[发明专利]膜曝气生物膜与生物电化学耦合系统及其应用

说明书

本发明涉及膜曝气生物膜与生物电化学耦合系统及其应用，该系统包括阳极室、阴极室以及设置在阳极室与阴极室之间的分隔膜，还包括设置在阴极室的膜曝气生物膜、与膜曝气生物膜连接的外部供氧单元以及将阳极室与阴极室相连通的外接管路，所述的阳极室、阴极室中分别设有生物阳极电极及生物阴极电极，并且所述的生物阳极电极通过外接电路与生物阴极电极电连接，所述的系统用于处理含氮废水。与现有技术相比，本发明系统结构简单紧凑，采用无泡曝气，充氧利用率高，操作过程耗能低，整个系统运行稳定，高效节能，兼具污染物处理和产电功能，具有很好的开发运用前景。

技术领域

本发明属于污水处理技术与设备技术领域，涉及一种膜曝气生物膜与生物电化学耦合系统及其应用。

背景技术

传统的脱氮需要在不同的反应池内进行，硝化反应在好氧池内完成，反硝化作用在缺氧池内完成，其工艺流程长、运行能耗较大、产生的污泥量较大、占地面积大、基建投资高，为达到理想的处理效果有时需要外加有机碳源和碱度。面对当今能源危机和环境污染的问题，传统的脱氮技术已经难以满足可持续发展的要求，寻求一种高效节能的脱氮技术十分必要。

微生物燃料电池(MFCs)是一种以微生物为催化剂，将化学能直接转化为电能的装置，是一种新的清洁能源生产技术。因为含氮废水本身含有许多化学污染物，蕴藏大量化学能，所以MFC可以通过阳极产电生物膜降解含氮废水中有机物获得持续电能，对废水中的能源实现有效回收。同时，国内外的相关研究已经证实了MFC的阴极能够利用如硝酸盐和亚硝酸盐等作为生物阴极的电子受体，进行还原反应，能有效地对氮进行去除，这种还原过程在低有机碳源的情况下依旧可以进行。

膜曝气生物膜反应器(MABR)是一种膜-生物处理组合工艺。在MABR中，曝气膜组件既提供曝气又兼做生物膜生长的载体。气相(曝气膜内腔)中的氧是通过曝气膜-生物膜的界面扩散进入生物膜内，而液相(废水)中的底物是从生物膜-液相界面上进入生物膜。这种氧和底物的异向传质导致生物膜具有不同活性的功能层化性，好氧微生物，如硝化细菌，富集在生物膜/曝气膜介面，溶解氧从里往外逐步降低，当供氧条件控制得当时，反应器处于缺氧状态，生物膜最外层可以生长缺氧微生物，如反硝化菌，这样的分布利于在MABR的微环境实现同步硝化反硝化。传统的机械和鼓风曝气方式属于泡式供氧，仅5-25％左右，而MABR中曝气膜组件采用无泡曝气的方式，氧利用率高且耗能低。此外，MABR还具有挥发性污染物气提损失小、污泥发生量少以及运行管理方便等特点，是传物、脱氮等应用时一个引人注目的更新替代工艺。

作为厌氧处理技术之一，采用单一的MFC工艺难以系统进行污染物去除，且去除效率不高，若将MFC与MABR耦合，可有效改善出水水质，在实现高效脱氮的同时，并产生电能，在产电过程中利用电场的存在以及电流对微生物的刺激作用，能够改变污泥性质，有效延缓膜污染。

运用微生物燃料电池和硝化反硝化相耦合的相关技术已有报道。

例如，申请公布号为CN 103117405 A的中国专利公开了一种多功能反硝化微生物燃料电池，主要由阳极室、阴极室、膜组件和外电路系统组成，通过在阳极室中接种反硝化污泥，引入有机含氮废水作为燃料，阴极室引入氧化剂作为电子受体，反硝化菌降解有机含氮废水并释放电子，释放的电子被阴极室电子受体接收而产生电；所述的阳极液为含有有机物、硝酸盐氮或亚硝酸盐氮的废水，pH为6.5～7.8，阴极液为高锰酸盐、重铬酸钾、过硫酸盐、铁氰化物、过氧化氢或溶解氧与磷酸盐缓冲剂的混合溶液，pH为6.5～7.8。上述专利的技术方案虽能对含氮废水取得比较好的处理效果，但整个装置只具有反硝化作用，并不能实现完整的生物硝化反硝化过程，所以除氮效果受到抑制，处理废水的范围不广。同时，该专利中MFC阴极利用的是化学氧化剂，没有充分利用含氮废水中的电子受体，导致其在实际工程运用中会受到限制。