一种厌氧电化学膜生物反应器及其水处理方法技术

本发明专利技术提供了一种厌氧电化学膜生物反应器及其水处理方法，属于污水处理技术领域。本发明专利技术实现了高效处理废水，并以收集沼气的形式回收能量，同样解决了厌氧膜生物处理技术中膜污染速度快和运行成本高等问题。厌氧电化学膜生物反应器包括生物阳极反应区和阴极膜过滤区；阳极区厌氧微生物对废水有机物进行氧化，阴极膜过滤区利用功能性导电碳纳米管中空纤维膜的双重作用：通过超滤膜对污染物过滤以高效处理废水的作用和作为阴极电极产气(沼气或氢气)对膜表面冲刷以达到有效缓解膜污染的作用。该方法及装置，使得低浓度废水能在低温条件下稳定运行，同时能够产生富含甲烷的沼气进行回收利用，装置结构简单，便于实际操作运行。

An anaerobic electrochemical membrane bioreactor and its water treatment method

【技术实现步骤摘要】
一种厌氧电化学膜生物反应器及其水处理方法
本专利技术涉及一种厌氧电化学膜生物反应器，具体涉及一种用于污水处理的厌氧电化学膜生物反应器水处理方法，属于污水处理

技术介绍
全球对淡水的持续需求对可用水资源施加了巨大压力。废水的回收和再利用以及脱盐是增加可用水供应的唯一机会，因此对于满足淡水资源的需求至关重要。尤其是生活污水，对于许多城市来说是可利用的水资源，而海水淡化仅限于海岸附近的城市。传统的基于活性污泥的家庭污水处理工艺是能源密集型的(0.6kWh/m)，而且占地面积很大。考虑到生活废水估计约含有2kWh/m，有机会可以通过回收固有能量来抵消废水处理的能耗。相对于好氧技术，厌氧膜生物处理技术最大的特点是具有将污水中的有机物变废为宝转化为甲烷这种可回收利用的能源气体这一优势，同时厌氧生物处理技术具有产泥少、工艺相对稳定、基建费用较低、运行费用低廉、二次污染较少等生态、经济、技术优势。但膜污染问题一直是阻碍厌氧膜生物技术快速发展的一个重要因素。微生物电解池可通过外加电场，促进电子传递，使单位时间内阴极可接受电子数目增加，有效提高微生物代谢速率，从而提高有机物的去除效率。另外因阳极底物的氧化还原电位高于阴极析氢反应的氧化还原电位，微生物电解池的加入可使质子在阴极得到通过外电路而来的电子，从而产生氢气。因此将微生物电解池应用于厌氧膜生物反应器时更有利于能源物质回收，同时在阴极表面产生沼气可以减缓膜污染。随着纳米技术在新时代的发展，碳纳米管材料因具有优异的导电性、良好的网状结构，高机械强度，比表面积大的优点成为研究热点。通过碳纳米管改性膜材料作为双功能阴极电极，不仅解决了利用导电材料改性的膜，其低电能利用率和低膜通量，而且避免了利用金属材料改性的膜，其金属离子排放到系统中，这可能导致潜在的环境风险并增加成本。
技术实现思路
本专利技术通过将厌氧膜生物技术与微生物电解电池结为一体，组成一种厌氧电化学膜生物反应器,实现了高效处理废水，并以收集沼气的形式回收能量，同样解决了厌氧膜生物技术存在的膜污染速度快和运行成本高等问题。本专利技术的技术方案为：一种厌氧电化学膜生物反应器，该系统由厌氧膜生物技术与微生物电解电池结合得到，分为生物阳极反应区和阴极膜过滤区；膜过滤区采用的膜组件包括导电碳中空纤维膜、导电密封胶和出水口，其中出水口与出水管相连，接连真空泵，抽吸出水；导电碳中空纤维膜通过导电密封胶连接出水口；反应器上端设有集气管。膜组件作为阴极电极，整体垂直置于反应器中部，适合电化学活性微生物(EAB)生存的阳极电极位于反应器底部放置。在阴极表面产生的沼气由反应器上端出口的集气袋收集厌氧电化学膜生物反应器外壳由任何合适的塑料或聚碳酸酯材料制成，以提供足够的强度。反应器上端有额外出口以便插入参比电极、ORP电极，DO电极等。所述的导电中空纤维膜是功能性导电中空纤维膜，其膜孔径为0.12～0.15微米。所述的导电中空纤维膜是碳材料、导电聚合物或金属导电复合材料；所述阳极电极是石墨碳毡、碳纤维刷或金属导电复合材料。用厌氧电化学膜生物反应器进行水处理方法，运行过程：导电中空纤维阴极膜与电源负极相连，阳极与电源正极电极相连，施加电压为0.4～1.0V；使得导电中空纤维膜发挥双重作用：一是增强膜表面和水中带电的污染物之间的电排斥作用，可有效缓解膜的污染；二是膜本身作为催化电极降解水体污染物，从而显著提高出水水质。运行方式：污水从进水管通入反应器底部接种厌氧污泥的生物反应区，再通过反应器中部膜组件的膜过滤区，经由膜组件过滤后得到的出水从出水管流出，产生的沼气通过集气袋进行收集，停留时间为8～72小时。本专利技术的有益效果：本专利技术开发一种在低温低能耗、环境友好同时还能产能的厌氧电化学膜生物反应器系统。反应器设计简单紧凑，工艺启动时间快，稳定状态能迅速实现。与传统的厌氧水处理技术相比，更有效地处理低强度废水，与厌氧膜生物反应器相比，可减缓膜污染、沼气形式的能量回收更快。(1)导电碳纳米管中空纤维膜发挥双重作用：一是通过超滤膜对污染物的过滤以显著提高出水水质的作用，二是作为阴极膜电极产生的沼气或氢气对膜表面冲刷以达到有效缓解膜污染的作用；(2)微生物电解池通过外加电场，促进电子传递，使单位时间内阴极可接受电子数目增加，有效提高微生物代谢速率，提高有机物的去除效率；厌氧电化学膜生物反应器的阴极膜电极表面的气泡可以作为一种自然冲刷机制，减缓膜污染；(3)利用导电碳纳米管中空纤维膜作为双功能阴极电极组成的厌氧电化学膜生物反应器，能在低温条件下稳定运行，其导电材料对环境不会造成污染，同时能够产生富含甲烷的沼气进行回收利用，实现低能耗。附图说明图1为新型厌氧电化学膜生物反应器示意图。图2为导电碳纳米管中空纤维膜膜表面扫描电镜图。图3为在0.4V和0.7V的外加电压下，新型厌氧电化学膜生物反应器稳定运行时COD去除情况。图4为在0.4V、0.7V和1.0V的外加电压下，新型厌氧电化学膜生物反应器稳定运行时膜污染随时间变化情况(其中1.0V电压为反应器启动期的电压)。图5为在0.4V和0.7V的外加电压下，新型厌氧电化学膜生物反应器的电流密度和库伦效率随时间变化图。图1中：1.进水蠕动泵2.石墨碳毡3.反应柱4.碳纳米管改性PVDF中空纤维膜5.电化学工作站6.压力传感器7.出水蠕动泵8.PH电极9.ORP电极10.DO电极11.集气口12循环蠕动泵具体实施方式下面结合技术方案和附图进一步说明本专利技术的具体实施方式。实施例：利用导电碳纳米管中空纤维膜厌氧电化学膜生物反应器处理城市污水反应器由1个主反应柱(有效容积3L)和1个电化学工作站组成。反应器主体为内直径为47mm、高为50cm的有机玻璃，厌氧活性污泥位于反应器底部，阴极由抗污染的导电中空纤维膜组成，位于反应器中部，导电中空纤维膜为1组内含4根30cm长，平均孔径为0.14微米的导电碳纳米管聚偏氟乙烯中空纤维膜(CNT-PVDF-HFM)；阳极由石墨碳毡组成，位于反应器底部。在反应柱的顶端开有3个探头孔，以及1个出水孔。反应器外部连接电化学工作站、ORP在线监测检测仪、DO在线检测仪以及pH在线检测仪。将最上端取样口与最下端取样口连接，并加以蠕动泵，用以促进流内部循环，加强水与微生物之间的传质。此实例中启动期实施额外电压为1.0V，当COD去除率达到稳定时，调整额外电压分别为0.7V以及0.4V。本实施方案运行过程中，运行温度为室温，主反应区污泥浓度为3.442g/L。进入反应器的生活污水的浓度为400±20mg/L，膜出水COD平均浓度为40±8mg/L，则COD去除率为90±0.67％，有机物去除效果显著。气体甲烷和氢气的含量通过气相色谱测定，溶解性甲烷及溶解性氢气的含量通过亨利定律(公式1)计算得到。PB＝Kx,B×XB(1)式中：PB为气体在气相中的平衡分压，kpa；K本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种厌氧电化学膜生物反应器，其特征在于，该厌氧电化学膜生物反应器分为生物阳极反应区和阴极膜过滤区；膜过滤区采用的膜组件包括导电中空纤维膜、导电密封胶和出水口，其中出水口与出水管相连，接连真空泵，抽吸出水；导电中空纤维膜通过导电密封胶连接出水口；反应器上端设有集气管，集气管连接集气袋；膜组件作为阴极电极，整体垂直置于反应器中，阳极电极位于反应器底部放置；反应器上端插入参比电极、ORP电极和DO电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种厌氧电化学膜生物反应器，其特征在于，该厌氧电化学膜生物反应器分为生物阳极反应区和阴极膜过滤区；膜过滤区采用的膜组件包括导电中空纤维膜、导电密封胶和出水口，其中出水口与出水管相连，接连真空泵，抽吸出水；导电中空纤维膜通过导电密封胶连接出水口；反应器上端设有集气管，集气管连接集气袋；膜组件作为阴极电极，整体垂直置于反应器中，阳极电极位于反应器底部放置；反应器上端插入参比电极、ORP电极和DO电极。


2.根据权利要求1所述的厌氧电化学膜生物反应器，其特征在于，所述的导电中空纤维膜是功能性导电碳纳米管中空纤维膜，其膜平均...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩，陈锋华，曹孟京，柴毓蔓，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11