【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種磁粉耦合微電場膜生物反應器及其應用，屬于污水處理及膜生物反應器(mbr)。
技術介紹
1、隨著醫療和畜牧養殖業的蓬勃發展，抗生素消費量日益增長，抗生素的頻繁使用導致環污染問題日趨嚴峻，引起全球學者的廣泛關注和高度重視。氟喹諾酮類是一系列廣譜合成類抗生素，廣泛用作人和獸醫藥物。環丙沙星是應用于疾病治療的最為廣泛的處方氟喹諾酮類抗生素，經常在環境中檢測到高濃度殘留。進入環境中的抗生素不僅會誘導環境中抗性微生物和抗性基因的產生，還會加速抗生素抗性的傳播和擴散，所以解決抗生素殘留問題已刻不容緩。目前，控制抗生素的方法主要有物理法、化學法和生物法。相比物理化學法，生物法具有成本低廉、降解過程簡單等優點，是目前較為經濟有效的方法。
2、膜生物反應器(membrane?bioreactor，mbr)因其具有占地面積小、容積負荷高、出水水質好等優點而備受青睞，廣泛應用于抗生素廢水的處理。然而，在實際推廣應用中，膜污染是制約mbr廣泛應用的技術障礙。mbr中的膜污染是指混合液中的污泥絮體、膠體粒子、溶解性有機物、無機鹽類以及胞外聚合物(eps)等由于膜之間的物理化學相互作用或機械作用沉積于膜表面形成濾餅層，或由于膜孔內吸附造成膜孔堵塞，使得水通過膜的阻力增加，過濾性能下降，從而導致膜通量下降的現象。針對膜污染的實質，控制mbr中膜污染的方法主要圍繞以下4個方面展開：(1)膜改性(2)調控污泥混合液性質(3)優化反應器運行條件(4)膜清洗。然而，上述膜污染方法中，均存在一定缺陷。無論是膜改性、調控污泥混合液性質(投加吸
3、近年來，針對mbr中活性污泥絮體、膠體粒子以及eps等膜污染物均帶負電荷這一特性，一項新的技術受到許多學者關注，即電化學輔助技術。電化學輔助技術主要是利用同性電荷互相排斥的原理，通過電場斥力減少帶負電荷污染物在膜表面吸附沉積，降低膜污染速率，延長膜過濾運行周期，從而達到控制膜污染的目的。同時，在電化學作用下，陰極膜組件附近產生一定量的過氧化氫，過氧化氫具有較強的氧化能力，能夠在一定程度上氧化去除膜面污染物，提高膜抗污染能力。
4、柳麗芬等專利技術了一種制作聚苯胺改性中性導電膜的方法(專利公開號cn103100314a)。王志偉等人專利技術了一種導電濾膜及其應用(專利公開號cn104289114a)。然而，上述專利技術研究中，導電膜制備過程中采用有機膜作為基礎，而有機膜具有使用壽命短化學穩定性差等缺點，制約了其在實際應用中的推廣；采用聚偏氟乙烯(pvdf)、聚醚砜(pes)或聚四氟乙烯(ptfe)等典型材質鑄膜液刮涂膜材料，加工過程復雜且制備成本高。更主要的是上述專利技術在實施過程中所施加的電場均過高，進一步加劇了mbr中能源消耗。
5、磁粉作為一種惰性材料，能夠在環境中保持穩定，不發生或發生微弱的化學變化。具有良好的吸附性，能夠吸附水體中的污染物。此外，微生物由于受到磁場的作用產生磁致生物效應能夠增強微生物的活性，提高環丙沙星抗生素廢水的處理效率，減少膜污染物eps的產生。劉等向mbr體系投加磁粉處理生活污水，研究發現磁粉對eps的產生有抑制作用，進而減緩膜污染。此外，由于磁粉具有良好的導電性，可增強mbr中混合液的導電率，進而可以降低反應所施加的電場；同時磁粉這種材料價格低廉、可回收二次利用，有效控制運行成本和維護費用，因而具有可觀的社會、經濟及環境效益。目前，在廢水處理領域將磁粉與微電場膜生物反應器相結合處理環丙沙星抗生素廢水還未見報道。
6、本專利技術從提高環丙沙星抗生素廢水的降解效率和減緩膜污染雙重角度出發，將磁粉與微電場膜生物反應器相耦合，充分利用各自優勢，相互協同，專利技術一種磁粉耦合微電場膜生物反應器。本耦合體系的專利技術，實現了環丙沙星抗生素廢水的高效處理，減少了膜清洗頻率，增加膜組件的使用壽命，降低了工藝運行成本，在實際應用中具有明顯優勢。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種磁粉耦合微電場膜生物反應器，在磁致生物效應和微電場力的雙重作用下，對mbr膜污染進行原位高效控制，在減緩膜污染的同時提高環丙沙星抗生素的降解效率。
2、本專利技術的技術方案是：采用的裝置：以傳統的平板膜式組件的微電場膜生物反應器作為反應器，其中采用內嵌導電金屬材料同時作為陰極和過濾介質，石墨材料作為陽極，將磁粉材料投加到陰極和陽極之間的空間內，構成磁粉耦合微電場膜生物反應器；采用污水處理廠污泥作為微生物來源，對加入了抗生素廢水的磁粉耦合微電場膜生物反應器(其中磁粉混合在抗生素廢水中)的陰極和陽極通直流電進行處理；利用外加電場形成的電場力，將帶負電的膜污染物及胞外聚合物(eps)推離膜表面，從而有效控制膜污染；利用外加電場所形成的電化學效應，陰極膜附近產生一定量的過氧化氫，過氧化氫作為一種活性氧物質，具有較強的氧化能力，能氧化去除膜面污染物，最終實現mbr系統的原位膜污染控制。同時，微生物在磁場的作用下產生的磁致生物效應，能夠減少膜污染物eps的產生；提高微生物的活性，進而提高環丙沙星抗生素廢水的處理效率。
3、本專利技術在微電場和磁致生物效應的雙重作用下，在提高膜的抗污染性能的同時實現環丙沙星的高效降解。
4、本專利技術中，所述的磁粉材料為四氧化三鐵，其在耦合體系中投加量為0.5～2g/l。
5、本專利技術中，所述的導電金屬材料為具有一定抗腐蝕性能的良導體，其材質采用鈦金屬或不銹鋼，其結構包括網狀或絲狀。
6、本專利技術中，所述的石墨陽極材料為石墨板、石墨氈或石墨布中的任一種。
7、本專利技術中，所述的微電場由直流穩壓電源提供，施加的電壓為0.1～0.5v/cm。
8、本專利技術中，所述的膜生物反應器即為一般膜生物反應器，包括進水及水位控制系統、出水系統、曝氣系統、電場供應系統。
9、本專利技術的有益效果：
10、1.本專利技術的膜材料為傳統的平板膜組件內嵌導電金屬材料，無需制備工藝復雜的導電膜材料，節約時間和制作成本；
11、2.本專利技術采用磁粉材料來源廣泛，化學性質穩定，成本低廉，可回收二次利用，不會產生二次污染；
12、3.本專利技術所施加的電場為外加恒定微電場，運行能耗低；
13、4.本專利技術通過外加電場直接作用于導電膜，使之產生一定量的過氧化氫，從而對膜污染進行原位控制；
14、5.本專利技術的磁粉耦合微電場膜生物反應器，實現了環丙沙星抗生素廢水的高效處理，減少了膜清洗頻率，增加膜組件的使用壽命。
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1.一種磁粉耦合微電場膜生物反應器，其特征在于，以傳統的平板膜式組件的微電場膜生物反應器作為反應器，其中采用內嵌導電金屬材料同時作為陰極和過濾介質，石墨材料作為陽極，將磁粉材料投加到陰極和陽極之間的空間內，并利用直流穩壓電源提供微電場，構成磁粉耦合微電場膜生物反應器。
2.根據權利要求2所述的一種磁粉耦合微電場膜生物反應器，其特征在于：導電金屬材料采用鈦金屬或不銹鋼，其結構包括網狀或絲狀；所述的石墨陽極材料為石墨板、石墨氈或石墨布中的任一種。
3.根據權利要求2所述的一種磁粉耦合微電場膜生物反應器，其特征在于：其特征在于：磁粉耦合微電場膜生物反應器包括進水及水位控制系統、出水系統、曝氣系統、電場供應系統。
4.采用權利要求1-3任一項所述的磁粉耦合微電場膜生物反應器進行污水處理的方法，其特征在于：采用污水處理廠污泥作為微生物來源，對加入了抗生素廢水的磁粉耦合微電場膜生物反應器的陰極和陽極通直流電進行處理；其中磁粉混合在抗生素廢水中。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：磁粉為四氧化三鐵，其在耦合體系中投加量為0.5～2g/L。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：所述的微電場由直流穩壓電源提供，施加的電壓為0.1～0.5V/cm。
7.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：所述的抗生素廢水為含有環丙沙星抗生素的廢水。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于：利用外加電場形成的電場力，將帶負電的膜污染物及胞外聚合物(EPS)推離膜表面，從而有效控制膜污染；利用外加電場所形成的電化學效應，陰極膜附近產生一定量的過氧化氫，過氧化氫作為一種活性氧物質，具有較強的氧化能力，能氧化去除膜面污染物，最終實現MBR系統的原位膜污染控制；同時，微生物在磁場的作用下產生的磁致生物效應，能夠減少膜污染物EPS的產生；提高微生物的活性，進而提高環丙沙星抗生素廢水的處理效率。
...【技術特征摘要】
1.一種磁粉耦合微電場膜生物反應器，其特征在于，以傳統的平板膜式組件的微電場膜生物反應器作為反應器，其中采用內嵌導電金屬材料同時作為陰極和過濾介質，石墨材料作為陽極，將磁粉材料投加到陰極和陽極之間的空間內，并利用直流穩壓電源提供微電場，構成磁粉耦合微電場膜生物反應器。
2.根據權利要求2所述的一種磁粉耦合微電場膜生物反應器，其特征在于：導電金屬材料采用鈦金屬或不銹鋼，其結構包括網狀或絲狀；所述的石墨陽極材料為石墨板、石墨氈或石墨布中的任一種。
3.根據權利要求2所述的一種磁粉耦合微電場膜生物反應器，其特征在于：其特征在于：磁粉耦合微電場膜生物反應器包括進水及水位控制系統、出水系統、曝氣系統、電場供應系統。
4.采用權利要求1-3任一項所述的磁粉耦合微電場膜生物反應器進行污水處理的方法，其特征在于：采用污水處理廠污泥作為微生物來源，對加入了抗生素廢水的磁粉耦合微電場膜生物反應器的陰極和陽極通直...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊慶，徐進，章世勇，周一邁，李佳欣，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：
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