CN112607864A - 电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***及其应用，该***包括阳极室、阴极室以及分隔膜，还包括设置在阴极室的膜曝气组件，同时作生物阴极电极，以及设置在阳极室的生物电极。与膜曝气组件连接的外部供气装置，同时具有循环管路，循环泵的输入端与反应器的顶端部分连接，输出端连接至用于连接进水泵和反应器的进水管路中。并且所述的生物阳极电极通过外接电路与生物阴极电极电连接，所述的***用于处理含氨氮废水。与现有技术相比，本发明***结构简单，采用无泡曝气，气体利用率高，操作过程耗能低，整个***运行稳定，兼具污染物处理和产电功能，并可回收微藻生物能源，在污水处理与资源化领域具有广阔应用前景。

Description

电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***及其应用

技术领域

本发明涉及环境保护、水处理技术与设备技术领域，尤其是涉及一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***及其应用。

背景技术

氨氮废水来源甚广，主要存在于许多工业废水中，且排放量大，如化肥、焦化、石化、制药、食品、垃圾填埋场等均产生大量高浓度氨氮废水。其中，电路板的回收废水中含有高浓度氨氮。水体中的氨氮会导致水体富营养化，加速海藻、水藻等水生植物的大量增殖，以至于水体生态平衡失调。同时，被氨氮污染的水体对鱼类有毒，对人体也有害。含氨氮的污水排入水体后，在硝化细菌的作用下氧化成亚硝酸盐和硝酸盐。完全氧化1mg氨氮需要4.57mg溶解氧，这对水体质量的改善和保证十分不利。因此，需要寻找一种高效的方法来去除含氨氮废水。

目前的处理技术主要包括物化处理法、传统生物处理法、新型生物处理法等。其中，物化处理法主要是吹脱法、折点氯化法、离子交换法、化学沉淀法等，吹脱法具有流程简单、处理效果稳定、基建费和运行费较低等优点，但其易生成水垢，在生产过程中不易去除，同时存在吹脱气体的二次污染情况。折点氯化法具有反应速度快、脱氮效率高等优点。但容易形成氯胺等副产物，导致水体二次污染，对人体造成伤害。而离子交换法一般只适用于低浓度氨氮废水，对于高浓度的氨氮废水，会因再生频繁而造成操作困难。磷酸铵镁沉淀法可以避免吹脱法造成的吹脱塔结垢、臭味等问题，处理效率不受温度限制，但其缺点是需要在处理过程中投加大量化学物质，容易造成二次污染，且沉淀效果受废水pH、镁盐和磷酸盐配比、反应时间等因素的影响。

传统生物脱氮法运行稳定、工艺可靠，是应用最为广泛的生物脱氮工艺，总氮去除率可达到70％～95％，代表工艺为A/O、A²/O工艺。但其占地面积大、基建成本高，硝化菌对环境条件敏感，需要增加HRT以保障脱氮效果。

新型生物处理法主要是同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等。其中，膜曝气生物膜反应器(MABR)能够在单个反应器容器中同时进行硝化和反硝化，与传统生物脱氮工艺相比，该工艺具有反应器容积小、操作简单、基建费用低、节省中和试剂、硝化反应效率高等优点。但在运行中存在溶解氧控制、释放温室气体(CH₄、CO₂、N₂O)的问题。

此外，将藻类对污水中氮磷营养物和有机物的摄取去除功效，与细菌强大的污染物降解能力有效地结合起来，形成藻类和细菌复杂的共生***，可促进污水的净化。细菌生物矿化溶解性有机氮(DON)，将其转化成氨和其他一些低分子量化合物，藻类，细菌和浮游生物就可以生物利用DON[34]。藻类可以通过光合作用，把污水中NH₄ ⁺、NO₃ ^-、NO₂ ^-、H₂PO₄ ^-等无机离子和尿素等有机物质所含有的N、P等元素缔合到碳骨架上，形成藻类细胞；同时有些藻类可以固定大气中的氮并加以利用。

光合作用中产生的O₂有利于促进BOD值的下降，同时由于微藻以CO₂为碳源进行光合作用，因此污水中pH值升高，导致氨氮挥发增加，以及磷酸钙沉淀，从而降低水体中N、P元素的含量。

菌藻生物膜技术是以固定化技术为基础上发展的技术，它利用微藻本身易于附着的特性，附着在载体表面，从而使一定条件下培养驯化所得的菌藻生物膜中微藻的密度大大提高，因此脱氮除磷效果稳定。

运用电化学耦合膜曝气生物膜反应器的相关技术已有报道。例如，申请公布号为CN 111170567 A的中国专利公开了一种一体式电化学耦合膜曝气生物膜反应器及其应用，主要由进水管、进水泵、反应器壳体、管式铱钽钛阳极、钛丝网阴极、无泡曝气中空纤维膜、出水管和曝气***等构成。此反应器采用钛丝网作为阴极，管式铱钽钛电极作为阳极，通过稳压直流电源施加电场构成反应器的电解区，采用无泡曝气中空纤维膜置于管式铱钽钛阳极内部作为微生物生长聚集的载体，通过曝气***供给空气形成生物膜构成反应器的生物区，在连续流模式下操作运行时，可通过产生强氧化性物质和生物协同，实现难降解有机物的高效氧化降解和高效矿化去除，大大提高反应器对抗生素等难降解有机污染物的去除效率。但此装置主要用于去除含抗生素废水如含磺胺嘧啶等，处理废水的范围不广。同时，此装置需要外加电源，一定程度上增加了污染物的去除成本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单的，能同时实现硝化反硝化除氮和生物产电的电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，包括设有阳极室和阴极室的反应器，由分隔膜隔开；

所述阳极室内设有阳极膜曝气组件，所述阴极室内设有阴极膜曝气组件；

所述阳极膜曝气组件与阴极膜曝气组件之间通过外接电路电连接；

所述阴极膜曝气组件连接外部供氧、供二氧化碳单元；

所述反应器通过外接管路通入含有高氨氮的废水。

对反应器内阳极膜曝气组件与阴极膜曝气组件进行污泥接种后，含有高氨氮的废水预进入反应器，通过调节反应器中膜内氧分压及二氧化碳浓度，在曝气膜表面形成生物膜后，氧气污染底物在生物膜中以相反的方向扩散传递，同步进行硝化和反硝化脱氮。

进一步地，所述阴极室的下部设有阴极进水口，上部设有阴极出水口，侧部设有出水阀，所述阴极膜曝气组件上部设有出气口。

进一步地，所述阴极出水口通过外接管路与阴极进水口相连通，并且所述外接管路上设有混合液循环泵，所述外接管路通过进水泵及阀门连接进水池。

混合液循环泵的输入端与反应器的顶端部分连接，输出端连接至用于连接进水泵和反应器的进水管路中，进水泵通过进水管路连接至反应器的底端部分，待整个反应器充满水之后，开启混合液循环泵，然后即可连续运行，循环泵能够强化液相混合和基质传递。

进一步地，所述阳极膜曝气组件包括阳极电极以及负载在所述阳极电极上的厌氧型微生物；

所述阴极膜曝气组件包括阴极电极以及负载在阴极电极上的缺氧型微生物。

进一步地，所述厌氧微生物为污水处理厂厌氧池污泥驯化得到，所述缺氧微生物为污水处理厂缺氧池污泥驯化得到。

所述的厌氧微生物包括地杆菌、希瓦氏菌或红螺菌中的一种，可降解有机物，产生电子。

所述的缺氧微生物包括反硝化杆菌、斯氏杆菌或萤气极毛杆菌中的一种，可将硝酸盐、亚硝酸盐转化为氮气除去。

进一步地，所述阳极电极与阴极电极的电极材料为具有导电性能的曝气膜。膜曝气生物膜可以在保持气体分压低于泡点的情况下，向阴极反应腔室内曝气供氧，进而实现无泡曝气，具有传氧效率高、无泡沫形成、能耗低等优点。

所述曝气膜为具有导电性能的透气膜，所述曝气膜内气体流动采用下部供气，上部排气模式，实现对膜腔内空气和二氧化碳分压和气量的调节；

进一步地，所述透气膜表面进行化学修饰，植有微米级别的绒毛纤维结构，这样既增大了膜电极的比表面积，又使得膜表面具有良好的微生物亲和性，同时作为菌藻共生***的附着生长载体；表面生长的菌藻生物膜，可以实现分层结构，好氧菌在最底层，异养菌在中间，最外层是微藻层，这样的分层结构，可实现不同代谢功能的微生物的共生协同代谢，对污染物的去除效率较高。

膜曝气生物膜上附着生长好氧硝化菌形成生物膜，在膜曝气生物膜表面可实现氨氮的硝化反应，生成硝酸盐和亚硝酸盐。

进一步地，所述外部供氧、供二氧化碳单元包括压缩空气瓶、压缩二氧化碳气瓶和流量计，通过管路连接至所述阴极膜曝气组件。

所述的压缩空气气瓶、二氧化碳气瓶分别装有气压表、阀门以及流量计，可通过阀门进行流量调节，以确保氧气、二氧化碳分压合适，促进藻类生长。

进一步地，所述分隔膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜或质子交换膜中的一种。

进一步地，所述外接电路为设有可调电阻的外接电路，并且所述可调电阻的两端连接有电压数据采集器。

该***用于处理含氨氮的有机废水，兼具污染物处理和产电功能，并可回收微藻生物能源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、在一个***内同步实现了硝化反硝化过程，实现亚硝化过程的专属降解微生物，例如氨氧化菌等，往往是优先位于生物膜-曝气膜界面的位置，主要集中生长在曝气膜表面并以生物膜的形式稳定存在于反应器内，可以有更长的停留时间，有利于高效去除含氮废水。

2、克服了传统生物脱氮技术为达到理想的处理效果而需要外加大量有机碳源和碱度的缺陷，阴极室能利用硝酸盐和亚硝酸盐作为生物阴极的电子受体，进行还原反应，有效地对氮进行去除。同时，还原过程可以利用阳极生物产生的电子，在碳氮比较低的情况下仍可发生反硝化反应。

3、采用无泡膜曝气方式进行供氧和供二氧化碳，氧气直接透过曝气膜供给微生物，氧传质效率、利用效率高，且膜曝气所需能耗很低，大大降低了供氧所需的能耗，进而可大幅度降低污水处理的运行成本。曝气膜内气体流动采用单侧供气-单侧排气的模式，便于膜内气压和流量的调控。

4、采用菌藻共生***对含氨氮污水进行去除，将藻类对污水中氮磷营养物和有机物的摄取去除功效，与细菌强大的污染物降解能力有效地结合起来。微藻可以通过释放细胞外化合物来增强细菌活性，同样，细菌的生长可以通过释放生长促进因子或降低培养基中的O₂浓度来增强微藻代谢，从而促进污水的净化。

5、该***采用了具有导电性能的透气膜，从而将曝气生物膜组件与阴极电极、阳极电极相结合，使膜曝气生物膜与电化学有机地结合在一起，整体设计更加简便，有效降低池体体积、减少装置的构建费用、减小占地面积、方便管理；同时，利用回路中产生的电流强化生物反硝化过程和有机污染物去除的能力，脱氮效率高且稳定，产电效能好；此外，在产电过程中利用弱电场的存在以及电流对微生物的刺激作用，延缓膜污染的发生。

6、本***设置有混合液循环***，通过将进出水循环再利用的方式，保证了混合液中基质与生物膜的充分接触，使整个***接近完全混合状态，以提高***抗冲击负荷能力。

7、采用压缩空气和二氧化碳同时供气的方式，通过对二氧化碳的调控，不仅可以为微藻提供无机碳源，而且还可以调节***的pH值，加强藻类光合作用，从而促进藻类产生溶解性有机质，进而加强菌类降解有机物的性能，达到更好的去除污染物的效果。

附图说明

图1为本发明***的结构示意图；

图2为菌藻膜曝气生物膜的分层结构示意图；

其中：1、进水池，2、进水泵，3、阀门，4、循环泵，5-1、阳极膜曝气组件，5-2、阴极膜曝气组件，6、阳极室，7、分隔膜，8、阴极室，9、气体总阀门，10、压缩空气瓶，11、压缩二氧化碳气瓶，12、流量计，13、气体调节阀，14、气压计，15、出水阀，16、可调电阻，17、阴极进水口，18、阴极出水口，19、出气口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，该***包括反应器(其中包括阳极室6和阴极室8)，以及设置在阳极室与阴极室之间的分隔膜7，还包括设置在阴极室的膜曝气组件兼阴极膜曝气组件5-2及阳极室内的阳极膜曝气组件5-1，阳极膜曝气组件5-1由若干组生物阳极电极组成，阴极膜曝气组件5-2由若干组生物阴极电极组成，并且生物阳极电极通过外接电路与生物阴极电极相连接，阴极膜曝气组件5-2上部具有出气口19、出水阀15，与阴极膜曝气组件5-2连接的外部供气单元包括依次与阴极膜曝气组件5-2连接的气体总阀门9、流量计12、气体调节阀13、气压计14以及压缩空气瓶10、压缩二氧化碳气瓶11。

其中，阴极室8的下部设有阴极进水口17，上部设有阴极出水口18，阴极出水口18通过外接管路与阴极进水口17相连，且外界管路上设有循环泵，以加强液相混合和基质传递。

分隔膜7为质子交换膜，外接电路为设有可调电阻16的外接电路。

本实施例中，生物阳极电极包括阳极电极以及负载在阳极电极上的厌氧微生物，该厌氧微生物为污水处理厂厌氧池污泥驯化得到；阴极膜曝气组件5-2包括阴极电极以及负载在阴极电极上的缺氧微生物，该缺氧微生物为污水处理厂缺氧池污泥驯化得到；其中，阳极电极与阴极电极的电极材料为具有导电性能的曝气膜，曝气膜为具有导电性能的透气膜，曝气膜内气体流动采用下部供气，上部排气模式，实现对膜腔内空气和二氧化碳分压和气量的调节。

本实施例中，所用微藻为普通小球藻(Chlorella vulgaris)，厌氧微生物采用地杆菌，缺氧微生物采用反硝化杆菌。

菌藻MABR尺寸为30×10×30cm(长×宽×高)，包括循环段，反应器的有效容积为8.3L，设置质子交换膜将反应腔体分隔为容积完全相同的阴阳两极室。反应器由九组膜曝气组件组成，每组膜组件由6根导电透气膜(内径2mm，膜厚0.5mm)组成，长20cm，膜的总表面积为0.1m²。

本实施例中，外接电路为闭合外电路，可调电阻16的阻值大小设置为1000Ω。

含氨氮废水通过阴极进水口17进入反应器，反应器内的阳极膜曝气组件5-1上附着大量厌氧产电微生物，废水流经阳极室6时，厌氧产电微生物会消耗降解有机质产生质子和电子，同时生成氨氮，质子通过分隔膜7进入阴极室8，电子由阳极导线流出，经外接电路流向阴极导线，并进入阴极膜曝气组件，流经阴极膜曝气组件5-2进行硝化反硝化反应产生氮气，同时，一部分生成的亚硝酸盐和硝酸盐被阴极膜曝气组件5-2利用，作为电子受体与经外接电路流入的电子结合发生还原反应。阴极室8内溶液可分别通过循环泵进行连续再循环，以此强化阴极液相混合和基质传递。

如图2所示，在实际应用中，采用本实例***来处置高氨氮废水，进水氨氮负荷为8.14±0.10gN/(m²·d)时，菌藻MABR氨氮去除负荷为4.84±0.15gN/(m²·d)。当进水氨氮负荷提高至12.54±0.22gN/(m²·d)时，由于溶解氧和生物膜内生物量的双重限制，氨氮去除负荷并未增加，稳定运行时氨氮去除负荷为4.74±0.25gN/(m²·d)。电极的比表面积分别达到230.88m²·g^-1，面积电容分别达到3033.50mC·cm^-1，传荷内阻均减小，电极传递效率增加。

由此可见，本实施例中电化学强化的膜曝气生物反应器***能在达到较高的氨氮去除率的同时实现良好的产电效果。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，其特征在于，包括设有阳极室(6)和阴极室(8)的反应器，由分隔膜(7)隔开；

所述阳极室(6)内设有阳极膜曝气组件(5-1)，所述阴极室内设有阴极膜曝气组件(5-2)；

所述阳极膜曝气组件(5-1)与阴极膜曝气组件(5-2)之间通过外接电路电连接；

所述阴极膜曝气组件(5-2)连接外部供氧、供二氧化碳单元；

所述反应器通过外接管路通入含有高氨氮的废水。

2.根据权利要求1所述的一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，其特征在于，所述阴极室(8)的下部设有阴极进水口(17)，上部设有阴极出水口(18)，侧部设有出水阀(15)，所述阴极膜曝气组件(5-2)上部设有出气口(19)。

3.根据权利要求2所述的一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，其特征在于，所述阴极出水口(18)通过外接管路与阴极进水口(17)相连通，并且所述外接管路上设有混合液循环泵(4)，所述外接管路通过进水泵(2)及阀门(3)连接进水池(1)。

4.根据权利要求1所述的一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，其特征在于，所述阳极膜曝气组件(5-1)包括阳极电极以及负载在所述阳极电极上的厌氧型微生物；

所述阴极膜曝气组件(5-2)包括阴极电极以及负载在阴极电极上的缺氧型微生物。

5.根据权利要求4所述的一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，其特征在于，所述厌氧微生物为污水处理厂厌氧池污泥驯化得到，所述缺氧微生物为污水处理厂缺氧池污泥驯化得到。

6.根据权利要求4所述的一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，其特征在于，所述阴极膜曝气组件(5-2)为曝气膜；

所述曝气膜为具有导电性能的透气膜，所述曝气膜内气体流动采用下部供气，上部排气模式，实现对膜腔内空气和二氧化碳分压和气量的调节；

所述透气膜表面进行化学修饰，植有微米级别的绒毛纤维结构。

7.根据权利要求1所述的一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，其特征在于，所述外部供氧、供二氧化碳单元包括压缩空气瓶(10)、压缩二氧化碳气瓶(11)和流量计(12)，通过管路连接至所述阴极膜曝气组件(5-2)。

8.根据权利要求1所述的一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，其特征在于，所述分隔膜(7)为阳离子交换膜、阴离子交换膜或质子交换膜中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，其特征在于，所述外接电路为设有可调电阻(16)的外接电路，并且所述可调电阻(16)的两端连接有电压数据采集器。

10.如权利要求1所述的一种电化学性能强化的菌藻膜曝气生物膜反应器***，其特征在于，该***用于处理含氨氮的有机废水，兼具污染物处理和产电功能，并可回收微藻生物能源。

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