CN105836873A - 一种微生物电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微生物电池技术领域，尤其是一种能够同时去除污水有机物和盐分的微生物电池。其包括：阳极室、集盐室和阴极室，其中，所述阳极室与所述集盐室由阳离子交换膜连接，所述集盐室与所述阴极室由阴离子交换膜连接；以及能够连通所述阳极室和所述阴极室的外部电阻或外加电源。本发明的微生物电池既能够有效地去除污水中的有机物，又能够有效地除去污水中的盐分，克服了传统的微生物电池不能同时有效去除污水中有机物和盐分的缺陷。

Description

一种微生物电池
技术领域
本发明涉及微生物电池技术领域，尤其是一种能够同时去除污水有机物和盐分的微生物电池。
背景技术
传统的城市污水中均含有一定有机物和有盐分。而工业废水如食品加工、纺织印染、皮革制造、石油生产、药物制造等所含盐分和有机物浓度更高，其盐分浓度能达到几百克每升，而COD则能达到十万以上，属于高盐、高氮、高有机物的污水。传统的污水处理中对有机物的去除方法主要有活性污泥法和生物膜法等生物处理技术，然而工业废水中的高含盐量会抑制传统生物方法中微生物的生长及活性，影响污水中有机物的去除效果。另一方面，常见的水体脱盐方法包括反渗透、电渗析等，但它们均要求盐水进水中不能含有太高的有机物，否则有机物形成的膜污染会迅速降低脱盐装置的寿命，使其无法正常运行。
微生物脱盐电池(Microbial Desalination Cell，MDC)作为一种新型的生物电化学技术，能够同时实现污水处理、产电、脱盐。其基本原理是在阳极和阴极产电微生物的作用下，阳极净化污水并将污水中有机物的化学能转化为电能，中间脱盐腔体则在内部电场作用下实现含盐水的淡化。由于具有这些特点，近些年微生物脱盐电池受到了全球学者的广泛关注，其性能也得到了大幅度提高。然而，传统生物阴极微生物脱盐电池也具有一些缺点：(1)阳极不能取得良好的有机物去除效果，尤其是难以对难降解污染物进行降解去除。(2)无法对阳极和阴极污水中的盐分进行去除。(3)中间脱盐室无法对含有高浓度有机物的盐水进行脱盐，否则会导致膜污染和腔体堵塞。
因此如何找到一种能同时去除有机物和盐分的水处理技术势在必行。
发明内容
本发明提供了一种微生物电池，其包括：阳极室、集盐室、阴极室以及能够连通所述阳极室和所述阴极室的外部电阻或外加电源；其中，所述阳极室与所述集盐室由阳离子交换膜连接，所述集盐室与所述阴极室由阴离子交换膜连接。其中，外部电阻可以为用电器。
本发明针对传统生物工艺和脱盐技术的不足，本工艺本着节能减排、能源回收的原则，针对污水中的污染物和其蕴含的化学能，研发了一种新型的微生物电池，其阳极室内含有阳极，阳极上附着阳极厌氧产电微生物，能实现有机物的氧化并产生电子；其阴极室内设有阴极，阴极上附着阴极好氧产电微生物，能实现氧气的还原并接收电子。同时阳极的厌氧微生物和阴极的好氧微生物还能实现有机物的降解。阳极和阴极间的离子交换膜对形成集盐室，在电场作用下能收集由与其相邻的阳极室和阴极室内的污水中迁移过来的盐分离子，巧妙地实现了盐分在阴阳极污水中的脱除和在集盐室的回收。集盐室中可以填充有混合的阴阳离子交换树脂，以降低微生物脱盐电池内阻，强化产电脱盐效果。因此，本发明的微生物电池既能够有效地去除污水中的有机物，又能够有效地降低污水中的盐浓度，克服了传统的微生物电池不能同时有效去除有机物和盐分的缺陷。
在一个具体实施例中，所述阴极室内还设有曝气装置。通过曝气装置向阴极室内输送空气或氧气，可以保证好氧微生物的正常生长，从而有利于污水中的有机物及难降解有机物等污染物的去除。
在一个具体实施例中，所述微生物电池为多级串联式的微生物电池。通过多级串联多个阳极室、集盐室和阴极室，可以实现污水的逐级净化，直到满足需求为止。
在一个具体实施例中，所述阳极室和所述阴极室分别设有入水口和出水口，且所述微生物电池的所述阳极室和所述阴极室一端连通。如此可以实现了污水的循环供给，可以大大提高污水处理的工作效率。
在一个具体实施例中，所述阳极室和所述阴极室独立地与盐浓度检测装置相连。通过阳极室和所述阴极室独立地与盐浓度检测装置的相连，可以实现自动化控制。例如，将微生物电池中的阳极室和阴极室分别和盐浓度检测装置相连，便能够实时监测每个阳极室和阴极室内的盐浓度，当处理后的污水的盐浓度低于检测装置的设定值时，可以辅以相应的自动化操作收集盐浓度处理合格的污水。
在一个具体实施例中，所述阳极室和所述阴极室独立地与COD检测装置相连。通过阳极室和所述阴极室独立地与COD检测装置的相连，同样可以实现自动化控制。例如，将微生物电池中的阳极室和阴极室分别和COD检测装置相连，便能够实时监测每个阳极室和阴极室内的COD值等指标，当处理后的污水的COD值等指标低于检测装置的设定值时，可以辅以相应的自动化操作收集COD值等指标处理合格的污水。
而且，进一步的，所述盐浓度检测装置和COD检测装置可以集成为一个统一的检测装置，从而更有利于监测污水的各个指标。所述盐浓度检测装置和所述COD检测装置为两者的集成式检测装置。
在一个具体实施例中阳极材料和阴极材料独立地选自活性炭颗粒、石墨颗粒、碳毡和碳刷中的至少一种填料，优选所述填料的等效粒度为0.5-1cm。该粒径可以很好防止填料堵塞，且具有较大的表面积供微生物附着生长，利于产电和污染物降解。
在一个具体实施例中阳极用微生物接种于污水处理厂厌氧污泥，其含有希瓦氏菌(Shewanella)等厌氧或兼性厌氧产电菌；和/或阴极用微生物接种于污水处理厂好氧污泥，其含有地杆菌(Geobacter)等氧气还原催化产电菌。
在一个具体实施例中，所述阳离子交换膜为电渗析阳离子交换膜；所述阴离子交换膜为电渗析阴离子交换膜；优选所述电渗析阳离子交换膜和所述电渗析阴离子交换膜的厚度独立地为0.2-1.0mm，优选为0.2-0.5mm；更优选所述电渗析阳离子交换膜和所述电渗析阴离子交换膜的透过率独立地不小于90％，爆破强度独立地不小于0.3MPa。
在一个具体实施例中，在所述集盐室内含有混合的阴阳离子交换树脂，其能够降低微生物脱盐电池的内阻，强化产电和脱盐。所述混合阴阳离子交树脂可为强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂的混合物，或者弱酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂的混合物。
附图说明
图1是一种多级浸没式微生物电池及其运行流程示意图。
图2是另一种多级浸没式微生物电池及其运行流程示意图。
图中：1-阳极室；2-阴极室；3-阳离子交换膜；4-阴离子交换膜；5-集盐室(内部填充混合阴阳离子交换树脂)；6-曝气装置；7-外部电阻；8-外加电源(根据条件选择加或不加，加电时可以强化废水的脱盐效果)；9-污水进水；10-污水出水；11-集盐室进水口；12-集盐室出水口。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做以下详细说明。
实施例1
如图1所示，微生物电池可以被阳离子交换膜和阴离子交换膜分隔为2n+1个腔室，其中n为自然数；微生物电池被分割后得到的腔室包括阳极室1、阴极室2和集盐室5。阳离子交换膜3设在靠近阳极室的一侧，阴离子交换膜4设在靠近阴极室的一侧，阳离子交换膜3和阴离子交换膜4之间形成的腔室即为集盐室5，这样可以构成一个微生物电池。另外，对于多级串联式的多个微生物电池，阳极室和阴极室必须交替设置，且阳极室和阴极室之间设有集盐室5，微生物电池两端的腔室可以均为阳极室，也可以均为阴极室，还可以是一个阳极室和一个阴极室。或多个微生物电池。通过多级串联式形成的多个微生物电池(即微生物电池组)，可以实现污水的逐级净化，直到满足需求为止。
所述阳极室1和所述阴极室2还可以分别设有入水口和出水口，且所述微生物电池的所述阳极室的一端和所述阴极室的一端连通。如此可以实现了污水的循环供给，可以大大提高污水处理的工作效率。其中，所述阳极室的一端和所述阴极室的一端连通，可以通过阳极室出水口和阴极室的入水口连通，或者通过阴极室出水口和阳极室的入水口连通，具体的出水口和入水口的连通视阳极室和阴极室所处的位置而定，这是本领域技术人员容易理解的。其目的是为了实现微生物电池的多级串联。
所述阳极室和所述阴极室还可以独立地与盐浓度检测装置相连。通过阳极室和所述阴极室独立地与盐浓度检测装置的相连，可以实现自动化控制。例如，将微生物电池中的阳极室和阴极室分别和盐浓度检测装置相连，便能够实时监测每个极室(阳极室和阴极室)内的盐浓度，当处理后的污水的盐浓度低于检测装置的设定值时，可以辅以相应的自动化操作收集盐浓度处理合格的污水。
在一个具体实施例中，所述阳极室和所述阴极室独立地与COD检测装置相连。通过阳极室和所述阴极室独立地与COD检测装置的相连，同样可以实现自动化控制。例如，将微生物电池中的阳极室和阴极室分别和COD检测装置相连，便能够实时监测每个极室(阳极室和阴极室)内的COD值等指标，当处理后的污水的COD值等指标低于检测装置的设定值时，可以辅以相应的自动化操作收集COD值等指标处理合格的污水。
而且，进一步的，所述盐浓度检测装置和COD检测装置可以集成为一个统一的检测装置，从而更有利于监测污水的各个指标。
在上述检测装置中还可以包括可视化输出的处理后的污水的盐离子浓度值和/或COD值。
微生物电池中的单个阳极元件所在的阳极室的尺寸可以为20×7×3cm(空床体积为420mL)，阳极元件内填充柱状颗活性炭直径和长度分别为5mm和10mm，活性炭颗粒的集电材料为钛网。该微生物电池中的单个阴极元件所在的阴极室的尺寸为20×7×4cm(空床体积为560mL)，阴极元件内填充柱状颗活性炭直径和长度分别为5mm和10mm，活性炭颗粒的集电材料为钛网。在阴极元件所在的阴极室的底部设置有空气或氧气的曝气装置6。
每个阳极元件和阴极元件之间设有成对的阳离子交换膜3(2.0mol/kg，上海上化公司)和阴离子交换膜4(1.8mol/kg，上海上化公司)构成的膜对，其中阳离子交换膜3靠近阳极元件，阴离子交换膜4靠近阴极元件，成对的离子交换膜3和4与微生物电池的壁围合成集盐室5，在图1中形成了3个集盐室5。集盐室5的尺寸为20×7×0.5cm，厚度为0.5cm，膜面积为140cm2，体积为70mL。集盐室5中填充混合阳离子交换树脂(Na型，4.2mmol/g，国药集团)和阴离子交换树脂(Cl型，3.0mmol/g，国药集团)。阳离子交换树脂和阴离子交换树脂的颗粒粒径为0.5-1.0mm，阳离子交换树脂和阴离子交换树脂混合填充重量比例为1:1.4。
阳极室内使用的厌氧微生物可以接种于污水处理厂的厌氧污泥，其含有希瓦氏菌(Shewanella)等厌氧或兼性厌氧产电菌。
阴极室内使用的好氧微生物可以接种于污水处理厂的好氧污泥，其含有地杆菌(Geobacter)等氧气还原催化产电菌。
实施例2
将实施例1中设计的如图1的微生物电池用于生活污水和工业废水的处理。具体来讲，阳极室内的微生物接种于污水处理厂的厌氧污泥，阴极室内的微生物接种于污水处理厂的好氧污泥。在运行过程中采用实际污水的COD：>250mg/L，电导率：>500μS/cm)，运行方式为推流式。即污水先以35mL/h的速度通过泵的泵入进入阳极室(在阳极空床水力停留时间为12h)，实现有机物的初步去除。之后初步去除有机质和盐的污水从该阳极室出水进入阴极室，在阴极曝气头产生的好氧情况下进一步去除有机物，同时除去盐离子。接着该阴极室出水进入下一级的阳极室以及随后进入与该下一级的阳极室相通的阴极室，实现一般有机物的深度去除、难降解有机物的降解、氮的硝化反硝化、以及磷的吸收和释放，实现污水的深度处理净化。与此同时，不含有机物的集盐水(自来水、去离子水等等)逆向串联流入阳极室和阴极室间的集盐室5(即串联的集盐室内的集盐水的流向与连通的阳极室和阴极室内的污水的流向相反)，在电场的作用下收集从阳极室1和阴极室2的废水中迁移过来的盐分，实现废水中盐分的去除和集盐室5中盐分的回收。为了强化对废水的脱盐效果，在MDC自身产电不足的情况下，可以外加电源，以强化脱盐同时促进阳极和阴极的微生物的生长。
虽然本发明已经参照其具体实施方式进行了描述，但是本领域的技术人员应该理解在没有脱离本发明的真正的精神和范围的情况下，可以进行的各种改变。此外，可以对本发明的主体、精神和范围进行多种改变以适应特定的情形、材料、材料组合物、方法、方法步骤或步骤。所有的这些改变均包括在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种微生物电池，其包括：
阳极室、集盐室、阴极室以及能够连通所述阳极室和所述阴极室的外部电阻或外加电源；其中，所述阳极室与所述集盐室由阳离子交换膜连接，所述集盐室与所述阴极室由阴离子交换膜连接。
2.根据权利要求1所述的微生物电池，其特征在于，所述阴极室内还设有曝气装置。
3.根据权利要求1或2所述的微生物电池，其特征在于，所述微生物电池为多级串联式。
4.根据权利要求1或2所述的微生物电池，其特征在于，所述阳极室和所述阴极室分别设有入水口和出水口，且所述阳极室的一端和所述阴极室的一端连通。
5.根据权利要求1或2所述的微生物电池，其特征在于，阳极材料和阴极材料独立地选自活性炭颗粒、石墨颗粒、碳毡和碳刷中的至少一种填料。
6.根据权利要求5所述的微生物电池，其特征在于，所述填料的等效粒度为0.5-1cm。
7.根据权利要求1或2所述的微生物电池，其特征在于，阳极用微生物为厌氧和/或兼性厌氧产电菌；和/或阴极用微生物为氧气还原催化产电菌。
8.根据权利要求7所述的微生物电池，其特征在于，所述阳极用微生物为希瓦氏菌(Shewanella)；所述阴极用微生物为地杆菌(Geobacter)。
9.根据权利要求1或2所述的微生物电池，其特征在于，所述阳离子交换膜为电渗析阳离子交换膜；所述阴离子交换膜为电渗析阴离子交换膜；优选所述电渗析阳离子交换膜和所述电渗析阴离子交换膜的厚度独立地为0.2-1.0mm；更优选所述电渗析阳离子交换膜和所述电渗析阴离子交换膜的透过率独立地不小于90％，爆破强度独立地不小于0.3MPa。
10.根据权利要求1或2所述的微生物电池，其特征在于，在所述集盐室内含有混合的阴阳离子交换树脂，所述混合阴阳离子交树脂选自强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂的混合物，或者弱酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂的混合物。
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