本发明专利技术公开了一种反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置及其方法，装置包括封闭的筒体以及位于筒体内腔的阴极和阳极，阴极和阳极分别通过导线与外部电源的负极和正极相连通；阳极包括钛网、颗粒活性炭和MBR膜组件，钛网将颗粒活性炭包裹于MBR膜组件的表面；颗粒活性炭和MBR膜组件的表面均用于富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物；阴极为表面用于富集自养反硝化微生物的碳毡；位于阳极和阴极下方的筒体内腔中设有均匀开孔的布水管，布水管下方设有气体分布器。本发明专利技术通过生物电化学系统、膜组件与反硝化厌氧甲烷氧化微生物的耦合实现了废水处理过程中硝酸盐与甲烷的协同去除，兼具效率高，成本低，能耗小，空间小的特点。
【技术实现步骤摘要】
一种反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置及其方法
本专利技术属于废水生物处理领域，具体涉及一种反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置及其方法。
技术介绍
传统废水生物脱氮的硝化-反硝化工艺在反硝化段存在电子供体不足的情况，使得脱氮效率受到制约，同时在厌氧消化段生成大量的甲烷溶解于水中并最终随废水排放并释放至大气中，是全球温室效应的主要原因之一，同时也是一种资源的浪费。
技术实现思路
本专利技术针对城市废水处理中反硝化过程不彻底与生成的甲烷无序排放等问题，提供一种反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置及其方法。本专利技术具体采用的技术方案如下：一种反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置，其包括封闭的筒体以及位于筒体内腔的阴极和阳极，阴极和阳极分别通过导线与外部电源的负极和正极相连通；所述阳极包括钛网、颗粒活性炭和MBR膜组件，钛网将颗粒活性炭包裹于MBR膜组件的表面；颗粒活性炭和MBR膜组件的表面均用于富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物，钛网外接钛丝并与所述导线相连通，MBR膜组件的出水端通过设有出水泵的出水管与外部连通；所述阴极为表面用于富集自养反硝化微生物的碳毡；位于阳极和阴极下方的筒体内腔中设有均匀开孔的布水管，布水管下方设有气体分布器；气体分布器的进气端与外部连通，用于向阳极鼓气使颗粒活性炭实现流化态；筒体上部的侧壁开设有出气口，出气口通过设有循环泵的气体管路与所述气体分布器的进气端相连通。作为优选，所述布水管的开孔率为10％，且位于筒体外部的布水管上设有进水泵。作为优选，所述气体分布器为盘式分布器，其位于筒体外部的进气端设有曝气泵。作为优选，靠近所述阳极的筒体侧壁上开设有取样口。作为优选，所述钛网的网口为菱形网口，其短对角线长为1mm。作为优选，所述MBR膜组件的材料为聚偏二氟乙烯PVDF。作为优选，所述导线上依次串联电压传感器和警报器，并与大小为500-1000Ω的电阻并联，以实时监测所述反应装置的电压状态。作为优选，所述颗粒活性炭为球形颗粒，平均粒径为2mm；颗粒活性炭在MBR膜组件表面的填充度为20％。本专利技术的另一目的在于提供一种根据上述任一所述反应装置处理硝酸盐废水和甲烷废气的方法，其具体如下：开启进水泵，将硝酸盐废水经由布水管通入筒体内腔并实现均匀分布；同时开启曝气泵，将甲烷废气经由气体分布器通入筒体内腔并使其与废水充分接触，甲烷气溶解于废水中；关闭曝气泵，开启循环泵；通过循环泵的作用使筒体内腔顶部未与废水溶解的甲烷气重新抽吸至气体分布器的进气端，实现甲烷气的循环利用；通过控制循环泵来调节甲烷气的流速，使得颗粒活性炭实现流态化；废水中的硝酸盐与溶解在水中的甲烷被富集在颗粒活性炭与MBR膜组件表面的反硝化厌氧甲烷氧化微生物同步转化为氮气与二氧化碳，同时，产生的电子传递至颗粒活性炭上，利用生物电化学的促进作用提高反硝化厌氧甲烷氧化微生物的活性；产生的电子通过颗粒活性炭与钛网的相互碰撞作用，从颗粒活性炭传递至钛网上，再通过外接的钛丝经由导线传递至碳毡；碳毡表面富集的自养反硝化微生物利用电子进一步将水中的硝酸盐还原为氮气；通过设置于导线上的电压传感器实时监控所述反应装置的电压状态；当电压偏离预定值时，与电压传感器串联的警报器发出警报。作为优选，通入所述筒体内的废水占筒体内腔体积的3/4。本专利技术相比于现有技术，具有如下有益效果：1)本专利技术的反应装置中，通过生物电化学系统、膜组件与反硝化厌氧甲烷氧化微生物的耦合实现了废水处理过程中硝酸盐与甲烷的协同去除；2)本专利技术的反应装置将硝酸盐型废水和废水处理时产生的多余的甲烷转化为氮气和二氧化碳，实现废水处理中同步脱氮除碳的效果；3)本专利技术的反应装置兼具效率高，成本低，能耗小，空间小的特点。附图说明图1为本专利技术反应装置的结构示意图；图中：出水泵1、出气口2、取样口3、循环泵4、进水泵5、进水口6、布水管7、气体分布器8、进气口9、曝气泵10、颗粒活性炭11、MBR膜组件12、钛网13、钛丝14、电压传感器15、电阻16、警报器17、导线18、碳毡19、阳极区20、阴极区21。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。本专利技术中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。如图1所示，为本专利技术的一种反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置，该反应装置包括封闭的圆柱状筒体以及位于筒体内腔的阳极区20和阴极区21。本专利技术通过流程优化，使得废水中的硝酸盐和废水处理中产生的甲烷能够被硝化厌氧甲烷氧化微生物和自养型反硝化微生物协同处理。下面详细描述各结构的具体实现方式：阳极区20的主体为阳极，阳极包括钛网13、颗粒活性炭11和MBR膜组件12，钛网13将颗粒活性炭11包裹于MBR膜组件12的表面。需要注意的是，该包裹状态并非是将颗粒活性炭11紧紧的包裹于MBR膜组件12的表面，而是仅仅起到限位作用，也就是说，颗粒活性炭11和MBR膜组件12的表面之间具有一定空间，颗粒活性炭11能够在该空间中移动实现流化态。颗粒活性炭11在MBR膜组件12表面的填充度为20％。颗粒活性炭11和MBR膜组件12的表面均用于富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物，硝酸盐和甲烷在硝化厌氧甲烷氧化微生物的作用去除，颗粒活性炭11采用平均粒径为2mm的球形颗粒。由于微生物生长速率缓慢且活性低，因此需要在阳极设置MBR膜组件12来截留微生物用于提高微生物生长速率，且设置生物电化学系统增加微生物的活性。本实施例采用的MBR膜组件12材料为聚偏二氟乙烯PVDF。由于MBR膜组件12存在膜污染问题，因此将颗粒活性炭11包围在MBR膜组件12四周用于吸附MBR膜组件12中多余的微生物。阳极中MBR膜组件12的顶部与出水泵1连接。为了使生物电化学系统的促进作用更加高效，阳极的钛网13呈四周环绕、顶部开放状，将颗粒活性炭11全部包裹在内。本实施例采用的钛网13网口为菱形网口，最短对角距离为1mm。在实际应用过程中，MBR膜组件12和钛网13的具体大小可以根据装置实际体积决定。阴极为表面用于富集自养反硝化微生物的碳毡19。阴极和阳极分别通过导线18与外部电源的负极和正极相连通，共同作用实现废水中的硝酸盐和甲烷的同步去除。位于阳极和阴极下方的筒体内腔中设有均匀开孔的布水管7，布水管7下方设有气体分布器8。位于筒体外部的布水管7上设有进水泵5，用于为废水进入筒体内腔提供动力，本实施例中进水泵5采用蠕动泵。进水导管7横穿整个反应装置，且均匀地设计孔隙，布水管7的开孔率优选为10％以便于进水更加均匀。气体分布器8为盘式分布器，以便于甲烷更为均匀进入，气体分布器8位于筒体外部的进气端设有曝气泵10。气体分布器8的进气端穿过开设于筒体底部的进气口9与外部连通，用于向阳极鼓气使颗粒活性炭11实现流化态。筒体上部的侧壁开设有出气口2，出气口2通过设有循环泵4的气体管路与气体分本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置，其特征在于，包括封闭的筒体以及位于筒体内腔的阴极和阳极，阴极和阳极分别通过导线(18)与外部电源的负极和正极相连通；/n所述阳极包括钛网(13)、颗粒活性炭(11)和MBR膜组件(12)，钛网(13)将颗粒活性炭(11)包裹于MBR膜组件(12)的表面；颗粒活性炭(11)和MBR膜组件(12)的表面均用于富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物，钛网(13)外接钛丝(14)并与所述导线(18)相连通，MBR膜组件(12)的出水端通过设有出水泵(1)的出水管与外部连通；所述阴极为表面用于富集自养反硝化微生物的碳毡(19)；/n位于阳极和阴极下方的筒体内腔中设有均匀开孔的布水管(7)，布水管(7)下方设有气体分布器(8)；气体分布器(8)的进气端与外部连通，用于向阳极鼓气使颗粒活性炭(11)实现流化态；筒体上部的侧壁开设有出气口(2)，出气口(2)通过设有循环泵(4)的气体管路与所述气体分布器(8)的进气端相连通。/n
【技术特征摘要】
1.一种反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置，其特征在于，包括封闭的筒体以及位于筒体内腔的阴极和阳极，阴极和阳极分别通过导线(18)与外部电源的负极和正极相连通；
所述阳极包括钛网(13)、颗粒活性炭(11)和MBR膜组件(12)，钛网(13)将颗粒活性炭(11)包裹于MBR膜组件(12)的表面；颗粒活性炭(11)和MBR膜组件(12)的表面均用于富集反硝化厌氧甲烷氧化微生物，钛网(13)外接钛丝(14)并与所述导线(18)相连通，MBR膜组件(12)的出水端通过设有出水泵(1)的出水管与外部连通；所述阴极为表面用于富集自养反硝化微生物的碳毡(19)；
位于阳极和阴极下方的筒体内腔中设有均匀开孔的布水管(7)，布水管(7)下方设有气体分布器(8)；气体分布器(8)的进气端与外部连通，用于向阳极鼓气使颗粒活性炭(11)实现流化态；筒体上部的侧壁开设有出气口(2)，出气口(2)通过设有循环泵(4)的气体管路与所述气体分布器(8)的进气端相连通。
2.根据权利要求1所述的反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置，其特征在于，所述布水管(7)的开孔率为10％，且位于筒体外部的布水管(7)上设有进水泵(5)。
3.根据权利要求1所述的反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置，其特征在于，所述气体分布器(8)为盘式分布器，其位于筒体外部的进气端设有曝气泵(10)。
4.根据权利要求1所述的反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置，其特征在于，靠近所述阳极的筒体侧壁上开设有取样口(3)。
5.根据权利要求1所述的反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置，其特征在于，所述钛网(13)的网口为菱形网口，其短对角线长为1mm。
6.根据权利要求1所述的反硝化厌氧甲烷氧化膜生物电化学反应装置，其特征在于，所述MBR膜组件(12)的材料为聚偏二氟乙烯PVDF。
7.根据权利要求1所述的反硝...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁阿强，洪蓉蓉，黄睿思，李朝洋，卢培利，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50
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