CN113354083B - 一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的装置及方法，所述的装置包括厌氧生物反应器、膜组件反应器及供电装置，所述的厌氧生物反应器连接膜组件反应器，所述的供电装置电性连接膜组件反应器，所述的膜组件反应器包括壳体，所述的壳体包括阳极板、阴极板、膜组件及pH探头，所述的阳极板与阴极板分布在膜组件两侧，所述的阳极板为镁板。在本发明中，电场存在条件下，电极反应能提高溶液pH，有效抑制酸化作用发生，还能对微生物造成刺激，加快污染物降解速度，并且能增加污泥的表面电荷，一定程度缓解膜污染；另一方面以镁板作为阳极板，可以解决厌氧膜生物反应器氮磷去除率低的问题，并且将其转变成可利用的资源鸟粪石进行回收。

Description

一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的装置及方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，涉及厌氧膜生物污水处理，尤其涉及一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的装置及方法。

背景技术

自上个世纪以来，随着世界人口急剧增长以及工业化水平的快速发展，人们的生活水平不断提高，使得工业废水和生活污水的处理量和处理难度不断提升，水污染严重和水资源短缺已经成为我国乃至全球面临的最严重的问题之一。此外，从废水中回收资源和能源，构建碳中和型水处理新模式的技术需求日益增加，污水处理过程中同步回收资源和能源已经成为可持续发展的重要内容。由于水污染量大、污染物成分多样以及新型污染物的不断涌现，发展污水处理新技术迫在眉睫。

厌氧膜生物反应器(Anaerobic membrane bioreactor,AnMBR)作为一种将膜分离技术与厌氧生物技术耦合的新技术，具有污泥产量低、基建投资低、能量消耗低、碳足迹少等优点，近年来在污水处理领域引起了学者的广泛关注。但是，由于严重的膜污染以及对氨氮总磷等污染物处理效果差等问题制约了其进一步发展。

CN109022491A公开了一种禽畜粪污氢烷发酵耦合资源化工艺，通过全混合厌氧反应器加厌氧膜生物反应器两相氢烷发酵***，一级厌氧对水解菌及酸化菌筛选驯化，同时产生氢气及有机酸和二氧化碳。二级发酵内乙酸营养型及氢营养型产甲烷菌得以充足底物进行高效代谢。再采用厌氧消化液三电极电解流控回收磷酸铵镁和鸟粪石。该发明相比较于传统的厌氧沼气生产，该***产生的氢烷气体热值高，进一步提升了禽畜粪便资源能源回用率。同耦合工艺针对消化液中富磷富氮进行三电极电解，牺牲阳极离子化镁棒，产生高效农肥(鸟粪石)的同时对消化液进一步降解。

CN111484137A公开了一种采用AnMBR膜的高浓度废水处理***及工艺，包括待处理污水依次流经的鸟粪石沉淀池、水解酸化池、厌氧池、AnMBR池、高负荷脱氮池、低负荷脱氮池和反硝化脱氮池，特征在于：还包括Mg²⁺投加装置、碱度投加装置、第二水泵、第三水泵和控制装置，Mg²⁺投加装置向鸟粪石沉淀池中加入镁源，AnMBR池中设置有第一AnMBR膜和气泵，反硝化脱氮池中设置有第二AnMBR膜。该发明的高浓度废水处理***的处理工艺，使用短程硝化厌氧氨氧化的***节省了曝气量、能源和碳源，实现了磷源以及碳源的回收，AnMBR池4中产生的生物气用来AnMBR膜反冲以及反硝化脱氮池7中的碳源，实现能量多级循环利用。

CN110526346B公开了一种电化学厌氧膜生物污水处理装置及其处理方法，该装置包括反应池，反应池内设置有牺牲阳极电极、非牺牲阳极电极和膜组件阴极，电化学厌氧膜生物污水处理装置还包括供电装置，供电装置的正极分别独立地电连接牺牲阳极电极和非牺牲阳极电极，供电装置的负极电连接膜组件阴极。该发明将电化学与厌氧膜生物反应器结合，通过电絮凝预除污染物、增大污泥尺寸以及中和污泥表面电荷；通过电场静电排斥污染物，发生析氢反应改善滤饼层形貌，实现膜表面原位电清洗；电场刺激微生物的活性，提高其代谢速率，促进甲烷产率。电絮凝产生的金属离子缓解微生物代谢产酸导致的pH下降。

常见的厌氧膜生物反应器膜污染控制策略包括膜改性和膜清洁，然而上述方法是相对不经济的，因此通过优化反应器结构和膜特性来减轻AnMBR的膜污染，将成为AnMBR的主要研究方向。有研究表明，当有电场存在条件下，可以对微生物造成刺激，提高微生物活性，加快污染物的降解速度，并且能够增加污泥的表面电荷，降低膜表面形成的污泥饼层的致密性和稳定性，从而从一定程度上缓解膜污染。此外，在脱氮除磷技术中，鸟粪石沉淀法被认为是一种很有前途的技术，鸟粪石是一种白色晶体，在中性或碱性的条件下微溶，使其具备缓慢释放其中氮磷营养元素的特性，故可以作为一种缓释型肥料，但由于废水中镁含量较低，需要外源投加镁源才能实现鸟粪石的结晶。为此，需要搭建一种外置式的厌氧电控膜生物反应器，将镁阳极与厌氧膜生物反应器相结合，以达到高效处理高浓度有机废水中的有机物，同时回收废水中氮磷资源的目的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的装置及方法。在本发明中，一方面有电场存在条件下，电极反应可以提高溶液的pH，使溶液的pH稳定在7.3左右，有效抑制酸化作用的发生，为产甲烷过程提供良好的环境，还可以对微生物造成刺激，加快污染物的降解速度，并且能够增加污泥的表面电荷，一定程度上缓解膜污染；另一方面以镁板作为阳极板，经济性高，并且可以源源不断的提供镁离子，可以解决厌氧膜生物反应器氮磷去除率低的问题，并且将其转变成可利用的资源鸟粪石进行回收。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的装置，所述的装置包括厌氧生物反应器、膜组件反应器及供电装置，所述的厌氧生物反应器连接膜组件反应器，所述的供电装置电性连接膜组件反应器，所述的膜组件反应器包括壳体，所述的壳体内设置有阳极板、阴极板和膜组件，所述的阳极板与阴极板分布在膜组件两侧，所述的阳极板为镁板。

在本发明中，一方面有电场存在条件下，电极反应可以提高溶液的pH，使溶液的pH稳定在7.3左右，有效抑制酸化作用的发生，为产甲烷过程提供良好的环境，还可以对微生物造成刺激，加快污染物的降解速度，并且能够增加污泥的表面电荷，一定程度上缓解膜污染；另一方面以镁板作为阳极板，经济性高，并且可以源源不断的提供镁离子，可以解决厌氧膜生物反应器氮磷去除率低的问题，并且将其转变成可利用的资源鸟粪石进行回收。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的壳体内还设置有pH探头。

需要说明的是，本发明对pH探头的尺寸、形状或材质等结构特征不作具体要求和特殊限定，pH探头在本发明中的作用是测定液体的pH值，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的pH探头均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对pH探头的尺寸、形状或材质进行适应性调整。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的厌氧生物反应器底部设置有进液口。

优选地，所述的厌氧生物反应器顶部设置有出液口。

优选地，所述的出液口外接出液管路。

优选地，所述的出液管路连接膜组件反应器。

优选地，所述的厌氧生物反应器为全混合厌氧生物反应器。

需要说明的是，本发明对出液管路的尺寸、形状或材质等结构特征不作具体要求和特殊限定，出液管路在本发明中的作用是使得厌氧生物反应器的液体流入膜组件反应器中进行反应，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的出液管路均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对出液管路的尺寸、形状或材质进行适应性调整。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的厌氧生物反应器底部设置有回流口，所述的回流口通过回流管路连接膜组件反应器，膜组件反应器内的液体经回流管路返回厌氧生物反应器。

优选地，所述的回流管路上设置有蠕动泵。

需要说明的是，本发明对回流管路的尺寸、形状或材质等结构特征不作具体要求和特殊限定，回流管路在本发明中的作用是使得混合液在膜组件反应器中固液分离后的浓缩液循环至厌氧生物反应器，过滤后出水，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的回流管路均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对回流管路的尺寸、形状或材质进行适应性调整。

需要说明的是，本发明对蠕动泵的尺寸、形状或材质等结构特征不作具体要求和特殊限定，蠕动泵在本发明中的作用是流通液体，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的蠕动泵均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对蠕动泵的尺寸、形状或材质进行适应性调整。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的厌氧生物反应器内设置有机械搅拌装置，所述的膜组件反应器内设置有磁力搅拌装置。

优选地，所述的机械搅拌装置的转速为100～200rpm，例如可以是100rpm、110rpm、120rpm、130rpm、140rpm、150rpm、160rpm、170rpm、180rpm、190rpm、200rpm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述的磁力搅拌装置的转速为100～200rpm，例如可以是100rpm、110rpm、120rpm、130rpm、140rpm、150rpm、160rpm、170rpm、180rpm、190rpm、200rpm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

需要说明的是，本发明对机械搅拌装置和磁力搅拌装置的尺寸、形状或材质等结构特征不作具体要求和特殊限定，机械搅拌装置和磁力搅拌装置在本发明中的作用是搅拌液体混合均匀，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的机械搅拌装置和磁力搅拌装置均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对机械搅拌装置和磁力搅拌装置的尺寸、形状或材质进行适应性调整。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的阴极板为惰性电极。

优选地，所述的惰性电极为石墨。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的膜组件为中空纤维滤膜。

优选地，所述的中空纤维滤膜采用的膜材料为PVDF。

优选地，所述的中空纤维滤膜的出口端连接排水管路。

优选地，所述的排水管路上设置有蠕动泵。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的供电装置为直流电源。

第二方面，一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的方法，采用如第一方面所述的厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的装置对污水进行处理，所述的方法包括：

待处理污水通入全混合厌氧生物反应器，启动供电装置，膜组件反应器的阳极板和阴极板开始工作，发生电沉积反应，生成鸟粪石。

作为本发明一种优选的技术方案，所述的方法具体包括如下步骤：

(Ⅰ)待处理污水通入全混合厌氧生物反应器，启动供电装置，调节电压；

优选地，步骤(Ⅰ)中的电压为0.6V；

(Ⅱ)膜组件反应器的阳极板生成镁离子，阴极板发生析氢反应，镁离子与污水中的铵根离子、磷酸根离子参与反应进行沉淀，从而生成鸟粪石。

示例性地，本发明提供了一种操作性较强的具体实施过程，包括如下步骤：

在本发明中，将待处理污水通入全混合厌氧生物反应器，由直流电源提供0.6V的电压，阳极板生成Mg²⁺，阴极板发生析氢反应，当阳极板产生的Mg²⁺与进料液中的NH₄ ⁺、HnPO₄ ^n-3的离子浓度积大于鸟粪石的溶度积常数(Ksp：7.58×10^-14～4.36×10^-13)时便会自发沉淀，生成鸟粪石，提高氮磷的去除率。且有研究表明，鸟粪石沉淀的有利pH是7.5～9.3，最佳pH在8.5左右，由于阴极板发生的电极反应使阴极板附近pH升高，形成有利于鸟粪石沉积的环境，并且阳极板产生的Mg²⁺也会迁移至阴极板附近，故阴极板表面会析出大量鸟粪石，有利于通过更换电极板的方式对鸟粪石进行回收。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

在本发明中，一方面有电场存在条件下，电极反应可以提高溶液的pH，使溶液的pH稳定在7.3左右，有效抑制酸化作用的发生，为产甲烷过程提供良好的环境，还可以对微生物造成刺激，加快污染物的降解速度，并且能够增加污泥的表面电荷，一定程度上缓解膜污染；另一方面以镁板作为阳极板，经济性高，并且可以源源不断的提供镁离子，可以解决厌氧膜生物反应器氮磷去除率低的问题，并且将其转变成可利用的资源鸟粪石进行回收。

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式提供的厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的装置的结构示意图；

其中，1-厌氧生物反应器；2-膜组件反应器；3-供电装置；4-镁板；5-阴极板；6-中空纤维滤膜；7-进液口；8-回流管路；9-出液管路；10-排水管路；11-机械搅拌装置。

具体实施方式

需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在一个具体实施方式中，本发明提供了一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的装置，所述的装置如图1所示，包括厌氧生物反应器1、膜组件反应器2及供电装置3，厌氧生物反应器1连接膜组件反应器2，供电装置3电性连接膜组件反应器2，膜组件反应器2包括壳体，进一步地，壳体包括阳极板、阴极板5、膜组件及pH探头，阳极板与阴极板5分布在膜组件的两侧，具体地，阳极板为镁板4。

厌氧生物反应器1为全混合厌氧生物反应器，厌氧生物反应器1底部设置有进液口7，顶部设置有出液口，进一步地，出液口外接出液管路9，出液管路9连接膜组件反应器2。本发明对出液管路9的尺寸、形状或材质等结构特征不作具体要求和特殊限定，出液管路9在本发明中的作用是使得厌氧生物反应器1的液体流入膜组件反应器2中进行反应，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的出液管路9均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对出液管路9的尺寸、形状或材质进行适应性调整。

厌氧生物反应器1底部设置有回流口，回流口外接回流管路8，本发明对回流管路8的尺寸、形状或材质等结构特征不作具体要求和特殊限定，回流管路8在本发明中的作用是使得膜组件反应器2中固液分离后的浓缩液流入厌氧生物反应器1再次进行反应，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的回流管路8均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对回流管路8的尺寸、形状或材质进行适应性调整。

回流管路8的出口端连接膜组件反应器2，回水管路上设置有蠕动泵。本发明对蠕动泵的尺寸、形状或材质等结构特征不作具体要求和特殊限定，蠕动泵在本发明中的作用是流通液体，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的蠕动泵均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对蠕动泵的尺寸、形状或材质进行适应性调整。

厌氧生物反应器1内设置有机械搅拌装置11，机械搅拌装置11的转速为100～200rpm，膜组件反应器2内设置有磁力搅拌装置，磁力搅拌装置的转速为100～200rpm。本发明对机械搅拌装置11和磁力搅拌装置的尺寸、形状或材质等结构特征不作具体要求和特殊限定，机械搅拌装置11和磁力搅拌装置在本发明中的作用是搅拌液体混合均匀，因此可以理解的是，其他能实现此类功能的机械搅拌装置11和磁力搅拌装置均可用于本发明中，本领域技术人员可以根据使用场景和测试条件对机械搅拌装置11和磁力搅拌装置的尺寸、形状或材质进行适应性调整。

阴极板5为惰性电极，具体地，惰性电极为石墨，膜组件为中空纤维滤膜6，进一步地，中空纤维滤膜6采用的膜材料为PVDF，中空纤维滤膜6的出口端连接排水管路10，排水管路10上设置有蠕动泵，供电装置3为直流电源。

在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的方法，方法包括：

具体包括如下步骤：

(Ⅰ)待处理污水通入全混合厌氧生物反应器，启动供电装置3，调节电压至0.6V；

(Ⅱ)膜组件反应器2的阳极板生成镁离子，阴极板5发生析氢反应，镁离子与污水中的铵根离子、磷酸根离子参与反应进行沉淀，从而生成鸟粪石。

具体地，本具体实施方式提供了如下示例：

待处理污水通入全混合厌氧生物反应器，由直流电源提供0.6V的电压，阳极板生成Mg²⁺，阴极板5发生析氢反应，当阳极板产生的Mg²⁺与进料液中的NH₄ ⁺、HnPO₄ ^n-3的离子浓度积大于鸟粪石的溶度积常数(Ksp：7.58×10^-14～4.36×10^-13)时便会自发沉淀，生成鸟粪石，提高氮磷的去除率。且有研究表明，鸟粪石沉淀的有利pH是7.5～9.3，最佳pH在8.5左右，由于阴极板5发生的电极反应使阴极板5附近pH升高，形成有利于鸟粪石沉积的环境，并且阳极板产生的Mg²⁺也会迁移至阴极板5附近，故阴极板5表面会析出大量鸟粪石，有利于通过更换电极板的方式对鸟粪石进行回收。

应用例1

本应用例提供了一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的方法，包括以下步骤：

待处理污水参数如下：

COD为2500～3000mg/L；

氨氮为100mg/L；

磷酸盐为80mg/L。

(Ⅰ)待处理污水通入全混合厌氧生物反应器，机械搅拌装置11的转速为100rpm，磁力搅拌装置的转速为100rpm，启动供电装置3，由直流电源提供0.6V的电压；

(Ⅱ)镁板4在供电装置3提供的直流电源作用下发生电性沉积反应，阳极板生成Mg²⁺，阴极板5发生析氢反应，当阳极板产生的Mg²⁺与进料液中的NH₄ ⁺、HnPO₄ ^n-3的离子浓度积大于鸟粪石的溶度积常数(Ksp：7.58×10^-14～4.36×10^-13)时便会自发沉淀，生成鸟粪石，提高氮磷的去除率。且有研究表明，鸟粪石沉淀的有利pH是7.5～9.3，最佳pH在8.5左右，由于阴极板5发生的电极反应使阴极板5附近pH升高，形成有利于鸟粪石沉积的环境，并且阳极板产生的Mg²⁺也会迁移至阴极板5附近，故阴极板5表面会析出大量鸟粪石，有利于通过更换电极板的方式对鸟粪石进行回收。

经过厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的装置处理的污水，出水情况评价如下：

COD去除率为98％；

氨氮去除率为40％；

磷酸盐去除率为60％。

在本发明中，一方面有电场存在条件下，电极反应可以提高溶液的pH，使溶液的pH稳定在7.3左右，有效抑制酸化作用的发生，还能够强化微生物活性，促进微生物的生长代谢，缩短驯化期，同时增加污水中污泥的表面电荷，改善污泥的理化性质，破坏膜表面形成的污泥饼层的致密性和稳定性，在一定程度缓解膜污染。在阴极板5电解产生的气体也能够对膜组件反应器2表面产生清洗的作用。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (14)

1.一种厌氧膜生物污水处理同步回收鸟粪石的方法，其特征在于，所述的方法包括：

待处理污水通入全混合厌氧生物反应器，启动供电装置，膜组件反应器的阳极板和阴极板开始工作，发生电沉积反应，生成鸟粪石；

所述的方法具体包括如下步骤：

（Ⅰ）待处理污水通入全混合厌氧生物反应器，启动供电装置，调节电压；

步骤（Ⅰ）中的电压为0.6V；

（Ⅱ）膜组件反应器的阳极板生成镁离子，阴极板发生析氢反应，镁离子与污水中的铵根离子、磷酸根离子参与反应进行沉淀，从而生成鸟粪石；

所述的方法采用的装置包括厌氧生物反应器、膜组件反应器及供电装置，所述的厌氧生物反应器连接膜组件反应器，所述的供电装置电性连接膜组件反应器；

所述的膜组件反应器包括壳体，所述的壳体内设置有阳极板、阴极板和膜组件，所述的阳极板与阴极板分布在膜组件两侧，所述的阳极板为镁板，所述的阴极板为石墨；

所述的厌氧生物反应器底部设置有回流口，所述的回流口通过回流管路连接膜组件反应器，膜组件反应器内的液体经回流管路返回厌氧生物反应器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的壳体内还设置有pH探头。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的厌氧生物反应器底部设置有进液口。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的厌氧生物反应器顶部设置有出液口。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的出液口外接出液管路。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的出液管路连接膜组件反应器。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的回流管路上设置有蠕动泵。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的厌氧生物反应器内设置有机械搅拌装置，所述的膜组件反应器内设置有磁力搅拌装置。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的机械搅拌装置与磁力搅拌装置的转速均为100~200rpm。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的膜组件为中空纤维滤膜。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的中空纤维滤膜采用的膜材料为PVDF。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的中空纤维滤膜的出口端连接排水管路。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的排水管路上设置有蠕动泵。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的供电装置为直流电源。

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