一种高质出水与低膜污染的膜生物电化学反应器装置

摘要

一种高质出水与低膜污染的膜生物电化学反应器装置，它涉及污水处理领域。本发明要解决MBR膜污染严重，氮去除率低，难降解污水处理效果差等问题。它包括水箱、进水蠕动泵、MFC阳极室、不锈钢平板膜、MBR反应器、导线、外接电阻、曝气头、气体流量计、空气压缩机、真空压力表、回流蠕动泵和出水蠕动泵。本发明的污水首先进入厌氧的MFC阳极，厌氧产电微生物行水解酸化预处理，随后污水进入MBR中，将部分出水回流至厌氧的阳极室，能够进一步实现污水的脱氮。实现了MFC对能源的回收及电能的原位利用，膜污染的有效控制及污水的高效处理，具有明显的经济效益和环境效益。本发明应用于污水处理领域。

说明书

技术领域

本发明涉及膜生物反应器技术领域。具体涉及到运用微生物燃料电池产生的电能，在膜 与阳极间形成微电场，进而有效的减缓膜的污染。

背景技术

膜生物反应器将活性污泥法与膜分离技术相结合，主要用于生活污水和工业污水处理与 回用，与传统的生物处理方法相比它具有固液分离效果好、去除率高、占地面积小等优点， 但膜污染严重影响MBR的正常运行因此成为MBR得以广泛应用的瓶颈，同时传统的好氧 MBR对难降解的工业废水处理效果较差，没有明显的脱氮效果。

由于水处理中大多数的污染物质都是带有负电的，根据同性相斥的原理，在膜表面形成 的负电场，能对带负电的污染物产生排斥作用，推离其离开膜表面，从而减轻了膜污染的发 生，所以利用外加电场是控制膜污染的一种有效方法，电场强强度越大，膜污染减缓效果越 明显，但是高电场不仅能耗高，而且会显著影响微生物的活性，从而影响污水处理能力。近 期有研究表明，弱电场能够刺激微生物代谢，提高微生物活性。

微生物燃料电池（MFC）在处理废物的同时能回收能量，且反应条件温和越来越受到人 们的重视，但其产电效率较低，电压一般为0.4-0.7V，目前远没达到商业利用的需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有膜生物反应器膜污染严重，处理工业废水效果差，且除氮 效果不明显的问题，而提供了一种高质出水与低膜污染的膜生物电化学反应器装置。

本发明的一种高质出水与低膜污染的膜生物电化学反应器装置，它包括水箱、进水蠕动 泵、两个MFC阳极室、不锈钢平板膜、MBR反应器、导线、外接电阻、曝气头、气体流量 计、空气压缩机、真空压力表、出水蠕动泵和回流蠕动泵；其中，所述的两个MFC阳极室分 别由进水口、钛丝、阳极材料、出水口、反应器外壳和阳离子交换膜构成；所述的平板膜由 膜片、腔体、出水口和钛丝构成；

所述的两个MFC阳极室之间形成MBR反应器，MBR反应器底部密封；平板膜设置在 MBR反应器内，水箱出水口与进水蠕动泵的进水口连通，进水蠕动泵的出水口与回流蠕动泵 的出水口连通，回流蠕动泵的进水口与出水蠕动泵的出水口连通，回流蠕动泵的出水口分别 与两个MFC阳极室的进水口连通形成环形回流，两个MFC阳极室上端分别设置有出水口并 位于MBR反应器内，钛丝与阳极材料固定连接，并分别设置在由反应器外壳构成的两个MFC 阳极室内部，阳离子交换膜分别设置在两个MFC阳极室靠近平板膜一侧与反应器外壳连接；

两个钛丝分别通过导线与两个外接电阻一端连接，两个外接电阻另一端分别与两个钛丝 连接，两个钛丝分别焊接在两个膜片上，两块膜片之间形成空腔，空腔底部密封，平板膜上 端设置有出水口，出水口一端与腔体连通，另一端与真空压力表进水口连通，真空压力表出 水口与出水蠕动泵的进水口连通；

曝气头设置在两个MFC阳极室形成的MBR反应器的平板膜下端，曝气头进气口与气体 流量计的出气口连通，气体流量计的进气口与空气压缩机出气口连通。

本发明包含以下有益效果：

在膜生物反应器中耦合微生物燃料电池，将膜同时作为电池的阴极，利用污水处理中产 生的电能在两极间形成的电场，有效的减缓了膜污染。厌氧的阳极室对污水进行预处理能提 高MBR对难降解有机废水的处理效果，通过回流蠕动泵将部分出水回流至厌氧的阳极室， 能够进一步实现污水的脱氮，同时阴极微生物能够在一定程度上实现生物脱氮作用，提高出 水水质。本发明操作简单，在原位利用微生物燃料电池产电控制膜污染的同时，能够有效提 高MBR污水处理效果。

在本发明中平板膜在作为MBR过滤介质的同时还作为MFC的阴极，污水首先进入厌氧 的MFC阳极，阳极的厌氧产电微生物先对污水进行水解酸化预处理，随后污水由出水口进入 MBR中，阳极的厌氧预处理能够在一定程度上增强MBR对难降解有机废水的处理效果，将 部分出水回流至厌氧的阳极室，能够进一步实现污水的脱氮，同时附着在MFC阴极的生物膜 内层处于缺氧状态的微生物可以利用NO₃^-和NO₂^-与阳极产生并传导来的电子结合发生还原 反应生成N₂，从而进一步加强污水脱氮效果。同时作为MFC的阴极的不锈钢膜表面带有负 电荷并和阳极之间形成电场，从而使附着在膜表面带负电的污染物受到电场力作用脱离膜表 面，同时减缓混合液中带负电的污染物质向膜表面的运动，从而实现膜污染的控制。

本发明的装置与现有装置相比，现有装置的膜运行周期为12天，MBER反应器装置的运 行周期为35天，说明本发明能有效减缓膜污染的发生。

本发明的MBER装置和对照装置对污水的COD去除率分别为92.5%和88.9%，与传统的 MBR装置相比本发明MBER装置能提高污水COD去除率，MBER装置和对照装置对污水的 总氮去除率分别为75%和20%，这说明本发明中MBER装置大大提高了污水的脱氮效率，与 对照装置相比该发明能大大提高出水水质。

附图说明

图1是本发明的MBER反应器装置的结构示意图；

图2是作为对照的MBR反应器装置的结构示意图；

图3是本发明的MFC阳极室结构示意图；

图4是本发明的不锈钢平板膜组件结构示意图；

图5是试验中MBER反应器装置与对照装置的过膜压差对比图；

图6是试验中外阻为50欧姆时MFC的电压输出曲线图；

图7是试验中的MFC极化曲线及功率密度曲线图；

图8是试验中的MBER反应器装置与对照装置的CDO去除效率图；

图9是试验中的MBER反应器装置与对照装置的总氮去除效率图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种高质出水与低膜污染的膜生物电化学反应器装置， 它包括水箱1、进水蠕动泵2、两个MFC阳极室5、不锈钢平板膜6、导线4、外接电阻3、 曝气头7、气体流量计8、空气压缩机9、真空压力表10、出水蠕动泵11、回流蠕动泵12和 MBR反应器13；其中，所述的两个MFC阳极室5分别由进水口5-1、钛丝5-2、阳极材料 5-3、出水口5-4、反应器外壳5-5和阳离子交换膜5-6构成；所述的平板膜6由膜片6-1、腔 体6-2、出水口6-3和钛丝6-4构成；

所述的两个MFC阳极室5之间形成MBR反应器13，MBR反应器13底部密封；平板 膜6设置在两个MFC阳极室5形成的MBR反应器13内，水箱1出水口与进水蠕动泵2的 进水口连通，进水蠕动泵2的出水口与回流蠕动泵12的出水口连通，回流蠕动泵12的进水 口与出水蠕动泵11的出水口连通，回流蠕动泵12的出水口分别与两个MFC阳极室5的进水 口5-1连通形成环形回流，两个MFC阳极室5上端分别设置有出水口5-4并位于MBR反应 器13内，钛丝5-2与阳极材料5-3固定连接，并分别设置在由反应器外壳5-5构成的两个MFC 阳极室5内部，阳离子交换膜5-6分别设置在两个MFC阳极室5靠近平板膜6一侧与反应器 外壳5-5连接；

两个钛丝5-2分别通过导线4与两个外接电阻3一端连接，两个外接电阻3另一端分别 与两个钛丝6-4连接，两个钛丝6-4分别焊接在两个膜片6-1上，两块膜片6-1之间形成空腔 6-2，空腔6-2底部密封，平板膜6上端设置有出水口6-3，出水口6-3一端与腔体6-2连通， 另一端与真空压力表10进水口连通，真空压力表10出水口与出水蠕动泵11的进水口连通；

曝气头7设置在两个MFC阳极室5形成的密闭空间内的平板膜6下端，曝气头7进气口 与气体流量计8的出气口连通，气体流量计8的进气口与空气压缩机9出气口连通。

本实施方式的MFC阳极室5为有机玻璃制成的长L×宽D×高H=200mm×30mm×430mm 的立方体，且靠近平板膜6的一面为阳离子交换膜（PEM膜）5-6。

本实施方式包含以下有益效果：

在膜生物反应器中耦合微生物燃料电池，将膜同时作为电池的阴极，利用污水处理中产 生的电能在两极间形成的电场，有效的减缓了膜污染。厌氧的阳极室对污水进行预处理能提 高MBR对难降解有机废水的处理效果，通过回流蠕动泵将部分出水回流至厌氧的阳极室， 能够进一步实现污水的脱氮，同时阴极微生物能够在一定程度上实现生物脱氮作用，提高出 水水质。本实施方式操作简单，在原位利用微生物燃料电池产电控制膜污染的同时，能够有 效提高MBR污水处理效果。

在本实施方式中平板膜在作为MBR过滤介质的同时还作为MFC的阴极，污水首先进入 厌氧的MFC阳极，阳极的厌氧产电微生物先对污水进行水解酸化预处理，随后污水由出水口 进入MBR中，阳极的厌氧预处理能够在一定程度上增强MBR对难降解有机废水的处理效果， 将部分出水回流至厌氧的阳极室，能够进一步实现污水的脱氮，同时附着在MFC阴极的生物 膜内层处于缺氧状态的微生物可以利用NO₃^-和NO₂^-与阳极产生并传导来的电子结合发生还 原反应生成N₂，从而进一步加强污水脱氮效果。同时作为MFC的阴极的不锈钢膜表面带有 负电荷并和阳极之间形成电场，从而使附着在膜表面带负电的污染物受到电场力作用脱离膜 表面，同时减缓混合液中带负电的污染物质向膜表面的运动，从而实现膜污染的控制。

本实施方式的装置与现有装置相比，现有装置的膜运行周期为12天，MBER反应器装置的运 行周期为35天，说明本实施方式能有效减缓膜污染的发生。

本实施方式的MBER装置和对照装置对污水的COD去除率分别为92.5%和88.9%，与传 统的MBR装置相比本实施方式MBER装置能提高污水COD去除率，MBER装置和对照装 置对污水的总氮去除率分别为75%和20%，这说明本实施方式中MBER装置大大提高了污水 的脱氮效率，与传统的MBR装置相比本实施方式能大大提高出水水质。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同是：所述的阳极材料5-3材质为碳 刷、石墨颗粒或碳布。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同是：所述的阳极材料5-3材质 为碳刷，所述的碳刷由碳纤维丝和钛丝拧制而成。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同是：所述的膜片6-1材质 为导电的不锈钢膜片、平板膜片或中空纤维膜片。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同是：所述的膜片6-1表面 喷涂化学催化剂以提高产电效率。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同是：所述的化学催化剂为 Pt/C。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同是：所述的回流蠕动泵12 将部分出水与进水混合后，回流至厌氧环境的MFC阳极5。其它与具体实施方式一至六之一 相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同是：所述的曝气头7为多 个个曝气头7设置在MBR反应器13内的平板膜6下端。其它与具体实施方式一至七之一相 同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同是：所述的碳刷5-3数量 为6个。其它与具体实施方式一至八之一相同。

通过以下试验验证本发明的有益效果：

本试验的一种高质出水与低膜污染的膜生物电化学反应器（MBER）装置，它包括水箱1、 进水蠕动泵2、MFC阳极室5、不锈钢平板膜6、导线4、外接电阻3、曝气头7、气体流量 计8、空气压缩机9、真空压力表10、出水蠕动泵11、回流蠕动泵12和MBR反应器13；其 中，所述的MFC阳极室5由进水口5-1、钛丝5-2、碳刷5-3、出水口5-4、反应器外壳5-5 和阳离子交换膜5-6构成；所述的不锈钢平板膜6由膜片6-1、腔体6-2、出水口6-3和钛丝 6-4构成；

所述的两个MFC阳极室5之间形成MBR反应器13，MBR反应器13底部密封；平板膜 6设置在两个MFC阳极室5形成的MBR反应器13内，水箱1出水口与进水蠕动泵2的进水 口连通，进水蠕动泵2的出水口与回流蠕动泵12的出水口连通，回流蠕动泵12的进水口与 出水蠕动泵11的出水口连通，回流蠕动泵12的出水口分别与两个MFC阳极室5的进水口 5-1连通形成环形回流，两个MFC阳极室5上端分别设置有出水口5-4并位于MBR反应器 13内，钛丝5-2与阳极材料5-3固定连接，并分别设置在由反应器外壳5-5构成的两个MFC 阳极室5内部，阳离子交换膜5-6分别设置在两个MFC阳极室5靠近平板膜6一侧与反应器 外壳5-5连接；

两个钛丝5-2分别通过导线4与两个外接电阻3一端连接，两个外接电阻3另一端分别 与两个钛丝6-4连接，两个钛丝6-4分别焊接两个膜片6-1上，两块膜片6-1中间留有空腔6-2， 空腔6-2底部密封，不锈钢平板膜6上端设置有出水口6-3，出水口6-3一端与腔体6-2连通， 另一端与真空压力表10进水口连通，真空压力表10出水口与出水蠕动泵11的进水口连通；

若干个曝气头7并排平行设置在不锈钢平板膜组件6的下方，若干个曝气头7进气口均 与气体流量计8的出气口连通，气体流量计8的进气口与空气压缩机9进气口连通。

本试验一体化膜生物反应器的MFC阳极室5为有机玻璃制成的长L×宽D×高H=200 mm×30mm×430mm的立方体，且靠近平板膜6的一面为阳离子交换膜（PEM膜）5-6；

本试验一体化膜生物反应器的每个碳刷5-3的直径为3cm，长为40cm；

本试验一体化膜生物反应器的平板膜6的尺寸为长L×厚D×高H=100mm×20mm×200 mm。

使用本试验的高质出水与低膜污染的膜生物电化学反应器（MBER）装置的方法如下：

本试验的反应器启动前，将阳离子交换膜（PEM膜）5-6用过氧化氢煮10min，然后用 0.5mol/L的H₂SO₄和lmol/L的NaOH分别浸泡2h，最后用去离子水浸泡5h备用，MFC阳 极室5采用厌氧污泥接种，接种期间MFC阳极室5采用间歇方式运行，负载电阻为1000欧 姆。

污水在进水蠕动泵2抽吸作用下通过进水口5-1进入MFC阳极室5，流量为10mL/min， 回流蠕动泵流量为20mL/min，出水蠕动泵流量为30mL/min，MFC阳极室5水力停留时间 为3h，经过MFC阳极室5水解酸化预处理的污水通过出水口5-4进入MBR反应器13，MBR 反应器13尺寸为：长L×宽D×高H=200mm×100mm×450mm，有效体积为8000mL，水力 停留时间为13h，出水系统采用出水蠕动泵11抽吸水，真空压力表10检测膜组件的跨膜压 力。回流系统采用回流蠕动泵12抽吸部分出水与进水混合后进入阳极室5。不锈钢平板膜6 同时作为MBR过滤介质和MFC阴极，钛丝5-2通过导线4和电阻3相连接。曝气系统采取 空气压缩机9进行曝气，采用气体流量计8控制气体流量。

本试验的MBER反应器装置与对照装置的过膜压差对比图如图5所示，◆表示对照装置 的过膜压差的变化情况，■表示该发明装置MBER反应器的过膜压差的变化情况。由图5可 以发现，对照装置的膜运行周期为12天，MBER反应器装置的运行周期为35天，说明本发 明能有效减缓膜污染的发生，减少膜的清洗频率，膜污染能够得到有效的控制。

本试验的外阻为50欧姆时MFC的电压输出曲线图如图6所示，由图6可以看出，外电 阻为50欧姆时，MFC能产生0.12V左右的稳定的电压。

本试验的MFC极化曲线及功率密度曲线图如图7所示，曲线方程式为y=-0.138x+0.496， R2=0.991；◆表示MFC的极化曲线，■表示MFC的功率密度曲线。由图7可以得出，该发明 装置中MFC的内阻为138欧姆，最高输出功率为720mW/m³。

由图8和图9可知，本实验中MBER装置和对照装置对污水的COD去除率分别为92.5% 和88.9%，与图2的对照装置相比本发明MBER装置能提高污水COD去除率，MBER装置 和对照装置对污水的总氮去除率分别为75%和20%，这说明本发明中MBER装置大大提高了 污水的脱氮效率，与对照装置相比该发明能大大提高出水水质。