CN101710624B - 连续废水处理微生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续高效废水处理微生物燃料电池，主要由阳极室，位于阳极室内的阳极、聚合物颗粒载体，质子交换膜，外电阻，阴极室和位于阴极室内阴极、曝气头组成，所述阳极室为密闭容器，室内上部为由分离器形成的气液固三相分离区，三相分离区下方为流化反应区，阳极室联接阴极室的室壁上设计有让质子透过质子交换膜进入到阴极室的连通孔，质子交换膜设置在从阳极室向阴极室迁移的路径上，阴极室为上部敞口容器，位于阴极室内的曝气头与位于阴极室壁上的空气进气口连接，阳极和阴极通过导线与外电阻连接构成回路。本发明可以实现在对废水进行连续高效处理的同时回收有机基质蕴含的化学能，可应用于废水处理的生产实践。

Description

连续废水处理微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及利用生物催化把化学能转化为电能的废水处理技术，特别是涉及一种高效废水处理微生物燃料电池。
技术背景
微生物燃料电池是利用微生物降解有机物质产生电能的一种装置。目前大多数微生物燃料电池都是利用阳极降解有机物质时产生的电子沿阳极经外电路迁移到阴极；而阳极降解有机物质时产生的质子经质子交换膜迁移到阴极；在阴极，电子和质子与空气中的氧反应生成水。
专利号为ZL 200510011855.5，发明名称为“一种以有机废水为燃料的单室式微生物电池”的中国发明专利，使用淀粉废水和葡萄糖自配水作燃料所得到的外电路最高电压和最高功率分别为660mV、271mW/m2和474mV、140mW/m2；专利申请号为200510086618.5，发明名称为“生物反应器-直接微生物燃料电池及其用途”的中国专利申请，使用葡萄糖、果糖、木糖、蔗糖、麦芽糖等多种含糖生物质和有机废水作燃料得到的峰值电压在0.10V～0.25V之间；专利申请号为200510079759.4，发明名称为“一种无介体微生物燃料电池”的中国专利申请，使用生活废水、酸软骨素废水、糕点厂废水、蔗糖厂废水以及玉米秸秆作燃料得到的功率分别为120mW/m2、265mW/m2、290mW/m2、112mW/m2和324mW/m2。随着对微生物燃料电池研究的不断深入，微生物燃料电池技术在诸多方面得到了改善。但如上所述，现有技术的微生物燃料电池，其主要侧重于产电可行性方面的研究，而对废水的连续高效处理没有涉及，因此难于应用到废水处理生产实践。据发明人所知，公开文献还没有报道过能放大应用于连续高效处理废水并回收微生物降解能以持续发电的微生物燃料电池。
发明内容
针对现有微生物燃料电池的技术现状，本发明的目的是提供一种在对废水进行连续高效处理的同时以持续发电的方式回收有机基质蕴含的化学能的微生物燃料电池，以解决现有技术的微生物燃料电池难于应用到废水处理生产实践中去的问题，提高微生物燃料电池的实际应用能力。
本发明提供的连续高效废水处理微生物燃料电池，主要由阳极室，位于阳极室内的阳极、颗粒载体，质子交换膜，外电阻，阴极室和位于阴极室内的阴极、曝气头组成，所述阳极室为密闭容器，室内上部为由分离器形成的气液固三相分离区，三相分离区下方为流化反应区，出水口和出气口设置在气液固三相分离区室壁上，废水进水口设计在下部室壁上，阳极室联接阴极室的室壁上设计有让质子透过质子交换膜进入到阴极室的连通孔，质子交换膜设置在从阳极室向阴极室迁移的路径上，阴极室为上部敞口容器，位于阴极室内的曝气头与位于阴极室壁上的空气进气口连接，阳极和阴极通过导线与外电阻连接构成回路。
在上述技术方案中，所述阳极室一般设计为圆形柱体容器，且气液固三相分离区的容器直径大于下方流化反应区的容器直径。形成气液固三相分离区的分离器，可设计成由上、下分离筒组成，上分离筒为直筒，下分离筒为由直筒、直径由下至上逐渐变小的锥筒和直筒构成，下分离筒的上部直筒伸入到上分离筒内，形成使经流化反应处理后的水从上至下流经通道。构成分离器的上分离筒，也可设计成由下至上直径逐渐变小的锥筒和直筒构成，下分离筒的锥筒伸入到上分离筒的锥筒内，形成使经流化反应处理后的水从上至下，从内至外的流经通道。所述阴极室为上部敞口的矩形柱体容器。阳极室和阴极室的容器壳体可采用有机玻璃制作。
在上述技术方案中，在气液固三相分离区室壁上还设计有回流水出口，回流水出口位于排水出水口下方，回流水出口通过回流管与废水进水管连通。
在上述技术方案中，所述的颗粒载体为多孔聚合物载体，优选干粒径0.32～0.54mm，湿粒径0.56～0.96mm，骨架密度不高于1320kg/m3，湿堆积密度不高于1010kg/m3，孔容不小于0.301mL/g，湿比表面积不低于5357m2/m3的多孔聚合物载体。
在上述技术方案中，所述阳极为碳纸电极、石墨电极和碳毡电极中的一种；所述质子交换膜，其厚度不小于183μm；所述阴极为碳纸电极、钌钛电极、二氧化锡电极、10％载铂碳纸电极、二氧化铅电极、石墨电极和不锈钢电极中的一种。
本发明还采取了其他一些技术措施，如废水通过出口向下设置在阳极室下部的布水 器进入阳极室，出水口直径一般控制在1～4mm范围；采用计算机自动记录外电阻(负载)两端的电压。
本发明公开的连续高效废水处理微生物燃料电池，为厌氧流化床(AFB)型双室反应器微生物燃料电池，其工作原理为：废水和回流水在进水管混合后，从布水器的出口向下流出，再反向进入阳极室的厌氧流化反应区。废水在阳极表面的微生物、聚合物颗粒表面和内部微生物以及水流中微生物的共同作用下，废水中的含碳有机物被代谢生成质子、电子、二氧化碳和其他生物气等。质子经由质子交换膜向阴极迁移，电子由阳极收集后沿外电路流向阴极，质子、电子在阴极上与由曝气头通入的空气中氧气反应生成水。二氧化碳及生物气和悬浮于水体中的聚合物颗粒随水流上升，到达三相分离区在分离器的作用下，气体从液相中分离进入上部气室，聚合物颗粒沿室壁向下返回到流化反应区，经代谢处理后的水，上层比较干净的部分水从排水出水口排出，下层部分通过循环回流系统回流到阳极室。悬浮于阳极室内废水中的聚合物颗粒载体，在进入阳极室废水水流作用下运动，对膜进行连续的冲刷，阻止和减缓污染物对膜的污染，保持膜对质子的通过能力，同时聚合物颗粒载体使阳极室内的附着生物量增加，在厌氧流化床(AFB)反应器的下部生成生物颗粒，生物颗粒层的上部生成颗粒污泥，增强了对有机物的降解作用，同时产生更多的电子。
本发明与现有技术的微生物燃料电池技术相比，具有以下优点：本发明采用具有三相分离作用的厌氧流化床式反应器作微生物燃料电池的阳极室，并且在阳极室填充聚合物颗粒载体，在AFB反应器内生成颗粒污泥层及生物颗粒层，增加了系统的生物量，增强了系统对有机物的代谢作用，强化了废水的处理效果，提高了微生物燃料电池可放大应用性。总之，与其他微生物燃料电池相比，本发明能对废水进行连续高效处理，获得稳定的产电能力和高废水处理效果。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是附图1中的A-A截面示意图。
图3是处理葡萄糖配水时电压及电流密度随时间变化曲线图。
图4是处理葡萄糖配水COD随时间变化曲线图。
图5是阳极反应器内生成的颗粒污泥外观图。
图6是阳极反应器内生成的生物颗粒外观图。
图7是处理酒精废水时电压及电流密度随时间变化曲线图。
图8是处理酒精废水时COD随时间变化曲线图。
在上述附图中各图示标号标识的对象为：1-阳极室；2-颗粒载体；3-阳极；4-质子交换膜；5-外电阻(负载)；6-计算机；7-阴极；8-阴极室；9-曝气头。
具体实施方式
下面结合附图说明给出本发明的具体实施方式，并通过实施例对本发明作进一步说明，以便于所属领域的技术人员对本发明的理解。有必要在这里特别说明的是，本发明的具体实施方式不限于实施例中的形式，根据本发明公开的内容，所属技术领域的技术人员还可以采取其他的具体方式进行实施，因此，实施例不能理解为本发明仅有的具体实施方式。
装置实施例
本实施例的连续高效废水处理微生物燃料电池，其结构如附图1和附图2所示，由阳极室1，位于阳极室内的阳极3、聚合物颗粒载体，质子交换膜4，外电阻5，阴极室8和位于阴极室内的阴极7、曝气头9组成。所述阳极室为由玻璃钢制作的圆形柱体密闭容器，容器室内上部为由分离器形成的气液固三相分离区，三相分离区下方为流化反应区，且气液固三相分离区的容器直径大于下方流化反应区的容器直径。所述分离器由上、下分离筒构成，上分离筒为直筒，下分离筒为由直筒、直径由下至上逐渐变小的锥筒和直筒构成，下分离筒的上部直筒伸入到上分离筒内，形成能使经流化反应处理后的水流从上至下流经的通道。气液固三相分离区室壁上设计回流水出口和排出水出口，回流水出口位于排出水出口下方，气体排出口设置在与液面上方的气室相通的容器壳体上。回流水出口通过回流管与设置在下部室壁上的废水进水管连通，废水和回流水在进水管混合后，从设置在流化反应区下部的布水器的出水口向下流出，再反向进入阳极室的厌氧流化反应区。阳极室联接阴极室的室壁上设计有若干让质子透过质子交换膜进入到阴极室的连通孔。所述阴极室为由玻璃钢制作的上部敞口的矩形柱体容器，位于阴极室内下部的曝气头与设置在容器壳体上的空气进气口连接。质子交换膜设置在阳极室开孔区的外侧，位于质子交换膜两侧的阳极和阴极通过导线与外电阻连接，构成微生物燃 料电池回路。阳极室内填充的聚合物颗粒载体，其干粒径0.32～0.54mm，湿粒径0.56～0.96mm，骨架密度不高于1320kg/m3，湿堆积密度不高于1010kg/m3，孔容不小于0.301mL/g，湿比表面积不低于5357m2/m3。外电阻两端电压由计算机6自动记录。
应用实施例
实施例1
本实施例中，对使用葡萄糖配水和污水处理厂二级消化污泥接种的连续高效废水处理及同步产电AFB型双室微生物燃料电池的性能进行了检测。所使用的质子交换膜为Nafion117膜，使用前没有经过预处理。阳极室进水为人工葡萄糖配水，其pH在7～8之间，阳极室颗粒载体的填充量为16.5％(填充体积与阳极室有效容积之比)，阳极室厌氧培养时先通氮气对氧进行吹脱。阴极室内的液体为自来水。阳极为4×38.6cm的碳纸，阴极为3.5×38.5cm的碳纸。使用的外电阻值为2000Ω，利用优利德UT70B新型数字多用表对外电阻两端的电压进行测定和电脑记录，使用国家标准方法测定进出水的COD值。系统启动成功后连续运行6天得到的电压(每小时记录的电压数据取平均值)及电流密度(以阳极面积计)变化如图3所示，进出水COD浓度及相应的COD去除率如图4所示。稳定运行后得到的电压稳定为0.7V，进水COD浓度在3400～3900mg/L，出水COD浓度在140～470mg/L，相应的COD去除率在87％～96％。系统启动成功后一段时间，反应器内生成颗粒污泥与生物颗粒的混生体系，生成的颗粒污泥及生物颗粒见图5和图6。
实施例2
本实施例中，对利用自配水接种培养成功的连续高效废水处理及同步产电AFB型双室微生物燃料电池处理酒精废水时的产电及废水处理性能进行了检测。所处理的酒精废水原水的pH为3.81，COD浓度在20960～28400mg/L之间，根据实验所需进行相应的稀释及pH调节。所使用的质子交换膜为Nafion117膜，使用前没有经过预处理。阳极室颗粒载体的填充量为16.5％(填充体积与阳极室有效容积之比)，阴极室内的液体为自来水。阳极为4×20cm的碳纸，阴极为3.5×30cm的碳纸。使用的外电阻值为250Ω，利用优利德UT70B新型数字多用表对外电阻两端的电压进行测定和电脑记录，使用国家标准方法测定进出水的COD值。系统处理酒精废水连续运行10天得到的电压(每小 时记录的电压数据取平均值)及电流密度(以阳极面积计)变化如图7所示，进出水COD浓度及相应的COD去除率如图8所示。系统在此运行期间，进水COD浓度在5447.12～10476.19mg/L，出水COD浓度在656.04～2554.88mg/L，相应的COD去除率在58.44％～88.38％，系统稳定处理酒精废水时COD的去除率在80％以上，所考察的系统运行期内得到的最大电流密度为152.75mA/m2。

Claims (5)

1.一种连续废水处理微生物燃料电池，其特征在于主要由阳极室(1)，位于阳极室内的阳极(3)、颗粒载体(2)，质子交换膜(4)，外电阻(5)，阴极室(8)和位于阴极室内的阴极(7)、曝气头(9)组成，所述阳极室为圆形柱体密闭容器，室内上部为由分离器形成的气液固三相分离区，三相分离区下方为流化反应区，气液固三相分离区的直径大于下方流化反应区的直径；形成气液固三相分离区的分离器由上、下分离筒构成，上分离筒为直筒，下分离筒由直筒、直径由下至上逐渐变小的锥筒和直筒构成，下分离筒的上部直筒伸入到上分离筒内，形成使经流化反应处理后的水从上至下流经通道；在气液固三相分离区室壁上设计有出气口、排水出水口和回流水出口，回流水出口位于排水出水口下方，回流水出口通过回流管与设计在阳极室下部室壁上的废水进水管连通；阳极室联接阴极室的室壁上设计有让质子透过质子交换膜进入到阴极室的连通孔，质子交换膜设置在从阳极室向阴极室迁移的路径上；阴极室为上部敞口容器，位于阴极室内的曝气头与位于阴极室壁上的空气进气口连接，阳极和阴极通过导线与外电阻连接构成回路；所述颗粒载体为干粒径0.32～0.54mm，湿粒径0.56～0.96mm，骨架密度不高于1320kg/m3，湿堆积密度不高于1010kg/m3，孔容不小于0.301mL/g，湿比表面积不低于5357m2/m3的多孔聚合物载体。
2.根据权利要求1所述的连续废水处理微生物燃料电池，其特征在于所述阳极(3)为碳纸电极、石墨电极和碳毡电极中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的连续废水处理微生物燃料电池，其特征在于所述质子交换膜，其厚度不小于183μm。
4.根据权利要求1或2所述的连续废水处理微生物燃料电池，其特征在于所述阴极为碳纸电极、钌钛电极、二氧化锡电极、10％载铂碳纸电极、二氧化铅电极、石墨电极和不锈钢电极中的一种。
5.根据权利要求3所述的连续废水处理微生物燃料电池，其特征在于所述阴极为碳纸电极、钌钛电极、二氧化锡电极、10％载铂碳纸电极、二氧化铅电极、石墨电极和不锈钢电极中的一种。
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