CN102976559B

CN102976559B - 厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的方法及装置

Info

Publication number: CN102976559B
Application number: CN2012105276907A
Authority: CN
Inventors: 徐璇; 范子红; 许晓毅; 周碧; 刘亭役; 邹秋林; 金展; 张千
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: CN102976559A

Abstract

一种厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的方法及装置，装置包含逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块。逆向电渗析模块为利用碳酸氢铵溶液盐度梯度进行发电的装置；厌氧氨氧化室为利用厌氧氨氧化微生物进行氨氮处理的装置；微生物燃料电池模块是利用产电微生物处理污水，同时获得电能的装置。逆向电渗析模块采用碳酸氢铵为工作液，碳酸铵根负离子在通过逆向电渗析模块后会进入厌氧氨氧化室，而不会进入微生物燃料电池模块的阳极室，避免了氨对产电微生物活性的抑制。本发明中逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块能够实现优势互补，功能相互协调，不会产生氨累积，使得污水处理成本低，发电量大。

Description

厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的方法及装置

技术领域

本发明涉及电渗析污水处理技术，具体涉及一种厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的方法及装置。

技术背景

随着经济的发展，人类对能源的需求量越来越大。能源的缺乏以及环境污染已成为世界最关注的问题之一，严重地影响了人们的日常生活。能否让当今社会日益增多的污染物转变为不断缺乏的能源呢？微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，简称MFC）就是利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，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。微生物燃料电池不仅能够降解污水中的有机物还能同时发电，是一种很好的将污染转变为能源的办法。

微生物逆向电渗析电池（Microbial Reverse Electrodialysis Cell,简称MRC）结合了微生物燃料电池和逆向电渗析（Reverse Electrodialysis，简称RED）两种技术。该系统包含一个由几对膜组成的RED堆，其位于MFC的阴极和阳极室之间，质子交换膜也位于MFC上。来自于这两个系统的液流被分开，独立操作但一起提高能量密度：RED堆会增加MFC的电流，与此同时，MFC电极之间的电压能使RED堆使用更少的膜进行操作。该反应系统比传统MFC的发电量高出许多。但MRC系统仍然存在一些不足：（1）有机物的去除率低，出水还要进行进一步处理，这意味着污水中还有大量潜能未能利用，发电效率可进一步提高；（2）由于RED的工作液为碳酸氢铵溶液，大量的氨会在MFC阳极室累积，抑制微生物的活性，严重抑制MFC产电性能，并会污染出水。

发明内容

为解决现有微生物燃料电池发电量少，废水COD去除率低等问题，本发明提供了一种厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的方法及装置。

本发明的技术方案如下：

一种厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的装置，所述装置包含逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块。

所述逆向电渗析模块由交替排列的阴、阳离子膜和隔板组成，隔板分别放置在交替排列的阴阳离子膜之间形成浓水室和淡水室，所述逆向电渗析模块的工作液为碳酸氢铵溶液，分别在浓水室和淡水室分为浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液。在逆向电渗析模块中，浓碳酸氢铵溶液中的阴阳离子在浓度差的推动下迁移进入稀碳酸氢铵溶液，从而产生电流。

所述厌氧氨氧化室设置于逆向电渗析模块一侧，通过一层阴离子交换膜隔开，其内放置厌氧氨氧化微生物，厌氧氨氧化微生物能将渗透入厌氧氨氧化室的氨氧化为氮气。在厌氧氨氧化室中，碳酸铵根负离子电离为铵离子和碳酸根离子，铵离子被部分氧化为亚硝酸根离子，在厌氧氨氧化微生物的作用下，与氨离子反应产生氮气，使氨氮得以去除，碳酸根离子为厌氧氨氧化微生物的生长提供碳源。

所述微生物燃料电池模块包括阳极室和阴极室，阳极室位于厌氧氨氧化室一侧，是通过一层质子膜与厌氧氨氧化室隔开，阴极室位于逆向电渗析模块的另一侧；所述阳极室中放置电极和产电微生物，电极与阴极室内放置的电极通过外电路连接；所述产电微生物可以降解污水中的有机污染物，同时将电子转移至电极，从而发电，并使电极具有氧化能力；所述微生物燃料电池模块中产生的质子通过质子膜传递至厌氧氨氧化室，平衡电荷。

所述厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块的阳极室之间通过电极串联，该电极将厌氧氨氧化室中的部分铵离子氧化为亚硝酸根离子。

本发明中，所述厌氧氨氧化室是为利用厌氧氨氧化微生物进行氨氮处理的装置。逆向电渗析模块的部分碳酸铵根负离子经过阴离子交换膜进入厌氧氨氧化室。碳酸铵根负离子在厌氧氨氧化室内电离为铵离子和碳酸根离子。由微生物燃料电池模块阳极室串联至厌氧氨氧化室的电极，将部分铵离子氧化为亚硝酸根离子。亚硝酸根离子与氨根离子在厌氧氨氧化微生物的作用下反应生成氮气，使氨氮得以去除。碳酸根离子为厌氧氨氧化微生物的生长提供碳源。

所述微生物燃料电池模块是利用产电微生物处理污水，同时获得电能的装置，在厌氧环境下，阳极室的有机物在产电微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子传递至电极，并通过外电路传递到阴极室电极形成电流，产生的质子通过质子膜传入厌氧氨氧化室。

本发明的优点如下：

（1）增加产电量。此装置结合了逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块，三者间发生了协同效应，大大增加了原本微生物燃料电池的产电量。

（2）避免了氨氮离子对产电微生物的抑制作用，增加有机物去除率。本装置中逆向电渗析模块和微生物燃料电池模块的阳极室是通过厌氧氨氧化室隔开。逆向电渗析模块中碳酸氢铵电离产生的碳酸铵根负离子不能进入微生物燃料电池模块，避免了氨对产电微生物活性的抑制，从而提高了产电量和有机物的去除率。

（3）去除有机物同时脱氮。在厌氧氨氧化室中，碳酸铵根负离子中的碳酸根为厌氧氨氧化微生物提供碳源，氨氮在电极和厌氧氨氧化微生物的共同作用下变为氮气，使氨氮得以去除。

本发明中逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块能够实现优势互补，功能相互协调，不会产生氨氮累积，使得污水处理成本低，发电量大。

附图说明

图1为厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的装置的结构示意图。

图中：1—废水进水口；2—废水排放口；3—阳极；4—阴极；5—氮气排气口；6—浓碳酸氢铵溶液进水口；7—浓碳酸氢铵溶液出水口；8—稀碳酸氢铵溶液进水口；9—稀碳酸氢铵溶液出水口；10—质子膜；11—阴离子膜；12—阳离子膜；A—MFC阳极室；B—MFC阴极室；C—厌氧氨氧化室；D—RED模块；E—外电路。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不局限于此。

下述实施例所用电极：阳极和阴极均为钛板；阳离子膜、阴离子膜和质子膜均从市场上购得，如可以从日本旭硝子公司购买；反应装置外壳材料为有机玻璃。

参见图1，本装置由逆向电渗析模块即RED模块D、厌氧氨氧化室C和微生物燃料电池模块构成。

RED模块D由交替排列的阴离子膜11、阳离子膜12和隔板组成，隔板分别放置在交替排列的阴、阳离子膜之间形成浓水室和淡水室，室内的工作液为浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液，稀碳酸氢铵溶液的进水口8设置在淡水室底部，浓碳酸氢铵溶液的进水口6设置在微生物燃料电池模块的阴极室B上。

厌氧氨氧化室C位于RED模块D一侧，通过一层阴离子交换膜11隔开，其内放置厌氧氨氧化微生物，厌氧氨氧化微生物能将渗透入厌氧氨氧化室的氨氧化为氮气，顶部由氮气排气口5。

微生物燃料电池模块（MFC）包括阳极室A和阴极室B，阳极室A位于厌氧氨氧化室C的一侧，通过一层质子膜10与厌氧氨氧化室隔开，阴极室B位于RED模块D的另一侧。阳极室A中放置电极（为阳极3）和产电微生物，阳极3与阴极室内放置的电极（为阴极4）通过外电路E连接。RED模块D与MFC阴极室之间设置有连接孔，供浓碳酸氢铵溶液进入RED模块。在阳极室A上设置有废水进水口1和废水排放口2。

厌氧氨氧化室C和微生物燃料电池模块的阳极室A之间通过电极(即阳极3)串联，该电极将厌氧氨氧化室中的部分铵离子氧化为亚硝酸根离子。

本装置的污水处理及发电的方法如下：

微生物培养：在MFC阳极室A培养产电微生物，在厌氧氨氧化室C培养厌氧氨氧化微生物。

内电流产生：将浓碳酸氢铵溶液从进水口6送进MFC阴极室B，通过RED模块D与MFC阴极室之间的连接孔进入RED模块。将稀碳酸氢铵溶液从进水口8送进RED模块。在RED模块中，浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液通过阴离子膜11和阳离子膜12发生离子交换，阴离子向阳极3方向迁移，阳离子向阴极4方向迁移，从而产生内电流。内电流方向为从阳极流向阴极。

氨氮去除：RED模块中的碳酸铵根负离子向阳极迁移，最终会到达厌氧氨氧化室C。碳酸铵根负离子电离为铵离子和碳酸根离子。部分铵离子被阳极氧化亚硝酸根离子，在厌氧氨氧化微生物的作用下，与剩余的铵离子反应生成氮气。氮气从排气口5排出。氨氮被去除。在这个过程中，碳酸根离子为厌氧氨氧化微生物提供碳源，供微生物生长，碳酸根离子被去除。

外电流产生：有机废水从废水进水口1流入MFC阳极室A，在产电微生物作用下分解为二氧化碳和质子，并释放电子。产电微生物将电子传递到阳极3。电子从外电路E传递至阴极4，完成外电流生产。外电流方向为从阴极流向阳极。处理之后的清洁废水从废水排放口2排出。

本装置的工艺参数如下：当有机废水化学需氧量为500mg/L；有机废水流量为100mL/min；浓碳酸氢铵溶液浓度为2mol/L；稀碳酸氢铵溶液浓度为0.01mol/L；RED模块流量为100mL/min；膜对数量为10对时，装置的产电能力为0.53W/m²，有机废水化学需氧量降解率为55%。

Claims

1.一种厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的装置，所述装置包含逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块；其特征在于：

所述逆向电渗析模块由交替排列的阴、阳离子膜和隔板组成，隔板分别放置在交替排列的阴阳离子膜之间形成浓水室和淡水室，所述逆向电渗析模块的工作液为稀碳酸氢铵溶液和浓碳酸氢铵溶液；

所述厌氧氨氧化室设置于逆向电渗析模块一侧，通过一层阴离子交换膜隔开，其内放置厌氧氨氧化微生物，厌氧氨氧化微生物能将渗透入厌氧氨氧化室的氨氧化为氮气；

所述微生物燃料电池模块包括阳极室和阴极室，阳极室位于厌氧氨氧化室一侧，是通过一层质子膜与厌氧氨氧化室隔开，阴极室位于逆向电渗析模块的另一侧；所述阳极室中放置电极和产电微生物，电极与阴极室内放置的电极通过外电路连接；所述产电微生物可以降解污水中的有机污染物，同时将电子转移至电极，从而发电，并使电极具有氧化能力；所述微生物燃料电池模块中产生的质子通过质子膜传递至厌氧氨氧化室，平衡电荷；

所述厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块的阳极室之间通过电极串联，该电极将厌氧氨氧化室中的部分铵离子氧化为亚硝酸根离子；

所述稀碳酸氢铵溶液的进水口设置在淡水室底部，浓碳酸氢铵溶液的进水口设置在微生物燃料电池模块的阴极室上，逆向电渗析模块的浓水室与阴极室之间设置有连接孔；厌氧氨氧化室设置有氮气排放口；在阳极室上设置有废水进水口和废水排放口。

2.利用权利要求1所述的装置进行厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理并同时发电的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）微生物培养：在阳极室培养产电微生物，在厌氧氨氧化室培养厌氧氨氧化微生物；

（2）内电流产生：将浓碳酸氢铵溶液从进水口送进阴极室，通过逆向电渗析模块与阴极室之间的连接孔进入逆向电渗析模块，将稀碳酸氢铵溶液从进水口送进逆向电渗析模块；在逆向电渗析模块中，浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液通过阴离子膜和阳离子膜发生离子交换，阴离子向阳极方向迁移，阳离子向阴极方向迁移，从而产生内电流，内电流方向为从阳极流向阴极；

（3）氨氮去除：逆向电渗析模块中的碳酸铵根负离子向阳极迁移，最终到达厌氧氨氧化室，碳酸铵根负离子电离为铵离子和碳酸根离子；部分铵离子被阳极氧化为亚硝酸根离子，在厌氧氨氧化微生物的作用下，与剩余的铵离子反应生成氮气，氮气从排放口排出，氨氮被去除；在这个过程中，碳酸根离子为厌氧氨氧化微生物提供碳源，供微生物生长，碳酸根离子被去除；

（4）外电流产生：有机废水从废水进水口流入阳极室，在产电微生物作用下分解为二氧化碳和质子，并释放电子；产电微生物将电子传递到阳极，电子从外电路传递至阴极，完成外电流生产；外电流方向为从阴极流向阳极；处理之后的清洁废水从废水排放口排出。