CN101481178B - 一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水资源处理技术领域，特别涉及一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺及装置。由阳极室，阴膜、中间脱盐室、阳膜和阴极室5个组成部分，阳极上布置产电微生物膜；污水流入阳极室，在产电微生物作用下被氧化去除，电子传导到阳极；中间脱盐室中阴离子穿过阴膜到达阳极，阳离子穿过阳膜达到阴极，实现脱盐过程并形成内电流；电子通过外电路负载到达阴极发生还原反应，实现产电过程。利用微生物燃料电池的内电流在处理污水、产电的同时脱盐，实现三效合一；本发明所述工艺简单，易操作，能耗低且效率高；所述装置结构简单，便于工业生产及使用。
Description
技术领域
本发明属于水资源处理技术领域，特别涉及一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺及装置。
背景技术
水是人类赖以生存的重要自然资源。全球水环境的恶化和严重的能源危机，迫切要求高效低耗的污水资源化技术，以缓解水资源的短缺和对能源的需求。地球上水的总储量中97％是咸水(包括海水和苦咸水)，向大海和盐水湖索取淡水，缓解日趋严重的世界性水危机，不仅已在全球科技界形成共识，也已成为各临海国家的政府主张与开发新水源的对策。目前海水淡化已遍及全世界125个国家和地区，淡化水大约养活世界5％的人口，其中蒸馏法、电渗析、超滤-反渗透等是目前主要的淡化工艺，这些工艺处理效率很高，但是随之而来的就是高额的电耗。
微生物燃料电池(Microbial fuel cell，简称MFC)是近年来发展起来的污水处理新技术，由阳极、分隔膜和阴极三部分组成，它的基本原理是以产电微生物的作用下，在阳极氧化去除污染物，将其化学能转化为电能，在处理污水的同时产电。从2002年到现在，MFC输出功率提高了近万倍，初步显示出光明、诱人的应用前景。常规的MFC研究思路是利用外电路的电流，但是在内电路，存在相同大小的内电流；借鉴电渗析的原理，我们将内部的单一阳离子交换膜替换为阳离子和阴离子两套膜，形成中间腔室，在中间腔室加入盐水，则可以利用MFC的内电流在处理污水、产电的同时脱盐，实现三效合一。
发明内容
本发明以微生物燃料电池技术为基础，目的在于利用MFC同时实现处理污水，产电以及脱盐过程。本发明提供了一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(a)安装设备；
(b)污水进入阳极室A，在产电微生物的作用下氧化去除污水中的污染物，产电微生物将呼吸链的电子传递到阳极4，外电路电流方向为从阴极5流向阳极4；
(c)内电路电流方向为从阳极4流向阴极5，含盐水连续流入中间脱盐室B，由于阴膜2和阳膜3的选择性，阴离子和阳离子在电驱动力作用下，分别穿过阴膜2和阳膜3到达阳极室A和阴极室C，实现脱盐过程；
(d)外电路的电子到达阴极5与电子受体结合，发生还原反应，完成产电过程。
所述污水为可生化处理的有机废水。
所述产电微生物的种类包括geobacter和shewanella。
所述含盐水包括：海水或苦咸水，含盐量为5-35g/L。
所述电子受体包括化学催化还原的氧气、铁氰化钾以及微生物催化还原的氧气、硝酸盐、二氧化碳。
本发明还提供了一种用于同步产电脱盐的污水处理装置，其特征在于，阴膜2和阳膜3将微生物燃料电池1分为阳极室A、中间脱盐室B和阴极室C；在阳极室A内设置阳极4，在阴极室C内设置阴极5，并在阳极4上布置产电微生物膜6。
所述阴膜2和阳膜3为透过率不小于90％的无毒的工业用电渗析离子交换膜，厚度为0.2～0.5mm，爆破强度不小于0.3MPa。
所述阳极4上的产电微生物膜6的厚度为20～80μm。
所述阳极室A内阳极4及填充材料包括：石墨颗粒或碳毡，粒径范围为1-5mm。
所述阴极室C内阴极5及填充材料包括：石墨颗粒或碳毡，粒径范围为1-5mm。
本发明的有益效果为：利用微生物燃料电池(MFC)的内电流在处理污水、产电的同时脱盐，实现三效合一；本发明所述工艺简单，易操作，能耗低且效率高；所述装置结构简单，便于工业生产及使用。
附图说明
图1为本发明所述脱盐微生物燃料电池的原理示意图。
图中标号：
1-微生物燃料电池；2-阴膜；3-阳膜；4-阳极；5-阴极；6-产电微生物膜。
具体实施方式
本发明提供了一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺及装置，下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1为本发明所述脱盐微生物燃料电池的原理示意图。阴膜2和阳膜3将微生物燃料电池1分为阳极室A、中间脱盐室B和阴极室C，其中，阴膜2和阳膜3采用透过率为95％的无毒的工业用电渗析离子交换膜，厚度为0.3mm，爆破强度为0.5MPa；在阳极室A内设置阳极4，在阴极室C内设置阴极5，并在阳极4上布置厚度为40μm的产电微生物膜6，产电微生物使用geobacter，其中，阳极4、阴极5以及阳极室A和阴极室B内的填充材料均为碳毡，粒径范围为1-5mm，阳极室A和阴极室B内的填充材料可以增大产电微生物的附着面积和阴极面积，提高电流。
安装完成设备后，阳极室A保持厌氧状态，可生化处理的有机废水进入阳极室A，在产电微生物的作用下氧化去除污水中的污染物，产电微生物将呼吸链的电子传递到阳极4，外电路电流方向为从阴极5流向阳极4；内电路电流方向为从阳极4流向阴极5，含盐量为20g/L的海水连续流入中间脱盐室B，由于阴膜2和阳膜3的选择性，阴离子和阳离子在电驱动力作用下，分别穿过阴膜2和阳膜3到达阳极室A和阴极室C，实现脱盐过程；外电路的电子到达阴极5与电子受体结合，发生还原反应，完成产电过程。
目前此MFC输出功率约为300W/m3，污水处理负荷5kg/m3d，运行电流约100mA，对应的脱盐速率为90mM/d，随着MFC技术的进步，电流的增加将不断的提高脱盐速率。
Claims (10)
1.一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(a)安装设备；
(b)污水进入阳极室(A)，在产电微生物的作用下氧化去除污水中的污染物，产电微生物将呼吸链的电子传递到阳极(4)，外电路电流方向为从阴极(5)流向阳极(4)；
(c)内电路电流方向为从阳极(4)流向阴极(5)，含盐水连续流入中间脱盐室(B)，由于阴膜(2)和阳膜(3)的选择性，阴离子和阳离子在电驱动力作用下，分别穿过阴膜(2)和阳膜(3)到达阳极室(A)和阴极室(C)，实现脱盐过程；
(d)外电路的电子到达阴极(5)与电子受体结合，发生还原反应，完成产电过程。
2.根据权利要求1所述的一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺，其特征在于，所述污水为可生化处理的有机废水。
3.根据权利要求1所述的一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺，其特征在于，所述产电微生物的种类包括geobacter和shewanella。
4.根据权利要求1所述的一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺，其特征在于，所述含盐水包括：海水或苦咸水，含盐量为5-35g/L。
5.根据权利要求1所述的一种用于同步产电脱盐的污水处理工艺，其特征在于，所述电子受体包括化学催化还原的氧气、铁氰化钾以及微生物催化还原的氧气、硝酸盐、二氧化碳。
6.一种用于同步产电脱盐的污水处理装置，其特征在于，阴膜(2)和阳膜(3)将微生物燃料电池(1)分为阳极室(A)、中间脱盐室(B)和阴极室(C)；在阳极室(A)内设置阳极(4)，在阴极室(C)内设置阴极(5)，并在阳极(4)上布置产电微生物膜(6)。
7.根据权利要求6所述的一种用于同步产电脱盐的污水处理装置，其特征在于，所述阴膜(2)和阳膜(3)为透过率不小于90％的无毒的工业用电渗析离子交换膜，厚度为0.2～0.5mm，爆破强度不小于0.3MPa。
8.根据权利要求6所述的一种用于同步产电脱盐的污水处理装置，其特征在于，所述阳极(4)上的产电微生物膜(6)的厚度为20～80μm。
9.根据权利要求6所述的一种用于同步产电脱盐的污水处理装置，其特征在于，所述阳极室(A)内阳极(4)及填充材料包括：石墨颗粒或碳毡，粒径范围为1-5mm。
10.根据权利要求6所述的一种用于同步产电脱盐的污水处理装置，其特征在于，所述阴极室(C)内阴极(5)及填充材料包括：石墨颗粒或碳毡，粒径范围为1-5mm。
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