申請日2016.05.27

　　公開(公告)日2016.08.17

　　IPC分類號C02F3/30

　　摘要

　　基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法，涉及污水處理。處理裝置設有陽極室、陰極室和曝氣裝置，陽極室設有溫度計、攪拌裝置和陽極，陰極室設有曝氣頭和陰極。原水進入厭氧‑陽極池和好氧‑陰極池，厭氧‑陽極池底部排泥;好氧‑陰極池內部裝有穿孔曝氣管，底部排泥;厭氧‑陽極池和好氧‑陰極池中放置動態膜組件，通過恒流泵將厭氧‑陽極池中的污水通過動態膜組件的出水口抽至好氧‑陰極池中;將好氧‑陰極池中的污水用恒流泵將動態膜組件的出水口抽回至厭氧‑陽極池，以形成厭氧‑陽極池和好氧‑陰極池中污水在時間和空間上同時連續循環處理，完成對污水的處理過程;通過恒流泵控制進水流速和循環流速，出水達標后排放。

　　摘要附圖

 

　　權利要求書

　　1.基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理裝置，其特征在于設有陽極室、陰極室和曝氣裝置，所述陽極室和陰極室通過陽離子交換膜分隔開，陽極室設有陽極加液口、溫度計、攪拌裝置和陽極，陰極室設有陰極加液口、曝氣裝置的曝氣頭和陰極，陽極和陰極通過外電路連接，外電路設有負載電阻和電路開關;陽極室加入厭氧動態膜組件，陰極室加入好氧膜組件，通過恒流泵構成循環體系。

　　2.如權利要求1所述基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理裝置，其特征在于所述陽極和陰極的材料選自石墨棒、碳紙、碳布、石墨氈、不銹鋼網中的一種。

　　3.如權利要求2所述基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理裝置，其特征在于所述陽極和陰極的材料為石墨氈;所述石墨氈是指經過預處理的石墨氈，所述預處理的方法為將石墨氈置于質量分數為10%的雙氧水溶液中，在溫度為90℃條件下水浴煮2h，接著用去離子水在同一溫度下水浴煮2h，再用烘箱烘干。

　　4.如權利要求1所述基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理裝置，其特征在于所述厭氧動態膜組件的材料選自滌綸短纖、滌綸長纖、維綸、丙綸常見工業濾布作為動態膜基材;所述好氧膜組件的材料選自滌綸短纖、滌綸長纖、維綸、丙綸常見工業濾布作為動態膜基材。

　　5.基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于包括以下步驟：

　　1)原水經調節池首先進入微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧循環一體化反應體系的厭氧-陽極池和好氧-陰極池，厭氧-陽極池內置加熱與攪拌裝置，厭氧-陽極池底部排泥;好氧-陰極池在溫度為10～35℃條件下運行，內部裝有穿孔曝氣管，由外部的空氣壓縮機鼓風曝氣，以轉子流量計控制曝氣量，好氧-陰極池中溶解氧DO≥2mg/L，底部排泥;

　　2)厭氧-陽極池和好氧-陰極池中放置由工業濾布制成的動態膜組件，通過恒流泵將厭氧-陽極池中的污水通過動態膜組件的出水口抽至好氧-陰極池中;同時，將好氧-陰極池中的污水用恒流泵將動態膜組件的出水口抽回至厭氧-陽極池，以形成厭氧-陽極池和好氧-陰極池中污水在時間和空間上同時連續循環處理，完成對污水的處理過程;

　　3)根據廢水水質類型、處理水量和有機負荷，通過恒流泵控制進水流速和循環流速，使得廢水在厭氧-陽極池和好氧-陰極池中通過微生物燃料電池技術的動態膜進行循環處理而完成厭氧和好氧微生物的降解，出水達標后排放。

　　6.如權利要求5所述基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于在步驟1)中，所述加熱的溫度為15～35℃，攪拌的速度為60～200r/min。

　　7.如權利要求5所述基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于在步驟1)中，所述穿孔曝氣管采用砂芯曝氣頭，由空氣壓縮機鼓風曝氣;所述曝氣量可為0.5～5L/min。

　　8.如權利要求5所述基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于在步驟1)中，所述溶解氧DO為2～6mg/L。

　　9.如權利要求5所述基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于在步驟2)中，所述工業濾布選自滌綸短纖、滌綸長纖、維綸、丙綸中的至少一種。

　　10.如權利要求5所述基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法，其特征在于在步驟3)中，所述循環流速為5～500mL/min。

　　說明書

　　基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法

　　技術領域

　　本發明涉及污水處理，具體是涉及一種基于基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法。

　　背景技術

　　隨著工業技術的迅猛發展，印染、化工、食品、造紙等行業的排放的工業廢水成為污水處理領域亟需解決的難題之一。近年來廢水生物處理技術已由傳統單一的厭氧法、好氧法轉向厭氧-好氧聯合處理方法，但是存在剩余污泥量大、能耗高、占地面積大等問題。膜-生物反應器技術(MBR)是將膜分離技術與廢水生物處理技術組合而成的新系統，該系統以膜分離技術替代二級生物處理工藝中的二沉池，具有工藝流程簡單、占地少、管理方便、處理效率高、出水可直接回用等特點。然而，膜污染是制約膜-生物反應器在污水處理中廣泛應用的主要瓶頸，研究表明，傳統的膜-生物反應器中存在活性污泥等微生物的附著是造成膜污染、影響膜通量的重要因素之一。因此，改進膜-生物反應器中微生物的存在形式，減輕其對膜污染的影響勢在必行。公開號為CN01016185A、CN1974439A、CN01100333A的發明專利分別采用采取填料表明附著工程菌或酶形式，或采用顆粒污泥的形式使得膜-生物反應器中的微生物不再以懸浮狀態存在，從而減輕對膜通量的影響。然而，利用填料表面附著微生物的方式改進存在著不利于特種微生物的生長、微生物濃度低、去污能力差等缺點;利用顆粒污泥進行改進存在顆粒污泥容易破碎、導致堵塞膜孔、顆粒污泥自身形成的群落結構難以人工控制微生物群落穩定等缺點。

　　盡管上述專利對生物處理工藝進行了改進，但是MBR工藝在大型污水處理中應用的實例不多。造成這種現狀的原因主要是：膜組件的成本過高，運行過程動力消耗過高，造成運行費用很高，在膜的運行過程中懸浮污染物在壓力的作用下被截留或吸附在膜表面，造成膜的污染，出水通量的衰減問題難以解決。通常的膜過濾過程中，溶液中的膠體和懸浮顆粒在過濾壓力的作用下被截留或吸附在膜表面，造成了膜通量的下降，這一現象稱為膜污染。但從另外一個角度看，膜表面的污染層增強了膜的截留能力，使微濾膜可以截留病毒甚至小分子有機物，就好像在原有的膜之上又增加了一層膜。由于這層膜是在過濾過程中形成的，其組成及厚度都可能隨時間及生物反應器運行等條件的變化而變化，故一些研究者稱之為動態膜或次生膜。相應地，將這種稱為動態膜生物反應器。動態膜的出現很好地解決了上述MBR的兩大難題，因為由于多孔底膜和預涂劑的選材廣泛和價廉易得，使得動態膜的造價較之傳統的MBR有很大幅度的下降。另外，由于多孔底膜即膜基質的通量本身就很大，在膜污染嚴重的情況下還可以將膜基質表面的動態膜去除以后再重新預涂或自生，從而有效地控制膜污染。而且動態膜還具有設備簡單、操作容易、處理效果較好等其他優點，因此，動態膜技術已廣泛地引起了人們的研究和關注。然而，廢水中存在的一些難降解的有機物難以被微生物完全降解，近年來，學者通過光催化、電化學、電芬頓等方式對廢水污染物進一步去除，雖取得了較為明顯的效果，但成本高、剩余污泥多等缺點限制了這些技術的工程應用。近來年發展起來的微生物燃料電池技術(Microbial fuel cells，MFC)是充分把廢水中能量與電化學相結合的一個新技術，微生物燃料電池技術是一種將有機物的化學能轉化為電能的裝置，它能從廣泛的有機廢水中獲取電能，同時完成廢水處理，迅速成為新概念廢水處理熱點，其中MFC技術在實驗室規模內已經得到了廣泛的驗證，其中MFC的陽極不僅可利用簡單的純化合物產電，而且可從復雜的有機廢水中直接獲取電能，同時完成廢水處理。目前以復雜有機物作為微生物燃料電池電子供體產電的研究已屢見不鮮，利用微生物燃料電池生物陰極進行好氧生物處理也得到了廣泛報導。

　　發明內容

　　本發明的目的是針對現有對污水處理中所存在的效率不高、設備占地面積大、投資成本高等問題，提供一種基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理裝置。

　　本發明的另一目的在于提供基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法。

　　所述基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理裝置設有陽極室、陰極室和曝氣裝置，所述陽極室和陰極室通過陽離子交換膜分隔開，陽極室設有陽極加液口、溫度計、攪拌裝置和陽極，陰極室設有陰極加液口、曝氣裝置的曝氣頭和陰極，陽極和陰極通過外電路連接，外電路設有負載電阻和電路開關;陽極室加入厭氧動態膜組件，陰極室加入好氧膜組件，通過恒流泵構成循環體系。

　　所述陽極和陰極的材料可選自石墨棒、碳紙、碳布、石墨氈、不銹鋼網等中的一種，優選石墨氈;所述石墨氈是指經過預處理的石墨氈，所述預處理方法為將石墨氈置于質量分數為10%的雙氧水溶液中，在溫度為90℃條件下水浴煮2h，接著用去離子水在同一溫度下水浴煮2h，再用烘箱烘干。

　　所述厭氧動態膜組件的材料可選自滌綸短纖、滌綸長纖、維綸、丙綸等常見工業濾布作為動態膜基材，優選具有良好過濾性能的丙綸單復絲4518工業濾布作為動態膜基材。

　　所述好氧膜組件的材料可選自滌綸短纖、滌綸長纖、維綸、丙綸等常見工業濾布作為動態膜基材，優選具有良好過濾性能的丙綸單復絲4518工業濾布作為動態膜基材。

　　所述負載電阻的電阻值優選50～1000Ω。

　　所述基于微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧污水處理方法，包括以下步驟：

　　1)原水經調節池首先進入微生物燃料電池的動態膜厭氧-好氧循環一體化反應體系的厭氧-陽極池和好氧-陰極池，厭氧-陽極池內置加熱與攪拌裝置，厭氧-陽極池底部排泥;好氧-陰極池在溫度為10～35℃條件下運行，內部裝有穿孔曝氣管，由外部的空氣壓縮機鼓風曝氣，以轉子流量計控制曝氣量，好氧-陰極池中溶解氧DO≥2mg/L，底部排泥;

　　2)厭氧-陽極池和好氧-陰極池中放置由工業濾布制成的動態膜組件，通過恒流泵將厭氧-陽極池中的污水通過動態膜組件的出水口抽至好氧-陰極池中;同時，將好氧-陰極池中的污水用恒流泵將動態膜組件的出水口抽回至厭氧-陽極池，以形成厭氧-陽極池和好氧-陰極池中污水在時間和空間上同時連續循環處理，完成對污水的處理過程;

　　3)根據廢水水質類型、處理水量和有機負荷，通過恒流泵控制進水流速和循環流速，使得廢水在厭氧-陽極池和好氧-陰極池中通過微生物燃料電池技術的動態膜進行循環處理而完成厭氧和好氧微生物的降解，出水達標后排放。

　　在步驟1)中，所述加熱的溫度可為15～35℃，攪拌的速度可為60～200r/min;所述穿孔曝氣管可采用砂芯曝氣頭，由空氣壓縮機鼓風曝氣;所述曝氣量可為0.5～5L/min;所述溶解氧DO可為2～6mg/L。

　　在步驟2)中，所述工業濾布可選自滌綸短纖、滌綸長纖、維綸、丙綸等中的至少一種。

　　在步驟3)中，所述循環流速可為5～500mL/min。

　　微生物燃料電池技術的動態膜厭氧-好氧循環一體化的作用及功能如下：

　　1)動態膜解決了MBR膜的高成本和膜污染難題：傳統的膜組件的成本高，運行過程動力消耗大，造成運行費用高。在膜的運行過程中懸浮污染物在壓力的作用下被截留或吸附在膜表面，造成膜的污染。而動態膜由多孔底膜和預涂劑的選材廣泛和價廉易得，使得其成本和造價較之傳統的MBR有很大幅度的下降。多孔底膜即膜基質的通量本身較大，在膜污染嚴重的情況下還可以將膜基質表面的動態膜去除以后再重新預涂或自生，從而有效地控制膜污染。

　　2)用動態膜取代傳統的膜組件，它將膜分離技術和生物反應過程有機結合，以膜技術的高效分離作用取代傳統活性污泥法中的二沉池，實現傳統工藝所無法比擬的泥水分離和污泥濃縮效果，消除了污泥膨脹的影響。它還大幅度提高了曝氣池中活性污泥的濃度，省卻了污泥回流系統，大大延長了泥齡，減少了剩余污泥量，并通過膜對廢水中SS、有機物、病原菌和病毒的高效截留作用，大大提高了處理出水水質。

　　3)通過動態膜中液體的循環將厭氧池中產生的揮發性酸等中間產物在對厭氧微生物產生抑制之前及時地被轉移到好氧池中而被氧化分解，同時，未及時被水解酸化的大分子污染物又能在經過好氧池后及時循環回厭氧池進一步地降解。發揮厭氧和好氧微生物體各自優勢。

　　4)通過與微生物燃料電池技術相結合有效地實現廢水資源化，陰極采用曝氣的方式，一方面用于提供微生物降解污染物所需的氧氣，另一方面剩余的O2可作為電子受體來實現微生物燃料電池的產電。應用于實際廢水好氧處理過程，可提高氧氣的利用率，從而節約能源。

　　5)通過循環工藝，有效解決了廢水中難降解的有機物難以厭氧礦化完全的缺點，經厭氧-陽極室染料脫色后水的廢水流經好氧-陰極室進一步降解;同時，好氧-陰極室的小分子有機物又循環至厭氧-陽極室進一步被產電微生物利用，提高電池的產電性。