空气阴极生物电化学系统辅助正渗透膜生物反应器的水处理装置及水处理方法
阅读说明：本技术 空气阴极生物电化学系统辅助正渗透膜生物反应器的水处理装置及水处理方法 (Water treatment device and water treatment method of air cathode bioelectrochemical system auxiliary forward osmosis membrane bioreactor ) 是由 杨玉立 吴忧 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种空气阴极生物电化学系统辅助正渗透膜生物反应器的水处理装置及水处理方法,水处理装置的反应池包括阳极室和汲取液室,两者通过正渗透膜分隔；阳极室一侧设有空气阴极,其与阳极室通过玻璃纤维膜分隔。水处理方法中,阳极室的厌氧污泥降解有机物质产生电子传递到阴极；阴极处的氧气与电子、质子结合生成水,此过程产生电能；阴极处同时发生硝化过程,电流驱动硝酸根离子迁移到厌氧阳极处,阳极的厌氧微生物利用反渗的有机汲取液作为反硝化的碳源,将硝酸根反硝化成为氮气；阳极室中的部分水分子通过正渗透膜进入汲取液侧。本发明脱氮效率高,能够降低进料液侧出水中的污染物浓度；此外,空气阴极无需曝气,节约能源,降低成本。(The invention discloses a water treatment device and a water treatment method of an air cathode bioelectrochemical system auxiliary forward osmosis membrane bioreactor, wherein a reaction tank of the water treatment device comprises an anode chamber and a drawing liquid chamber which are separated by a forward osmosis membrane; one side of the anode chamber is provided with an air cathode which is separated from the anode chamber by a glass fiber membrane. In the water treatment method, anaerobic sludge in the anode chamber degrades organic substances to generate electrons which are transferred to the cathode; the oxygen at the cathode is combined with electrons and protons to generate water, and the process generates electric energy; the nitrification process is simultaneously carried out on the cathodes, the current drives nitrate ions to migrate to the anaerobic anodes, and the anaerobic microorganisms on the anodes utilize the reverse osmosis organic draw solution as a denitrification carbon source to denitrify the nitrate into nitrogen; part of water molecules in the anode chamber enter the drawing liquid side through the forward osmosis membrane. The invention has high denitrification efficiency and can reduce the concentration of pollutants in the effluent of the feed liquid side; in addition, the air cathode does not need aeration, thereby saving energy and reducing cost.)
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种空气阴极生物电化学系统辅助正渗透膜生物反应器的水处理装置，同时还涉及一种空气阴极生物电化学系统辅助正渗透膜生物反应器的水处理方法。
背景技术
正渗透膜生物反应器(Osmotic Membrane Bioreactors，OMBR)是一种基于膜的处理技术，可通过正渗透(Forward Osmosis,FO)从废水中回收高质量的水。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)能够利用产电微生物作为催化剂降解废水中的污染物，同时将废水污染物中的化学能直接转换为电能。渗透型微生物燃料电池系统是将正渗透膜与传统微生物燃料电池相结合，主要应用于解决OMBR的膜污染的问题和提高系统的渗透性能。其中，正渗透膜是不对称结构，由活性层和支撑层组成，靠近支撑层的一侧放置高浓度溶液作为汲取液，靠近活性层的一侧放置低浓度的原料液，在浓度差的作用下产生渗透压，驱使原料液侧的水透过半渗透膜，汲取液被稀释，后续可以对稀释汲取液进行分离，得到纯净的出水。若将OMBR连接到微生物电解池(MEC)，能够达到减少电场下的膜污染的技术效果。在MEC-FO系统中，MEC从高强度合成废水中回收的铵作为驱动溶质应用于随后的FO装置中，该装置从MEC获得回用水的同时回收了氨氮。但是到目前为止，尚未研究BES(生物电化学)来提升基于FO的处理系统中的脱氮效率低的问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种空气阴极生物电化学系统辅助正渗透膜生物反应器的水处理装置，本发明的另一目的是提供一种空气阴极生物电化学系统辅助正渗透膜生物反应器的水处理方法。
技术方案：一种空气阴极生物电化学系统辅助正渗透膜生物反应器的水处理装置，包括反应池，所述反应池包括阳极室和汲取液室，阳极室与汲取液室之间通过正渗透膜分隔；所述阳极室一侧设有空气阴极，空气阴极与阳极室之间通过玻璃纤维膜分隔；所述正渗透膜靠近阳极室的一侧为进料侧，靠近汲取液室的一侧为汲取液侧；所述阳极室内设有阳极，阳极与外部数据采集卡的正极相连；阳极室的底部具有进水口，顶部具有出水口。
进一步的，还包括原料液罐，原料液罐内盛放阳极电解液，阳极电解液为含活性污泥的市政污水或人工配水；所述进水口和出水口分别通过管路与原料液罐相连。所述原料液罐与进水口之间的管路上设有第一蠕动泵，第一蠕动泵将原料液罐内的阳极电解液泵入阳极室内，阳极电解液再通过出水口流出循环至原料液罐内。
进一步的，还包括汲取液罐，汲取液罐内盛放汲取液，汲取液为乙酸钠；汲取液进口和汲取液出口分别通过管路与汲取液罐相连。所述汲取液进口与汲取液罐相连的管路上设有第二蠕动泵，第二蠕动泵将汲取液罐内的汲取液泵入至汲取液室内，汲取液通过汲取液出口排出。
进一步的，所述汲取液室和/或阳极室的底部设有搅拌装置。
进一步的，所述正渗透膜的活性侧朝向阳极室。
优选的，所述阳极材料为碳刷。所述空气阴极材料为防水碳纸。
一种基于所述水处理装置的水处理方法，包括如下步骤：
S1:将阳极与外部数据采集卡的正极相连，阴极与外部数据采集卡的负极相连，将阳极电解液泵入阳极室，将汲取液泵入汲取液室，汲取液和阳极电解液以预设循环流速运行，阳极室内序批次进水；所述阳极电解液为包含厌氧污泥降解有机物质的市政污水或人工配水，汲取液为乙酸钠；
S2:阳极室里的厌氧污泥降解有机物质，产生电子通过外电路传递到阴极；空气阴极处，扩散的氧气与电子、质子结合生成水，此过程产生电能；空气阴极处同时发生硝化过程，将氨氮氧化成硝氮，电流驱动硝酸根离子迁移到厌氧阳极处，阳极的厌氧微生物利用反渗的有机汲取液作为反硝化的碳源，将硝酸根反硝化成为氮气；阳极室中的部分水分子通过正渗透膜进入汲取液侧。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
为了减缓OMBR的脱氮效率低的问题，本发明提出了一种同步硝化反硝化作用以及正渗透膜生物反应器盐反渗补充碳源强化反硝化的装置及方法，其采用硝化细菌、反硝化细菌，产电微生物的耦合共同作用。OMBR的原料侧既是生物反应主体，也是生物电化学系统的阳极，通过产电作用驱动在阴极氧化得到的硝酸根进入阳极室发生反硝化，实现脱氮，BES协助作用使得汲取液反渗到进料液侧的有机汲取液被用于产电，提高了OMBR微生物去污能力。此外，OMBR可以将有机物和氨氮浓缩在进料溶液中并强化生物电化学系统产电，同时强化系统的同步硝化反硝化作用，从而提高脱氮效率，降低进料液侧出水中的污染物浓度。此外，空气阴极无需曝气，节约能源，降低成本。
附图说明
图1是空气阴极生物电化学系统辅助正渗透膜生物反应器的水处理装置的结构图；
图2是图1中反应池的结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1、图2所示，本发明的空气阴极生物电化学系统辅助正渗透膜生物反应器的水处理装置包括反应池1、原料液罐2、汲取液罐3以及连通管路。
反应池1包括两个隔室，阳极室101和汲取液室103，在阳极室101一侧设有一个空气阴极102，两个隔室体积均为50ml，空气阴极碳纸的表面积为0.0025m2；空气阴极102与阳极室101之间通过玻璃纤维膜104分隔，阳极室101与汲取液室103之间通过正渗透膜105分隔，正渗透膜105靠近阳极室101的一侧为进料侧，靠近汲取液室103的一侧为汲取液侧。本实施例中，正渗透膜105为总渗透面积0.0025m2的薄膜复合膜，其活性侧朝向阳极室101，正渗透膜105和玻璃纤维膜104可采用现有技术中常规产品。
阳极室101内设有阳极106，阳极106材料为碳刷(可以是非防湿的)，阳极106通过导线与外部数据采集卡的正极相连。阳极室101的底部具有进水口107，顶部具有出水口108，进水口107和出水口108分别通过管路与原料液罐2相连。原料液罐2内盛放阳极电解液，阳极电解液可以是含活性污泥的市政污水或人工配水。原料液罐2与进水口107之间的管路上设有第一蠕动泵4，第一蠕动泵4将原料液罐内2的阳极电解液泵入阳极室101内，阳极电解液再通过出水口108流出循环至原料液罐2内。
空气阴极102的阴极材料优选为涂布有气体扩散层、支撑层和碳基层的5cm×5cm防水碳纸(河森HCP135)。
汲取液室103的底部具有汲取液进口109，顶部具有汲取液出口110，汲取液进口109和汲取液出口110分别通过管路与汲取液罐3相连，汲取液进口109与汲取液罐3相连的管路上设有第二蠕动泵5。第二蠕动泵5将汲取液罐3内的汲取液泵入至汲取液室103内，汲取液通过汲取液出口110排出。汲取液室103和阳极室101的底部均设有搅拌装置6。
应用上述装置进行水处理，步骤如下：
本实施例中，阳极电解液为人工合成废水和活性污泥按体积比9：1配制，人工合成废水的组成：300±1mg·L-1醋酸钠(800±13mg·L-1COD)，40±2mg·L-1NH4-N，15mg·L- 1MgSO4，20mg·L-1CaCl2，500mg·L-1NaCl，100mg·L-1NaHCO3，5.35mg·L-1K2HPO4，2.65mg·L-1KH2PO4和1mL·L-1微量元素【1升蒸馏水中含有50g FeCl2·4H2O,1.25g ZnCl2,12.5gMnCl2·4H2O,1.25g(NH4)6Mo9O24.4H2O,3.75g CoCl2·6H2O,2.5g NiCl2·6H2O,0.75gCuCl2·2H2O,1.25g H3BO3】；厌氧活性污泥为100mL来自厌氧消化池的污泥(69.62g·L-1混合液体悬浮物，VSS/SS比例为87.53％)；汲取液为乙酸钠(浓度为1mol·L-1)。
将阳极与外部数据采集卡的正极相连，阴极与外部数据采集卡的负极相连，将原料液罐内的阳极电解液泵入阳极室，将汲取液罐内的汲取液泵入汲取液室，其中汲取液和阳极电解液以96mL·min-1循环流速运行，阳极室内以水力停留时间24小时为周期，序批次进水。装置运行时，阳极室里的厌氧污泥降解有机物质，产生电子通过外电路传递到阴极。空气阴极处，扩散的氧气与电子、质子结合生成水，此过程产生的电能；空气阴极处同时发生硝化过程，将氨氮氧化成硝氮，电流驱动硝酸根离子迁移到厌氧阳极处，阳极的厌氧微生物利用反渗的有机汲取液作为反硝化的碳源，将硝酸根反硝化成为氮气。阴阳极通过玻璃纤维膜分离，以防止短路，空气阴极处无需曝气来持续通入空气。阳极室中的部分水分子通过正渗透膜进入汲取液侧。通过这种方式，使正渗透膜汲取液侧反渗的有机汲取液在生物反应器内被消耗，保持相对较低的COD。此外，正渗透膜可以将有机物质和氨氮底物在进料溶液中浓缩，从而增强生物电化学系统产电，同时进一步促进同步硝化反硝化的发生。运行结束后，阳极室COD去除率为97.88±2.40％，氨氮去除率为78.29±1.98％，总氮去除率为73.96±0.50％，产生的总库伦为94.64±4.7C，回收水量为438.20±9.62mL，初始水通量为5.36±1.26LMH，运行24小时后的水通量为1.5±1.02LMH。
本发明实施例的运行时间为24h，为比较不同运行时间的效果，分别在12h，24h，36h和48h的浓度下实施，随着运行时间的延长，氮和COD的去除效率有大幅提升，氨氮去除率从60.37±3.22％提高到99.71±0.03％，总氮去除率从57.37±2.63％提高到93.08±0.93％，COD去除率从88.28±5.6 1％提高到92.51±6.87％。总库伦和水回收量也分别提高了，总库伦从90.37±6.35C提高到137.35±18.13C，水回收量从260.87±10.32mL提高到529.87±25.24mL。这一结果说明运行时间的延长有助于提高耦合系统氮的去除效率，并能获得更高的水回收量和产生更高的生物电能。
本发明实施例汲取液为1M乙酸钠，为比较不同浓度汲取液的效果，分别在1M、2M和3M的浓度下实施，相比较于1M，2M和3M的氨氮去除率较高且比较接近，分别为99.44±0.05％和99.76±0.41％。汲取液浓度越高，总氮的去除效果越好，汲取液浓度从1M提高到3M，总氮的去除率从73.96±0.50％上升到95.58±0.02％。汲取液浓度上升，COD去除率有轻微下降，三种汲取液条件下COD去除率分别为97.88±2.40％，93.37±0.14％，和94.34±0.00％。三种汲取液的初始水通量分别为5.36±1.26LMH，5.5±0.53LMH和7.45±0.23LMH，在24小时运行期间水通量逐渐降低，并且24小时后，水通量分别为5.36±1.26LMH，5.5±0.53LMH和7.45±0.23LMH。三种汲取液条件下，总的水回收量分别是438.20±9.62mL，741.20±52.89mL和748.13±35.45mL，产生的电能分别是90.37±6.35C，152.56±18.23C和159.15±19.52C。这一结果说明适当的提高汲取液浓度可以大幅提高耦合系统氮的去除效率，并能获得更高的水回收量和产生更高的生物电能，但过度提高汲取液浓度可能无法取得更佳的处理效果和收益。
综上，本发明的空气阴极生物电化学系统辅助的正渗透膜生物反应器的水处理装置及方法，将正渗透膜生物反应器与生物电化学装置连接使用，空气阴极的硝化细菌氧化阳极电解液中的氨氮成为硝氮，阳极的活性细菌氧化有机物质产生电子，电子的运动驱动阴、阳极间的离子运动，促进硝酸盐向阳极运动，从而在阳极的厌氧环境下进行反硝化，并利用反向扩散的有机溶质作为反硝化和产电的基质，提高脱氮效率和产电性能。
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