申请日2013.12.26
公开(公告)日2014.04.23
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明提供一种低能耗市政污水回用的方法，属于废水资源化技术领域，采用耦合微生物燃料电池(厌氧生物技术)的膜生物反应器(好氧生物技术)处理市政污水，利用微生物燃料电池所产电能补偿膜生物反应器的电能消耗，同时可使作为微生物燃料电池阴极的膜生物反应器膜组件表面带负电，产生静电斥力，以有效减轻膜污染，此外采用0.5～1.0cm厚碳毡替代普通微生物燃料电池中的质子交换膜，大大降低了系统构建成本，与传统膜生物反应器系统相比，吨污水处理能耗降低35%～70%，系统的COD和氨氮去除率均达92.0%～98.0%，出水水质符合我国城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)中的一级A标准和我国城市污水再生利用城市杂用水水质标准(GB/T18920-2002)。本发明技术科学合理，对实现市政污水的回用具有重要意义。
权利要求书
1.一种低能耗市政污水回用的方法，其特征在于：
(1)进水：市政污水，COD浓度为100～500mg/L，氨氮浓度为10～50mg/L，pH值为6～9;
(2)厌氧单元：生活污水首先由进水泵打入微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)的 阳极室进行厌氧处理，水力停留时间(Hydraulic Residence Time，HRT)为10～24h，温度 为15～35℃，阳极材料为碳毡、碳布、石墨及其改性修饰材料;
(3)好氧单元：厌氧单元处理后的出水透过0.5～1.0cm厚碳毡进入膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR)好氧单元进行好氧处理，HRT为6～12h，温度为15～35℃，溶解氧浓 度为2.0～6.0mg/L，MBR膜组件兼MFC阴极，材料为导电聚合物修饰的不锈钢网、无纺 布、碳毡、碳布;
(4)采用0.5～1.0cm厚碳毡将系统分割为MFC和MBR两个单元，装置构建成本低;
(5)排水单元：经好氧单元处理后的污水经MBR出水口、排水泵和管道排出回用。
2.根据权利要求1所述的一种低能耗市政污水回用的方法，其特征在于：有机物在MFC阳 极氧化产生的质子透过0.5～1.0cm厚碳毡到达MBR好氧单元(即MFC阴极室)，与电子 和氧气结合生成水，消除了普通MFC阳极易酸化、反馈抑制产电微生物活性的问题。
3.根据权利要求1所述的一种低能耗市政污水回用的方法，其特征在于：MFC阳极氧化后 的剩余有机物也随水流透过0.5～1.0cm厚碳毡到达MBR好氧单元，进一步好氧矿化去除。
4.根据权利要求1所述的一种低能耗市政污水回用的方法，其特征在于：随运行时间的延 长，0.5～1.0cm厚碳毡的表面形成生物膜，系统脱氮效果好。
5.根据权利要求1所述的一种低能耗市政污水回用的方法，其特征在于：MBR中的膜组件 同时用作MFC阴极(亦称导电微滤膜)，可为MBR膜表面与膜面污染物间提供静电斥 力，有效缓解膜污染。
6.根据权利要求1所述的一种低能耗市政污水回用的方法，其特征在于：采用0.5～1.0cm厚 碳毡替代普通MFC中的质子交换膜，大大降低了系统构建成本。
说明书
一种低能耗市政污水回用的方法
技术领域
一种低能耗市政污水回用的方法，属于废水资源化技术领域。
背景技术
近年来，作为废水物理与生物处理技术的优势组合，以剩余污泥产量低和高效脱氮见长、 以污水资源化(或回用)和无害化为最终目标的膜生物反应器(Membrane Bioreactor，MBR) 技术已在污水处理领域得到广泛的应用。据统计，我国投入运行或在建的MBR污水处理工 程已超过300项，其中，万吨级MBR系统近10套。然而，国内外实践表明，运行成本和膜 污染始终是制约MBR稳定运行的主要障碍。就其运行成本而言，传统市政污水处理厂平均 电耗为0.3kWh/m3污水，但MBR处理污水的能耗高达0.5～1.0kWh/m3污水。另一方面，无 论采用何种膜污染预防措施，一旦膜与污泥混合液接触，膜污染即开始。因此，寻找低能耗、 有效解决MBR膜污染问题的污水处理方法十分必要。
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一项通过阳极产电生物膜降解污水中有 机物并产生可持续电能的新技术。像所有燃料电池一样，MFC发电不是将燃料(废水或废弃 物中的有机物)燃烧，而是在厌氧条件下从燃料分子剥取电子(即微生物呼吸作用产生的电 子)，并将其通过预定途径(电极和外电路)传递到氧，将原本用于氧化磷酸化生物合成ATP 的能量转化为电，其中微生物是生化反应的催化剂，MFC的产电过程通过阳极有机物(电子 供体)的氧化和阴极氧气(电子受体)的还原实现。然而，作为厌氧生物处理技术之一，MFC 难以获得优良的出水水质，与硝化过程、序批式反应器、生物转盘、生物接触氧化等工艺结 合，甚至将MFC置于活性污泥法的曝气池中，可改善MFC出水水质，但上述过程均无法有 效去除系统出水中的悬浮物，难以回用。
本发明以市政污水为处理对象，提出了耦合MFC(厌氧生物技术)的MBR(好氧生物 技术)处理市政污水新技术，该技术具有如下优势：①污水中大部分葡萄糖等有机物在厌氧 单元(即MFC阳极室)发生氧化反应(反应式1)，产生的电子经由MFC阳极和外电路传递 到MFC阴极，回收的电能可用于补偿MBR的高运行成本。②MFC阳极氧化产生的质子透 过0.5～1.0cm厚碳毡到达MBR好氧单元，与电子和氧气结合生成水(反应式2)，消除了普 通MFC阳极易酸化、反馈抑制产电微生物活性问题。③MFC阳极氧化后的剩余有机物也随 水流透过0.5～1.0cm厚碳毡到达MBR好氧单元，进一步好氧矿化去除(反应式3)，MBR膜 过滤出水水质良好。④随运行时间的延长，0.5～1.0cm厚碳毡的表面形成生物膜，系统脱氮 效果好(反应式4-7)。⑤MBR中的膜组件同时用作MFC阴极(亦称导电微滤膜)，可为MBR 膜表面与膜面污染物间提供静电斥力，有效缓解膜污染。⑥耦合系统结构简单，操作管理方 便，同时采用0.5～1.0cm厚碳毡替代普通MFC中的质子交换膜，大大降低了系统构建成本。
C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e- (1)
4H++O2+4e-→2H2O (2)
C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O(3)
NH4++1.5O2→NO2-+2H++H2O (4)
NO2-+1.5O2→NO3- (5)
NO2-+3H+→0.5N2+H2O+OH- (6)
NO3-+5H+→0.5N2+H2O+OH- (7)
发明内容
本发明的目的在于发明一种能耗低、出水水质优良的市政污水回用的方法。
本发明的技术工艺包括以下几个步骤：
1、进水：市政污水，进水COD浓度为100～500mg/L，进水氨氮浓度为10～50mg/L，pH 值为6～9;
2、厌氧单元：市政污水首先由进水泵打入厌氧单元，即MFC阳极室进行厌氧处理，水 力停留时间(Hydraulic Residence Time，HRT)为10～24h，温度为15～35℃，阳极材料为碳毡、 碳布、石墨及其改性修饰材料;
3、好氧单元：厌氧单元处理后的出水透过0.5～1.0cm厚碳毡流至MBR好氧单元，即 MFC阴极室，HRT为6～12h，温度为15～35℃，溶解氧浓度为2.0～6.0mg/L，MBR膜组件兼 MFC阴极，材料为导电聚合物修饰的不锈钢网、无纺布、碳毡、碳布;
4、采用0.5～1.0cm厚碳毡将系统分割为厌氧和好氧两个单元，装置构建成本低。
本发明的优点
1、污水中大部分葡萄糖等有机物在厌氧单元的MFC阳极发生氧化反应，产生的电子经 由MFC阳极和外电路传递到好氧单元的MFC阴极，通过外阻回收其电能并用于补偿MBR 运行成本;
2、MFC阳极氧化产生的质子随水流透过0.5～1.0cm厚碳毡到达MBR好氧单元(即NFC 阴极室)，与电子和氧气结合生成水，消除了普通MFC阳极易酸化、反馈抑制产电微生物活 性的问题;
3、MFC阳极氧化后的剩余有机物也随水流透过0.5～1.0cm厚碳毡到达MBR好氧单元， 进一步好氧矿化去除;
4、随运行时间的延长，0.5～1.0cm厚碳毡的表面形成生物膜，系统脱氮效果好;
5、MBR中的膜组件同时用作MFC阴极(亦称导电微滤膜)，可为MBR膜表面与膜面 污染物间提供静电斥力，有效缓解膜污染;
6、与传统MBR系统相比，吨污水处理能耗降低30%～70%，系统的COD和氨氮去除率 均为90.0%～98.0%，出水水质符合我国城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002) 中的一级A标准和我国城市污水再生利用城市杂用水水质标准(GB/T18920-2002);
7、耦合系统结构简单，操作管理方便，同时采用0.5～1.0cm厚碳毡替代普通MFC中的 质子交换膜，大大降低了系统构建成本。
