CN102701543B - 以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置，阴极室内设置有阴极和膜组件；膜组件通过管路通入水箱；曝气泵通过管路与设置在阴极室内底部的曝气头连接；阳极室内设置有阳极，电压表和负载并联后，一端连接阳极，一端连接阴极；阳极室与阴极室之间设置有管道，在管道上设置有分隔膜；阳极室的顶部设置有排气孔，阴极室的底部通过管路与调节室连接，调节室通过管路与阳极室的底部连接；本发明不仅可以进行污水处理回用，而且以废水作为能源产电，不产生浓水，不污染环境。膜处理效率高，出水水质优质稳定，本发明的方法简单易行，占地少、投资及维护费用低。根据不同要求而设计处理能力，可以适应序批式处理、连续流处理。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术，涉及物料分离技术，涉及能源利用和环境保护，具体涉及一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是一种利用微生物的催化作用将有机物中的化学能转化为电能的新型技术。基本原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。传统MFCs的反应室通常被分隔膜分成一个阳极室和一个阴极室，微生物在阳极室进行废水处理并产生电子，阴极室则一般以贵金属(如铂)金属络合物作为催化剂还原氧气生成水，或添加电子媒介体参与电极反应，该体系被称为化学阴极MFC。
生物阴极MFC是指阴极室中也有功能微生物，功能微生物能够附着在电极表面形成生物膜，电子由阴极传递给微生物并发生相应的生物电化学反应。Bergel（Bergel A，Feron D，MollicaA.Catalysis of oxygen reduction in PEM fuel cell by seawater biofilm[J].ElectrochemistryCommunications,2005,7（9）：900-904.）等发现在质子交换膜燃料电池中，长满生物膜的不锈钢阴极能够还原氧气，提高燃料电池的性能，最大功率密度达到320mW/m2他们还发现去除生物膜后功率会显著下降，从原来的270mW/m2降为2.8mW/m2，证明生物膜对氧气还原有着明显的催化作用，Clauwaert（Clauwaert P，Van der Ha D，Boon N，et al.Open air biocathode enables effectiveelectricity generation with microbial fuel cells[J].Environment Science Technology,2007,41（21）：7564-7569.）等在筒状MFC中实现了生物催化的O2还原过程，最大功率密度达到83W/m3，阳极COD去除速率为1.5kg/（m3d），库仑效率达到90%。
与化学阴极相比，生物阴极具有以下优点：(1)以氧气作为电子供体，不需要添加化学催化剂或人工媒介体，降低了MFC的构建成本；(2)不存在化学催化剂失活现象，可提高MFC的长期稳定性；(3)在阴极室生长的微生物也可处理废水，生成有工业价值的产品，实现资源的综合利用。
膜分离技术因具有处理效率高、工艺流程短、易自动控制的特点，近年来在水处理领域得到广泛重视。将膜分离技术应用于给水处理，由于能够有效地截留杂质、细菌和病原菌，提高对有机污染物的去除效果，出水水质优质稳定、安全性高、生物稳定性好，同时可以降低消毒加氯量。因此，膜分离被认为是当今获得优质安全水的重要技术之一。
将两技术进行有效的结合并构建一种新型水处理工艺，可以将两者的优势大大提升，具有广阔工程应用前景。
目前有关MFC的研究还主要停留在实验室水平上，当前报道的MFC形式从结构和运行特点上不适用于单独并高效废水处理，限制了MFC在废水处理中的应用。将MFC与膜分离技术联用未见报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置。
本发明的技术方案概述如下：
一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置，进水管5依次与进水泵23、进水流量计42连接后通入阴极室1；阴极室1内设置有阴极10和膜组件4；膜组件4通过管路依次与压力表24、第一三通36、第一阀门25、出水流量计29、第三三通38、出水泵6、第二三通37、第三阀门27连接后通入水箱31；第一三通36通过管路依次与第二阀门26、反洗流量计30连接后再与第二三通37连接；第三三通38通过管路与第四阀门28连接后通入水箱31；曝气泵13通过管路与气体流量计43连接后与设置在阴极室1内底部的曝气头14连接；阳极室2内设置有阳极11，电压表9和负载8并联后，一端连接阳极11，一端连接阴极10；阳极室2与阴极室1之间设置有管道39，在管道39上设置有分隔膜12（管道39是设置在阳极室和阴极室上的管通过法兰连接，分隔膜设置在起密封作用的硅胶垫片中间）；阳极室2的顶部设置有排气孔17；阳极室2的中下部通过管路依次第四三通44、第七阀门34、回流泵22、回流流量计45连接后通入阴级室内；第四三通44通过管路与第九阀门46连接，阴极室1的底部通过管路与第五阀门32连接后再与调节室3连接，调节室3通过管路依次与水泵21，第六阀门33连接后与阳极室2的底部连接；调节室3的顶部设置有加药管19；调节室3的底部通过管路与第八阀门35连接；调节室3内部设置有挡板20。
设置在调节室3内部的挡板20的奇数的档板的一端垂直设置在所述调节室的前侧壁40上，偶数的档板的一端设置在连接有奇数档板的相对的调节室的后侧壁41上。
膜组件4优选U型膜组件、帘式膜组件、中空纤维帘状浸入式膜组件、中空纤维柱状浸入式膜组件或平板型帘状浸入式膜组件。
分隔膜12为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜、多孔纤维织物膜或玻璃纤维膜。
阳极11的外表面最好是设置有碳布或碳毡。
本发明具有以下优点：
本发明不仅可以进行污水处理回用，而且以废水作为能源产电，不产生浓水，不污染环境。膜处理效率高，出水水质优质稳定，工艺更适合应用废水处理。阴极室的高强度曝气减缓膜污染的同时可以满足水中充足的溶解氧给生物阴极提供电子供体。阴极室排出的泥和浓水通过调节室的处理作为阳极的碳源，满足阳极微生物的产电要求。本发明达到资源综合合理利用。本发明的方法简单易行，占地少、投资及维护费用低。根据不同要求而设计处理能力，可以适应序批式处理、连续流处理等，具有广阔工程应用前景。
附图说明
图1是本发明的以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置的结构示意图。
图2是调节室的俯视图。
图中：1-阴极室；2-阳极室；3-调节室；4-膜组件；5-进水管；6-出水泵；8-负载；9-电压表；10-阴极；11-阳极；2-分隔膜；13-曝气泵；14-曝气头；17-排气孔；19-加药管；20-挡板；21-水泵，22-回流泵；23-进水泵；24-压力表、25-第一阀门；26-第二阀门；27-第三阀门；28-第四阀门；29-出水流量计；30-反洗流量计；31-水箱；32-第五阀门；33-第六阀门；34-第七阀门；35-第八阀门；36-第一三通；37-第二三通；38-第三三通；39-管道；40-前侧壁；41-后侧壁；42-进水流量计；43-气体流量计；44-第四三通；45-回流流量计；46-第九阀门
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置，进水管5依次与进水泵23、进水流量计42连接后通入阴极室1；阴极室1内设置有阴极10和膜组件4；膜组件4通过管路依次与压力表24、第一三通36、第一阀门25、出水流量计29、第三三通38、出水泵6、第二三通37、第三阀门27连接后通入水箱31；第一三通36通过管路依次与第二阀门26、反洗流量计30连接后再与第二三通37连接；第三三通38通过管路与第四阀门28连接后通入水箱31；曝气泵13通过管路与气体流量计43连接后与设置在阴极室1内底部的曝气头14连接；阳极室2内设置有阳极11，电压表9和负载8并联后，一端连接阳极11，一端连接阴极10；阳极室2与阴极室1之间设置有管道39，在管道39上设置有分隔膜12（管道39是设置在阳极室和阴极室上的管通过法兰连接，分隔膜设置在起密封作用的硅胶垫片中间）；阳极室2的顶部设置有排气孔17；阳极室2的中下部通过管路依次第四三通44、第七阀门34、回流泵22、回流流量计45连接后通入阴级室内；第四三通44通过管路与第九阀门46连接，阴极室1的底部通过管路与第五阀门32连接后再与调节室3连接，调节室3通过管路依次与水泵21，第六阀门33连接后与阳极室2的底部连接；调节室3的顶部设置有加药管19；调节室3的底部通过管路与第八阀门35连接；调节室3内部设置有挡板20。
设置在调节室3内部的挡板20的奇数的档板的一端垂直设置在所述调节室的前侧壁40上，偶数的档板的一端设置在连接有奇数档板的相对的调节室的后侧壁41上。
上述的膜组件4可以在U型膜组件、帘式膜组件、中空纤维帘状浸入式膜组件、中空纤维柱状浸入式膜组件或平板型帘状浸入式膜组件中选择，还可以选用其它的膜组件。
分隔膜12优选质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜、多孔纤维织物膜或玻璃纤维膜。还可以选用其它的膜。
阳极11的外表面最好是设置有碳布或碳毡。
本发明的使用：
准备阶段：
参考图1和2，取污水厂的厌氧污泥放入阳极室2的底部，使阳极室2底部的污泥的顶部与阳极11的底部接触，阳极室厌氧，阳极11的表面上生长有微生物，最好在阳极11的外表面用活性炭和碳布包裹，或用碳毡进行包裹，碳布或碳毡导电性能好，易于微生物生长，活性炭同时为微生物繁殖提供了特殊的表面，其多孔的表面吸附了大量微生物菌群，易于产电微生物附着生成。
将好氧活性污泥放入阴极室1内，阴极10形式与阳极一致，向阴极室中加入一些如葡萄糖和N、P等营养元素等组成的营养液，一方面培养污泥的活性，另一方面使阴极微生物进行附着生长，成为以微生物作为催化剂的生物阴极。在曝气泵13和曝气头14作用下进行曝气，保证水中含有充足的溶解氧。
通过调节室3向阳极室2提供微生物所需要的碳源（0.8g·L-1葡萄糖溶液）和N、P等营养元素（NH4Cl和K2HPO4）等营养液，外接1000Ω负载电阻启动，通过监测电压变化，待电压降到50mv左右，视为一个周期结束，重新更换营养液。经过几个周期的连续培养待输出电压达到最大并稳定，表明产电微生物在阳极成功挂膜。之后营养液中加一部分污水（阴极室适当放出来的污水），慢慢的让阳极的微生物去适应污水的有机物，再逐步增加污水的比例，待阳极室内微生物适合后，加入的污水中不需要外加营养物质，直接以污水作为阳极的营养源。
最后实现连续向阴极室内通入待处理的污水，膜组件4连续产水，阴极室连续运行，阳极室间歇运行。
本发明运行产水：
原水经过预处理由进水泵23泵入阴极室1，将第二阀门26，第四阀门28，第五阀门32关闭，第一阀门25,第三阀门27开启，通过出水泵6由膜组件4出水，由压力表24监测运行压力，出水流量计29读取出水流量，出水由水箱31收集。
膜反洗阶段：
关闭进水泵23，关闭第一阀门25、第三阀门27，开启第二阀门26、第四阀门28，通过出水泵6将产出的水进行反冲洗，用第二阀门26调节反洗水量并由反洗流量计30读取反洗流量，压力表24监测反洗压力。开启第五阀门32，反洗运行中产生的浓水和污泥靠重力流进入调节室3，通过加药管19可调节室内的pH值及污水浓度等满足阳极厌氧微生物的产电要求。
阳极室运行阶段：
关闭第五阀门32，开启第六阀门33、水泵21，打开阳极室2上的排气孔17，将调节室3内的泥水混合液通入阳极室2。阳极室工作时要求严格厌氧，关闭排气孔17和第六阀门33，阳极的产电微生物满足其产电的同时和对一些难降解物的有机物进行厌氧处理。待反应结束时，打开排气孔17，第七阀门34，回流泵22，关闭阀门46使阳极室2内的水进行回流或者关闭第七阀门34，打开阀门46排放处理。阴极室1和阳极室2之间设置有分隔膜12，阴极10和阳极11都由碳棒导出，由导线和负载8连接，起到输出电能的作用，并在负载上并联一个电压表9，用以监测电压输出来判断阳极室2中电极产电的稳定及有机物的利用情况，工艺可通过增加编辑自控程序进行连续和间歇式运行，满足实际要求，整体工艺达到资源综合合理利用。
Claims (5)
1.一种以微生物燃料电池与膜组件结合的水处理装置，进水管（5）依次与进水泵（23）、进水流量计（42）连接后通入阴极室（1）；阴极室（1）内设置有阴极（10）和膜组件（4）；膜组件（4）通过管路依次与压力表（24）、第一三通（36）、第一阀门（25）、出水流量计（29）、第三三通（38）、出水泵（6）、第二三通（37）、第三阀门（27）连接后通入水箱（31）；第一三通（36）通过管路依次与第二阀门（26）、反洗流量计（30）连接后再与第二三通（37）连接；第三三通（38）通过管路与第四阀门（28）连接后通入水箱（31）；曝气泵（13）通过管路与气体流量计（43）连接后与设置在阴极室（1）内底部的曝气头（14）连接；阳极室（2）内设置有阳极（11），电压表（9）和负载（8）并联后，一端连接阳极（11），一端连接阴极（10）；阳极室（2）与阴极室（1）之间设置有管道（39），在管道（39）上设置有分隔膜（12）；阳极室（2）的顶部设置有排气孔（17），阳极室（2）的中下部通过管路依次与第四三通（44）、第七阀门（34）、回流泵（22）、回流流量计（45）连接后通入阴极室内；第四三通（44）通过管路与第九阀门（46）连接，阴极室（1）的底部通过管路与第五阀门（32）连接后再与调节室（3）连接，调节室（3）通过管路依次与水泵（21），第六阀门（33）连接后与阳极室（2）的底部连接；调节室（3）的顶部设置有加药管（19）；调节室（3）的底部通过管路与第八阀门（35）连接；调节室（3）内部设置有挡板（20）。
2.根据权利要求1所述的一种以微生物燃料电池与膜组件结合的水处理装置，其特征是设置在调节室（3）内部的挡板（20）的奇数的档板的一端垂直设置在所述调节室的前侧壁（40）上，偶数的档板的一端设置在连接有奇数档板的相对的调节室的后侧壁（41）上。
3.根据权利要求1所述的一种以微生物燃料电池与膜组件结合的水处理装置，其特征是所述膜组件（4）为U型膜组件、帘式膜组件、中空纤维帘状浸入式膜组件、中空纤维柱状浸入式膜组件或平板型帘状浸入式膜组件。
4.根据权利要求1所述的一种以微生物燃料电池与膜组件结合的水处理装置，其特征是所述分隔膜（12）为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜、多孔纤维织物膜或玻璃纤维膜。
5.根据权利要求1所述的一种以微生物燃料电池与膜组件结合的水处理装置，其特征是所述阳极（11）的外表面设置有碳布或碳毡。
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