[发明专利]一种生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置和方法，属于污（废）水处理技术领域。

背景技术

膜生物反应器（Membrane Bioreactor, 以下简称MBR）是一种新型高效的水处理技术。是将膜分离组件直接浸没于反应器内，通过泵抽吸出水。由于膜的高效分离性能，使其与传统活性污泥污水处理工艺相比，具有占地面积小、容积负荷高、出水水质好等优点，被认为是具有发展前景的污水处理与回用技术之一。然而，MBR在实际推广应用过程中不甚理想。究其原因，主要存在以下3个问题：（1）运行能耗较高，目前好氧MBR运行能耗高于传统活性污泥法，致使运行费用较高；（2）膜材料较贵，目前实际工程中所使用的膜分离组件价格较贵，致使MBR工艺投资较高；（3）膜污染问题，现行工程中膜污染控制不易，致使膜性能下降。

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, 以下简称MFC）是一种利用微生物作为催化剂氧化有机物产生电能的装置。由于其能在处理有机污染物的同时回收电能，被视作最具有发展前景的技术之一。同时MFC还具有：（1）反应条件温和，能在常温下进行反应；（2）原料来源广泛，可以利用一般燃料电池不能利用的各种有机物，无机物以及微生物呼吸的代谢产物、发酵的产物、光合作用甚至污水等作为燃料；（3）无二次污染，不会产生有毒有害废弃物等优点。正因MFC有诸多优点，目前越来越受到人们的关注，其中以污水为燃料的MFC更受到广泛的关注。然而，目前为止，MFC还未能投入实际工程应用，除了产电功率密度较低之外，处理效率低，出水水质较差也是主要原因。因此，提高MFC处理效率及出水水质是急需解决的问题。

近年来，有学者针对MBR与MFC相结合的可行性进行了研究并形成一些不同的技术方法和配套装置。盛国平等人发明一种生物电化学膜生物反应器装置，专利公开号为CN102381753A。他们采用同心柱状结构，里面圆柱填满石墨颗粒为阳极，外圈采用不锈钢丝网围成圆柱形膜。但是，这样将阳极组装在柱形膜分离组件内，结构较为复杂不利于实际运用。同时该种装置，不方便膜的清洗与反冲洗。柳丽芬等发明了一种直接耦合膜生物反应器和微生物燃料电池的反应器和废水处理方法，专利公开号为CN102616918A。但是，其采用导电膜作阴极价格昂贵，经济性较差。

基于上述MBR和MFC的优点及各自存在的问题，本发明将这两种工艺相结合，发明出一种生物电化学膜生物反应器污水处理装置和方法。该工艺采用廉价材料作为电极和膜分离组件，以微生物燃料电池能从污水中回收电能来补充MBR运行能耗，同时利用MBR处理效率高及出水水质好的优点克服MFC处理效率低和出水水质差的不足。

近年来，国内外学者针对上述问题进行了多方面的研究，其中动态膜技术就是具有代表性的技术之一。动态膜动态膜技术是指采用廉价大孔材料作为污水过滤介质，利用初期截留的污染物及后期粘附的微生物产物形成生物膜，从而达到改善出水水质的目的。利用动态膜在保留传统MBR的优点的同时，大幅度降低MBR的投资费用，而且动态膜过滤阻力较小，可以在低至几毫米的水位差的驱动下自流出水。当动态膜发生污染后，采取加强膜下方曝气或气水反冲洗等方式即能恢复动态膜的通量。在此基础上运行能耗较高则是较为突出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置和方法。该方法能够有效去除污水中的有机污染物和氨氮，提高处理效率及出水水质克服MFC的不足，并且在污水处理的同时回收电能，补充MBR运行能耗。

本发明提出的生物电化学辅助膜生物反应器污水处理装置，由进水管、出水管、阳极室、阴极室、连通管、外电路和分隔膜组成，其中：阳极室一侧设有进水管，阴极室设有出水管，阳极室内填充石墨材质填料，所述石墨材质填料内设有阳极碳棒，阴极室包括膜分离组件和曝气管，所述膜分离组件同时充当阴极电极，膜分离组件上固定阴极碳棒，通过阴极碳棒与外电路相连；曝气管位于膜分离组件正下方，曝气既提供微生物生长所需氧气又提供膜区搅拌错流速率防止膜污染，同时还为阴极提供最终电子受体氧气；阳极室与阴极室通过分隔膜隔开，所述分隔膜允许阴极室和阳极室之间的离子通过，阻隔大量溶氧通过；在阴极室和阳极室之间固定有连通管，使进水从阳极室流入阴极室。

本发明中，所述石墨材质填料为石墨刷、石墨毡、石墨棒或石墨颗粒等中任一种。

本发明中，所述膜分离组件为不锈钢丝网，孔径为250目~500目。

本发明中，所述曝气管为穿孔曝气或微孔曝气。