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CN101269863A - 电絮凝膜生物反应器去除污水中磷和有机物的装置及方法 - Google Patents

电絮凝膜生物反应器去除污水中磷和有机物的装置及方法 Download PDF

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Abstract

电絮凝膜生物反应器去除污水中磷和有机物的装置及方法，属于污水处理技术领域。本发明利用电絮凝和膜生物反应器的组合工艺，即采用铁板或铝板为阳极电极，电极板电解产生铁离子或铝离子，与污水中的氢氧根离子、磷酸根离子形成絮体；有机物由膜生物反应器内的微生物降解后形成污泥，经微滤膜组件过滤污染物被去除，从而达到从污水中去除磷和有机物的目的。本发明具有结构简单、无需投加化学药剂、运行操作和管理简单、容易实现自动化控制，出水水质好且稳定的优点。本发明特别适合于缺水地区的机关、团体、学校、工地和小区，出水可直接做中水、回用水、景观用水。

Description

电絮凝膜生物反应器去除污水中磷和有机物的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种污水处理的装置和方法，特别是涉及采用电絮凝结合膜生物反应器去除污水中磷和有机物的方法及其系统，属于污水处理技术领域。
背景技术
膜生物反应器是一种将膜分离技术与生物处理单元相组合的污水处理与回用工艺。该工艺由于采用高效的膜分离替代传统活性污泥工艺中的二沉池，固液分离效率高，出水好且稳定，可直接回用；反应器内可保持高浓度的微生物量，处理容积负荷高，占地面积省；剩余污泥产生量小；操作管理方便，自动化程度高等。膜生物反应器由于具有上述传统活性污泥法所无法比拟的突出优点，成为目前水处理技术领域国内外的研究热点。国内外已建立了相当规模和数量的膜生物反应器污水处理和资源化工程。但目前膜生物反应器还存在除磷效率不高的缺陷，出水磷含量难达到国家一级排放标准。
涉及膜生物反应器除磷的专利如《在膜生物反应器中处理废水以产生低磷流出物的方法》200410025254.3和《一种强化反硝化除磷的序批式膜生物反应器工艺》200710011457.2都是以生物除磷为基础，存在流程复杂及除磷效果稳定性较差的不足。而电凝聚技术由于装置简单、易操作、不需化学药剂等优点受到研究人员的关注。到目前为止还没有一项电絮凝与膜生物反应器强化除磷，同时通过膜生物反应器生物降解有机物及氨氮的专利。
磷和氮是植物和微生物生长过程中所需的营养物质。但当大量磷、氮进入水体时，会使藻类大量繁殖，从而造成水体富营养化。为遏止水体富营养化的进一步恶化，目前各国已制定出严格的排磷标准，美国EPA认为直接排放到水体中引起富营养化的总磷浓度为0.05mg/L；德国为了控制富营养化也将污水厂排放标准提高到0.05mg/L；而我国在《城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002》中规定一级出水A类标准总磷不得超过0.5mg/L，B类标准不得超过1mg/L。高效除磷技术已成为关注的热点问题。
磷在水体中不能形成氧化体或还原体向大气释放，但具有以固体形态和溶解形态互相循环转化的性能。污水除磷技术就是以磷的这种性能为基础而开发的，目前的除磷方法主要有化学沉淀法、生物除磷法、人工湿地法、离子交换法、反渗透法、电渗析法。化学法所需药剂投加量大，且带入的阴离子容易造成二次污染，产生的污泥难脱水处理；生物除磷存在占地面积大、除磷效率低、运行不稳定等不足，使其应用受到一定的限制。而离子交换法、反渗透法、电渗析法处理费用太高而难以普及应用。
电絮凝法是利用金属铁或铝做阳极在电流的作用下电解生成铁或铝的氢氧化物，利用产生的氢氧化物凝聚性来絮凝水中的胶体物质从而使水获得净化的一种电化学方法。从电絮凝微观过程来看是在电流的作用下先生成铁离子或铝离子，然后再与液体中的氢氧根发生反应生成氢氧化物，从而具有絮凝作用。而如果液体中含有磷酸根离子，铁离子或铝离子会与磷酸根离子发生反应生成难溶物质，达到除磷的目的。将电絮凝与膜生物反应器技术结合将两者的优势充分发挥，并能改变膜生物反应器内混合液的性质，减轻膜污染；提高膜生物反应器内的生物活性，使反应器能够长期稳定高效运行，还未见相关报道。
发明内容
为了克服现有的膜生物反应器除磷效率低的不足，本发明提供一种电絮凝膜生物反应器的装置及方法，电凝聚的加入在一定程度可以增加污泥活性，降低污泥粘度、污泥平均粒径以及混合液上清液中的有机物浓度，一定程度上延缓了膜污染的发生，使反应器能够在较长一段时间内稳定运行。通过该方法处理过后不仅出水优良稳定，剩余污泥产量小，运行管理方便等优点，同时还具备高效除磷的优点。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种去除污水中磷和有机物的电絮凝装置，该装置包括进水泵、由升流区和降流区构成的膜生物反应器池体、设置在升流区内的膜组件、以及曝气系统，在膜生物反应器池体内平行布置至少一组电极板，电极板间一般距为1～3cm，电极板与稳压稳流电源相连接；所述电极板阳极采用铁板或铝板。
本发明还提供了一种电絮凝膜生物反应器去除污水中磷和有机物的方法，其特征在于该方法包含如下步骤进行：
1)在膜生物反应器池体内平行布置至少一组电极板，电极板间距为1～3cm，所述电极板阳极采用铁板或铝板，阴极为惰性电极；
2)污水进入膜生物反应器池体内，在电极板上施加直流稳压电压，电流密度为20～80A/m2；
3)在膜生物反应器中污水经微生物降解，同时电解产生的金属离子与污水中的磷酸根发生反应，生成絮状物，经膜组件过滤后由出水泵抽吸出水；
4)电絮凝产生的含磷絮体与膜生物反应器内混合液一起在排泥时排出。
上述技术方案中，在电极板上施加电压采用间歇操作。
本发明的优选技术方案是：电极板的间距为2.0～3.0cm；电流密度为20～40A/m2。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明将电絮凝和膜生物反应器有机地结合起来用于污水除磷及有机物，第一电凝聚的加入在一定程度增加了污泥活性，降低污泥粘度、污泥平均粒径以及混合液上清液中的有机物浓度，一定程度上延缓了膜污染的发生，使反应器能够在较长一段时间内稳定运行，第二降低了污水除磷的成本，第三使得反应器出水更加优质、稳定，第四简化了污水处理的操作和运行维护工作。利用电絮凝产生的铁离子或者铝离子除磷，不需要向水中添加任何化学药品。污水中的有机污染物，氨氮经微生物降解大部分去除，同时污水中的悬浮物，除磷生成的絮凝体在膜的作用下截留在反应器中，在排泥时排出系统。所以该方法可提供稳定可靠的水质。本发明运行过程中只需要用电，基本不需要人工管理和人工维护，易于实现自动化控制。本发明特别适合于缺水地区的机关、团体、学校、工地和小区，出水可直接做中水、回用水、景观用水。
附图说明
图1为本发明提供的整体工艺结构示意图。
图中：1-进水泵；2-稳压稳流电源；3-电极板；4-曝气系统；5-膜组件；6-升流区；7-降流区；8-出水泵；9-膜生物反应器反应器池体；10-液位计。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为本发明提供的电絮凝膜生物反应器去除污水中磷和有机物装置的结构示意图。该装置包括进水泵1，由升流区6和降流区7构成的膜生物反应器池体9，设置在升流区内的膜组件5以及曝气系统4，在所膜生物反应器池体内平行布置至少一组电极板3，电极板间距一般为1～3cm，优选为2～3cm，电极板与稳压稳流电源相连接；所述电极板阳极采用铁板或铝板。阴极为惰性电极，例如钛板或石墨电极。
本发明的工艺方法如下：含磷和含有机物污水由进水泵1打入膜生物反应器反应器池体9中，反应器中的液位由液位控制10及进水泵1来控制，污水中的有机物经反应器内的微生物降解去除，电极板3与稳压稳流电源2连接，在电极板上施加直流电压，电流密度为20～80A/m2，优选电流密度为20～40A/m2；在膜生物反应器中污水经微生物降解，同时电解产生的铁离子(或铝离子)原位溶出，与污水中的磷酸根发生反应，生成絮状物，经膜组件过滤后由出水泵8抽吸出水；电絮凝产生的含磷絮体与膜生物反应器内混合液一起在排泥时排出。在电场对粒子运动的促进作用下为电絮凝高效除磷提供了良好的条件。为使产生的铁离子(或铝离子)能够和污水中磷充分接触，同时减小膜组件的污染以及为反应器内微生物提供充足的氧，由曝气系统4在膜组件正下方进行曝气。
本发明电絮凝作用机理如下：电路由外置电源和活泼金属电极板组成，活泼电极作阳极，通常为铁板或铝板。在外电路中电流以电子形式传递，而在溶液(污水)中电流则以离子形式传递，故必然存在着离子的氧化、还原过程。阳极发生金属的氧化反应生成金属离子和氧气，阴极则发生水的还原反应而生成氢气，如反应式如下：
M(s)→M(aq) m++ne-
2H2O(l)→4H+ (aq)+O2(g)+4e-
M(aq) n++ne-→M(s)
2H2O(l)+2e-→H2(g)+2OH-
溶入水中的金属离子与阴极产生的氢氧根离子迅速结合生成混凝剂，随着pH值等周围条件的不同，在水中不光存在M(OH)n，还存在水分子与金属离子以及金属氢氧化物的络合物。在铁板作阳极的溶液中存在：Fe(H2O)6 3+，Fe(H2O)5(OH)2+，Fe(H2O)4(OH)2+，Fe2(H2O)8(OH)24+以及Fe2(H2O)6(OH)4 4+等。在铝板作阳极的溶液中存在：Al(H2O)6 3+，Al(H2O)5OH2+，Al(H2O)4(OH)2+，Al(OH)2+，Al(OH)2+，Al2(OH)2 4+，Al(OH)4 -，Al6(OH)15 3+，Al7(OH)17 4+，Al8(OH)20 4+，Al13O4(OH)24 7+，Al13(OH)34 5+等。这些金属聚合物或络合物与水中的污染物相结合形成难溶沉淀物，一方面通过沉淀进入污泥中由膜组件对其隔离通过排泥而除去。
下面举出几个具体的实施例
实施例1：膜生物反应器池体内的污泥浓度在6g/L左右，水力停留时间为11h的条件下，平行布置三组电极板，电极板的间距为3.0cm，阳极采用铁板，施加直流电压，电流密度为40A/m2，在进水总磷含量5.0mg/L、COD浓度为300mg/L、氨氮50mg/L时，膜生物反应器的出水COD和氨氮的去除率分别在90％和95％以上。电解24小时，电极板停止通电，出水总磷含量低于0.5mg/L可以维持5天，产生的絮体随膜生物反应器排泥一起排出。
实施例2：膜生物反应器池体内的污泥浓度在6g/L左右，水力停留时间为11h的条件下，平行布置一组电极板，电极板的间距为2.0cm，阳极采用铁板，施加直流电压，电流密度为20A/m2，在进水总磷含量5.0mg/L、COD浓度为300mg/L、氨氮50mg/L时，膜生物反应器的出水COD和氨氮的去除率分别在90％和95％以上。电解48小时，电极板停止通电，出水总磷含量低于0.5mg/L可以维持3天，产生的絮体随膜生物反应器排泥一起排出。
实施例3：在膜生物反应器中膜通量为9L/(m2.h)，反应器中的污泥浓度在6g/L左右，水力停留时间为11h的条件下，平行布置二组电极板，电极板的间距为1.0cm，阳极采用铝板，施加直流电压，电流密度为80A/m2，在进水总磷含量5.0mg/L、COD浓度为300mg/L、氨氮50mg/L时，膜生物反应器的出水COD和氨氮的去除率分别在90％和95％以上。电解24小时，电极板停止通电，出水总磷含量低于0.5mg/L可以维持7天，产生的絮体随膜生物反应器排泥一起排出。

Claims (3)

1.一种电絮凝膜生物反应器去除污水中磷和有机物的装置，该装置包括进水泵(1)，由升流区(6)和降流区(7)构成的膜生物反应器池体(9)，设置在升流区内的膜组件(5)以及曝气系统(4)，其特征在于：在所述的膜生物反应器池体内平行布置至少一组电极板(3)，电极板间距为1～3cm，电极板与稳压稳流电源相连接；所述电极板阳极采用铁板或铝板。
2.一种电絮凝膜生物反应器去除污水中磷和有机物的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)在膜生物反应器池体内平行布置至少一组电极板，电极板间距为1～3cm，所述电极板阳极采用铁板或铝板，阴极为惰性电极；
2)污水进入膜生物反应器池体内，在电极板上施加直流稳压电压，电流密度为20～80A/m2；
3)在膜生物反应器中污水经微生物降解，同时电解产生的金属离子与污水中的磷酸根发生反应，生成絮状物，经膜组件过滤后由出水泵抽吸出水；
4)电絮凝产生的含磷絮体与膜生物反应器内混合液一起在排泥时排出。
3.根据权利要求2所述的电絮凝膜生物反应器去除污水中磷和有机物的方法，其特征在于：电极板的间距为2.0～3.0cm；电流密度为20～40A/m2。
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