一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法

本发明涉及膜法水处理，具体为一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法。

背景技术：

1、沼液是畜禽粪便及养殖废水经厌氧消化后产生的液态副产物，通常具有悬浮物和溶解性有机物浓度高、氨氮浓度高、碳氮比低、水质波动大等特点，同时含有氮、磷、钾及多种植物生长所需元素。未经处理或超过土地承载能力直接还田，容易引起土壤板结、盐碱化、地表水富营养化及地下水污染；而集中运输、长期储存和深度处理又会增加运行成本。

2、现有沼液处理方式主要包括自然处理、直接还田、生化处理和膜浓缩。自然处理占地面积大且受季节影响；直接还田存在施用时空不匹配和环境风险；传统活性污泥或膜生物反应器通常需要较高曝气能耗、反冲洗和化学清洗；纳滤或反渗透虽可获得较高截留率，但运行压力、膜污染和浓缩液处置成本较高。

3、重力驱动膜生物反应器采用低静水压力过滤，膜表面形成具有截留和生物降解功能的生物滤饼层，可在较低能耗和较少维护条件下长期运行。然而，沼液中高浓度有机物、胶体、悬浮颗粒及胞外聚合物容易在膜表面和膜孔内累积，使滤饼层逐渐致密，导致可逆阻力和不可逆阻力增加，稳定通量降低。若通过混凝、吸附或强曝气进行控制，会增加前处理单元、药剂消耗和能源消耗，削弱gdmbr适用于分散式沼液处理的优势。电场强化膜生物反应器能够通过电泳、电迁移、静电排斥和温和电化学反应改变污染物的迁移、絮凝和黏附行为，并调节微生物代谢与胞外聚合物分泌。但现有电化学膜反应器多采用较高电压、电流密度、曝气或牺牲电极，结构复杂且能耗和维护要求较高。因此，需要开发一种电压低、结构简单、无需连续曝气和频繁清洗，并能够兼顾沼液污染控制、提升通量与氮磷资源保留的新型处理技术。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有gdmbr处理高有机负荷沼液时生物滤饼层易致密化、稳定通量偏低、膜污染严重，以及传统电化学膜技术能耗较高、运行单元复杂和氮磷养分易损失等问题，特此提出了一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法。本发明通过低电压直流电场与超滤膜、生物滤饼层的协同作用，在维持低压重力过滤的同时降低膜表面颗粒黏附和eps累积，提升生物活性及有机物和氨氮转化能力，并保留适宜比例的总氮和总磷。

2、本发明提出了一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法，其具体包括原水箱、若干沼液处理膜池、低压直流电源、若干膜-电极复合组件和若干集水瓶；原水箱和沼液处理膜池连通，沼液处理膜池内部设置有若干膜-电极复合组件，膜-电极复合组件和低压直流电源连接；膜-电极复合组件包括框架，框架左右两侧均设置有一个膜-电极结构，框架和集水瓶连通；膜-电极结构包括阴极电极、超滤膜和阳极电极，阴极电极和阳极电极平行设置于超滤膜两侧，阴极电极固定在框架上；阴极电极和低压直流电源负极连接，阳极电极和低压直流电源正极连接。

3、更进一步地，所述膜-电极结构还包括加固构件，阳极电极固定在加固构件上。

4、更进一步地，所述原水箱和沼液处理膜池之间设置有供水泵。

5、更进一步地，所述沼液处理膜池底部设置有排泥口，顶部设置有进水口。

6、更进一步地，还包括水质检测单元，水质检测单元检测沼液处理膜池内水质。

7、更进一步地，还包括氧气供给单元，氧气供给单元包括曝气泵、曝气盘和供气管，曝气盘设置于沼液处理膜池内部，曝气盘通过供气管和曝气泵连接。

8、更进一步地，所述曝气盘设置于膜-电极复合组件下方。

9、更进一步地，所述阴极电极采用100目钛网，阳极电极采用不锈钢板。

10、更进一步地，所述超滤膜材质为聚醚砜。

11、一种采用上述的弱电场强化的重力驱动膜生物反应器的处理方法，包括以下步骤：

12、步骤一、将厌氧消化沼液经筛网过滤，去除杂质；根据原水浓度进行稀释或均质；

13、步骤二、将预处理后的沼液送入沼液处理膜池，维持液位稳定，使超滤膜两侧形成重力驱动所需的静水压力差；

14、步骤三、启动低压直流电源，在阴极电极与阳极电极之间施加0.2～0.6 v直流电压；

15、步骤四、利用静水压力使沼液透过超滤膜；超滤膜截留颗粒物、胶体及微生物，并在膜表面逐渐形成生物滤饼层；

16、步骤五、控制反应器溶解氧，不设置持续曝气；当溶解氧浓度过低或通量过低时，开启曝气，运行期间不进行膜反冲洗和化学清洗；

17、步骤六、经膜过滤和生物滤饼层降解后的产水流入集水瓶；根据农业灌溉或后续养分回收需要，对产水中的cod、doc、氨氮、硝态氮、亚硝态氮、总氮和总磷进行监测；

18、步骤七：当沼液处理膜池底部沉积物达到设定量或运行周期结束时进行排出；膜-电极复合组件在设定运行周期后进行离线维护。

19、本发明所述的一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法的有益效果为：

20、（1）本发明所述的一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法，低能耗过滤：膜产水主要由静水压力驱动，弱电场工作电压仅为0.2～0.6 v，优选0.4 v，不需要高压泵或持续膜抽吸。

21、（2）本发明所述的一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法，减轻膜污染并提高稳定通量：在0.4 v条件下，稳定通量达到0.799 ± 0.148 l·m-2·h-1，较未施加电压的对照系统提高39.8%；可逆阻力和不可逆阻力分别降低39.06%和67.38%。

22、（3）本发明所述的一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法，降低生物滤饼层厚度和污染物累积：0.4 v系统形成的滤饼层厚度显著低于0.2 v、0.6 v及未通电系统，滤饼层中孔隙和空腔结构增多；膜表面ex-eps多糖较对照组降低47.83%，smp及滤饼层中的蛋白质和多糖同步减少。

23、（4）本发明所述的一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法，强化生物活性和污染物去除：0.4 v系统滤饼层atp浓度达到103.57 ± 4.48 μmol·m-2，较对照提高68.80%；在运行稳定阶段，cod平均去除率达到56.70%，氨氮平均去除率达到88.60%，出水氨氮可稳定保持在2 mg/l以内。

24、（5）本发明所述的一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法，兼顾溶解性有机物控制：0.4 v系统在运行后期doc去除率可达到24.1%，优于未施加电压系统。

25、（6）本发明所述的一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法，保留农业养分：0.4 v系统总氮和总磷平均去除率分别约为27.32%和10.05%，即保留约72.68%的总氮和89.95%的总磷，并将部分氨氮转化为硝态氮，有利于处理水后续作为灌溉水或进行氮磷资源回收。

26、（7）本发明所述的一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法，简化运行维护：实验运行45 d期间不设置连续曝气，不进行膜反冲洗和化学清洗，适合农村户用沼气池及分散式养殖场沼液的低维护处理。

27、（8）本发明所述的一种弱电场强化的重力驱动膜生物反应器及处理方法，模块化扩展：膜-电极复合组件可根据处理规模并联或串联布置，便于增减膜面积及检修更换。