一种用于污水处理防控膜污染的耦合反应器

技术领域

本发明涉及污水处理设备的技术领域，特别涉及一种用于污水处理防控膜污染的耦合反应器。

背景技术

随着经济的不断发展和人口的急剧增加，废水排量日益增加，这使得水资源短缺与水环境污染问题日益严重，这不仅制约了社会的发展，同时也危害人民的身体健康，因此，污、废水处理的重要性逐渐显现。近年来，各种改良且高效的污、废水处理技术应运而生，其中膜处理技术，特别是膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)技术的应用受到了格外的关注。

膜生物反应器是膜分离技术与生物污水处理技术相结合的新型态废水处理系统。其主要组成部分是生物反应器、膜组件和控制系统。其中，生物反应器主要发生污染物降解，为该降解过程提供场所。膜组件由膜和其支撑部分组成，是整个反应器的核心部分。根据生物反应器反应过程是否需要曝气可以分为好氧膜生物反应器(Aerobic MembraneBioreactor， AeMBR)和厌氧膜生物反应器(Anaerobic Membrane Bioreactor，AnMBR)。

AeMBR因其良好的出水水质而被越来越多地用于废水处理。然而，它的广泛应用还存在一些障碍，如其曝气所需的高额能耗与其较低的能量回收率。而AnMBR可优先用于高强度工业废水处理，其处理过程中产生的生物气(沼气)可实现能量的回收，同时剩余污泥产量较少。此外，与常规厌氧工艺相比，AnMBR提高了厌氧微生物的降解能力，延长了污泥停留时间(SRT)，确保更好的出水质量。

由于AnMBR适用于处理高COD、高盐度以及高悬浮物的废水，故AnMBR已被用于处理各种类型的废水，从城市或家庭生活废水到若干工业废水，如啤酒厂、乳制品、纸浆和造纸、纺织、制药和屠宰场。AnMBR通常在高于150天的SRT下运行，而水力停留时间(HRT)一般在2小时至20天之间。尽管AnMBR具有良好的出水水质等优点，但膜污染仍然是其广泛应用的主要障碍。膜污染会导致通量减低、膜寿命缩短以及清洗频率上升，从而降低膜过滤的经济效率。膜污染受操作条件、进水特性、膜特性(包括膜材料、粗糙度、表面电荷、孔径、疏水性)以及污泥特性(混合液悬浮固体(MLSS)、胞外聚合物(EPS)、可溶性微生物产物(SMP)、粒径)的影响。与AeMBR相比，AnMBR具有更强烈的膜污染倾向。因此，如何控制膜污染是AnMBR在污、废水处理领域广泛应用的关键问题。

发明内容

本发明意在提供一种用于污水处理防控膜污染的耦合反应器，解决了现有的厌氧膜生物反应器会出现膜污染的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于污水处理防控膜污染的耦合反应器，包括反应器本体和设置在反应器内的纤维膜，所述反应器本体上设有进水机构、曝气机构和与进水机构结构相同的出水机构，所述进水机构包括储水箱和与储水箱连接的蠕动泵，所述蠕动泵与反应器本体的下侧连接有连接水管；所述曝气机构包括气体压缩泵和曝气盘，所述气体压缩泵与曝气盘之间连接有穿设过反应器本体曝气软管，所述曝气盘设置在反应器本体的底部且位于进水管下方；所述出水机构内的连接水管与纤维膜的内部连通；所述反应器本体内还设有位于纤维膜上方的液位传感器，所述液位传感分别与进水机构中的蠕动泵、出水机构中的蠕动泵电连接；所述反应器内还设有位于纤维膜外的阳极和阴极，所述阳极和阴极之间连接有位于反应器外的电阻箱，所述电阻箱与阴极、阴极之间均连接有铜丝，所述阴极外设有密封腔。

技术方案的原理及效果：本方案将单室空气阴极微生物燃料电池与厌氧膜生物反应器耦合，形成了一种双重除污装置，可去除污水中的污染物(即利用厌氧微生物高效降解有机污染物及纤维膜截留悬浮污染物)，并利用产电微生物引入电场从而缓解纤维膜被快速污染的速率。同时反应器本体中产生的厌氧污泥所含有的微生物可降解绝大部分有机会，利用产生的外部电场刺激，使微生物群落间形成良性竞争，优化厌氧产电菌的繁殖环境，从而实现内部电场阻碍可溶性微生物产物和胞外聚合物在纤维膜表面的附着，延长纤维膜使用寿命及反应器运行周期。

进一步的，所述阳极由碳毡制成，所述阴极由碳布制成。

进一步的，所述阳极使用前采用如下方式进行处理：先使用0.95-1.05mol/L的盐酸浸泡20-28h，再使用0.95-1.05mol/L氢氧化钠浸泡20-28h。

通过上述设置，便于在阳极和阴极上挂膜。

进一步的，所述密封腔内设有凹槽，所述阴极固定设置在凹槽内，所述凹槽上开有多个与阴极一侧相连通的通孔。

通过上述设置，可使本方案直接利用空气作为电子受体，无需另加硝态氮，大大减少处理成本。

进一步的，所述阴极的一侧依次经过疏水化处理、炭黑化处理、防水化处理和催化层处理，所述阴极上经过处理的一侧与通孔连通。

通过上述设置，氧气作为电子受体可迅速到达反应点，提高阴极性能。

进一步的，所述出水机构中的连接水管上设有无纸记录仪。

通过上述设置，可借助无纸记录仪实时监测和记录纤维膜两侧的跨膜压差，用于后续分析纤维膜的受污染情况。

与现有技术相比，本方案的有益效果：

1、本方案的纤维膜可去除废水中悬浮固体浓度，无需设置沉淀池，固所需占地面积减少，实际应用时施工周期短，大大降低了建设成本；

2、本方案在厌氧反应器中引入微生物电化学技术，利用产电微生物产生的电场，大大缓解了中空纤维膜膜组件的污染情况，延长膜组件寿命以及反应器运行周期；

3、本方案利用进水机构和出水机构可确保反应器本体的运行温度不受外界天气干扰；

4、本方案耐冲击负荷高，可处理高浓度有机废水；

5、本方案的污泥产量少，固无需设置排泥管，减少制作成本以及污泥处理处置的成本。

附图说明

图1是本发明一种用于污水处理防控膜污染的耦合反应器的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：反应器本体1、纤维膜2、储水箱3、蠕动泵4、进水管5、连接水管6、气体压缩泵7、曝气盘8、曝气软管9、无纸记录仪10、出水管11、液位传感器12、阳极13、阴极14、电阻箱15、密封箱16、固定板17。

实施例

如附图1所示：一种用于污水处理防控膜污染的耦合反应器，包括反应器本体1和设置在反应器内的纤维膜2，反应器本体1采用有机玻璃制成，反应器本体1上设有进水机构、曝气机构和与进水机构结构相同的出水机构，进水机构包括设置在反应器本体1左侧的储水箱3和与储水箱3连接的蠕动泵4，蠕动泵4与储水箱3之间连接有进水管5，蠕动泵4与反应器本体1的下侧连接有连接水管6。曝气机构包括气体压缩泵7和曝气盘8，气体压缩泵7与曝气盘8之间连接有穿设过反应器本体1的曝气软管9，曝气盘8上设有多个曝气孔，曝气盘8粘附在反应器本体1的底部且位于进水管5下方。出水机构位于反应器本体1的右侧，出水机构中的连接水管6上设有无纸记录仪10，以便对纤维膜2两侧的跨膜压差情况进行实时监测与记录，用于后续分析纤维膜2受污染情况。出水机构中的蠕动泵4与储水箱3 之间连接有出水管11，出水机构内的连接水管6与纤维膜2的内部连通。

反应器本体1内还设有位于纤维膜2上方的液位传感器12，液位传感器12分别与进水机构中的蠕动泵4、出水机构中的蠕动泵4电连接；反应器本体1内还设有位于纤维膜2左右两侧的阳极13和阴极14，阳极13上连接有穿过反应器本体1顶部的铜丝，铜丝上穿设有胶塞，胶塞插接在反应器本体1上，从而借助胶塞和铜丝将阳极13固定在反应器本体1内，阳极13由碳毡制成，阳极13使用前采用如下方式进行处理：先使用0.95-1.05mol/L的盐酸浸泡20-28h，再使用0.95-1.05mol/L氢氧化钠浸泡20-28h。阴极14由碳布制成，阴极14的右侧依次经过疏水化处理、炭黑化处理、防水化处理和催化层处理，其中疏水处理：使用 PTFE乳液与去离子水按比例配置，涂刷单面晾干。炭黑化处理：重新按比例配置的PTFE 溶液与适量的炭黑进行混匀，涂刷单面晾干。防水化处理：重新按比例配置的PTFE溶液涂刷单面，使用马弗炉进行煅烧烘干。催化层处理：使用铂碳、去离子水、膜溶液、异丙醇按一定比例配置混匀，涂刷单面至完全晾干。。上述的各种处理工艺均为常规的处理技术，本实施例未对其工艺步骤进行任何改进。阳极13和阴极14之间连接有位于反应器外的电阻箱 15，电阻箱15的电阻可调节范围是1-10000Ω，电阻箱15与阴极14、阴极14之间均连接有铜丝，阴极14外包覆有与反应器本体1一体成型的密封腔，密封腔的右侧设有凹槽，阴极14卡合连接在凹槽内，凹槽的右侧设有多个与外界连通的通孔，从而确保阴极14上经过处理的一侧与空气接触。

纤维膜2内贴附有椭圆形的支架，支架采用镂空设计，支架不影响纤维膜2外的液体进入纤维膜2内。支架的顶部和底部均连接有固定在反应器本体1内的固定板17，出水机构的连接水管6与上侧的固定板17连通。

反应器本体1上还连接有控制终端，控制终端可采用计算机，控制终端分别与两台蠕动泵4、气体压缩泵7、电阻箱15、无纸记录仪10电连接，控制终端采用现有的PLC自动控制系统。

本方案的工作过程：在本反应器工作前，进水机构的储水箱3内充入需要处理的污水，并利用蠕动泵4将进水机构的储水箱3内的污水抽入反应器本体1中，使得污水的液面高度没过纤维膜2，从而确保了利用出水机构的蠕动泵4向外抽吸时，纤维膜2内不会进入空气，防止纤维膜2出现损坏的情况；此时污水的液面位于液位传感器12上方。当反应器本体1内的液面低于液位传感器12时，液位传感器12可启动进水机构中的蠕动泵4、关闭出水机构中的蠕动泵4，将污水从进水机构的储水箱3内自动抽入反应器本体1中，实现了对污水的循环处理。

在出水机构的蠕动泵4抽取纤维膜2处理后的污水时，处理后的污水经连接水管6和出水管11进入储水箱3内，其间跨膜压差由无纸记录仪10进行实时监测与记录，当跨膜压差达到30KPa时，取出纤维膜2，先后对其进行物理清洗与化学清洗。

本方案将单室空气阴极14微生物燃料电池与厌氧膜生物反应器耦合，形成了一种双重除污装置，可去除污水中的污染物(即利用厌氧微生物高效降解有机污染物及纤维膜2截留悬浮污染物)，并利用产电微生物引入电场从而缓解纤维膜2被快速污染的速率。同时反应器本体1中产生的厌氧污泥所含有的微生物可降解绝大部分有机会，利用产生的外部电场刺激，使微生物群落间形成良性竞争，优化厌氧产电菌的繁殖环境，从而实现内部电场阻碍可溶性微生物产物和胞外聚合物在膜组件表面的附着，延长膜组件使用寿命及反应器运行周期。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。