一种有效控制膜污染的厌氧导电陶瓷膜生物反应装置及方法

摘要

本发明涉及一种有效控制膜污染的厌氧导电陶瓷膜生物反应装置及方法。本装置主要由反应器主体、导电陶瓷膜组件、低压直流电源、电线、抽吸泵、压力传感器、温控装置和气体流量计等组成，厌氧生物膜反应器为一体式浸没式厌氧反应器，以导电陶瓷为膜组件材料，低压直流电源设置在反应器之外，通过电线与导电陶瓷膜相连，并将导电陶瓷膜依次分别设置为阴极或阳极，压力传感器用于测定抽吸泵在工作过程中施加在导电陶瓷膜上的过滤压力和反冲洗压力，以控制导电陶瓷膜的清洗方式及清洗频率。本发明中所利用的外加低压直流电源，可以控制导电陶瓷膜阴极和阳极的氧化还原电位，提供适合微生物各自生长条件的环境，并最终提高厌氧消化的效率。

权利要求

1.一种有效控制膜污染的厌氧导电陶瓷膜生物反应装置，由反应器主体、导电陶瓷膜组件、低压直流电源、导线、抽吸泵、压力传感器、温控装置和气体流量计组成，厌氧导电陶瓷膜生物反应装置为一体式浸没式厌氧反应器，其中：反应器主体内等间距设置若干个导电陶瓷膜组件，反应器主体内等间距设置偶数个导电陶瓷膜组件，导电陶瓷膜组件两两一组，其中一个作为阴极的导电陶瓷膜组件，另一个作为阳极的导电陶瓷膜组件，反应器主体外设置有低压直流电源，所述低压直流电源的正极分别连接作为阴极的导电陶瓷膜组件，所述低压直流电源的负极分别连接作为阳极的导电陶瓷膜组件；所述低压直流电源还可以控制作为阴极的导电陶瓷膜组件和作为阳极的导电陶瓷膜组件之间的氧化还原电位；导电陶瓷膜组件连接压力传感器，反应器主体一侧底部设置进水口，另一侧顶部设置出水口，反应器四周设置水浴夹层，水浴夹层的底部设置水浴层进水口，顶部设置水浴层出水口；所述进水口上设有抽吸泵；所述压力传感器用于测定抽吸泵在工作过程中施加在导电陶瓷膜组件上的过滤压力和反冲洗压力，以控制导电陶瓷膜组件的清洗方式及频率；反应器主体连接气体流量计。

2.一种如权利要求1所述的有效控制膜污染的厌氧导电陶瓷膜生物反应装置的使用方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）启动厌氧导电陶瓷膜生物反应装置并稳定运行：打开低压直流电源，调节外加电压，当装置温度为35℃时，使连接阴极的导电陶瓷膜组件的电压为-400 mV；当装置温度为

55℃时，使连接阴极的导电陶瓷膜组件的电压为-560 -600mV；打开抽吸泵，采用间歇抽吸~

运行；开始发酵产气并检测产气量；

（2）通过脉冲方式控制阴极和阳极的电压，并反向运行抽吸泵，根据污染情况调整反冲洗压力，实现厌氧导电陶瓷膜生物反应装置中导电陶瓷膜组件的定期清洁维护；

（3）变换外加直流电源的正负极，使导电陶瓷膜组件的阴极和阳极的电压变换，并反向运行抽吸泵，调节反冲洗压力，直至生物膜彻底脱落。

说明书

一种有效控制膜污染的厌氧导电陶瓷膜生物反应装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于污水处理及水资源再利用领域，适用于高有机质污水(如热水解上清液等)的能源回收及污染去除，特别涉及一种有效控制膜污染的厌氧导电陶瓷膜生物反应装置及方法，能在提高膜抗污染能力的同时，利用导电陶瓷的导电性控制氧化还原电位，为微生物菌群提供各自适宜的生长环境，促进厌氧消化性能。同时，本发明可通过电源正负极反接或改变阴阳极电压的方式，配合反冲洗，进行快速的膜清洁。

背景技术

[0002] 膜生物反应器(Membrane Bioreactor，简称MBR)是能将生物降解作用与膜的高效分离技术相结合的一种新型高效的污水处理与回用装置，是近年新开发的污水处理与回用技术的重要组成，广泛应用于城市用水的净化以及生活污水和工业废水的处理。

[0003] 结合了膜生物反应器和厌氧生物处理技术的厌氧膜生物反应器(anaerobic membrane bioreactor，AnMBR)，具有污泥浓度高、容积负荷高、耐冲击负荷能力强、污泥泥龄长、污泥停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT）可完全分离等优点，在处理有机高浓度废水方面具有无法替代的优势，日益受到人们的重视，被越来越多地应用于垃圾渗滤液、工业污水等的处理。

[0004] 但是，AnMBR存在膜污染和前期反应器启动所需时间太长等问题。膜污染主要分为无机物污染、有机物污染和微生物污染三类。其中微生物污染主要是由微生物及其代谢产物组成的粘泥造成的。膜表面易吸附腐殖质、聚糖脂、微生物新陈代谢产物等大分子物质, 极易形成一层生物膜，造成膜的不可逆阻塞, 使水通量下降。如何防止膜污染和进行膜清洗，已经成为国内外研究者面临的重要问题。

[0005] 污水厌氧处理是通过大量厌氧微生物共同作用来完成的。目前针对AnMBR膜的在线清洗方法主要包括：在线出水反洗、在线清水反冲、在线药洗等。在线出水反洗的方式能够在一定程度上控制膜污染，但由于反洗水质的影响，在反冲洗时可能会造成膜内表面的污染。在线清水反冲能够更有效地控制膜污染，提高膜生物反应器长期运行的稳定性，但对系统的冲击大，且水力清洗对凝胶层的去除作用不大。同时，由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，故需要保持大量的活性微生物(污泥)和足够长的污泥龄，而在线反洗药剂进入反应器后，会影响反应器系统中微生物的活性，导致系统运行不稳定。因此需要开发一种新的能够有效进行膜清洗的方法。

[0006] 电能作为一种清洁能源，加入AnMBR中能够产生电渗析、电泳、电絮凝、静电排斥等作用，提高膜的过滤效能，同时还能对微生物、污泥的性质产生积极影响。由于膜污染的主要来源是污泥絮体、溶解性微生物产物以及胞外聚合物，这些物质一般带有负电，通过外加电压，能够增加膜与污染物之间的静电斥力，使膜污染物的运动方向或者物质形态发生改变，有效缓解膜污染。有研究将膜组件置于直流电场中，使悬浮于AnMBR原料液中的污泥组分受到受静电斥力的控制，向远离膜的方向运动，抑制了由流体压差造成的微粒向膜表面靠近的趋势，延缓了膜污染的发生。但是，将电极放置在膜组件外侧来在膜表面形成静电斥力的方式会削弱膜的电场强度，影响抗污染能力。利用具有导电性能的膜材料直接作电极可以提高电场的利用率。

[0007] 导电陶瓷集金属电学性能和陶瓷结构特性于一体，其物理化学性质是一般无机材料无法比拟的。它化学性质稳定，具有抗氧化、抗腐蚀、耐高温和寿命长等特点，是一种具备离子导电、电子/空穴导电的新型功能陶瓷材料，在能源、冶金、环境保护、电化学器件等各个领域有着广阔的应用前景。

[0008] 厌氧膜生物反应器中起主要作用的微生物菌群（产甲烷菌、产酸菌等）的最适生长环境不同。氧化还原电位是表征环境氧浓度的重要参数，在反应器中提供一定梯度的适宜氧化还原电位有利于不同微生物的附着生长和分层。因此，为产甲烷菌提供中温条件下（35℃）和高温条件下（55℃）最适的氧化还原电位（分别为-400 mV和-560 600 mV）等合适的生~长环境对于提高污水处理的效率和甲烷产量具有重要的意义。同时，一定范围内的微电场会对污泥形成有效刺激，促进微生物代谢，改变污泥性状以及污染物分子的表面带电情况，使污水获得更好的生物处理效果。

发明内容

[0009] 本发明的目的在于提供一种有效控制膜污染的厌氧导电陶瓷膜生物反应装置及方法。本发明主要利用导电陶瓷膜的导电作用，通过控制其负载电压来改变膜污染过程中主要微生物及其胞外聚合物在膜上的附着状况，并配合膜的在线反冲洗来提高膜抗污染能力，延长厌氧膜生物反应器中膜的使用寿命并促进厌氧消化。

[0010] 为了实现本发明的技术目的，本发明的技术方案如下。

[0011] 一种有效控制膜污染的厌氧导电陶瓷膜生物反应装置，由反应器主体、导电陶瓷膜组件、低压直流电源、导线、抽吸泵、压力传感器、温控装置和气体流量计组成。厌氧生物膜反应装置为一体式浸没式厌氧反应器，其中：反应器主体内等间距设置偶数个导电陶瓷膜组件，导电陶瓷膜组件两两一组，其中一个作为阴极的导电陶瓷膜组件，另一个作为阳极的导电陶瓷膜组件，反应器主体外设置有直流电源，所述直流电源的正极分别连接作为阴极的导电陶瓷膜组件，所述直流电源的负极分别连接作为阳极的导电陶瓷膜组件；所述直流电源还可以控制作为阴极的导电陶瓷膜组件和作为阳极的导电陶瓷膜组件之间的氧化还原电位；导电陶瓷膜组件连接压力传感器，反应器主体一侧底部设置进水口，另一侧顶部设置出水口，反应器四周设置水浴夹层，水浴夹层的底部设置水浴层进水口，顶部设置水浴层出水口；所述进水口上设有抽吸泵；所述压力传感器用于测定抽吸泵在工作过程中施加在导电陶瓷膜组件上的过滤压力和反冲洗压力，以控制导电陶瓷膜组件的清洗方式及频率；反应器主体连接气体流量计。

[0012] 本发明中，所述进水口设置有止水阀。

[0013] 本发明提出的一种有效控制膜污染的厌氧导电陶瓷膜生物反应装置的使用方法，具体步骤如下：

[0014] （1）启动厌氧导电陶瓷膜生物反应装置并稳定运行：打开低压直流电源，调节外加电压，当装置温度设为中温35℃时，使连接电源正极的导电陶瓷膜组件的电压为-400 mV；当装置温度设为高温55℃时，使连接电源正极的导电陶瓷膜组件的电压为-560 -600mV；打~
开抽吸泵，采用间歇抽吸运行；开始发酵产气并检测产气量；

[0015] （2）通过脉冲方式控制阴极和阳极的电压，并反向运行抽吸泵，根据污染情况调整反冲洗压力，实现厌氧导电陶瓷膜生物反应装置中导电陶瓷膜组件的定期清洁维护；

[0016] （3）变换外加直流电源的正负极，使导电陶瓷膜组件的阴极和阳极的电压变换，并反向运行抽吸泵，调节反冲洗压力，直至生物膜彻底脱落。

[0017] 本发明中外加电场能够增大膜与污泥絮体之间的静电斥力，抑制流体压差使微粒向膜表面靠近的趋势，有效预防膜污染，延长膜的运行周期。针对膜清洗，本发明可通过脉冲方式对导电陶瓷膜组件的负载电压进行控制，使其短时间内提供相斥于所附着胞外聚合物等污染物的电性，实现膜与污泥絮体之间的静电排斥，改变膜污染过程中主要微生物及其胞外聚合物的附着状况，并配合适当的反冲洗（清水或出水），实现微生物、胞外聚合物与导电陶瓷膜的分离，提高膜清洁的效果，延长厌氧膜生物反应器中膜的使用寿命。同时，通过控制导电陶瓷膜的负载电压，提供不同微生物菌群各自合适的氧化还原电位条件，促进厌氧消化。

[0018] 本发明中，所使用的导电陶瓷膜材料中添加具有导电性能的材料。

[0019] 本发明中，导电陶瓷膜组件电压的改变主要通过与导电陶瓷膜组件连接的低压直流电源正极和负极电压的调节或者反接。

[0020] 本发明中，所述的厌氧膜生物反应器的膜组件材料为导电陶瓷膜，膜组件采用模块化设计，膜组件等距排列。

[0021] 本发明中，导电陶瓷膜组件依次与低压电源的正极和负极相连。

[0022] 本发明具有如下优点：

[0023] 1、本发明中的厌氧膜生物反应器采用导电陶瓷膜组件，通过脉冲电压和变换电极等方式，实现了膜表面电压的合理调控，并利用电性相斥的原理实现导电陶瓷膜与附着物的迅速分离与脱落，简化了膜表面污染的清洗方法，操作简单，运行管理方便，提高了其抗污染能力和出水通量，强化出水水质。

[0024] 2. 本发明利用了外加直流电源和导电陶瓷膜的导电性能，实现了反应器内氧化还原电位的控制，可以提供适合不同微生物菌群各自适宜的生长环境，达到了有效分离厌氧消化过程中生物相的目的，与普通膜生物反应器相比，生物相分布更加合理，能促进厌氧消化性能的提高。

[0025] 3. 本发明采用一体式浸没式厌氧膜生物反应器，相比好氧膜生物反应器具有生物质含量高、负荷高、单位体积处理量大、能源回收率高、出水水质良好、装置结构紧凑、能耗低、剩余污泥产量少的优势。

附图说明

[0026] 图1为本发明的实例1的装置示意图。

[0027] 图中标号：1-进水口，2-止水阀，3-抽吸泵，4-反应器主体，5-水浴夹层，6-直流电源，7-水浴层出水口，8-气体流量计，9-出水口，10-温控装置，11-导电陶瓷膜组件，12-水浴层进水口，13-压力传感器。

具体实施方式

[0028] 下面通过实施例进一步说明本发明，但本发明的保护范围不限于所述内容。

[0029] 实施例1：

[0030] 如图1所示，所述装置由反应器主体4、导电陶瓷膜组件11、低压直流电源6、导线、抽吸泵3、压力传感器13、温控装置10、气体流量计8等组成，其中反应器主体4为长方体结构，采用有机玻璃材料；导电陶瓷膜组件11为导电陶瓷膜材料，依次为阳极和阴极，低压直流电源6设置在反应器主体4之外，通过导线分别与导电陶瓷膜组件的阴极和阳极相连；反应器主体4接有温控装置10，反应器主体4之外设有水浴夹层5；反应器主体4顶部设有水浴层出水口7、气体取样口，通过硅胶管连接气体流量计8；反应器主体的左侧底端设有进水口1，右侧顶端设有出水口9，底端设有水浴层进水口12。

[0031] 向有效容积为14 L的反应器主体中加入接种泥，采用模拟配水作为处理污水，污水性质如表1，连续进水，HRT为2 d，温度设定为35度；打开低压直流电源6，调节外加电压，使导电陶瓷膜组件11的电压依次为-400 mV和400mV；采用间歇抽吸方式运行抽吸泵3，频率为13min开，2min停；开始发酵产气并检测产气量。运行期间不排泥。

[0032] 表1. 模拟进水与实际进水组分分析

[0033]模拟进水 实际进水
COD(mg/L) 7000-25000 10000±2000
氨氮(mg/L) 954-2200 900±200
蛋白质(mg/L) 4500-6000 6200±1031
多糖(mg/L) 2700 1600-2000
pH 7.0-7.5 7.82±0.24
碱度(mg/L) - 2000-4000
TN(mg/L) 3000-6000 5640

[0034] 同时在其他条件保持一致的条件下与常规的厌氧膜生物反应器作对照，测定日产气量和出水COD值。结果表明，通过外加直流电源，保证与阴极相连的的导电陶瓷膜的表面电压为-400 mV，即产甲烷菌最适生长的氧化还原条件。最终，产甲烷率提高了5%， COD去除率提高了10%。

[0035] 在反应器运行过程中，用脉冲的方式调控陶瓷膜表面电压，并在连续运行过程中，每两天将外接直流电源的正极和负极交换，使原为-400mV的导电陶瓷膜表面的电压变为400 mV。同时，反转抽吸泵运行方向，反冲洗压力1.3 KPa。与常规厌氧膜生物反应器对比，反冲洗后，膜通量提高了30%。

[0036] 实施例2：

[0037] 采用实施例1中所述的装置，向有效容积为14 L的反应器主体中加入接种泥，以长沙某污水厂的初沉池出水为进水，HRT为1 d，温度设定为55度；打开低压直流电源，调节外加电压，使连接阴极的导电陶瓷膜组件的电压为-560 -600mV；采用间歇抽吸方式运行抽吸~泵,抽吸频率为10min开，5min停；开始发酵产气并检测产气量。运行期间不排泥。

[0038] 同时与常规厌氧膜生物反应器作对照，其他条件保持一致，测定日产气量和出水COD值。结果表明，外加的直流电源保证了与阴极相连的导电陶瓷膜电压为-560 -600mV，即~高温条件下产甲烷菌最适生长的氧化还原条件时，产甲烷率提高了7%，COD去除率提高了
13%。

[0039] 在反应器运行过程中，用脉冲的方式调控陶瓷膜表面电压，并在连续运行过程中，根据膜压力变化情况，每三天将外接直流电源的正极和负极的导线反接，并将抽吸泵方向反转，反冲洗压力1.3 KPa。与常规厌氧膜生物反应器对比，反冲洗后，膜通量提高了27%。