CN103204590A - 一种电化学膜生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学膜生物反应器，包括阳极室、阳极、过滤分离膜及空气阴极，所述阳极室上设置有进水管，所述阳极上附着有产电微生物，所述阳极和所述空气阴极间通过导线连接，所述阳极室为封闭结构，其壁上设置有通孔，所述过滤分离膜套设于所述通孔的外侧，所述空气阴极套设于所述过滤分离膜外侧，所述空气阴极上附着有阴极微生物。本发明提供的电化学膜生物反应器，废水依次通过阳极、过滤分离膜和阴极的处理后得到高水质的出水，空气阴极曝露在空气中，避免了人工曝气增氧等耗能行为，从而在处理废水的同时降低了能耗。
Description
技术领域
本发明涉及膜生物反应器领域，特别涉及一种电化学膜生物反应器。
背景技术
能量和水资源的短缺，是全球面临的两个重要挑战，而废水中隐含着的能量，却常被当成废弃物处理掉，未被充分利用。厌氧消化工艺对于从高浓度废水中回收能量显示出了巨大的优势，其具有低生物生长量，低能量消耗和高甲烷产量等优点，近几十年被广泛的研究和应用。但厌氧消化工艺仍然存在着诸多缺陷，如其产生的甲烷若不能适当的收集起来，会逃逸到大气中，加重全球变暖。另外，单纯的厌氧处理对废水的化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、悬浮颗粒（suspended solids，SS）和营养元素（特别是氨）的排放无法达到较严格的排放标准。而微生物燃料电池（microbial fuel cells，MFCs）的出现带来了一种从废水中提取能量的新技术，在能量转换方面，其存在一定的优势。然而，由于MFCs中生物质停留时间有限，导致MFCs的出水水质较低，处理效率也较低。
为了解决上述技术问题，中国专利CN102381753将MBRs和MFCs耦合在一起，得到一种生物电化学膜反应器，其能在废水生物处理的同时回收电能并得到较好的出水水质，但上述系统中需要进行人工曝气以提供好氧微生物的呼吸和硝化所必须的溶解氧，这使得连续使用生物电化学膜反应器时系统的能耗大大超出了从废水中回收的电能，需要额外补充系统耗能。
因此，如何在废水处理的同时高效回收电能，降低能耗，并得到较优出水水质的电化学膜生物反应器，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种能耗低、回收电能效率高并出水水质优的电化学膜生物反应器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电化学膜生物反应器，包括阳极室、阳极、过滤分离膜及空气阴极，所述阳极室上设置有进水管，所述阳极上附着有产电微生物，所述阳极和所述空气阴极间通过导线连接，其特征在于，所述阳极室为封闭结构，其壁上设置有通孔，所述过滤分离膜套设于所述通孔的外侧，所述空气阴极套设于所述过滤分离膜外侧，所述空气阴极上附着有阴极微生物。
优选地，所述阳极和所述空气阴极的电极材料均为石墨毡。
更优选地，所述石墨毡阳极的体积为所述阳极室体积的1/3～2/3。
优选地，所述阳极室的材质为聚氯乙烯。
优选地，所述过滤分离膜为10～200g/m2的无纺布。
优选地，所述阴极微生物包含硝化细菌和反硝化细菌。
优选地，所述导线上串联有用电器。
优选地，所述阳极室为圆筒状结构。
优选地，所述通孔为孔径是1～30mm的圆孔。
优选地，所述阳极室的水力停留时间可选择为1.6～14.5h，容积负荷可选择为0.48～4.26kg COD/(m3.d)。
本发明提供的电化学膜生物反应器，废水依次通过阳极、过滤分离膜和阴极的处理后得到高水质的出水，空气阴极曝露在空气中，避免了人工曝气增氧等耗能行为，从而在处理废水的同时降低了能耗。
进一步地，以便宜的石墨毡做为阳极和空气阴极的电极材料，不但易于微生物的富集，还可有效提高电子传导效率，增加电能输出。
更进一步地，将石墨毡阳极的体积控制在阳极室体积的1/3～2/3在维持阳极室内废水较好的流态的同时，保证了阳极室内产电微生物的总量。
进一步地，聚氯乙烯的阳极室支撑效果好，并且容易生产或购买。
进一步地，将过滤分离膜选择为10～200g/m2的无纺布可以降低反应器的成本，同时，无纺布能够有效地截留附在阳极上的产电微生物，获得更高的电能回收效率。
进一步地，阴极微生物中包含的硝化细菌和反硝化细菌可保证在阴极同步发生硝化及反硝化反应。
进一步地，导线上串联的用电器有将电能有效地收集或利用。
进一步地，圆筒状结构的阳极室可使得过滤分离膜和空气阴极的面积更大化。
进一步地，圆形的通孔更容易加工。
进一步地，阳极室的水力停留时间选择为1.6～14.5h，容积负荷选择为0.48～4.26kg COD/(m3.d)使得废水处理更加完全，出水水质更好。
附图说明
图1为本发明电化学膜生物反应器的实施例的结构示意图。
图中标示如下：
进水管-1，阳极室-2，阳极-3，产电微生物-4，通孔-5，过滤分离膜-6，空气阴极-7，阴极微生物-8，导线-9，用电器-10。
具体实施方式
为使发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，为了保证产电微生物处于厌氧环境，阳极室2为封闭结构，废水自阳极室2上设置的进水管1进入，且阳极室2的壁上设置有通孔5，本领域技术人员可容易想到，阳极室的形状可根据实际需求灵活选择，如长方体、圆管、球状等，阳极室的材料可根据实际需要选择为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，其壁上设置的通孔也可有圆形、方形等多种选择，通孔的个数和大小可根据实际需要设置，在本实施例中，阳极室2为两端封闭的圆筒状结构，其材料选择聚氯乙烯，并且在圆筒状的阳极室2的侧壁上均匀分布有孔径为1～30mm的圆孔。阳极室2内设置有附着有产电微生物4的阳极3，产电微生物4可通过接种厌氧污泥的方式富集在阳极上，阳极可有碳布、碳刷、石墨粒、石墨毡等多种选择，在具体实施中可选用石墨毡材质的阳极，卷成筒状与阳极室的内壁相贴以提高电子的传导效率，并且石墨毡材质的阳极的体积可为阳极室体积的1/3～2/3，以维持废水在阳极室内的流动效果及阳极室内产电微生物的总量。阳极室2外侧套设有过滤分离膜6，过滤分离膜6覆盖通孔5，过滤分离膜6既充当阳极3和空气阴极7间的分隔器，还起到了过滤阳极液及截留产电微生物的作用，本领域技术人员可容易想到，过滤分离膜可有尼龙网、钢丝网等粗网膜或微滤膜、超滤膜等多种选择，在本实施例中，采用廉价的无纺布为过滤分离膜，更具体地可以采用型号为10～200g/m2的无纺布。过滤分离膜6外侧套设有附着有阴极微生物8的空气阴极7，空气阴极7利用阴极微生物8中的细菌催化还原氧气。阴极微生物8同时还可包含硝化细菌和反硝化细菌等多种细菌，并可通过接种活性污泥的方式富集在阴极上，阴极可有碳布、石墨毡、钢丝网等多种选择，在具体实施中可选用石墨毡材质的阴极，避免了空气阴极中常用的铂（Pt）等贵金属催化剂，降低了反应器的制造成本。阳极3和空气阴极7间通过导线9连接，以将阳极3上的电子传导至空气阴极7，为了收集或利用电化学生物膜产生的电能，可在导线9上串联用电器10，本领域技术人员容易想到，用电器与导线间怎么连接，用电器的种类或个数，都可根据实际需要灵活选择。
本发明提供的电化学膜生物反应器，废水通过进水管1进入阳极室2内，与阳极3充分接触以分解废水中的有机物，废水中的有机物与阳极3上的产电微生物4主要发生如下反应：CH3COO-+4H2O→2HCO3 -+9H++8e-，同时电子通过导线9被转移至空气阴极7，与自阳极3扩散过来的质子和从空气中扩散至空气阴极7上的氧气发生如下：4H++4e-+O2→2H2O，水在空气阴极7上渗透出来。此外，自阳极3扩散至空气阴极7上的含氮的化合物在阴极微生物8的催化下，发生硝化及反硝化等反应，主要反应的反应式具体如下：NH4 ++2O2→NO3 -+H2O+2H+；2NO3 -+12H++10e-→N2+6H2O，最终生成氮气排出，从而实现了废水中总氮的去除。
本发明提供的电化学膜生物反应器，其空气阴极7直接曝露在空气中，空气中的氧气自由扩散至空气阴极7上，避免了人工曝气等增氧行为，大大降低了能耗，提高了能量的回收率。
在一个具体地实施例中，阳极室为两端封闭的圆筒状结构，其高为20cm，直径为4.5cm，总的容积是254ml，阳极室中填入3mm厚，总面积为530cm2的石墨毡作为阳极，其上接种产电微生物；阳极室侧壁上均匀排布有孔径为5～10mm的通孔；通孔外侧套设有型号为70g/m2的无纺布，与小孔相贴，其厚度为0.2mm，孔隙率为75%；投影面积为294cm2的石墨毡套设在无纺布外，作为空气阴极，其上接种有阴极微生物；阳极和空气阴极间用钛线连接，并钛线上串联有一个用电器。
本实施例提供的电化学膜生物反应器，采用石墨毡作为阳极和空气阴极的材料，废水自阳极室上的通孔排出，依次经过无纺布和空气阴极过滤后排出整个装置，在反应器正常运行条件下，空气阴极上的阴极微生物可以催化氧气在其表面还原，并限制氧气扩散进入阳极室，同时由于阴极生物膜内存在溶解氧梯度，其外层为好氧状态，内层为缺氧或厌氧状态，在硝化细菌和反硝化细菌的作用下完成同步硝化、反硝化。
采用上述实施例进行相关的操作测试，在进水COD（chemical oxygendemand，化学需氧量）浓度为275.6～296.4mg/L时，此电化学膜生物反应器对COD的去除率为87.4%～91.2%；在进水氨氮浓度为28.5～30.1mg/L时，此电化学膜生物反应器对氨氮的去除率为69.5%～97.6%，对TN（total nitrogen，总氮）的去除率为23.1%～57.2%。
在阳极室HRT（Hydraulic Retention Time，水力停留时间）为1.6～14.5h时，此电化学膜生物反应器的库伦效率为1.80%～36.0%，电流密度为4.7～11.3A/m3，能量密度为0.68～3.27W/m3，最大能量密度为1.2～7.6W/m3，出水浊度为2～3NTU。
在阳极室的容积负荷为0.48～4.26kg COD/(m3.d)时，此电化学膜生物反应器的能量回收为0.002～0.081kWh/m3，最大能量回收为0.004～0.220kWh/m3，能量消耗为0.0044～0.0066kWh/m3，净能量产出为-0.0046～0.0766kWh/m3。
虽然本发明是结合以上实施例进行描述的，但本发明并不被限定于上述实施例，而只受所附权利要求的限定，本领域普通技术人员能够容易地对其进行修改和变化，但并不离开本发明的实质构思和范围。
Claims (10)
1.一种电化学膜生物反应器，包括阳极室、阳极、过滤分离膜及空气阴极，所述阳极室上设置有进水管，所述阳极上附着有产电微生物，所述阳极和所述空气阴极间通过导线连接，其特征在于，所述阳极室为封闭结构，其壁上设置有通孔，所述过滤分离膜套设于所述通孔的外侧，所述空气阴极套设于所述过滤分离膜外侧，所述空气阴极上附着有阴极微生物。
2.根据权利要求1所述的电化学膜生物反应器，其特征在于，所述阳极和所述空气阴极的电极材料均为石墨毡。
3.根据权利要求2所述的电化学膜生物反应器，其特征在于，所述阳极的体积为所述阳极室体积的1/3～2/3。
4.根据权利要求1所述的电化膜生物反应器，其特征在于，所述阳极室的材质为聚氯乙烯。
5.根据权利要求1所述的电化学膜生物反应器，其特征在于，所述过滤分离膜为10～200g/m2的无纺布。
6.根据权利要求1所述的电化学膜生物反应器，其特征在于，所述阴极微生物包含硝化细菌和反硝化细菌。
7.根据权利要求1所述的电化学膜生物反应器，其特征在于，所述导线上串联有用电器。
8.根据权利要求1所述的电化学膜生物反应器，其特征在于，所述阳极室为圆筒状结构。
9.根据权利要求1所述的电化学膜生物反应器，其特征在于，所述通孔为孔径是1～30mm的圆孔。
10.根据权利要求1所述的电化学膜生物反应器，其特征在于，所述阳极室的水力停留时间可选择为1.6～14.5h，容积负荷可选择为0.48～4.26kgCOD/(m3.d)。
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