该工艺的效率和利润，需要引入多策略调控。

3、中国专利《一种折流板式厌氧膜生物反应器系统》(授权公告号cn207537216u，授权公告日2018.06.26)提出一种利用折流板分隔的膜生物反应器，通过延长反应流程，在各个隔室内形成污泥和有机物浓度梯度，降低了最终与膜组件接触的污泥混合液浓度，提高厌氧反应的效率，并且降低了运行的洗膜成本。其缺点在于反应器占地面积较大，折板结构制造复杂，成本较高。

4、中国专利《预处理-egsb-微生物电化学联合的剩余污泥降解装置及方法》(授权公告号cn 105541059b，授权公告日2017.10.24)提出了一种微生物电化学耦合膨胀颗粒污泥床的污泥处理工艺，通过将污泥进行厌氧消化和破碎，形成含有固体颗粒的高浓度有机废水；高浓度有机废水被egsb厌氧颗粒污泥降解，再经微生物电化学系统进一步处理废水，从而使废水达标排放。其缺点在于，egsb启动时间长，颗粒污泥培养困难；微生物电化学仅作用于水相，对微生物促进作用有限；生物气产量缺少数据支持，不适合商业应用。

5、中国专利《一种采用碳量子点作为促进剂提高厌氧发酵产气的方法》(授权公告号cn 107604011b，授权公告日2020.07.31)提出一种以柠檬酸钠水溶液和乙二胺为原料制得的碳量子点方法，在投加量为1.0g/l的条件下，甲烷总产量较对照组提高14.8％。其缺点在于，投加碳量子点后的甲烷产量提效有限，当投加量为0.1g/l时，甲烷的总产有减小趋势，实用性欠缺。

6、中国专利《一种一体化抗膜污染的膜生物反应器》(授权公告号cn203807301u，授权公告日2014.09.03)提出了一种集成化抗膜污染的膜生物反应器，通过设置动力与控制区、高效前处理区、膜生物处理区控制膜污染。该方法内置聚丙烯半软性球状填料箱，把微生物和膜污染物转移到填料，并集成了超声波清洗装置，保持膜面清洁。缺点在于反应器维护复杂，能源需求较高。

7、综上，现有技术装置存在工艺结构复杂，维护难度高，处理效果有限，投资运行成本较高，难以投入规模化应用的缺陷。

技术实现思路

1、本实用新型公开了一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的系统，其特点是在厌氧膜生物反应器基础上通过引入碳点，联合生物电耦合厌氧膜生物反应器协同强化污泥的甲烷转化并增强厌氧膜反应器的抗膜污染能力。本系统由碳点供给装置、生物电供给装置、膜生物反应器三部分组成，特点在于将生物电直接供给于膜生物反应器的膜组件上并利用生物电促进碳点和微生物在膜组件的富集以促进生物转化。本系统与现有装置相比具有明显增强甲烷转化效率，缓解膜污染，促进有机物水解进程，增强微生物种群多样性和协同作用等优势，较好地解决了污泥甲烷转化率低和膜污染严重的问题，而且流程简易，价格低廉，具较为广泛的产业化应用前景的优势和前景。

2、实现本实用新型目的的具体技术方案是：

3、一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的系统，特点是所述系统由碳点供给装置、生物电供给装置及膜生物反应器组成，所述碳点供给装置包括碳点存储罐和碳点投加器，碳点存储罐与碳点投加器通过管道连接；

4、所述生物电供给装置为预设电位的三相电势恒定仪；

5、所述膜生物反应器包括壳体、复合膜组件、恒温水浴器、生物气内循环器、碳点投加口、基质样品取料口、气体通道口、阴阳电极、污泥蠕动泵、进泥口、顶部出水口、压力传感器、出水蠕动泵及湿式气体流量计，所述复合膜组件设于壳体内，壳体两外侧分别设有两个连接口，一侧连接口连接恒温水浴器、另一侧连接口连接生物气内循环器，所述碳点投加口、基质样品取料口、气体通道口、阴阳电极和顶部出水口均设于壳体顶部；所述复合膜组件包括平板膜和挂膜电极，挂膜电极通过钛丝连接阴阳电极的一端；所述碳点投加口与碳点投加器通过管道连接；所述气体通道口连接湿式气体流量计；所述阴阳电极的另一端连接所述三相电势恒定仪；所述进泥口设于壳体一侧，与污泥蠕动泵通过管道连接，用于将基质送入壳体厌氧处理；所述顶部出水口与出水蠕动泵通过管道相连，用于将处理后的澄清出水排出；所述压力传感器设置在壳体的顶部出水口和出水蠕动泵的中间管路上，用于监测复合膜组件的跨膜压差变化，以表征膜污染状况。

6、所述碳点投加口投加的碳点能够吸附在包括平板膜和挂膜电极的复合膜组件上，形成多层膜结构，使得导电层增厚。

7、所述碳点投加口投加的碳点为柠檬酸热解制备得到的碳点。

8、本实用新型与现有技术相比具有下述优势和效果：

9、1)反应基质配比合理较优，不同于单一组份消化，使用餐厨垃圾对废水污泥调质，通过平衡c/n比、增强系统缓冲能力、加快水解速度、提高系统稳定性从而克服传统废水污泥发酵的弊端，提高甲烷回收效率。

10、2)所使用流程工艺先进且简单，强化策略使用碳点耦合生物电协同增效，以基质配比预处理、投加药剂、生物电化学处理及膜生物连续反应为主，缩短反应时间，流程简易，对操作人员要求简单，投加药剂的成本较低且对环境友好，适应不同的处理要求，同时占地面积小，节约设备材料成本和人力成本，能源经济效益高。

11、3)所使用技术能源转化效率提高，本系统使用碳点及微生物电化学技术和厌氧膜生物反应器促进体系微生物协同作用，从而降低有机物处理处置负荷，提高有机物(如多糖、蛋白、cod等)的消解率，并且同步强化甲烷转化，效率较普通处理提升约102.55％。

12、4)所使用技术有效缓解膜污染，本系统通过微生物电化学技术以及投加碳点的方式，施加电场提供静电排斥力和电化学氧化作用，碳点充当电子传递介质作用，促进有机物的分解作用，实现原位膜污染防控。

技术特征：

1.一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的系统，其特征在于，所述系统包括碳点供给装置、生物电供给装置及膜生物反应器，所述碳点供给装置包括碳点存储罐（1）和碳点投加器（2），碳点存储罐（1）与碳点投加器（2）通过管道连接；

2.根据权利要求1所述的碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的系统，其特征在于，所述碳点投加口（8）投加的碳点能够吸附在包括平板膜和挂膜电极的复合膜组件（5）上，形成多层膜结构，使得导电层增厚。

3.根据权利要求1所述的碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的系统，其特征在于，所述碳点投加口（8）投加的碳点为柠檬酸热解制备得到的碳点。

技术总结
本技术公开了一种碳点联合电膜强化污泥甲烷转化和抗膜污染的系统，其特点是在厌氧膜生物反应器基础上通过引入碳点，联合生物电耦合厌氧膜生物反应器协同强化污泥的甲烷转化并增强厌氧膜反应器的抗膜污染能力。本系统由碳点供给装置、生物电供给装置、膜生物反应器三部分组成，特点在于将生物电直接供给于膜生物反应器的膜组件上并利用生物电促进碳点和微生物在膜组件的富集以促进生物转化。本系统与现有装置相比具有明显增强甲烷转化效率，缓解膜污染，促进有机物水解进程，增强微生物种群多样性和协同作用等优势，较好地解决了污泥甲烷转化率低和膜污染严重的问题，而且流程简易，价格低廉，具较为广泛的产业化应用前景的优势和前景。

技术研发人员：邱博然,甄广印
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：20230825
技术公布日：2024/3/27