專利名稱：膜生物反應器與微生物燃料電池組聯(lián)用系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及水處理領域，尤其涉及一種膜生物反應器與微生物燃料電池組聯(lián)用系統(tǒng)。
背景技術：
膜生物反應器(membrane bioreactor,MBR將活性污泥法與膜分離技術相結合,用于生活污水和工業(yè)污水處理和回用，是一種很有吸引力的處理工藝。然而，膜污染及其導致的維護、運行費用的提高限制了 MBR的廣泛應用，仍然是MBR發(fā)展所面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題之一。國內(nèi)外對這一領域的研究主要圍繞3個方面展開膜材料與膜組件結構、反應器運 行條件、進水和活性污泥混合液特性。MBR膜污染是由膜和污泥混合液中污染物質(zhì)共同作用的結果。活性污泥混合液的各種組分是膜污染的物質(zhì)來源，對膜污染具有更加直接的影響。利用電場控制膜污染是一種新方法，一般是利用高電場強度來控制膜污染，以達到較好的效果。這是由于水處理中絕大多數(shù)的污染物質(zhì)都是帶有負電的，在電場的作用下，帶負電的污染物受到電場力，減緩向膜表面的堆積。場強越大，效果越明顯。但是高電場不僅能耗高，而且會顯著影響微生物組成與代謝特性，影響其水處理能力。研究表明，弱電場能夠刺激微生物代謝，提高微生物活性，但其對膜污染的減緩作用還未研究。雖然MBR與傳統(tǒng)的活性污泥工藝相比，有較高的污泥齡，產(chǎn)生的剩余污泥少，但是這些剩余污泥也存在著污泥處理問題。目前普遍的污泥處理工藝是厭氧污泥消化，但是污泥停留時間較長，占地面積大，其處置費用約占污水處理廠總處置費用的一半。污水污泥是一種潛在的危險物質(zhì)，其中富含有機物、重金屬、致病微生物等有害物質(zhì)，處理不當就會導致嚴重的環(huán)境問題，甚至是災難性的生態(tài)后果。MBR污泥濃度高，具有較高的SVI和粘度，污泥齡長，及其導致的膜污染，亟待開發(fā)能夠?qū)BR污泥改性、減量的輔助系統(tǒng)。MFC的產(chǎn)電效率較低，遠沒達到商業(yè)利用的需求。MFC產(chǎn)電電壓一般為0. 4-0. 7V,功率密度可達幾百mW/m2，實驗室通過堆棧可以為小燈泡或小風扇等供電，但是與實際生活與工作中所需的電能相比較弱，目前未能將其電能應用到實際應用中，還有待進一步提高MFC的產(chǎn)電性能。污泥MFC處理過程中，污泥性質(zhì)有所改變，MFC去除了污泥中的親水性的芳香族蛋白質(zhì)和溶解性微生物產(chǎn)物。通過耦合污泥MFC的污泥回流，會改變MBR中的污水混合液的性質(zhì)，進而對其運行效果產(chǎn)生影響，對于從混合液性質(zhì)調(diào)控角度控制膜污染具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種膜生物反應器與微生物燃料電池組聯(lián)用系統(tǒng)，以解決目前現(xiàn)有的利用附加電場控制膜污染的工藝存在的高電場處理費用高，抑制微生物活性，污泥處理的問題。本發(fā)明為解決上述技術問題采取的技術方案是所述系統(tǒng)包括高位水箱、閥門、真空壓力表、蠕動泵和排泥閥，高位水箱通過閥門與膜生物反應器的進水口連通，所述系統(tǒng)還包括膜生物反應器、膜組件、不銹鋼網(wǎng)或鈦金屬網(wǎng)、第一排泥泵、微生物燃料電池組和第二排泥泵，膜組件與不銹鋼網(wǎng)或鈦金屬網(wǎng)設置在膜生物反應器內(nèi)，膜組件由集水管、導線、多根膜絲和多根第一鈦絲構成，多根膜絲連接在集水管上，集水管設有出水口和鈦絲出口，膜組件的出水口與出水管連通，出水管上裝有蠕動泵和真空壓力表，每根膜絲的下端封口，上端為出水端，每根第一鈦絲設于相應膜絲內(nèi)，每根第一鈦絲一端位于相應的下端封口處,每根第一鈦絲的另一端從膜絲的上端伸出并穿入集水管中，多根第一鈦絲連接在一起后，由鈦絲出口引出，然后與導線的一端連接，導線的另一端通過第二鈦絲與微生物燃料電池組的陽極連接，不銹鋼網(wǎng)或鈦金屬網(wǎng)通過導線及第二鈦絲與微生物燃料電池組的陰極連接，膜生物反應器的泥水混合液排出口通過排泥閥及第一排泥泵與微生物燃料電池組的所有進泥口連通，微生物燃料電池組的所有排泥口通過第二排泥泵與膜生物反應器的泥水混合
液進入口連通。本發(fā)明具有以下有益效果I、在本發(fā)明系統(tǒng)運行的過程中，運行效果良好穩(wěn)定，當進水COD平均值為450mg/L時，COD的去除率在94 %左右，出水中的COD值可以控制在50mg/L以下，平均出水水質(zhì)中COD為30mg/L左右(相同條件下，傳統(tǒng)MBR出水COD穩(wěn)定小于40mg/L,與傳統(tǒng)MBR基本一致，達到了國家污水處理排放一級標準。其上清液中COD與傳統(tǒng)MBR基本一致，在50mg/L左右。與出水濃度相比可知，膜和濾餅層對有機物有一定的截留作用；2、對污水氨氮的去除效果在運行的40天內(nèi)，進水氨氮平均值為30mg/L，出水在lmg/L(相同條件下,傳統(tǒng)MBR出水氨氮穩(wěn)定在lmg/L,系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好,與傳統(tǒng)MBR的處理效果基本一致；3、粒徑分布本系統(tǒng)的污泥絮體的平均粒徑較小，表面積平均粒徑和體積平均粒徑分別為84. 285iim和154. 312 y m ;而傳統(tǒng)MBR分別為92. 993 y m和185. 712 ym。小于50 iim的部分，傳統(tǒng)MBR為9. 25%，本發(fā)明系統(tǒng)為8. 24% ;研究表明在錯流微濾系統(tǒng)中，小于50 的顆粒對比阻的貢獻較大，導致較大的濾餅層阻力。說明，l-50i!m的顆粒對膜污染起重要作用。雖然聯(lián)合系統(tǒng)平均粒徑較小，但1-50 u m的比例卻較低，不會對控制膜污染產(chǎn)生不利影響；4、本發(fā)明將MBR與MFC聯(lián)用，一方面通過MFC對污泥的改良、改性，降低了 MBR膜污染頻率，降低了 MBR污水處理費用；另一方面，MFC為MBR提供電場，以達到利用電場控制膜污染的目的，同時也為MFC產(chǎn)電的利用提供了一個途徑；不僅具有MBR的各項優(yōu)點，而且解決了 MBR膜污染嚴重、污泥性能差等問題，在污水處理系統(tǒng)良好運行的前提下，實現(xiàn)了污泥的生態(tài)處理、污水的回用、能量的回收，進而實現(xiàn)城市污水與污水污泥的協(xié)同處理。


圖I是本發(fā)明專利的結構示意圖，圖2是膜生物反應器MBR的左視圖，圖3是膜組件結構示意圖，圖4是微生物燃料電池(MFC的結構示意圖，圖5是微生物燃料電池(MFC的右視圖，圖6是傳統(tǒng)MBR與本發(fā)明相比較的TMP曲線，圖7是MFC的極化曲線。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖I-圖5說明本實施方式，所述系統(tǒng)包括高位水箱I、閥門
2、真空壓力表8、蠕動泵9和排泥閥14，高位水箱I通過閥門2與膜生物反應器3的進水口連通，所述系統(tǒng)還包括膜生物反應器3、膜組件6、不銹鋼網(wǎng)或鈦金屬網(wǎng)7、第一排泥泵15、微生物燃料電池組16和第二排泥泵17，膜組件6與不銹鋼網(wǎng)或鈦金屬網(wǎng)7設置在膜生物反應器3內(nèi)，膜組件6由集水管6-3、導線6-6、多根膜絲6-1和多根第一鈦絲6_2構成，多根膜絲6-1連接在集水管6-3上，集水管6-3設有出水口 6-4和鈦絲出口 6_5，膜組件6的出水口6-4與出水管連通，出水管上裝有蠕動泵9和真空壓力表8，每根膜絲6-1的下端封口，上端為出水端，每根第一鈦絲6-2設于相應膜絲6-1內(nèi)，每根第一鈦絲6-2 —端位于相應的下端封口處，每根第一鈦絲6-2的另一端從膜絲6-1的上端伸出并穿入集水管6-3中，多根第一鈦絲6-2連接在一起后，由鈦絲出口 6-5引出，然后與導線6-6的一端連接，導線6-6的另 一端通過第二鈦絲18與微生物燃料電池組16的陽極連接，不銹鋼網(wǎng)或鈦金屬網(wǎng)7通過導線及第二鈦絲18與微生物燃料電池組16的陰極連接，膜生物反應器3的泥水混合液排出口通過排泥閥14及第一排泥泵15與微生物燃料電池組16的所有進泥口連通，微生物燃料電池組16的所有排泥口通過第二排泥泵17與膜生物反應器3的泥水混合液進入口連通。
具體實施方式
二 結合圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式的微生物燃料電池組16由多個微生物燃料電池串聯(lián)或并聯(lián)構成，每個微生物燃料電池包括陽極18、陰極19和容器26，容器26的頂部設有參比電極插孔21和進泥口 22，容器26的底部設有排泥口 25 ；每個微生物燃料電池MFC的陰極和陽極材料均為碳布，陰極的碳布經(jīng)過處理，涂有四層聚四氟乙烯(PTFEJS (Pt載量為0.5mg/cm2。通過第一排泥泵15，使膜生物反應器MBR剩余污泥通過MFC進泥口 22進入，在MFC內(nèi)停留5天，通過第二排泥泵17由排泥口 25排出。當使用參比電極時，將參比電極插到帶孔橡膠塞中，再插到參比電極插孔21中；不用時，參比電極插孔21由橡膠塞密封。MFC內(nèi)放有一個轉(zhuǎn)子,放于磁力攪拌器上方，MFC的整個運行一直都在攪拌條件下進行，MFC間歇運行。MFC的組合形式可根據(jù)單個MFC的產(chǎn)電性能和MBR電場需要而定，可以采用幾個MFC的串并聯(lián)形式；使用DC-DC轉(zhuǎn)換器，使電壓達到需要值，將其應用于MBR的電場；使用蓄電池或電容器儲存MFC的電能，再將其應用于MBR的電場。其它實施方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖I說明本實施方式，本實施方式的系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)子23和磁力攪拌器24,容器26內(nèi)設有轉(zhuǎn)子23,容器26設在磁力攪拌器24的上方,磁力攪拌器24與轉(zhuǎn)子23通過磁力轉(zhuǎn)動連接。其它實施方式與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四結合圖I和圖2說明本實施方式，本實施方式的系統(tǒng)還包括氣泵10、氣體流量計11、閥門12和曝氣裝置13，氣泵10、氣體流量計11、閥門12和曝氣裝置13依次通過管路連通，曝氣裝置13設在膜生物反應器3的底部，曝氣裝置13由兩個曝氣條組成，為微生物供氧、對膜組件6起到吹掃作用。其它實施方式與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五結合圖2說明本實施方式，本實施方式的系統(tǒng)還包括液位控制器4和擋板5，膜生物反應器3的進水口處裝有用于控制液位的液位控制器4，擋板5設在膜生物反應器3內(nèi)用于分隔進水區(qū)與主反應區(qū)。液位控制器4控制液位，擋板5位于進水區(qū)，起緩沖和導流的作用，進水由擋板5的下方進入主反應區(qū)。其它實施方式與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六膜生物反應器3內(nèi)水溫20_25°C，膜組件6采用聚偏氟乙烯中空纖維膜組件，膜孔徑為0. Ium,中空纖維的內(nèi)外徑分別為2mm和I. 4mm。每只膜組件的膜面積為0. lm2，外形尺寸為S = O. IlmXO. 15m = 0. 0165m2。膜生物反應器3的容積為長X寬 X 高=0. 225mX0. 113mX0. 43m = 0. Ollm3 = 11L，有效體積 8L。微生物燃料電池組16由十個MFC組成，兩兩并聯(lián)再串聯(lián)。微生物燃料電池組16間歇運行，一個周期為5天，五對MFC交替進、出泥。MFC的整個運行一直都在攪拌條件下進行。MFC內(nèi)污泥溫度23_25°C,截面為55mmX55mm,倒角半徑為IOmm,殼體長40mm,容積為118mL0膜生物反應器3的剩余污泥作為微生物燃料電池組16的進泥，經(jīng)5天的處理后，出泥回流至MBR中，MFC供電系統(tǒng)與MBR的電場通過導線連接。污水經(jīng)高位水箱I流入膜生物反應器3，污水中大部分有機物經(jīng)膜生物反應器3內(nèi)微生物自身分解代謝作用得到降解。處理后的污水在蠕動泵9的作用下經(jīng)過中空纖維膜組件6過濾出水。高濃度的泥水混合液經(jīng)排泥閥14排出，通過第一排泥泵15注入微生物燃料電池組16中，在磁力攪拌器的攪拌作用下，經(jīng)過5天的處理，能夠有效的降解胞外聚合物等有機物，污泥濃度也有所下降，出泥回流至膜生物反應器3，亦達到改善膜生物反應器3內(nèi)污泥性質(zhì)的作用；同時，利用微生物燃料電池組16的產(chǎn)電供應膜生物反應器3的電場。膜污染物質(zhì)大部分是帶負電的，因而在電場的作用下，能夠減緩膜污染。穿在中空纖維膜內(nèi)的鈦絲作為負極，在膜絲周圍能夠形成輻射狀的電場，使膜污染物質(zhì)向遠離膜絲的方向移動。MFC的構型可采用雙室構型，陽極利用碳刷或碳布，進泥為膜生物反應器3的剩余污泥，陰極為碳布，陰極電解液采用鐵氰化鉀或Mn(IV。MFC陽極室內(nèi)放有一個轉(zhuǎn)子，放于磁力攪拌器上方。MFC陽極室內(nèi)可以通過磁力攪拌器攪拌，也可以沒有攪拌，根據(jù)實際情況而定。MFC的周期確定可根據(jù)不同構型MFC的處理效果而定。由圖6可以看出，該系統(tǒng)較傳統(tǒng)MBR(無微生物燃料電池組16等相關結構有明顯的減緩膜污染的作用。在運行前期，兩套系統(tǒng)的TMP增長速率相近；在運行末期，MFC污泥回流與MBR的增長速率大概是傳統(tǒng)MBR的一半，有效得控制了膜污染。兩套系統(tǒng)的運行工況相同，兩套系統(tǒng)膜污染程度的差異主要來源于污泥混合液性質(zhì)的不同和電場的作用。MFC的產(chǎn)電性能當外阻為1000Q時，當外阻為1000Q時，13h后電壓升到0. 3V以上，30h時達到最高值0. 4V，直到184h電壓一直穩(wěn)定保持在0. 3-0. 4V之間，之后開始大幅度下降，最大功率密度54. 2mW/m2。采用梯度電阻法測定污泥MFC的極化曲線，其中一個MFC的極化曲線和功率密度曲線如圖7所示該MFC的電壓-電流線性歸化方程是y = -343. 65x+0. 5483，R2 =
0.9907。故MFC內(nèi)阻為344 Q。測得所有MFC的極化曲線相似，內(nèi)阻皆為300-400 Q。MFC能夠利用MBR的剩余污泥，產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的電能，雖然其產(chǎn)電量比較小，但是卻可以為本發(fā)明提出的電場抑制膜污染的MBR系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能，其產(chǎn)生的電能除用于 為MBR供電，也可以儲存，用于其他需要電能的地方，隨著MFC研究的進行，產(chǎn)電性能的提高，其電能的利用途徑也會增多。
權利要求
1.ー種膜生物反應器與微生物燃料電池組聯(lián)用系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括高位水箱(I)、閥門(2)、真空壓カ表(8)、蠕動泵(9)和排泥閥(14)，高位水箱⑴通過閥門(2)與膜生物反應器(3)的進水口連通，其特征在于所述系統(tǒng)還包括膜生物反應器(3)、膜組件(6)、不銹鋼網(wǎng)或鈦金屬網(wǎng)(7)、第一排泥泵(15)、微生物燃料電池組(16)和第二排泥泵(17)，膜組件(6)與不銹鋼網(wǎng)或鈦金屬網(wǎng)(7)設置在膜生物反應器(3)內(nèi)，膜組件(6)由集水管(6-3)、導線(6-6)、多根膜絲(6-1)和多根第一鈦絲(6-2)構成，多根膜絲(6-1)連接在集水管(6_3)上，集水管(6-3)設有出水ロ(6-4)和鈦絲出口(6-5)，膜組件(6)的出水ロ(6_4)與出水管連通，出水管上裝有蠕動泵(9)和真空壓カ表(8)，每根膜絲￠-1)的下端封ロ，上端為出水端，每根第一鈦絲(6-2)設于相應膜絲(6-1)內(nèi)，每根第一鈦絲(6-2) —端位于相應的下端封ロ處，每根第一鈦絲(6-2)的另一端從膜絲(6-1)的上端伸出并穿入集水管(6-3)中，多根第一鈦絲(6-2)連接在一起后，由鈦絲出口(6-5)引出，然后與導線(6-6)的一端連接，導線(6-6)的另一端通過第二鈦絲18與微生物燃料電池組(16)的陽極連接，不銹鋼網(wǎng)或鈦金屬網(wǎng)(7)通過導線及第ニ鈦絲18與微生物燃料電池組(16)的陰極連接，膜生物反應器(3)的泥水混合液排出ロ通過排泥閥(14)及第一排泥泵(15)與微生物燃料電池組(16)的所有進泥ロ連通，微生物燃料電池組(16)的所有排泥ロ通過第二排泥泵(17)與膜生物反應器(3)的泥水混合液進入口連通。
2.根據(jù)權利要求I所述膜生物反應器與MFC聯(lián)用系統(tǒng)，其特征在于微生物燃料電池組(16)由多個微生物燃料電池串聯(lián)或并聯(lián)構成，每個微生物燃料電池包括陽極(18)、陰極(19)和容器(26)，容器(26)的頂部設有參比電極插孔(21)和進泥ロ(22)，容器(26)的底部設有排泥ロ(25)。
3.根據(jù)權利要求I或2所述膜生物反應器與MFC聯(lián)用系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)子(23)和磁力攪拌器(24)，容器(26)內(nèi)設有轉(zhuǎn)子(23)，容器(26)設在磁力攪拌器(24)的上方，磁力攪拌器(24)與轉(zhuǎn)子(23)通過磁力轉(zhuǎn)動連接。
4.根據(jù)權利要求3所述膜生物反應器與MFC聯(lián)用系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括氣泵(10)、氣體流量計(11)、閥門(12)和曝氣裝置(13)，氣泵(10)、氣體流量計(11)、閥門(12)和曝氣裝置(13)依次通過管路連通，曝氣裝置(13)設在膜生物反應器(3)的底部。
5.根據(jù)權利要求4所述膜生物反應器與MFC聯(lián)用系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括液位控制器(4)和擋板(5)，膜生物反應器(3)的進水口處裝有用于控制液位的液位控制器(4)，擋板(5)設在膜生物反應器(3)內(nèi)用于分隔進水區(qū)與主反應區(qū)。
全文摘要
膜生物反應器與微生物燃料電池組聯(lián)用系統(tǒng)，它涉及水處理領域，尤其涉及一種膜生物反應器與微生物燃料電池組聯(lián)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決現(xiàn)有的利用附加電場控制膜污染的工藝存在的高電場處理費用高，抑制微生物活性，污泥處理的問題。多根膜絲連接在集水管上，每根膜絲的下端封口，每根第一鈦絲的另一端從膜絲的上端伸出并穿入集水管中，多根第一鈦絲連接在一起后，由鈦絲出口引出，然后與導線的一端連接，導線的另一端通過第二鈦絲與微生物燃料電池組的陽極連接，不銹鋼網(wǎng)或鈦金屬網(wǎng)通過導線及第二鈦絲與微生物燃料電池組的陰極連接，膜生物反應器與微生物燃料電池組連通，微生物燃料電池組與膜生物反應器連通。本發(fā)明用于污水處理。
文檔編號C02F9/14GK102653435SQ201210131068
公開日2012年9月5日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權日2012年4月28日
發(fā)明者李慧, 王翠娜, 田禹, 蘇欣穎 申請人:哈爾濱工業(yè)大學