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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号(45)授权公告日(21)申请号201721652232.0(22)申请日2017.12.01(73)专利权人广州市环境保护工程设计院有限公司地址510115广东省广州市越秀区回龙路增沙街20号(72)发明人刘小平 阳重阳 曹姝文 许嘉辉 李锐敬 王文静 曾华洁 (74)专利代理机构广州粤高专利商标代理有限公司44102代理人禹小明(51)Int.Cl.C02F9/14(2006.01)(54)实用新型名称一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质传感的一体化装置(57)摘要本实用新型涉及一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质传感的一体化装置，所述一体化装置依次相邻设置有调节池、阳极室、阴极室和消毒池，所述调节池、阳极室和阴极室上方相连通；所述调节池和消毒池分别设置有进水管和出水管；所述阳极室内设置有石墨刷阳极，所述阳极室和阴极室之间设置有阳离子交换膜；所述阴极室内设置有MBR膜组件，所述MBR膜组件下方设置有曝气头，所述MBR膜组件出水通过泵抽至消毒池；所述一体化装置还设置有曝气设备，所述曝气设备与所述曝气头相连通；所述石墨刷阳极和MBR膜组件之间设置有固定电阻，所述固定电阻与传感器和PLC控制系统相连接。本实用新型提供的装置在有效解决膜污染问题的同时又能原位利用产生的电能进行水质监测。权利要求书1页说明书3页附图1页CN207862117U2018.09.14CN207862117U1.一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质传感的一体化装置，其特征在于，所述一体化装置依次相邻设置有调节池（4）、阳极室（6）、阴极室（8）和消毒池（12），所述调节池（4）、阳极室（6）和阴极室（8）上方相连通；所述调节池（4）和消毒池（12）分别设置有进水管（1）和出水管（18）；所述阳极室（6）内设置有石墨刷阳极（5），所述阳极室（6）和阴极室（8）之间设置有阳离子交换膜（7）；所述阴极室内设置有MBR膜组件（10），所述MBR膜组件（10）下方设置有曝气头（9），所述MBR膜组件（10）与消毒池（12）相连通；所述一体化装置还设置有曝气设备（13），所述曝气设备（13）与所述曝气头（9）相连通；所述石墨刷阳极（5）和MBR膜组件（10）之间设置有固定电阻（17），所述固定电阻（17）与传感器（15）和PLC控制系统（16）相连接。2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述进水管（1）上设置有调节阀（2）。3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述调节池（4）内设置有用于去除大颗粒悬浮物的可提升式细格栅（3）。4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述曝气设备（13）与曝气头（9）之间设置有气体流量计（11）。5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述MBR膜组件（10）与消毒池（12）之间设置有出水泵（14）。6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述曝气头（9）的数量为5个。7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述调节池（4）、阳极室（6）和阴极室（8）上方通过溢流堰相连通。权 利 要 求 书1/1页2CN207862117U2一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质传感的一体化装置技术领域[0001]本实用新型涉及污水处理领域，具体地，涉及一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质传感的一体化装置。背景技术[0002]膜生物反应器（Membrane bioreactor,MBR）将膜分离技术和活性污泥法相结合，取代了传统活性污泥法处理技术末端的的二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，实现有效的固液分离，具有污泥产量低、出水水质高、占地面积小等优点。然而，随着MBR膜反应器的长期运行，位于反应器内的工作部件MBR膜表面上会有污泥或微生物菌落的累积，导致膜的堵塞，MBR膜过滤效果下降。微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是以微生物为催化剂将化学能转化为电能的新技术。由于其操作条件温和、无需能量输入等优点，受到了学术界和工业界的广泛关注，并逐步应用于污水处理领域以实现废水的资源化利用。MFC的基本原理为：阳极表面微生物利用污水中的有机物（如葡萄糖、多糖和乙酸等）产生二氧化碳、质子和电子；电子通过间接或直接方式传递给阳极再经外电路到达阴极；质子通过溶液迁移穿过质子交换膜进入阴极室，然后与阴极室的氧气发生还原反应生成水。这一系列反应实现了电荷的传递，完成生物电化学过程及能量转换过程。[0003]针对MBR膜污染的问题，目前许多报道展开了相关的研究。例如：中国专利CN201620633022.6公开了一种防止MBR膜组器积泥的曝气系统，通过在水池内的轨道上设置气泵、吹气管和毛刷且水池外设置驱动器的方式，用气泵带动毛刷对膜组器进行清扫。这种方式虽然可以取得较好的效果，但是结构复杂且需要额外输入能量才能实现。中国专利 CN201620598533.9公开了一种MBR膜组件的超声波离线清洗装置，利用超声波发生器对膜组件进行清洗，这也存在成本高的问题。现有的MBR一体化污水处理装置同样存在膜堵塞的问题，中国专利CN201620635985.X公开了一种利用MBR膜一体化处理污水的装置，通过在MBR膜的上下端设置盘片和垂向设置的弹簧，利用弹簧之间的摆动杆带动MBR膜上下往复震动防止膜堵塞。这样的操作结构复杂，且增加了运行成本。[0004]MFC耦合MBR污水处理系统则较好地克服了上述缺点，具有无需能耗、出水水质好、膜污染降低的特点。目前报道的MFC耦合MBR系统主要围绕新型电极材料的制备、反应器的构型等方面展开了大量研究。这些研究旨在提高MFC的产电能力，以及通过MFC产生的电能有效减缓MBR膜污染的问题。然而，由于MFC产生的电能微弱，该体系产生的电能一直未得到充分的利用。此外，MFC耦合MBR处理系统研究仍处在较为初步的阶段，将其应用于污水处理及水质预警领域有着巨大的潜力。实用新型内容[0005]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质传感的一体化装置，本实用新型提供的装置在有效解决膜污染说 明 书1/3页3CN207862117U3问题的同时又能原位利用产生的电能进行水质监测，并且成本和能耗低。[0006]为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：[0007]一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质传感的一体化装置，所述一体化装置依次相邻设置有调节池、阳极室、阴极室和消毒池，所述调节池、阳极室和阴极室上方相连通；所述调节池和消毒池分别设置有进水管和出水管；所述阳极室内设置有石墨刷阳极，所述阳极室和阴极室之间设置有阳离子交换膜；所述阴极室内设置有MBR膜组件，所述MBR膜组件下方设置有曝气头，所述MBR膜组件与消毒池相连通；所述一体化装置还设置有曝气设备，所述曝气设备与所述曝气头相连通；所述石墨刷阳极和MBR膜组件之间设置有固定电阻，所述固定电阻与传感器和PLC控制系统相连接。[0008]优选地，所述进水管上设置有调节阀。[0009]优选地，所述调节池内设置有用于去除大颗粒悬浮物的可提升式细格栅。[0010]优选地，所述曝气设备与曝气头之间设置有气体流量计。[0011]优选地，所述MBR膜组件与消毒池之间设置有出水泵。[0012]优选地，所述曝气头的数量为5个。[0013]优选地，所述调节池4、阳极室6和阴极室8上方通过溢流堰相连通。[0014]与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：[0015]本实用新型提供的装置主要针对中低浓度有机废水的处理，通过MFC耦合MBR系统的处理，出水水质高；其次，MBR膜组件同时作为MFC体系的阴极，同时在电场的作用下可以减缓膜堵塞的发生；再次，通过传感器采集电化学数据监控水质，并可以对水质突变等情况采取应急措施，保证系统运行安全稳定。本实用新型提供的装置为一体化结构，整体结构紧凑，占地面积小；并且运行简单，便于维护，节约运行成本，能有效延长设备的实用寿命。附图说明[0016]图1为实施例1提供的一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质传感的一体化装置的结构示意图。具体实施方式[0017]以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。[0018]图1为本实施例提供的一种微生物燃料电池耦合膜生物反应器的污水处理及水质传感的一体化装置的结构示意图。如图1所示，所述一体化装置依次相邻设置有调节池4、阳极室6、阴极室8和消毒池12，所述调节池4、阳极室6和阴极室8上方通过溢流堰相连通；所述调节池4和消毒池12分别设置有进水管1和出水管18；所述阳极室6内设置有石墨刷阳极5，所述阳极室6和阴极室8之间设置有阳离子交换膜7；所述阴极室内设置有MBR膜组件10，所述MBR膜组件10下方设置有5个曝气头9，所述MBR膜组件10与消毒池12相连通；所述一体化装置还设置有曝气设备13，所述曝气设备13与所述曝气头9相连通。[0019]其中，所述石墨刷阳极5和MBR膜组件10之间设置有固定电阻17，所述固定电阻17与传感器15和PLC控制系统16相连接。[0020]如图1所示，所述进水管1上设置有调节阀2，所述调节池4内设置有用于去除大颗说 明 书2/3页4CN207862117U4粒悬浮物的可提升式细格栅3；所述曝气设备13与曝气头9之间设置有气体流量计11，所述MBR膜组件10与消毒池12之间设置有出水泵14。[0021]本实用新型的工作原理如下：[0022]污水通过进水管1进入系统，由调节阀2控制进水流量；污水流经可提升式细格栅3，去除大颗粒悬浮物质之后进入调节池4，调节池的作用是调节水质和水量，防止波动造成的冲击；调节池4的出水通过溢流堰进入阳极室6，阳极室6同时也为厌氧池，其溶解氧浓度在0.2mg/L以下；阳极室6中设有石墨刷阳极5，经过长时间的驯化，产电微生物不断在其表面生成形成稳定的生物膜；污水中的有机物在阳极室中发生水解、酸化和甲烷化一系列反应，微生物降解有机物的同时产生质子、电子和二氧化碳，产生的电子传递至石墨刷阳极5；阳极的电子通过钛丝连接外电路，流经固定电阻17，再流到MBR膜组件10的表面；阳极室6的出水通过溢流堰进入阴极室8，产生的质子透过阳离子交换膜7进入阴极室8，与阴极表面的电子和阴极室8氧气发生反应生成水；MBR膜组件10由不锈钢平板膜构成，兼具膜过滤和阴极的作用，一方面阴极室8的污水可以通过MBR膜组件10的过滤作用拦截污染物净化水质，另一方面作为MFC反应器的阴极构成电流回路，在电场的作用下，MBR膜不易发生堵塞的现象；MBR膜组件10底部设置若干曝气头9，曝气头9通过压力表11连接曝气设备13，通过曝气设备13对MBR膜组件10曝气提供氧气；MBR膜组件10的上部设有出水口，连接泵将MBR膜组件10的的出水抽至消毒池12，经过消毒作用的出水最终通过排水管18排出体系；[0023]固定电阻17两端的电压信号由传感器15采集分析，污水的水质情况可以通过电压的大小反映出来，另外毒性物质的存在也会通过电压降低体现，因此通过传感器15采集MFC的电压大小可以在一定程度反映水质，起到水质传感器的作用；传感器15连接PLC系统16，当采集的数据超出一定范围之后，可以通过PLC控制调节阀2和曝气设备13关闭，对水质突变起到应急响应，防止对体系造成破坏。[0024]以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。说 明 书3/3页5CN207862117U5图1说 明 书 附 图1/1页6CN207862117U6