CN108002527A - 一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统 - Google Patents

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Abstract

一种新型膜生物反应器‑微生物燃料电池耦合系统，涉及水处理和新能源领域。本发明要解决现有微生物燃料电池产电量少，出水水质差的技术问题。阳极膜组件的过滤行为可以减少阳极微生物损失，提高微生物浓度，提高出水水质，强化微生物向电极的迁移，加速电子导出；阴极的过滤行为可以使氧气与电极间的被动扩散传质变为主动强化传质，从而强化电极反应。本发明提供了一种膜生物反应器‑微生物燃料电池耦合系统，工作过程简单，操作方便。

Description

一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统
技术领域
本发明属于水处理和新能源领域，具体涉及一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统。
背景技术
膜生物反应器由微滤或超滤膜过滤取代传统生化处理技术中的二次沉淀池，具有系统运行稳定，流程简单，处理效率高，出水水质好，设备占地面积少等优点。目前，阻碍膜生物反应器快速发展并规模化应用的重要问题是膜污染引起的工作效率下降、运行成本升高以及曝气过程的高能耗。微生物燃料电池是一种利用电化学活性微生物的催化作用将有机物中所含的化学能转化为电能的装置，具有能量转化效率高、反应条件温和等优势。在过去的几十年里，微生物燃料电池的构型已经有了很好的改进。然而，对于废水处理来说，微生物燃料电池的阳极出水水质一般达不到排放标准，对废水的处理效率较低。除此之外，微生物燃料电池还存在着功率密度低、电极成本高等诸多问题。
本发明以生活污水或有机工业废水为处理对象，构建一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统，将有导电性的膜组件作为微生物燃料电池的电极。与传统微生物燃料电池相比，阳极膜组件的过滤行为可以减少阳极微生物损失，提高出水水质，强化微生物向电极的迁移，加速电子导出；阴极膜组件的过滤行为可以使氧气与电极间的被动扩散传质变为主动强化传质，从而强化电极反应。
发明内容
本发明目的是提供一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统，通过过滤行为，解决传统微生物燃料电池产电量少，出水水质差的问题。
本发明的装置由以下部件组成：池体(3)、阳极出水蠕动泵(1)、压力表(2)、阳极出水管(4)、阳极膜组件(9)、导线(5)、负载(6)、阳极进水蠕动泵(7)、阳极进水管(8)、隔膜(10)、曝气装置(11)、阴极膜组件(12)和阴极蠕动泵(13)；隔膜(10)将整个系统分为膜生物反应器和微生物燃料电池阴极室；进水管(8)与位于微生物燃料电池阳极室底部进水口相连；出水通过阳极膜组件(9)、阳极出水管(5)、阳极出水蠕动泵(1)排出；阴极循环系统由阴极膜组件(12)、阴极蠕动泵(13)组成。池体(3)形状为双室H型；阳极膜组件(9)和阴极膜组件(12)为导电性材质膜组件，如炭膜；负载(6)为10-1000Ω的电阻；隔膜(10)为质子交换膜、阴离子交换膜或阳离子交换膜。
本发明的优点：本发明提供了一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统。该系统能一方面有效截留阳极微生物，提高阳极室微生物浓度，提高出水水质；另一方面通过强化微生物及氧气分子与电极间的相互作用，提高微生物燃料电池的产电能力。该系统工作过程简单，操作方便。
附图说明
图1是新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统示意图。
图2是新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统与微生物燃料电池对照组COD去除性能对比图。
图3是新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统与微生物燃料电池对照组极化曲线对比图。
图2是新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统与微生物燃料电池对照组COD去除效果对比图。空心三角符号△代表新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统的出水COD的变化情况；实心三角符号▲代表微生物燃料电池对照组的出水COD变化情况；空心菱形符号◇代表新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统COD去除效率的变化情况；实心菱形符号◆代表微生物燃料电池对照组COD去除效率的变化情况。
图3是新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统与微生物燃料电池对照组极化曲线对比图。空心圆圈符号○和空心方形符号□代表新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统的极化曲线；实心圆圈符号●和实心方形符号■代表微生物燃料电池对照组的极化曲线。
具体实施方式
结合图1，本实施方式是一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统，该系统是由池体(3)、阳极出水蠕动泵(1)、压力表(2)、阳极出水管(4)、阳极膜组件(9)、导线(5)、负载(6)、阳极进水蠕动泵(7)、阳极进水管(8)、隔膜(10)、曝气装置(11)、阴极膜组件(12)、阴极蠕动泵(13)组成；阳极室和阴极室的有效容积均为250ml，以Nafion117分隔；阳极膜组件和阴极膜组件为管式炭膜，直径8mm，有效长度40mm，膜孔径0.40μm；阳极膜组件和阴极膜组件间连接1000Ω负载。
待处理水为模拟生活污水，阳极室接种市政污水处理厂二沉池污泥50ml，过滤通量为10L/(m2.h)，水力停留时间为24h；阴极室溶液磷酸盐缓冲液(pH＝7.02)，溶解氧控制在5mg/l以上，过滤通量为50L/(m2.h)。
图2和图3分别为该新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统与微生物燃料电池对照组COD去除性能和产电性能的比较。新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统与微生物燃料电池对照组相比COD去除率提高了33.15％，输出电压提高了36.67％，最高功率密度提高了80.57％。说明新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统对COD去除性能和产电性能的提升效果显著。

Claims (7)

1.一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统，其特征在于：该系统由池体(3)、阳极出水蠕动泵(1)、压力表(2)、阳极出水管(4)、阳极膜组件(9)、导线(5)、负载(6)、阳极进水蠕动泵(7)、阳极进水管(8)、隔膜(10)、曝气装置(11)、阴极膜组件(12)、阴极蠕动泵(13)组成；隔膜(10)将整个系统分为膜生物反应器和微生物燃料电池阴极室；进水管(8)与位于微生物燃料电池阳极室底部进水口相连；出水通过阳极膜组件(9)、阳极出水管(5)、阳极出水蠕动泵(1)排出；阴极循环系统由阴极膜组件(12)、阴极蠕动泵(13)组成。
2.根据权利要求1所述一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统，其特征在于：所述的池体(3)形状为双室H型。
3.根据权利要求1所述一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统，其特征在于：所述的阳极膜组件(9)和阴极膜组件(12)为导电性材质膜组件，如炭膜。
4.根据权利要求1所述一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统，其特征在于：所述的负载(6)为10-1000Ω的电阻。
5.根据权利要求1所述一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统，其特征在于：所述的隔膜(10)为质子交换膜、阴离子交换膜或阳离子交换膜。
6.根据权利要求1所述一种新型膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统，其特征在于：与传统微生物燃料电池相比，所述的阳极膜组件(9)的过滤行为可以减少出水中的微生物，降低阳极室微生物损失，提高阳极室微生物浓度，提高出水水质，强化微生物向电极的迁移，加速电子导出。
7.根据权利要求1所述一种膜生物反应器-微生物燃料电池耦合系统，其特征在于：所述的阴极膜组件(12)的过滤行为可以使氧气与电极间的被动扩散传质变为主动强化传质，从而强化电极反应。
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