专利名称：一种利用弱电场提高膜的抗污染性能和通量的方法
技术领域：
本发明属于膜生物反应器(MBR)技术领域。涉及到利用微弱电场和负极的负电荷 对膜污染物产生排斥力减缓和控制膜污染、利用电场强化微生物的代谢以及利用微生物燃 料电池产生的弱电。具体涉及到利用MBR中膜污染物大多带负电荷的特点和同性相斥的原 理，在膜组件内放置阴极或直接利用导电膜作阴极，施加弱微电场，负极对污染物产生排斥 作用，延缓滤饼层的形成，控制膜污染。由于所施加电压较低，可利用微生物燃料电池对反 应器进行供电，具有节能和强化水处理效果和性能的特点。同时，微弱电场影响微生物代谢 活性和组成，提供了提高水处理效果的新方法和新方向。
背景技术：
MBR广泛用于分离、水处理、生物制药等。用于水处理中时，因其污泥停留时间长、 占地面积小、操作简便以及自动化程度高而备受关注。在水处理中的应用和市场正逐年扩 大。大规模应用的瓶颈因素已由膜成本转变为膜污染。为保持一定的通量水平和维持正常 运行，必须花费大量能源和药剂以消除膜污染的负面影响。这也意味着减轻膜污染可以延 长正常操作周期，减少停机进行膜清洗频率，可以显著提高水处理行业的效率，实现更高层 次上的节能减排。MBR膜污染成因和减缓控制研究众多，且因未从根本上解决膜污染问题，这一领域 仍是研究热点。关于MBR膜污染成因，人们一致认为胞外聚合物(EPS)、微生物以及一些无 机盐为主要的膜污染物。EPS主要包括蛋白质、多糖以及核酸。EPS和微生物大多带负电荷。 这些污染物在膜面形成滤饼层或者在膜内造成孔的堵塞，造成膜出水通量下降。除此而外， 膜污染还和无机垢沉淀有关。消除膜污染恢复通量的方法主要有物理清洗和化学清洗。物理清洗主要包括膜面 清洗和反冲洗，这种方法消耗产水，且难以进行较为彻底的清洗；化学清洗一般在物理清洗 之后，有酸洗、碱洗以及次氯酸钠等药剂清洗等，原位加药也有采用，这种方法难以进行，且 有可能造成二次污染；减缓膜污染的方法有曝气、震荡、旋转等物理方法，以期减少污染物的吸附沉积。 也有采用操作条件优化、药剂投加、施加电场、超声、进行膜组件优化等方法。操作条件的优 化对膜污染的控制十分有效，尤其是曝气强度和水力停留时间对膜污染的速度影响较大， 遗憾的是MBR种类和规模各异，迄今为止尚无统一的规律和模型来指导操作条件的优化； 药剂投加主要是指各种絮凝剂的投加，增大絮凝颗粒，这种方法无疑会增加处理成本和污 泥排放；施加电场控制膜污染则具备原位控制、自动化程度高、普适性好的优点，因此已渐 渐成为研究热点，但也有增加能耗之嫌。现有的报道一般均采用较高的电场强度，这在倡导 节能减排的今日，使之可行性和经济性大大下降。研究表明在外加电场(20V/cm)作用下，中空纤维膜组件表面滤饼层厚度减 少(Jun-Ping Chen et.al.Study of the influence of the electric field on membraneflux of a new type of membrane bioreactor. Chemical EngineeringJournal. 2007.)。将电场应用在分置式MBR中也能较好地保持膜通量，且膜孔小有利 于膜通量的恢复，间歇性地供电同样有效(Kazuki Akamatsu et. al. Development of a novelfouling suppression system in membrane bioreactors using an intermittent electricfield. water research. 2010.)。将电极直接置于MBR中，对中空纤维膜进行研 究发现污泥Zeta电位增大，污泥表面胶体形态变好，过滤能力提高(Khalid Bani-Melhem et. al. Development of a Novel Submerged Membrane Electro-Bioreactor(SMEBR) Performance for Fouling Reduction. Environ. Sci. Technol. 2010.)。作者认为电场的 作用主要是电絮凝和电沉降，在电场作用下胶体颗粒变大，不容易阻塞膜孔，从而减少膜污 染。上述研究所施加的电压均较大，这不利于微生物的生长和节约能耗。因为弱电场下效 果甚微，还没有人进行研究。关于电场对微生物的影响、水处理能力的影响研究也较少。适应电场的微生物经驯化后，在电场的作用下代谢能力得到提高，因此本发明在 控制膜污染的同时也直接刺激了微生物的代谢，强化了其处理一些污染物的能力。本发明改变了阴极的位置，将其置于膜之后或直接使膜导电作为阴极，使其对污 泥产生的斥力直接穿过膜而实现，这样可以对膜污染控制起到直接作用，也就必然可以减 少所施加的电压，本发明所采用的电压小于0.5V，仅为0.2V也产生明显效果。而该电压完 全可以利用微生物燃料电池对反应器进行供电，这无疑完全消除了能耗提高的疑虑，同时 微生物燃料电池也能处理部分污水，这必然形成一举多得的局面。
发明内容
本发明的目的是利用微弱的电场对MBR膜污染进行原位高效的控制。而以取自 导线中的铜丝作为阴极，以不锈钢作为阳极则打破了电极选材的束缚，为该发明的应用节 省了成本；微电场的应用则显著降低了能耗，消除了能耗高的疑虑。本发明的技术方案是该膜生物反应器包括一般膜生物反应器的都有的进水及水 位控制系统、出水系统、曝气系统、电场供应系统。而关键部分是改进的弱电场施加方法和 装置及其与膜组件的有机耦合。电场可用直流稳压电源或者微生物燃料电池供给。施加弱 电场电压小于0. 5V，场强小于0. 2V/cm.为避免过度抽吸导致膜污染过快，本发明采用间歇出水，同时保持电场施加的开 停比与抽吸出水的开停比一致，在抽吸时阴极的斥力同时起作用以避免滤饼层过快形成； 停止抽吸时电场消失，曝气能使膜面吸附的带正电的物质被冲刷，从而避免形成双电层。本发明通过在膜面后施加电场或使用导电膜上直接施加电场，以便直接排斥污染 物，以控制和减缓膜污染。由于电场直接作用在膜上或膜面附近，所使用的电压和电场强度 较小，结果表明在弱电场下膜污染得到了较好的控制，表现为通量下降速度和跨膜压力上 升速度均较为缓慢。维持了较高的通量水平和较长的运行周期。本发明的效果和益处是操作简便，可直接对现有反应器进行改装，微电场的施加 则对能源的消耗低，使用污水处理或污泥处理的微生物燃料电池则完全避免了外加能耗， 变废为绿色能源、更提供了提高水处理效率的便利。
图1是微电场控制膜污染对照运行MBR示意图。
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图2是内置电极板式膜组件拆解图。图3是是否施加弱电场时MBR跨膜压力变化对照图。图4是是否施加弱电场时MBR出水通量变化对照图。图中1高位水箱；2带球阀的液位控制水箱；3出水蠕动泵；4真空表；5不锈钢网 阳极；6内置电极板式膜组件或导电膜组件；7直流电源或微生物燃料电池；8普通板式膜 组件；9曝气泵；10气体流量计；11曝气头；12内含细铜丝的导线(阴极)；13膜组件出水 管；14紧固螺栓；15密封框；16无纺布膜；17板式膜组件支撑体；A施加电场的反应器；B未 施加电场的反应器。图3是有无微电场作用时跨膜压力变化图，横坐标为反应器运行时间(单位 天)，纵坐标为跨膜压力(MPa)；图4则为有无微电场作用时膜通量变化图。横坐标为时间 (单位天)，纵坐标为膜通量(L/(h*m2))的变化情况。圆圈符号 表示未施加电场的反应 器的跨膜压力和膜通量的变化情况；四方符号·表示施加电场的反应器的跨膜压力和膜通 量的变化情况。从图中可以明显发现在使用内置阴极的板式膜组件时，弱电场对MBR膜通 量的衰减和跨膜压力的增加有显著抑制作用。
具体实施例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1MBR系统含有常见的进水和水位控制系统(高位水箱和平衡水箱)，高位水箱储 水，平衡水箱通过球阀控制反应器中的液面，进水为人工模拟废水。出水系统采用蠕动泵抽 吸出水，在蠕动泵前端安置真空表以监测膜组件跨膜压力。曝气系统采用空气曝气机进行 曝气，气体流量采用气体转子流量计控制。膜组件施加弱电场方法如图2所示，将内含铜丝的导线13剥去适当长度的绝缘 外皮，将裸露的铜丝均分两份置于板式膜组件支撑体18两侧，用紧固螺栓15将密封框16 和无纺布膜17紧固，无内置电极的膜组件与有电极的膜组件组装方式一致。将组装好的内 置电极膜组件置于反应器A，无内置电极的膜组件置于反应器B以作对照。反应器的运行如图1所示，在高位水箱1中储存进水，进水经过带球阀的平衡水箱 2流入反应器A、B并控制其液位恒定。打开曝气系统的曝气泵9，利用气体流量计10调节 气体流量。启动出水系统，即开启蠕动泵3，调节其转速至适当值，跨膜压力通过真空表4读 数监测，通量则采用量筒接取一次抽停周期的出水进行计算。电场和出水开停时间由定时 开关12控制。施加电场为0.2V。观测到的MBR中的跨膜压力上升和通量下降趋势见附图 3及图4。说明弱电场显著提高了膜的抗污染性能，提高了膜通量，并保持了较长的过滤周 期。实施例2用自身导电的膜材料如聚苯胺复合膜材料作阴极，即将无纺布膜与导电聚合物聚 苯胺复合，将该膜置于板式膜组件中并接入电源的负极，使膜同时具备过滤和施加电场作 负极的能力。其余实施步骤如实例1所述。获得了与实施例1同样显著的减缓膜污染和提 高通量的效果。实施例3
由于该发明所需电压较小，微生物燃料电池完全可以满足发明所需电压，因此将 直流电源更换为微生物燃料电池进行供电，其余实施方式如实例1所示。微生物燃料电池 的使用将完全避免能耗的提高，且微生物颜料电池可理利用部分污泥、部分污水中的物质 和能量。其提高膜抗污染性能和通量的效果与实施例1相似。实施例4电场在控制膜污染的同时强化了微生物的代谢，根据实例1进行的操作可以同时 强化微生物的代谢活性，提高了水处理能力，如提高脱氮除磷能力10% -40%。
权利要求
一种利用弱电场提高膜的抗污染性能和通量的方法，其特征在于利用膜组件内置阴极电极或者在导电膜上直接施加弱电场的方法，增加膜面附件的电场和负电荷，利用同性相斥原理排斥膜生物反应器中的EPS胞外聚合物和微生物、减缓污染物沉积、提高膜的抗污染能力，其特征在于a)施加电场的阴极电极置于膜组件内部，施加电压小于0.5V；b)使用膜材料具有导电性质时，膜直接作施加电场的负极，施加电压小于0.5V；c)电场是由直流电源提供的或者是由微生物电池提供的；d)该弱电场以间歇方式施加。
全文摘要
一种利用弱电场提高膜的抗污染性能和通量的方法，属于膜生物反应器(MBR)技术领域。其特征是利用同性相斥原理，在膜面附近施加弱负电场增加对这些污染物的排斥作用，将膜污染物推离膜表面，因此具有延缓滤饼层形成，增加膜抗污染性能，提高通量、延长过滤运行周期的效果。该发明具体做法是将置于板式膜组件中的导电铜丝作阴极，或者直接将微弱负电场施加在具有导电性质的膜材料上。本发明的效果和益处是能耗低，无需施加高强度电场，间歇操作。显著影响微生物组成与代谢特性，并对其水处理能力产生影响。该发明实施简便，可利用废水污泥微生物燃料电池供电，避免了外加能耗，提高水处理能力，因此极具应用潜力。
文档编号C02F3/10GK101941759SQ20101025959
公开日2011年1月12日 申请日期2010年8月16日 优先权日2010年8月16日
发明者刘嘉栋, 杨凤林, 柳丽芬, 高波 申请人:大连理工大学