膜曝氣生物膜與生物電化學耦合系統及其應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于污水處理技術與設備技術領域，涉及一種膜曝氣生物膜與生物電化學耦合系統及其應用。
【背景技術】
[0002]傳統的脫氮需要在不同的反應池內進行，硝化反應在好氧池內完成，反硝化作用在缺氧池內完成，其工藝流程長、運行能耗較大、產生的污泥量較大、占地面積大、基建投資高，為達到理想的處理效果有時需要外加有機碳源和堿度。面對當今能源危機和環(huán)境污染的問題，傳統的脫氮技術已經難以滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，尋求一種高效節(jié)能的脫氮技術十分必要。
[0003]微生物燃料電池(MFCs)是一種以微生物為催化劑，將化學能直接轉化為電能的裝置，是一種新的清潔能源生產技術。因為含氮廢水本身含有許多化學污染物，蘊藏大量化學能，所以MFC可以通過陽極產電生物膜降解含氮廢水中有機物獲得持續(xù)電能，對廢水中的能源實現有效回收。同時，國內外的相關研究已經證實了MFC的陰極能夠利用如硝酸鹽和亞硝酸鹽等作為生物陰極的電子受體，進行還原反應，能有效地對氮進行去除，這種還原過程在低有機碳源的情況下依舊可以進行。
[0004]膜曝氣生物膜反應器(MABR)是一種膜-生物處理組合工藝。在MABR中，曝氣膜組件既提供曝氣又兼做生物膜生長的載體。氣相(曝氣膜內腔)中的氧是通過曝氣膜-生物膜的界面擴散進入生物膜內，而液相(廢水)中的底物是從生物膜-液相界面上進入生物膜。這種氧和底物的異向傳質導致生物膜具有不同活性的功能層化性，好氧微生物，如硝化細菌，富集在生物膜/曝氣膜介面，溶解氧從里往外逐步降低，當供氧條件控制得當時，反應器處于缺氧狀態(tài)，生物膜最外層可以生長缺氧微生物，如反硝化菌，這樣的分布利于在MABR的微環(huán)境實現同步硝化反硝化。傳統的機械和鼓風曝氣方式屬于泡式供氧，僅5-25%左右，而MABR中曝氣膜組件采用無泡曝氣的方式，氧利用率高且耗能低。此外，MABR還具有揮發(fā)性污染物氣提損失小、污泥發(fā)生量少以及運行管理方便等特點，是傳物、脫氮等應用時一個引人注目的更新替代工藝。
[0005]作為厭氧處理技術之一，采用單一的MFC工藝難以系統進行污染物去除，且去除效率不高，若將MFC與MABR耦合，可有效改善出水水質，在實現高效脫氮的同時，并產生電能，在產電過程中利用電場的存在以及電流對微生物的刺激作用，能夠改變污泥性質，有效延緩膜污染。
[0006]運用微生物燃料電池和硝化反硝化相耦合的相關技術已有報道。
[0007]例如，申請公布號為CN103117405 A的中國專利公開了一種多功能反硝化微生物燃料電池，主要由陽極室、陰極室、膜組件和外電路系統組成，通過在陽極室中接種反硝化污泥，引入有機含氮廢水作為燃料，陰極室引入氧化劑作為電子受體，反硝化菌降解有機含氮廢水并釋放電子，釋放的電子被陰極室電子受體接收而產生電；所述的陽極液為含有有機物、硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮的廢水，PH為6.5?7.8，陰極液為高錳酸鹽、重鉻酸鉀、過硫酸鹽、鐵氰化物、過氧化氫或溶解氧與磷酸鹽緩沖劑的混合溶液，pH為6.5?7.8。上述專利的技術方案雖能對含氮廢水取得比較好的處理效果，但整個裝置只具有反硝化作用，并不能實現完整的生物硝化反硝化過程，所以除氮效果受到抑制，處理廢水的范圍不廣。同時，該專利中MFC陰極利用的是化學氧化劑，沒有充分利用含氮廢水中的電子受體，導致其在實際工程運用中會受到限制。
[0008]另，申請公布號為CN103848539 A的中國專利公開了一種耦合微生物燃料電池低能耗膜生物反應器的有機廢水處理裝置，由池體、MFC陽極、導流板構成陽極室，為厭氧反應區(qū)，MBR膜組件(兼MFC陰極)、曝氣管構成陰極室，為好氧反應區(qū)，導流板區(qū)則為缺氧反應區(qū)；同時采用折流板替代普通MFC中的質子交換膜。上述的專利方案將MFC于MBR結合，以便于實現脫氮和產電，但是該裝置中陰極好氧反應區(qū)采用泡式曝氣，有氧氣利用率低、能量消耗大的缺點，并且由于氧和底物同向傳質致使膜組件生物膜內部形成惰性厭氧層，其在載體上的固著力被減弱。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種結構簡單，能同時實現硝化反硝化除氮和生物產電的膜曝氣生物膜與生物電化學耦合系統及其應用。
[0010]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0011]膜曝氣生物膜與生物電化學耦合系統，該系統包括陽極室、陰極室以及設置在陽極室與陰極室之間的分隔膜，還包括設置在陰極室的膜曝氣生物膜、與膜曝氣生物膜連接的外部供氧單元以及將陽極室與陰極室相連通的外接管路，所述的陽極室、陰極室中分別設有生物陽極電極及生物陰極電極，并且所述的生物陽極電極通過外接電路與生物陰極電極電連接。
[0012]所述的陽極室包括陽極反應腔室以及豎直設置在陽極反應腔室中的生物陽極電極，并且所述的陽極反應腔室的下部設有陽極進水口，上部設有陽極出水口。
[0013]所述的陰極室包括陰極反應腔室以及豎直設置在陰極反應腔室中的生物陰極電極，并且所述的陰極反應腔室的下部設有陰極進水口，上部設有陰極出水口。
[0014]所述的陰極室中還可以設有循環(huán)栗，用以強化液相混合和基質傳遞。
[0015]所述的陽極出水口通過外接管路與陰極進水口相連通，并且所述的外接管路上設有蠕動栗。
[0016]所述的生物陽極電極包括陽極電極以及負載在陽極電極上的厭氧微生物，所述的生物陰極電極包括陰極電極以及負載在陰極電極上的缺氧微生物。
[0017]所述的厭氧微生物包括地桿菌、希瓦氏菌或紅螺菌中的一種，可降解有機物，產生電子。
[0018]所述的缺氧微生物包括反硝化桿菌、斯氏桿菌或螢氣極毛桿菌中的一種，可將硝酸鹽、亞硝酸鹽轉化為氮氣除去。
[0019]所述的陽極電極與陰極電極的電極材料為碳紙、碳布、碳氈、石墨氈或石墨板中的一種。
[0020]所述的膜曝氣生物膜為硅橡膠致密膜、疏水性微孔膜或表面改性膜中的一種。
[0021 ]所述的表面改性膜所采用的表面改性的方法包括表面活性劑涂覆、表面化學處理、放射性輻照改性、紫外光輻照改性或等離子體改性。
[0022]所述的膜曝氣生物膜可以在保持氣體分壓低于泡點的情況下，向陰極反應腔室內曝氣供氧，進而實現無泡曝氣，具有傳氧效率高、無泡沫形成、能耗低等優(yōu)點。
[0023]所述的膜曝氣生物膜上附著生長好氧硝化菌形成生物膜，在膜曝氣生物膜表面可實現氨氮的硝化反應，生成硝酸鹽和亞硝酸鹽。
[0024]所述的膜曝氣生物膜在使用過程中，需控制曝氧量，使膜內表面形成好氧狀態(tài)，進而形成好氧硝化菌層，而陰極反應腔室內仍舊維持缺氧狀態(tài)。
[0025]所述的外部供氧單元包括依次與膜曝氣生物膜連接的壓力表、氣流調節(jié)閥以及空氣壓縮機，用于向膜曝氣生物膜提供流量可控的曝氣氣流。
[0026]所述的分隔膜為陽離子交換膜、陰離子交換膜、質子交換膜、雙極膜、微濾膜或超濾膜中的一種，所述的外接電路為設有可調電阻的外接電路，并且所述的可調電阻的兩端連接有電壓數據采集器，用于記錄系統的產電量。
[0027]膜曝氣生物膜與生物電化學耦合系統的應用，用于處理含氮有機廢水。
[0028]本發(fā)明系統以含氮有機廢水為燃料產生電能，能有效回收含氮廢水中蘊含的能量，將硝化、反硝化與微生物燃料電池技術相結合，實現同步脫氮和生物產電。其中，陽極室為厭氧反應區(qū)，陰極室為缺氧反應區(qū)，陽極室內廢水中的有機污染物被氧化產生電子的同時，電子經外接電路到達生物陰極電極，陽極室出水中的氨氮經外接管路進入陰極室，在膜曝氣生物膜表面發(fā)生硝化反應，同時，一部分生成的亞硝酸鹽和硝酸鹽會被生物陰極利用，作為電子受體與外接電路流入的電子結合，發(fā)生還原反應，形成閉合回路，且回路產生的電流又會強化生物脫氮過程和去除有機污染物的能力。
[0029]本發(fā)明系統將MABR與MFC耦合能同時實現污染物去除和生物產電，利用電子通過回路產生電流強化生物脫氮過程和去除有機污染物的能力，脫氮效率高且穩(wěn)定，產電效能好，能源利用率高;在產電過程中利用系統弱電場及電流對微生物的刺激作用，延緩膜污染的發(fā)生，對低、中、高濃度的含氮廢水均具有較好的適應性，處理效果好，能量消耗低，同時能有效回收部分能量，性能高效穩(wěn)定。
[0030]與現有技術相比，本發(fā)明具有以下特點:
[0031]I)本發(fā)明系統克服了傳統生物脫氮技術為達到理想的處理效果而需要外加大量有機碳源和堿度的缺陷，陰極室能利用硝酸鹽和亞硝酸鹽作為生物陰極的電子受體，進行還原反應，有效地對氮進行去除，而這種還原過程可以利用陽極生物產生的電子，在C/N較低的情況下仍可發(fā)生反硝化反應，同時，陰極室內置的膜曝氣生物膜可進行同步硝化反硝化，利于堿度的平衡；
[0032]2)本發(fā)明系統中膜曝氣生物膜采用的是無泡曝氣的方式，氧氣利用率高、能量消耗低、揮發(fā)性污染物氣提損失小、污泥發(fā)生量少且運行管理方便；
[0033]3)本發(fā)明系統在膜曝氣生物膜的微環(huán)境中，實現同步硝化反硝化的同時，將膜曝氣生物膜內置于MFC陰極室中，使膜曝氣生物膜與MFC有機地結合在一起，整體設計更加簡便，有效降低池體體積、減少裝置的構建費用、減小占地面積、方便管理；
[0034]4)本發(fā)明系統MABR與MFC反應器耦合，利用回路中產生的電流強化生物反硝化過程和有機污染物去除的能力，脫氮效率高且穩(wěn)定，產電效能好；同時，在產電過程中利用弱電場的存在以及電流對微生物的刺激作用，延緩膜污染的發(fā)生；
[0035]5)本發(fā)明系統輸出的電壓信號可以表征產電量的大小，同時具有指示生物脫氮過程的作用，可以實現基于電信號的反應器系統優(yōu)化控制；
[0036]6)本發(fā)明系統中將陽極室的出水連續(xù)地流入陰極室，有效地解決陽極易酸化的問題；
[0037]7)整個系統結構簡單緊湊，采用無泡曝氣，充氧利用率高，操作過程耗能低，運行穩(wěn)定，高效節(jié)能，兼具污染物處理和產電功能，具有很好的開發(fā)運用前景。
【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明