申请/专利权人：中国科学院生态环境研究中心

申请日：2018-01-24

公开（公告）日：2020-10-16

公开（公告）号：CN108217917B

主分类号：C02F3/00(20060101)

分类号：C02F3/00(20060101);C02F3/30(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.16#授权;2018.07.24#实质审查的生效;2018.06.29#公开

摘要：本发明实施例公开了一种电化学膜生物污水处理器，该电化学膜生物污水处理器包括：处理池；设置于所述处理池内沿第一方向依次排列的第一电极、牺牲电极和第二电极，所述牺牲电极的活泼性大于所述第一电极和所述第二电极的活泼性；设置于所述处理池内的膜组件，所述膜组件设置于所述第一电极和所述牺牲电极之间，和或，所述膜组件设置于所述牺牲电极和所述第二电极之间；供电模块，与所述第一电极和所述第二电极电连接。与现有的污水处理装置相比，本发明实施例提供的电化学膜生物污水处理器可以同时提高经处理的污水的水质和减缓膜污染。

主权项：1.一种电化学膜生物污水处理器，其特征在于，包括：处理池；设置于所述处理池内沿第一方向依次排列的第一电极、牺牲电极和第二电极，所述牺牲电极的活泼性大于所述第一电极和所述第二电极的活泼性；所述第一电极和所述第二电极为析氧电极；所述第一电极和所述第二电极为钛基体钌铱涂层电极或钛基体二氧化锰涂层电极；设置于所述处理池内的膜组件，所述膜组件设置于所述第一电极和所述牺牲电极之间，和或，所述膜组件设置于所述牺牲电极和所述第二电极之间；供电模块，与所述第一电极和所述第二电极电连接。

全文数据：电化学膜生物污水处理器技术领域[0001]本发明实施例涉及饮用水或污水处理技术，尤其涉及一种电化学膜生物污水处理器。背景技术[0002]生活污水是人类生产过程中所产生的污水，是水体的主要污染源，它主要有粪便和洗涤污水。随着社会经济的快速发展以及人口的增加，生活污水的排放越来越大，已成为经济发展和人们生活质量提高的严重阻碍，人们面临着资源性和水质性双重缺水的严峻考验。[0003]膜生物反应器membranebioreactor，MBR作为膜分离与生物技术有机结合的污水处理技术，具有出水水质好、系统处理效率高、负荷率高、结构紧凑占地面积小、便于自动化控制等优点，是一种高效的生物处理技术，在污水处理和回用方面极具发展前景。但由于膜污染会导致膜通量下降，增加膜的清洗和更换频率，直接影响了膜组件的效率和使用寿命，从而已成为膜生物反应器水处理技术推广运用的主要障碍。[0004]电化学包括电氧化、电絮凝、电气浮等作为一种高效的水处理技术，具有操作简单、产泥量小、避免使用化学药品、易实现自动化和设备化控制等优点。但随着污染形势不断加剧和水质标准日趋严格，经电化学技术处理的污水无法达到水质排放标准。发明内容[0005]本发明提供一种电化学膜生物污水处理器，以实现同时提高出水水质和减缓膜污染的目的。[0006]本发明实施例提供了一种电化学膜生物污水处理器，该电化学膜生物污水处理器包括：[0007]处理池；[0008]设置于所述处理池内沿第一方向依次排列的第一电极、牺牲电极和第二电极，所述牺牲电极的活泼性大于所述第一电极和所述第二电极的活泼性；[0009]设置于所述处理池内的膜组件，所述膜组件设置于所述第一电极和所述牺牲电极之间，和或，所述膜组件设置于所述牺牲电极和所述第二电极之间；[0010]供电模块，与所述第一电极和所述第二电极电连接。[0011]进一步地，所述牺牲电极为铝板或铁板。[0012]进一步地，所述第一电极和所述第二电极为钛基体钌铱涂层电极为析氧电极。[0013]进一步地，所述第一电极和所述第二电极为钛基体钌铱涂层电极或钛基体二氧化锰涂层电极。[0014]进一步地，所述电化学膜生物污水处理器工作阶段包括第一阶段和第二阶段；[0015]沿时间顺序，所述第一阶段和所述第二阶段交替排列；[0016]所述第一阶段内，所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位；[0017]所述第二阶段内，所述第二电极的电位高于所述第一电极叫电仪。[0018]进一步地，所述膜组件为平板膜或帘式中空纤维膜。[0019]进一步地，还包括曝气模块；[0020]所述曝气模块包括导气管和输气单元；、、[0021]所述导气管一端与所述输气单元的气体输出端连接，另一端伸入到所述处理池中。[0022]进一步地，还包括清水排出模块；[0023]所述清水排出模块包括清水池以及第一导流管；、、[0024]所述第一导流管一端伸入到所述清水池内，另一端伸入到所述处理池内并与所述膜组件连接。[0025]进一步地，还包括原水供应模块；[0026]所述原水供应模块包括原水箱和第二导流管；[0027]所述第二导流管一端伸入到所述原水箱内，另一端伸入到所述处理池内。[0028]进一步地，所述原水供应模块还包括液位调节单元；[0029]所述液位调节单元连接于所述原水箱和所述第二导流管之间，以调节所述处理池内液位的高度。[0030]本发明实施例通过在所述处理池内设置沿第一方向依次排列的第一电极、牺牲电极和第二电极，所述牺牲电极的活泼性大于所述第一电极和所述第二电极的活泼性;并在所述处理池内设置膜组件，所述膜组件设置于所述第一电极和所述牺牲电极之间，和或，所述膜组件设置于所述牺牲电极和所述第二电极之间，解决了目前污水处理设备无法满足污水处理需求的问题，实现了同时提高出水水质和减缓膜污染的效果。附图说明[0031]图1为本发明实施例一提供的电化学膜生物污水处理器的结构示意图；[0032]图2为图1中电化学膜生物污水处理器工作阶段的示意图；[0033]图3为本发明实施例二提供的电化学膜生物污水处理器的结构示意图。具体实施方式[0034]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。[0035]实施例一[0036]图1为本发明实施例一提供的电化学膜生物污水处理器的结构示意图。参见图丄，该电化学膜生物污水处理器包括:处理池11、设置于处理池11内沿第一方向（图丨中乂轴方向）依次排列的第一电极I2、牺牲电极13和第二电极14、设置于处理池11内的膜组件15以及供电模块I6。其中，牺牲电极13的活泼性大于第一电极12和第二电极14的活泼性。膜组件15设置于第一电极12和牺牲电极13之间，并且膜组件15还设置于牺牲电极13和第二电极14之间。供电模块16与第一电极12和第二电极14均电连接，以在第一电极12和第二电极14之间形成电位差。[0037]本实施例技术方案通过在处理池11内设置沿第一方向（图1中X轴方向）依次排列的第一电极12、牺牲电极13和第二电极14,并且设置膜组件15设置于第一电极12和牺牲电极13之间，和牺牲电极13和第二电极14之间，实质上是将电絮凝与膜生物反应器有机地整合到同一个处理池11中，形成了一种电电化学强化技术和膜生物反应器技术有机结合的水处理工艺eMBR。在此装置中，第一电极12和第二电极14间的电场能够产生电催化作用，激活或增强某些酶的活性，刺激细胞生长，调节微生物代谢，从而有效的改变污泥混合液的性能。而且在电场调控下，因电絮凝反应形成的极化的絮体在膜组件15的表面堆积并形成疏松多孔的极化滤饼层。处理池11内的液体先经过极化滤饼层后才能到达膜组件15,极化滤饼层可以起到过滤的作用，防止小颗粒的污染物堵塞膜孔，利于减缓膜组件15污染。同时阳极第一电极和第二电极中电位较高的电极为阳极还具有氧化作用，可以进一步降解难生物降解的物质，提升膜组件15的出水水质。在阴极第一电极和第二电极中电位较低的电极为阴极，以及牺牲电极电位较低的一面为阴极处电解产生的气体能够对膜组件15表面产生清洗的作用，而且还可以在阴极附近产生缺氧环境，通过微生物的反硝化作用进一步加强对硝态氮的去除。综上，在电场、混凝、氧化、气浮、微生物消化吸收等作用的多重复合处理下，能够有效减缓膜组件15污染以及提升出水水质。[0038]需要说明的是，在上述技术方案中，参见图1，膜组件15设置于第一电极12和牺牲电极13之间，并且膜组件15还设置于牺牲电极13和第二电极14之间，这仅是本申请的一个具体示例，而非对本申请的限制。可选地，还可以将膜组件15仅设置于第一电极12和牺牲电极13之间;或者将膜组件15仅设置于牺牲电极13和第二电极14之间。[0039]在实际中，牺牲电极13的材料选择上可以有多种，只要确保牺牲电极13的活泼性大于第一电极12和第二电极14的活泼性即可。示例性地，牺牲电极13为铝板或铁板。这样在电解的过程中，牺牲电极13溶出的铝离子或铁离子及其水解产物，能够去除污泥混合液中的氮、磷、胶体和难降解大分子物质，促进混合液中小颗粒絮凝形成较大的颗粒，减少污染物对膜孔的堵塞，提闻混合液的过滤性能。[0040]还需要说明的是，与将铝板或铁板直接作为阳极的方式相比，上述技术方案中，将铝板或铁板仅作为牺牲电极13,对铝板或铁板进行电解，释放铝离子或铁离子的方式更加温和，可以有效防止由于长期电解导致大块的铝块或铁块从牺牲电极13上脱落的现象，达到节约成本的目的。[0041]类似地，在实际中，第一电极12和第二电极14的材料选择上可以有多种，只要确保第一电极12和第二电极14的活泼性均小于牺牲电极13的活泼性。可选地，第一电极12和第二电极14均为析氧电极。这里，析氧电极是指该电极附近能够生成氧气的电极。这样设置可以增加处理池11内的溶解氧，增强微生物的代谢活性，还可以对处理池11内的液体起到扰动作用，提高污水处理效率。示例性地，第一电极12和第二电极14为钛基体钌铱涂层电极或钛基体二氧化锰涂层电极。其中，钛基体钌铱涂层电极是指通过在钛基体包覆钌铱涂层而形成的电极。类似地，钛基体二氧化锰涂层电极指通过在钛基体包覆二氧化锰涂层而形成的电极。这样设置可以增大氧氯差，抑制阳极Cl2的生成，削弱Cl2对微生物的毒害作用。其中，“增大氧氯差”，意思指:扩大析氧和析氯两个反应的过电位的差别，即尽力减小析氧反应的过电位，增大析氯反应的过电位。此外，由于阳极不仅具有氧化作用，而且还能够产生大量的氧气，增加了处理池11内的溶解氧，增强微生物的代谢活性，还可以对处理池11内的液体起到扰动作用，提高污水处理效率。[0042]图2为图1中电化学膜生物污水处理器工作阶段的示意图。参见图丨和图2,该电化学膜生物污水处理器工作阶段M包括第一阶段A和第二阶段B。沿时间顺序，第一阶段A和第二阶段B交替排列。第一阶段A内，第一电极I2的电位高于第二电极14的电位，此时第一电极12为阳极，第二电极14为阴极。第二阶段B内，第二电极12的电位高于第一电极14的电位，此时第二电极14为阳极，第一电极12为阴极。设置第一阶段A和第二阶段B交替排列可以防止电极包括第一电极12和第二电极14钝化，增加电流效率，而且还可以使得电极间的电场方向发生变化，对膜污染具有减缓作用，延长膜组件15的使用寿命。[0043]可选地，为了使得本申请提供的电化学膜生物污水处理器的污水处理效率更高，第一电极12、牺牲电极13和第二电极14均为平板状，且第一电极12、牺牲电极13和第二电极14所在平面均与第一方向（图1中X轴方向）垂直。[0044]在上述技术方案中，可选地，膜组件lf5为平板膜或帘式中空纤维膜。进一步地，为了使得模组件15具有较佳的过滤性能，膜组件15中膜为微滤膜或超滤膜。[0045]可选地，继续参见图1，该电化学膜生物污水处理器还包括支撑组件2〇，该支撑组件20与模组件15、第一电极12、牺牲电极13和第二电极14均相连，以对模组件15、第一电极12、牺牲电极13和第二电极14的位置进行固定。[0046]实施例二[0047]图3为实施例二提供的电化学膜生物污水处理器的结构示意图。与实施例一相比，本实施例还包括曝气模块。具体地，参见图3，该电化学膜生物污水处理器中，曝气模块17包括导气管in和输气单元I72。导气管in—端与输气单元172的气体输出端连接，另一端伸入到处理池11中。通过在电化学膜生物污水处理器中设置曝气模块17,可以在气流的作用下，对处理池11内的液体提供扰动作用并增加处理池11内的溶解氧，不仅有利于使处理池内的液体充分发生电絮凝反应，并且促使处理池11内的液体与微生物充分接触，以提高污水处理效率。[0048]可选地，该输气单元172为鼓风机或空气压缩机。[0049]为了使得气体对处理池内的液体扰动更加显著，参见图3,可选地，导气管171伸入到处理池11中液体内的部分有多个开口1711，以使处理池11内不同位置都能受到气体的扰动。进一步地，还可以在导气管m和输气单元172之间设置气体流量计173,这样可以帮助工作人员通过气体流量计173所反应的数据判断当前处理池11内气体对液体的扰动情况。[0050]继续参见图3，可选地，该电化学膜生物污水处理器还可以包括清水排出模块18;该清水排出模块1S包括清水池181以及第一导流管182。第一导流管182—端伸入到清水池181内，另一端伸入到处理池11内并与膜组件15连接。这样设置可以使得经过处理的污水即清水流入到清水池181内，有助于清水的回收、循环利用。[0051]可选地，该清水排出模块18还可以包括水质检测单元，用于检测清水的水质参数。这样设置可以在水质参数达标的情况下，将经过处理的污水（即清水）回收至清水池181，有助于清水的循环利用，以将污水对河道或湖泊等的污染降低到最低。其中，水质参数包括生化需氧量，氨氮、硝酸盐、总磷以及不可生物降解的有毒物质含量等指标。[0052]可选地，继续参见图3,该电场强化膜生物污水处理器还可以包括跨膜压差（TMP检测单元183。该跨膜压差TMP检测单元183与膜组件15相连，用于对膜组件15的透过性能进行检测。[0053]继续参见图3,可选地，还可以在水质检测单元183和第一导流管182之间设置液体流量计185,这样可以帮助工作人员通过液体流量计185所反应的数据判断当前清水从处理池11排出速度。[0054]继续参见图3,可选地，该电化学膜生物污水处理器还可以包括原水供应模块;原水供应模块包括原水箱191和第二导流管192。第二导流管192—端伸入到原水箱191内，另一端伸入到处理池11内，以根据处理池11污水处理情况及时向处理池11注入原水。这里“原7JC”是指未经净化处理的污水。[0055]可选地，该原水供应模块还可以包括液位调节单元193,液位调节单元193连接于原水箱191和第二导流管192之间，以调节处理池11内液位的高度，以使处理池11中污水量为处理池11所能处理的最大量，进而提高污水处理效率。[0056]本实施例技术方案将电化学与膜生物反应器技术进行一体化组合，不但能够缩短污水处理工艺流程，降解难生物降解的有机物，深度净化水质，而且还能够实现完全自动化运行，具有良好的协同效应。通过电化学作用调控污泥性质，优化膜组件过滤性能，在电场、混凝、氧化以及微生物消化吸收等多种复合作用下不仅能够减缓膜组件污染又可以提升膜组件出水水质。[0057]本实施例提供的电化学膜生物污水处理器对于不同种类的污水，可以根据污泥混合液特性、絮体形态以及其与膜表面的响应关系，确定反应装置的最佳反应条件，对污水进行净化处理。[0058]下面结合图3,对该电化学膜生物污水处理器的调试方法进行详细说明，但不构成对本申请的限制。具体地，参见图3，该电化学膜生物污水处理器的调试方法包括：[0059]首先，启动供电模块16,运行电化学膜生物污水处理器，其中，处理池11内电流密度的取值范围为l_300Acm2,电场强度的取值范围为5-300Vm，处理池11内压力的取值范围为30-100kPa。[0060]需要说明的是，在实际污水处理的过程中，原水的条件（即原水的水质参数不同，对其进行处理时，电流密度和电场强度的取值不同。在实际进行污水处理时，可以根据原水的条件具体设定。[0061]其次，间隔设定时间，对污泥特性进行检测以及处理池11内水质参数进行检测，直至处理池11内水质达到排放标准。其中，污泥特性包括污泥的形貌、密实度等。检测参数包括生化需氧量，氨氮、硝酸盐、总磷以及不可生物降解的有毒物质等含量，混合液悬浮固体浓度mixedliquidsuspendedsolids，MLSS，溶解性微生物产物（SolubleMicrobialProduct，SMP以及污泥体积指数SVI。[0062]最后，记录各项参数，记入设备运行维护记录本。[0063]本实施例的技术优势包括：[OOM]第一、电极极板间形成的电场能够产生电催化作用，激活或增强某些酶的活性，刺激细胞生长，调节微生物代谢，从而有效地改善污泥混合液的性能。[0065]第二、在电场的作用下，带电污染物在电场中运动，并与牺牲电极电解的金属阳离子发生絮凝反应，促进混合液中小颗粒絮凝形成较大的颗粒并在膜组件的表面堆积，形成疏松多孔的极化滤饼层，从而有利于减缓膜组件污染。并且阴极处电解产生的气体能够对膜组件表面起到清洗的作用，有利于进一步减缓膜组件污染。[0066]第三、牺牲电极电解阳离子的絮凝作用可以去除污水中硝酸根、磷酸根、生化需氧量，进一步提升MBR出水水质。此外，絮凝作用可改善污泥结构，使污泥的沉降性变好，可以防止污泥膨胀。[0067]第四、由于在阴极附近有氢气产生，可以形成局部的缺氧环境，促进反硝化细菌的反硝化作用，进而进一步促进对硝态氮的去除。在阳极附近，电解产生大量的氧气，会增加了阳极附近区域的溶解氧，提高微生物的代谢活性，提高污水处理效率。而且阳极还可以将复杂的污染物氧化分解或转化成易生物降解的物质，进一步提升出水水质。[0068]第五、本申请提供的电化学膜生物污水处理器集合程度高，占地面积小、无需外加药剂、无二次污染。相对于膜生物反应器与其它技术结合的装置，在达到相同出水水质的条件下，投资以及运行成本比较低。与现有的污水处理器相比，在达到相同出水水质的条件下，其可节省至少50%的占地空间、约30%-50%的投资成本。[0069]注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

权利要求：1.一种电化学膜生物污水处理器，其特征在于，包括：处理池；设置于所述处理池内沿第一方向依次排列的第一电极、牺牲电极和第二电极，所述牺牲电极的活泼性大于所述第一电极和所述第二电极的活泼性；设置于所述处理池内的膜组件，所述膜组件设置于所述第一电极和所述牺牲电极之间，和或，所述膜组件设置于所述牺牲电极和所述第二电极之间；供电模块，与所述第一电极和所述第二电极电连接。2.根据权利要求1所述的电化学膜生物污水处理器，其特征在于，所述牺牲电极为铝板或铁板。3.根据权利要求1所述的电化学膜生物污水处理器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为析氧电极。4.根据权利要求3所述的电化学膜生物污水处理器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为钛基体钌铱涂层电极或钛基体二氧化锰涂层电极。5.根据权利要求3或4所述的电化学膜生物污水处理器，其特征在于，所述电化学膜生物污水处理器工作阶段包括第一阶段和第二阶段；沿时间顺序，所述第一阶段和所述第二阶段交替排列；所述第一阶段内，所述第一电极的电位高于所述第二电极的电位；所述第二阶段内，所述第二电极的电位高于所述第一电极的电位。6.根据权利要求1所述的电化学膜生物污水处理器，其特征在于，所述膜组件为平板膜或帘式中空纤维膜。7.根据权利要求1所述的电化学膜生物污水处理器，其特征在于，还包括曝气模块；所述曝气模块包括导气管和输气单元；所述导气管一端与所述输气单元的气体输出端连接，另一端伸入到所述处理池中。8.根据权利要求1所述的电化学膜生物污水处理器，其特征在于，还包括清水排出模块；所述清水排出模块包括清水池以及第一导流管；所述第一导流管一端伸入到所述清水池内，另一端伸入到所述处理池内并与所述膜组件连接。9.根据权利要求1所述的电化学膜生物污水处理器，其特征在于，还包括原水供应模块；所述原水供应模块包括原水箱和第二导流管；所述第二导流管一端伸入到所述原水箱内，另一端伸入到所述处理池内。^10.根据权利要求9所述的电化学膜生物污水处理器，其特征在于，所述原水供应模块还包括液位调节单元；所述液位调节单元连接于所述原水箱和所述第二导流管之间，以调节所述处理池内液位的高度。

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