膜过滤耦合单室斜板多阳极剩余污泥微生物燃料电池装置

摘要

本发明提供了一种膜过滤耦合单室斜板多阳极剩余污泥微生物燃料电池装置，属于环境工程技术领域。装置底部为厌氧区污泥，碳毡阳极置于厌氧区污泥中，中部放置斜板阳极，碳毡阳极和斜板阳极通过导线相连构成多阳极；碳毡阴极悬浮在上清液中，上层暴露在空气中作为空气阴极；阳极和空气阴极通过外接电线相连并且连接一个外电阻，中空纤维膜组件放置在上清液中，靠近阴极位置。该电池增设的斜板阳极能增加阳极面积，充分利用沉淀池中部丰富有机质，提高产电效能，有效阻止污泥上浮，减缓膜污染。阳极产电菌能利用沉淀池底部和中部的有机物，减少沉淀池剩余污泥的同时产生额外电能，缩减剩余污泥处理、运输及填埋的费用，产生的电能可存储和利用。

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及剩余污泥处理及中水回用技术，特别涉及应 用单室斜板多阳极微生物燃料电池同步实现污泥减量化和能源回收，并完成膜过滤的剩余 污泥及污水处理方法。

背景技术

目前，世界上超过90％的城市污水处理厂釆用活性污泥法或者生物膜法，在处理 过程中产生大量的剩余污泥。现有污水处理厂处理污泥常用做法是经浓缩、脱水和稳定化 后再用于填海、焚烧或土地利用等。但污水处理厂污泥量大、含水率高、成分复杂且易腐烂， 污泥处理过程能耗高、投入大，导致大量未经处理的污泥任意堆放或简单填埋，不但对环境 造成污染，还浪费污泥中的有用资源。剩余污泥有机物含量高，是一种潜在的生物质能源， 可采用厌氧消化工艺从污泥中提取生物质能产生沼气后用于发电。但消化池需要控制温度 范围在30-35℃，能耗较高，而且沼气转化成电能过程中存在较高的能量损失。所以，在常温 常压条件下，直接从污泥中利用有机质产电，将是一种更为有效的能源利用方式。

剩余污泥微生物燃料电池(SMFC)能够直接从剩余污泥中提取生物质能，单室运 行，无需质子交换膜，在产生电能的同时完成污泥减量。SMFC的阳极通常浸没于在反应器底 部的污泥中，阴极置于反应器上部上清液中。产电微生物将氧化沉积物中的有机物所产生 电子传递到阳极，电子通过外电路到达阴极，与阴极区溶解氧和从阳极区传递到阴极的质 子结合生成水，从而将有机污染物去除和能量回收同步完成。因此若将剩余污泥微生物燃 料电池与沉淀池结合，则可以在常温常压条件下，减少剩余污泥产量并产生电能。

SMFC的阳极通常置于底部，但在沉淀池的中部也有丰富的生物质能。同时沉淀池 的主要功能是在污水处理厂生物处理单元后用于固液分离，斜板沉淀池利用浅池理论可以 提高固液分离效率和效能。如果利用沉淀池底部厌氧环境，依据剩余污泥微生物燃料电池 产电原理对沉淀池进行改造，并根据浅池理论在沉淀池设置斜板阳极，则可同步完成污泥 固液分离、减量化并同时利用沉淀池底部及中部有机质产能，可望大幅度降低剩余污泥处 理复杂性，减少污水处理厂占地面积、投资以及运行成本。

二沉池出水水质通常无法满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918- 2002)一级A标准，城市污水处理厂需另设深度处理工艺。膜过滤技术可提供可靠优良出水 水质，但膜污染会降低产水效率，增加操作复杂度。在由二沉池改造的剩余污泥微生物燃料 电池阴极设置膜组件过滤出水，将不仅可提高出水水质，还可以利用阴极排斥荷负电活性 污泥，可以有效减轻膜污染，延长膜组件使用寿命，减少维护费用。

发明内容

本发明目的是设计膜分离耦合单室斜板多阳极微生物燃料电池，同步完成污水处 理厂污泥固液分离、减量化并产能，同时提高沉淀池出水水质。在沉淀池底部污泥中设置碳 毡阳极，利用污泥中有机质产电；沉淀池中部设置斜板阳极，提高沉淀效率的同时，利用上 清液有机质产电。在沉淀池液面设置阴极，阴极附近安置膜过滤组件，提高沉淀池出水水 质，且借助阴极对于荷负电污染物的排斥作用，以及斜板的阻挡作用，能够阻止部分污泥颗 粒上浮，都可以减轻膜污染。

斜板多阳极微生物燃料电池是由浅池理论设计的斜板沉淀池进行升级改造的。斜 板沉淀池可显著提高沉淀效率，板距为30-50mm的上向流斜板沉淀池，其理论效率可达平流 沉淀池的7-10倍，因为斜板之间的水流为层流状态，即水力半径小，更利于沉淀分离。本发 明中的斜板阳极不仅可以增加沉淀效率，还能够增加阳极面积，利用沉淀池中部丰富有机 质，提高产电效能并有效阻止污泥上浮，提高出水水质。同时斜板阳极利用板面沉积物产 电，还同步解决斜板表面积泥问题，避免斜板间堵塞阻碍水流和质子传递。

沉淀池出水水质已经无法满足越来越严格的水质标准。膜生物反应器借助膜过滤 可以获得可靠的出水水质，但膜组件置于活性污泥中，膜污染严重，需要频繁的反冲洗或者 曝气冲刷，能耗较高。本申请中，膜组件安置在靠近阴极位置，借助阴极的负电性排斥荷负 电活性污泥，可有效减轻膜污染。同时在沉淀池中安装的斜板阳极可以有效阻挡污泥颗粒 上浮，也可以减轻膜污染，因此在不增加能耗的条件下，有望获得稳定可靠的出水水质。

本发明的技术方案：

一种膜过滤耦合单室斜板多阳极剩余污泥微生物燃料电池装置，膜过滤耦合单室 斜板多阳极剩余污泥微生物燃料电池装置底部为厌氧区污泥2，碳毡阳极3置于厌氧区污泥 2中，中部放置斜板阳极4，碳毡阳极3和斜板阳极4通过导线相连构成多阳极；碳毡阴极9悬 浮在上清液中，上层暴露在空气中作为空气阴极；阳极和空气阴极通过外接电线7相连并且 连接一个外电阻6，中空纤维膜组件10放置在上清液中，靠近阴极位置。

所述的斜板阳极4以60°角倾斜布置。

污水处理厂曝气池排出污泥混合液，经简单稳定后，从单室斜板多阳极剩余污泥 微生物燃料电池斜板阳极底端附近进入。污泥混合液上向流经斜板阳极，斜板阳极促进污 泥沉淀并阻挡较轻污染物上浮，使大部分污泥沉淀至电池底部，底部厌氧区的阳极表面附 着产电菌，利用沉淀污泥中的有机物作为阳极燃料，产电的同时完成污泥减量。除沉淀污泥 外，其余混合液流经斜板阳极的过程中，斜板阳极进一步提取混合液中生物质能，减少混合 液中有机物并产生电能。由产电菌产生的电子传递到阳极并通过外电路传递到空气阴极， 与阴极区溶解氧和从阳极区传递到阴极的质子结合生成水。上清液经膜组件过滤后，进入 膜组件空腔，抽吸出水。

本发明的效果和益处：

(1)本申请设计的膜分离耦合单室斜板微生物燃料电池可以用于城市生活污水处 理厂沉淀池的改造，使其具有剩余污泥处理和资源化的能力。阳极产电菌能够同时利用沉 淀池底部和中部的有机物，减少沉淀池剩余污泥的同时产生额外电能，缩减剩余污泥处理、 运输及填埋的费用，产生的电能可以存储和利用。

(2)本申请设计的膜分离耦合单室斜板微生物燃料电池中的斜板阳极可以提高沉 淀效率并有效阻止污泥颗粒上浮，提高上清液水质，有效地减轻膜污染；同时膜组件靠近阴 极，阴极附近电场排斥作用也能够减轻膜污染。

(3)本申请设计的膜分离耦合单室斜板微生物燃料电池中的中空纤维膜组件可为 整个系统提供优良稳定的出水水质，出水可直接回用。解决了沉淀池出水水质差的问题，缩 减了污水处理厂深度处理出水的费用。

(4)本申请设计的膜过滤耦合单室斜板微生物燃料电池改造后的沉淀池结构简 单，维护方便，设备使用寿命长，具有较高的应用潜力和实用价值。

附图说明

附图是膜过滤耦合单室斜板多阳极微生物燃料电池示意图。

图中：1进泥口；2厌氧区污泥；3碳毡阳极；4斜板阳极；5导电钛丝；6外接电阻；7外 接电线；8监控计算机；9碳毡阴极；10中空纤维膜组件；11出水管；12真空泵；13出水槽。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例

一种膜分离耦合单室斜板多阳极剩余污泥微生物燃料电池，模拟装置长226mm，宽 200mm，高250mm，底部厌氧区有厌氧污泥，上面直接暴露到空气中，阳极碳毡置于厌氧区污 泥中，长200mm，宽180mm，面积为360cm²。斜板阳极碳毡，长200mm，宽100mm，共有四个斜板以 60°斜置在装置中部，水平间距为50mm，垂直间距为43mm。中空纤维膜组件放置在上清液中， 在膜组件的上方，放置一个碳毡阴极在液面，上面暴露在空气中作为空气阴极，长200mm，宽 90mm，有效面积为180cm²。

活性污泥从单室斜板多阳极剩余污泥微生物燃料电池底部进泥口1进入厌氧区污 泥2中，向上流经过斜板阳极4，污泥中及中部混合液中的有机物在底部阳极和斜板阳极表 面被产电菌降解并产生电子通过外电路经过外接电阻6到达碳毡阴极9，产生的H⁺随着水流 到达空气阴极与氧气结合生成水，产生的电压通过电压表和监控计算机8测量和记录。上清 液进入中空纤维膜组件10空腔，抽吸出水，通过出水管11最终流到出水槽13。