[发明专利]膜过滤耦合单室斜板多阳极剩余污泥微生物燃料电池装置

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及剩余污泥处理及中水回用技术，特别涉及应用单室斜板多阳极微生物燃料电池同步实现污泥减量化和能源回收，并完成膜过滤的剩余污泥及污水处理方法。

背景技术

目前，世界上超过90％的城市污水处理厂釆用活性污泥法或者生物膜法，在处理过程中产生大量的剩余污泥。现有污水处理厂处理污泥常用做法是经浓缩、脱水和稳定化后再用于填海、焚烧或土地利用等。但污水处理厂污泥量大、含水率高、成分复杂且易腐烂，污泥处理过程能耗高、投入大，导致大量未经处理的污泥任意堆放或简单填埋，不但对环境造成污染，还浪费污泥中的有用资源。剩余污泥有机物含量高，是一种潜在的生物质能源，可采用厌氧消化工艺从污泥中提取生物质能产生沼气后用于发电。但消化池需要控制温度范围在30-35℃，能耗较高，而且沼气转化成电能过程中存在较高的能量损失。所以，在常温常压条件下，直接从污泥中利用有机质产电，将是一种更为有效的能源利用方式。

剩余污泥微生物燃料电池(SMFC)能够直接从剩余污泥中提取生物质能，单室运行，无需质子交换膜，在产生电能的同时完成污泥减量。SMFC的阳极通常浸没于在反应器底部的污泥中，阴极置于反应器上部上清液中。产电微生物将氧化沉积物中的有机物所产生电子传递到阳极，电子通过外电路到达阴极，与阴极区溶解氧和从阳极区传递到阴极的质子结合生成水，从而将有机污染物去除和能量回收同步完成。因此若将剩余污泥微生物燃料电池与沉淀池结合，则可以在常温常压条件下，减少剩余污泥产量并产生电能。

SMFC的阳极通常置于底部，但在沉淀池的中部也有丰富的生物质能。同时沉淀池的主要功能是在污水处理厂生物处理单元后用于固液分离，斜板沉淀池利用浅池理论可以提高固液分离效率和效能。如果利用沉淀池底部厌氧环境，依据剩余污泥微生物燃料电池产电原理对沉淀池进行改造，并根据浅池理论在沉淀池设置斜板阳极，则可同步完成污泥固液分离、减量化并同时利用沉淀池底部及中部有机质产能，可望大幅度降低剩余污泥处理复杂性，减少污水处理厂占地面积、投资以及运行成本。

二沉池出水水质通常无法满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，城市污水处理厂需另设深度处理工艺。膜过滤技术可提供可靠优良出水水质，但膜污染会降低产水效率，增加操作复杂度。在由二沉池改造的剩余污泥微生物燃料电池阴极设置膜组件过滤出水，将不仅可提高出水水质，还可以利用阴极排斥荷负电活性污泥，可以有效减轻膜污染，延长膜组件使用寿命，减少维护费用。

发明内容

本发明目的是设计膜分离耦合单室斜板多阳极微生物燃料电池，同步完成污水处理厂污泥固液分离、减量化并产能，同时提高沉淀池出水水质。在沉淀池底部污泥中设置碳毡阳极，利用污泥中有机质产电；沉淀池中部设置斜板阳极，提高沉淀效率的同时，利用上清液有机质产电。在沉淀池液面设置阴极，阴极附近安置膜过滤组件，提高沉淀池出水水质，且借助阴极对于荷负电污染物的排斥作用，以及斜板的阻挡作用，能够阻止部分污泥颗粒上浮，都可以减轻膜污染。

斜板多阳极微生物燃料电池是由浅池理论设计的斜板沉淀池进行升级改造的。斜板沉淀池可显著提高沉淀效率，板距为30-50mm的上向流斜板沉淀池，其理论效率可达平流沉淀池的7-10倍，因为斜板之间的水流为层流状态，即水力半径小，更利于沉淀分离。本发明中的斜板阳极不仅可以增加沉淀效率，还能够增加阳极面积，利用沉淀池中部丰富有机质，提高产电效能并有效阻止污泥上浮，提高出水水质。同时斜板阳极利用板面沉积物产电，还同步解决斜板表面积泥问题，避免斜板间堵塞阻碍水流和质子传递。

沉淀池出水水质已经无法满足越来越严格的水质标准。膜生物反应器借助膜过滤可以获得可靠的出水水质，但膜组件置于活性污泥中，膜污染严重，需要频繁的反冲洗或者曝气冲刷，能耗较高。本申请中，膜组件安置在靠近阴极位置，借助阴极的负电性排斥荷负电活性污泥，可有效减轻膜污染。同时在沉淀池中安装的斜板阳极可以有效阻挡污泥颗粒上浮，也可以减轻膜污染，因此在不增加能耗的条件下，有望获得稳定可靠的出水水质。

本发明的技术方案：

一种膜过滤耦合单室斜板多阳极剩余污泥微生物燃料电池装置，膜过滤耦合单室斜板多阳极剩余污泥微生物燃料电池装置底部为厌氧区污泥2，碳毡阳极3置于厌氧区污泥2中，中部放置斜板阳极4，碳毡阳极3和斜板阳极4通过导线相连构成多阳极；碳毡阴极9悬浮在上清液中，上层暴露在空气中作为空气阴极；阳极和空气阴极通过外接电线7相连并且连接一个外电阻6，中空纤维膜组件10放置在上清液中，靠近阴极位置。