一種耦合微生物燃料電池低能耗膜生物反應(yīng)器的有機(jī)廢水處理裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種耦合微生物燃料電池低能耗膜生物反應(yīng)器的有機(jī)廢水處理裝置，屬于有機(jī)廢水資源化【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明目的是要解決微生物燃料電池(MFC)出水水質(zhì)差、膜生物反應(yīng)器(MBR)能耗高且膜污染嚴(yán)重的問題，本發(fā)明裝置由池體、MFC陽極、導(dǎo)流板構(gòu)成陽極室，為厭氧反應(yīng)區(qū)，由導(dǎo)流板、MBR膜組件(兼MFC陰極)、曝氣管構(gòu)成陰極室，為好氧反應(yīng)區(qū)，導(dǎo)流板區(qū)則為缺氧反應(yīng)區(qū)；同時(shí)采用折流板替代普通MFC中的質(zhì)子交換膜，系統(tǒng)脫氮效果好，構(gòu)建成本低，與傳統(tǒng)MBR系統(tǒng)相比，本發(fā)明裝置噸廢水處理能耗降低30％～70％，出水水質(zhì)符合我國城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
【專利說明】一種耦合微生物燃料電池低能耗膜生物反應(yīng)器的有機(jī)廢水處理裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種耦合微生物燃料電池低能耗膜生物反應(yīng)器的有機(jī)廢水處理裝置，屬于有機(jī)廢水處理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，作為廢水物理與生物處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)組合，以剩余污泥產(chǎn)量低和高效脫氮見長、以污水資源化(或回用)和無害化為最終目標(biāo)的膜生物反應(yīng)器(MembraneBioreactor, MBR)技術(shù)已在污水處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國投入運(yùn)行或在建的MBR污水處理工程已超過300項(xiàng)，其中，萬噸級(jí)MBR系統(tǒng)近10套。然而，國內(nèi)外實(shí)踐表明，運(yùn)行成本和膜污染始終是制約MBR穩(wěn)定運(yùn)行的主要障礙。就其運(yùn)行成本而言，傳統(tǒng)市政污水處理廠平均電耗為0.3kffh / m3污水，但MBR處理污水的能耗高達(dá)0.5~1.0kffh / m3污水。另一方面，無論采用何種膜污染預(yù)防措施，一旦膜與污泥混合液接觸，膜污染即開始。因此，尋找低能耗、能有效解決MBR膜污染問題的污水處理方法十分必要。
[0003]微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一項(xiàng)通過陽極產(chǎn)電生物膜降解污水中有機(jī)物并產(chǎn)生可持續(xù)電能的新技術(shù)。像所有燃料電池一樣，MFC發(fā)電不是將燃料(廢水或廢棄物中的有機(jī)物)燃燒，而是在厭氧條件下從燃料分子剝?nèi)‰娮?即微生物呼吸作用產(chǎn)生的電子)，并將其通過預(yù)定途徑(電極和外電路)傳遞到氧，將原本用于氧化磷酸化生物合成ATP的能量轉(zhuǎn)化為電，其中微生物是生化反應(yīng)的催化劑，MFC的產(chǎn)電過程通過陽極有機(jī)物(電子供體)的氧化和陰極氧氣(電子受體)的還原實(shí)現(xiàn)。然而，作為厭氧生物處理技術(shù)之一，MFC難以獲得優(yōu)良的出水水質(zhì)，若與硝化過程、序批式反應(yīng)器、生物轉(zhuǎn)盤、生物接觸氧化等工藝結(jié)合、或?qū)FC置于活性污泥法的曝氣池中，可改善MFC出水水質(zhì)，但上述過程均無法有效去除系統(tǒng)出水中的懸浮物，出水難以回用或排放。
·[0004]本發(fā)明以生活污水或有機(jī)工業(yè)廢水為處理對(duì)象，將MFC與MBR有機(jī)地結(jié)合在一起，構(gòu)成一種新的有機(jī)廢水處理裝置，該裝置利用MFC產(chǎn)生的電能補(bǔ)償MBR電能消耗，并使作為MFC陰極的MBR膜表面帶負(fù)電，產(chǎn)生靜電斥力，有效降低膜污染，降低運(yùn)行成本，同時(shí)MBR保證了本裝置具有良好的出水水質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種能耗低、出水水質(zhì)優(yōu)良的生活污水或有機(jī)工業(yè)廢水的
處理裝置。
[0006]本發(fā)明的裝置由以下部件構(gòu)成:
[0007]池體(1)、MFC陽極⑵、進(jìn)水管(3)、給水泵⑷、密封塞(16)、折流板⑶、MBR膜組件(9)、曝氣管(10)、電極/水管固定塞(13)、出水管(11)、出水泵(12)、負(fù)載(14)、導(dǎo)線
(15)、閥門(5)、污泥泵(6)、污泥管(7)組成；由3~7塊折流板(8)形成折流板區(qū)，將整個(gè)廢水處理裝置分成MFC陽極室和MBR;進(jìn)水管(3)經(jīng)給水泵(4)與位于MFC陽極室底部的進(jìn)水口相連；出水管(11)經(jīng)出水泵(12)與導(dǎo)電聚合物膜組件(9)的出水口連通；MFC陽極
(2)和導(dǎo)電聚合物膜組件(9)由導(dǎo)線(15)與負(fù)載(14)相連；污泥泵(6)、閥門(5)經(jīng)污泥管(7)與陽極室、折流板區(qū)和MBR反應(yīng)室底部連通，構(gòu)成污泥回流和排出系統(tǒng)。
[0008]MFC陽極(2)材料為碳?xì)?、碳布、石墨及其改性修飾材料，MBR的膜組件(9)兼做MFC陰極，材料為導(dǎo)電聚合物修飾的不銹鋼網(wǎng)、無紡布、碳?xì)?、碳布?br> [0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
[0010]1.污水中包括葡萄糖在內(nèi)的大部分有機(jī)物在MFC陽極(2)發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的電子經(jīng)由MFC陽極(2)、導(dǎo)線(15)和負(fù)載(14)傳遞到陰極，產(chǎn)生的電能用于補(bǔ)償MBR的電能消耗，可有效降低運(yùn)行成本。
[0011]2.MFC陽極(2)氧化產(chǎn)生的質(zhì)子隨水流穿越折流板到達(dá)MBR，與電子和氧氣結(jié)合生成水，消除了普通MFC陽極易酸化、反饋抑制產(chǎn)電微生物活性的問題，陽極氧化后的極少量剩余有機(jī)物也隨水流穿越折流板到達(dá)陰極好氧區(qū)，進(jìn)一步好氧礦化去除。
[0012]3.由導(dǎo)電聚合物膜組件(9)、曝氣管(10)、電極/水管固定塞(13)、出水管(11)和池體(1)組成的MBR可兼做MFC陰極室，為好氧區(qū)，MBR膜組件(9)兼做MFC陰極，其材料為導(dǎo)電聚合物修飾的不銹鋼網(wǎng)、無紡布、碳?xì)帧⑻疾?，在傳遞電子的同時(shí)可為MBR膜表面與膜面污染物間提供靜電斥力，有效緩解膜污染。
[0013]4.由3~7塊折流板⑶和池體⑴構(gòu)成的弓形折流板區(qū)為缺氧區(qū)，保證了陽極室的厭氧和MBR的好氧狀態(tài)，由于此缺氧區(qū)的存在，使得硝化和反硝化反應(yīng)得以發(fā)生，系統(tǒng)脫氮效果好，同時(shí)折流板還用于攔截厭氧區(qū)的污泥，防止污泥流入MBR，影響出水水質(zhì)，另外還是陽極產(chǎn)生的質(zhì)子隨水流到好氧區(qū)陰極的通道；通過隔板數(shù)量和隔板在池體中的位置，可以調(diào)整各部分的水力停留時(shí)間·，以滿足不同水質(zhì)的處理要求。
[0014]5.該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作管理方便，采用折流板替代普通MFC中的質(zhì)子交換膜，大大降低了系統(tǒng)構(gòu)建成本。
[0015]6.與傳統(tǒng)MBR系統(tǒng)相比，噸污水處理能耗降低30%~70%，系統(tǒng)的COD和氨氮去除率均為70.0%~99.8%，出水水質(zhì)符合行業(yè)回用標(biāo)準(zhǔn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]附圖為本發(fā)明裝置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1:MFC陽極⑵采用碳?xì)?，?dǎo)流板⑶采用3塊交叉布置，MBR膜組件(9)兼MFC陰極采用石墨烯、聚偏氟乙烯1: 2混合修飾無紡布。系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)如下:COD濃度為500mg / L，氨氮20mg / L，pH值為7 ；MFC陽極室的HRT為8h ;折流板區(qū)HRT為10h，溶解氧濃度為0.2mg / L ；MBR單元的HRT為6h，溶解氧濃度為4.0mg / L ;溫度為25°C。
[0018]實(shí)施例2 =MFC陽極⑵采用碳布，導(dǎo)流板⑶采用5塊交叉布置，MBR膜組件(9)兼MFC陰極采用聚苯胺修飾不銹鋼網(wǎng)。系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)如下:C0D濃度為1000mg / L，氨氮50mg / L，pH值為8 ；MFC陽極室的HRT為IOh ;折流板區(qū)HRT為12h，溶解氧濃度為0.5mg /L ；MBR單元的HRT為8h，溶解氧濃度為2.0mg / L ;溫度為30°C。
[0019]實(shí)施例3 =MFC陽極⑵采用石墨，導(dǎo)流板⑶采用7塊交叉布置，MBR膜組件(9)兼MFC陰極采用石墨烯修飾碳布。系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)如下:COD濃度為1000Omg / L,氨氮2000mg /L，pH值為9 ；MFC陽極室的HRT為22h ;折流板區(qū)HRT為18h，溶解氧濃度為0.1mg / L ；MBR單元的HRT為12h，溶解 氧濃度為6.0mg / L ;溫度為35°C。
【權(quán)利要求】
1.一種耦合微生物燃料電池低能耗膜生物反應(yīng)器的有機(jī)廢水處理裝置，其特征在于:該裝置由池體(1)、微塵物燃料電池(MFC)陽極(2)、進(jìn)水管(3)、給水泵(4)、密封塞(16)、折流板(8)、MBR膜組件(9)、曝氣管(10)、電極/水管固定塞(13)、出水管(11)、出水泵(12)、負(fù)載(14)、導(dǎo)線(15)、閥門(5)、污泥泵(6)、污泥管(7)組成；由3~7塊折流板(8)形成的折流板區(qū)，將整個(gè)廢水處理裝置分成MFC陽極室和膜生物反應(yīng)器(MBR);進(jìn)水管(3)經(jīng)給水泵⑷與位于MFC陽極室底部的進(jìn)水口相連；出水管(11)經(jīng)出水泵(12)與MBR膜組件(9)的出水口連通；MFC陽極⑵和MBR膜組件(9)由導(dǎo)線(15)與負(fù)載(14)相連；污泥泵(6)、閥門(5)經(jīng)污泥管(7)與陽極室、折流板區(qū)和MBR反應(yīng)室底部連通，構(gòu)成污泥回流和排出系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合微生物燃料電池低能耗膜生物反應(yīng)器的有機(jī)廢水處理裝置，其特征在于:污水中大部分有機(jī)物在MFC陽極(2)發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的電子經(jīng)由MFC陽極(2)、導(dǎo)線(15)和負(fù)載(14)傳遞到MBR膜組件(兼MFC陰極)，產(chǎn)生的電能用于補(bǔ)償MBR電力消耗，可有效降低運(yùn)行成本。
3.根掘權(quán)利要求1所述的一種耦合微生物燃料電池低能耗膜塵物反應(yīng)器的有機(jī)廢水處理裝置，其特征在于:由池體⑴、MFC陽極⑵、進(jìn)水管(3)、折流板⑶、密封塞(16)構(gòu)成的MFC陽極室為厭氧區(qū)，MFC陽極(2)材料為碳?xì)帧⑻疾?、石墨及其改性修飾材料，MFC陽極(2)氧化產(chǎn)生的質(zhì)子隨水流穿越折流板到達(dá)MBR好氧區(qū)，與電子和氧氣結(jié)合生成水，消除了普通MFC陽極易酸化、反饋抑制產(chǎn)電微生物活性的問題，陽極氧化后的極少量剩余有機(jī)物也隨水流穿越折流板到達(dá)陰極好氧區(qū)，進(jìn)一步好氧去除。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合微生物燃料電池低能耗膜生物反應(yīng)器的有機(jī)廢水處理裝置，其特征在于:由MBR膜組件(9)、曝氣管(10)、電極/水管固定塞(13)、出水管(11)和池體⑴組成的MBR兼做MFC陰極室，為好氧區(qū)，MBR膜組件(9)兼做MFC陰極，其材料為導(dǎo)電聚合 物修飾的不銹鋼網(wǎng)、無紡布、碳?xì)帧⑻疾?，在傳遞電子的同時(shí)可為MBR膜表面與膜面污染物間提供靜電斥力，有效緩解膜污染。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耦合微生物燃料電池低能耗膜生物反應(yīng)器的有機(jī)廢水處理裝置，其特征在于:由3~7塊折流板(8)和池體(1)構(gòu)成的弓形折流板區(qū)為缺氧區(qū)，保證了 MFC陽極室的厭氧和MBR的好氧狀態(tài)，由于此缺氧區(qū)的存在，使得硝化和反硝化反應(yīng)得以發(fā)生，系統(tǒng)脫氮效果好，從而保證了出水水質(zhì)，同時(shí)折流板還用于攔截厭氧區(qū)的污泥，防止污泥流入MBR好氧區(qū)，另外還是陽極產(chǎn)生的質(zhì)子隨水流到好氧區(qū)陰極的通道；通過調(diào)節(jié)折流板的數(shù)量和折流板在池體中的位置，可以調(diào)整各部分的水力停留時(shí)間，以滿足不同水質(zhì)的處理要求。
【文檔編號(hào)】C02F9/14GK103848539SQ201310732550
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】李秀芬, 趙亞楠, 任月萍, 王新華 申請(qǐng)人:江南大學(xué)