申请日2019.02.19
公开(公告)日2019.05.03
IPC分类号C02F3/00; C02F3/28; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置及方法。水处理装置的反应池包括阳极室，以及设于阳极室两侧的阴极室和汲取液室，其中，阴极室与阳极室之间通过离子交换膜分隔，阳极室与汲取液室之间通过正渗透膜分隔。本发明还提供了水处理方法。本发明工艺流程简单，操作方便，将正渗透膜生物反应器与生物电化学装置连接使用，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，从而降低正渗透膜生物反应器进料侧的盐积累，并将反向流动的溶质从正渗透膜生物反应器的进料驱动到阴极室中以进行回收，最大限度的减少了处理成本。
权利要求书
1.一种耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置，包括反应池，其特征在于，所述的反应池(1)包括阳极室(101)，以及设于阳极室两侧的阴极室(102)和汲取液室(103)，其中，阴极室与阳极室之间通过离子交换膜(104)分隔，阳极室与汲取液室之间通过正渗透膜(105)分隔;所述阳极室具有进水口(107)和出水口(108)，阳极室内设有与外部电源正极相连的阳极(106);所述阴极室具有电解液进口(109)和电解液出口(110)，阴极室内设有与外部电源负极相连的阴极(111);汲取液室具有汲取液进口(112)和汲取液出口(113)。
2.根据权利要求1所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置，其特征在于，还包括原料液罐(2)，所述阳极室的进水口和出水口分别通过管路与原料液罐相连。
3.根据权利要求1所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置，其特征在于，还包括汲取液罐(3)，所述汲取液室的汲取液进口和汲取液出口分别通过管路与汲取液罐相连。
4.根据权利要求1所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置，其特征在于，所述阴极室内设有气体扩散器(9)，所述阴极室的电解液进口接有三通接口，其中一个接口连空气泵(11)，另一个接口连气体扩散器，还有一个接口依次连泵和阴极电解液罐。
5.根据权利要求4所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置，其特征在于，所述阴极室的电解液出口通过管路与汲取液回收罐(4)相连，汲取液回收罐还与汲取液室的汲取液进口连通。
6.一种耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理方法，其特征在于，包括：利用权利要求1～5任一项所述的水处理装置;
通过进水口向阳极室内注入供产电菌生长的阳极电解液，通过电解液进水口向阴极室内注入电解液并通入空气，通过汲取液进口向汲取液室内注入汲取液;将阳极与外部电源的正极相连，阴极与外部电源的负极相连;装置运行后，阳极电解液中的厌氧活性污泥降解阳极电解液中的有机物，产生的电能驱使盐通过离子交换膜进入阴极室，阳极室内的水分子通过正渗透膜进入汲取液室。
7.根据权利要求6所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理方法，其特征在于，所述的正渗透膜的活性侧面向阳极室，所述正渗透膜的表面积与离子交换膜相同。
8.根据权利要求6所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理方法，其特征在于，注入阴极室的电解液为去离子水，注入阳极室内的阳极电解液为含厌氧活性污泥 的市政污水或/和人工配水，所述汲取液室内的汲取液为NH4HCO3或Mg3(PO4)2。
9.根据权利要求6所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理方法，其特征在于，运行结束后，将阴极电解液调节pH后回收NH4HCO3或鸟粪石。
10.根据权利要求9所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理方法，其特征在于，回收NH4HCO3时，离子交换膜为阳离子交换膜;回收鸟粪石时，离子交换膜为阴离子交换膜。
说明书
耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置及方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置及方法，其采用阴阳离子的转移与转化、微生物产电技术的耦合共同作用。
背景技术
正渗透膜生物反应器(Osmotic Membrane Bioreactors，OMBR)是一种创新的基于膜的处理技术，可通过正渗透(Forward Osmosis,FO)从废水中提取高质量的水。正渗透是利用高浓度溶液作为汲取液，在浓度差的作用下产生渗透压，低浓度侧的原料液透过半渗透膜，透过膜的水将汲取液稀释，通过对稀释汲取液进行分离后得到纯净的出水，而汲取溶质则进行重复利用。与传统的压力驱动膜技术相比，OMBR有以下优点：因为它需要较低或者不需要压力驱动条件，运行费用和设备费用比传统的膜生物反应器(MBR)低;由于FO膜能截留较多的有机物和无机物，所以FO能达到较高的水回用率;比传统MBR有较低的膜污染率。正渗透膜分离技术以低能耗、高效率、污染小、工艺简单、适应性强等众多优势正成为目前国际上最前沿的水净化技术。然而由于膜两侧溶质浓度的差异和膜材料截留能力有限，汲取液的溶质会透过半透膜进入原料液，发生反向渗透现象，造成汲取液的流失，并产生严重的浓差极化。这种反渗现象的存在会使得OMBR的进料侧(如生物反应器)中发生盐积累，导致OMBR内盐度大幅上升，直接造成渗透压差的减少和膜通量的大幅衰减，同时对原料液侧的微生物产生毒害作用，从而制约了OMBR技术的应用。
渗透型微生物燃料电池是一种新型的水处理与资源回收技术，它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。其中微生物燃料电池(Microbial fuelcell，MFC)是研究最为广泛，主要由一个阳极室和一个阴极室组成，两极室之间通过正渗透膜相隔。在阳极室，产电微生物代谢底物产生电子、质子和二氧化碳，并将电子传递到阳极，然后电子通过外电路流向阴极，氧化剂(如氧气)在阴极得到电子而被还原，从而形成回路，产生电流，质子通过正渗透膜由阳极到达阴极。目前，渗透型微生物燃料电池系统主要应用于解决OMBR的膜污染的问题和提高系统的渗透性能。如将OMBR连接到微生物电解池(MEC)以减少电场下的膜污染。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(以NH4HCO3的形式)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)来解决基于FO的处理系统中的反向溶质通量。
发明内容
发明目的：本发明为了解决正渗透膜生物反应现有的盐累积的问题，提供了一种耦合生物电化学和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，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，从而降低正渗透膜生物反应器进料侧的盐积累，并将反向流动的溶质从正渗透膜生物反应器的进料驱动到阴极室中以进行回收。
技术方案：本发明所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置，包括反应池，所述的反应池包括阳极室，以及设于阳极室两侧的阴极室和汲取液室，其中，阴极室与阳极室之间通过离子交换膜分隔，阳极室与汲取液室之间通过正渗透膜分隔;所述阳极室具有进水口和出水口，阳极室内设有与外部电源正极相连的阳极;所述阴极室具有电解液进口和电解液出口，阴极室内设有与外部电源负极相连的阴极;汲取液室具有汲取液进口和汲取液出口。
所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置还包括原料液罐，所述阳极室的进水口和出水口分别通过管路与原料液罐相连。
所述的耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理装置还包括汲取液罐，所述汲取液室的汲取液进口和汲取液出口分别通过管路与汲取液罐相连。
进一步，所述阴极室内设有气体扩散器，所述阴极室的电解液进口接有三通接口，其中一个接口连空气泵，另一个接口连气体扩散器，还有一个接口依次连泵和阴极电解液罐。
所述阴极室的电解液出口通过管路与汲取液回收罐相连，汲取液回收罐还与汲取液室的汲取液进口连通。
本发明还提供了一种耦合生物电化学和正渗透膜生物反应器的水处理方法，包括：利用所述的水处理装置;
通过进水口向阳极室内注入供产电菌生长的阳极电解液，通过电解液进水口向阴极室内注入电解液并通入空气，通过汲取液进口向汲取液室内注入汲取液;将阳极与外部电源的正极相连，阴极与外部电源的负极相连;装置运行后，阳极电解液中的厌氧活性污泥降解阳极电解液中的有机物，产生的电能驱使盐通过离子交换膜进入阴极室，阳极室内的水分子通过正渗透膜进入汲取液室。
水处理过程中，厌氧污泥降解有机污染物，产生的电能将盐(包括反向流动的溶质)从进料中驱入阴极室，通过离子交换膜分离，阴极室需要持续通入空气。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，使正渗透膜进料侧的盐度保持相对较低。此外，正渗透膜可以将有机物质在进料溶液中浓缩，从而增强生物电化学系统产电，从而进一步促进盐的运动。
其中，所述的正渗透膜的活性侧面向阳极室，所述正渗透膜的表面积与离子交换膜相同。
注入阴极室的电解液为去离子水，注入阳极室内的阳极电解液为含厌氧活性污泥的市政污水或/和人工配水，所述汲取液室内的汲取液为NH4HCO3或Mg3(PO4)2。
运行结束后，将阴极电解液调节pH后回收NH4HCO3或鸟粪石。回收NH4HCO3时，离子交换膜为阳离子交换膜，向阴极电解液中添加CO2使pH降低到7.3±0.1以回收NH4HCO3;回收鸟粪石时，离子交换膜为阴离子交换膜，向阴极电解液中添加NH3使pH升高到11.0±0.1用来回收鸟粪石。
与现有的技术相比，本发明的有益效果为：
为了减缓OMBR的盐累积问题、保持膜分离系统的膜分离特性、提高微生物的生物降解能力，加速其实际应用的进程，本发明提出构建一种新型的“物理-生物-电化学”耦合系统，将电化学-正渗透膜生物反应器耦合。本系统中，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，通过产电作用驱动盐进入阴极室，BES协助作用使得进料溶液的盐度相对较低，提高了OMBR微生物去污能力。此外，OMBR可以将有机物浓缩在进料溶液中并强化生物电化学系统产电，从而促进无机盐的迁移，降低进料液侧的盐累积和浓差极化。此外，阴极室还能回收营养盐，如NH4HCO3、鸟粪石等。