CN108206288A - 一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构 - Google Patents

一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构 Download PDF

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Abstract

一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构,涉及一种电化学系统中的大孔径多孔间隔结构。本发明为了解决现有的微生物电化学系统中间隔材料成本高的问题。多孔间隔结构主体为板状或筒状，结构主体至少由一层大孔径多孔间隔材料构成；并且结构主体中的大孔径多孔间隔材料中至少有一层为绝缘材质；所述大孔径多孔间隔材料的孔为开孔且孔径为0.1μm～5mm。本发明间隔结构用来分隔阴极室和阳极室,该结构具有渗流过水能力，维持两侧阴阳极之间的溶解氧、COD梯度和阴阳极离子的导通能力；结构相对于离子/质子交换膜可实现非常低的成本。本发明适用于生物阴极微生物电化学系统。

Description

一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔 结构
技术领域
本发明涉及一种电化学系统中的大孔径多孔间隔结构。
背景技术
微生物电化学系统是能直接利用微生物的催化作用将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。在微生物电化学系统中，阳极中的微生物代谢废水中的有机或无机物质，将电子转移至阳极电极上，电子通过外电路传导至阴极，在阴极电子经过外电路与电子受体 O2结合，质子从溶液中由阳极迁移至阴极，从而形成闭合回路，完成反应过程。生物阴极微生物电化学系统是指由微生物在阴极表面附着，从电极上获得电子并承担系统中氧还原的催化功能。典型的生物阴极微生物电化学系统如图1所示，图1中1a为阳极室，2a 为阴极室，3a为阳极，4a为阴极，5a为间隔材料层，6a为电阻。在微生物电化学系统中，污水进入厌氧的阳极室，阳极降解大部分COD(有机污染物的化学需氧量)并将阳极出水排入阴极室。阴极室则一般通过曝气的方式维持好氧的环境并进一步降低阳极室出水中的少量COD。因此阳极和阴极室中间的间隔材料在整个系统中起到分割阴阳极室、维持阳极到阴极的COD梯度(阳极高/阴极低)以及阴极到阳极的溶解氧梯度的功能(阴极高 /阳极低)。
现有的微生物电化学系统中间隔材料采用的离子或质子交换膜价格高；无膜生物阴极微生物电化学系统能够不使用离子或质子交换膜进行水处理，但是无膜生物阴极微生物电化学系统在实际应用过程中仍然存在缺陷；不适合构建较大尺寸的系统和结构复杂的问题；MBR膜材料可以替代现有的离子或质子交换膜，但是MBR膜材料成本仍然较高；
现有的微生物电化学系统系统中间隔材料多采用离子或质子交换膜。离子或质子交换膜价格昂贵，依据品质不同离子或质子交换膜每平方米价格500～10000元不等，且在污水处理工艺使用中寿命仅为1～6个月。较短的寿命和高昂的成本是微生物电化学系统实际应用中无法承受的。因此离子或质子交换膜做为间隔材料的微生物电化学系统，仍仅处于实验室水平，无法满足水处理行业的需求。离子或质子交换膜目前的价格昂贵同时，离子或质子交换膜无法满足阳极液自然渗透进入阴极室的要求，而必须通过管路绕流体系外部，增加了体系的结构冗余和构建成本。为提高微生物电化学系统的处理效率，往往需要在尽可能短的水力停留时间内处理进入阳极的COD。离子或质子交换膜能够维持阴阳极间的COD和溶解氧梯度但是并不具备将COD截留在阳极室中的能力。大量COD随着外部管路源源不断的进入阴极，造成体系性能下降，水质状况下降。
目前无膜生物阴极微生物电化学系统主要为升流式结构无膜生物阴极微生物电化学系统和自呼吸生物阴极结构无膜生物阴极微生物电化学系统。图2为现有的升流式无膜生物阴极微生物电化学系统的两种结构，图中(a)为阴极室置于阳极室流程的下游，(b)为阴极室置于阳极室垂直位置的上部；升流式无膜生物阴极微生物电化学系统主要指利用曝气式气泡上浮的特性，曝气气泡只能进入阴极室而不会逆浮力和水流方向进入阳极室，形成两极室溶解氧的差异，而COD差异则来源于有机物的沿流程降解。因此升流式无膜生物阴极微生物电化学系统为可以不用离子/质子交换膜而实现水处理；升流式无膜生物阴极微生物电化学系统的阴极室置于阳极室流程的下游的形式需要多个隔板，多孔支撑板等结构，设计很复杂。阳极和阴极间不透水的分隔板使阴阳极不能沿最短路径实现离子导通，从而导致阴阳极之间的电阻远大于采用离子或质子交换膜的生物阴极微生物电化学系统，一般离子或质子交换膜生物阴极截面积为100cm2时的内阻约1欧姆，但是同样截面积的升流式无膜生物阴极微生物电化学系统的阴极的内阻50欧姆左右，因此这种设计并不适合构建较大尺寸的应用型系统。阴极室置于阳极室垂直位置的上部的形式只能利用上部空间，因此受限较多，系统只能水平面延展，而很难在高度方向延展。虽然升流式无膜生物阴极微生物电化学系统避免了高昂的离子/质子交换膜成本，但却以复杂的结构为代价。在微生物电化学系统应用中无法基于该构型构建适于实际污水处理的立方级别甚至上百立方级别的面向应用的大型系统。
现有的自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统的结构如图3所示，自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统是利用碳毡等密实导电材料作为基体，含有COD 的出水从阴极基体渗出，由于基体密实且较厚，在污水向外流出的过程中COD被物理拦截、生物降解等作用不断消耗，形成外表面(基体面向空气一侧)COD浓度低而内表面 (基体面向污水一侧)COD浓度高的状态。反过来外表面(基体面向空气一侧)的氧气向内扩散的过程中不断消耗，形成内表面(基体面向污水一侧)溶解氧浓度低而外表面(基体面向空气一侧)溶解氧浓度高的溶解氧梯度。因此自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统的溶解氧和COD的差异都来源于密实的生物阴极基体，进而可以不采用离子 /质子交换膜进行水处理；但是自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统只有当出水缓慢而均匀时才会起作用，而较大尺寸的应用型系统深度或高度需要在1～4米间，当反应器高度较高时，在重力作用下该系统的出水会集中在下部，容易造成系统崩溃失效；因此自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统无法实际应用，仅处于实验阶段。
MBR膜材料为生物膜反应器(MBR)中使用的微滤膜或超滤膜等膜材料，MBR膜材料可以代替价格昂贵的离子/质子交换膜。但是MBR膜材料的成本也在100～7000元每平米，寿命最高约为5年。虽然MBR膜材料在一定程度上降低了初期价格和维护更换的成本，具有实用性，但该MBR膜材料仍然无法完全满足市场需要。首先MBR膜材料按照孔隙率的大小不同分为微滤、超滤或纳滤等，MBR膜材料运行水头压力为0.1～1bar，使用MBR膜材料的系统需要相应的足够的机械强度和密封条件满足系统污水承压运行，足够的机械强度和密封条件带来了成本的增加；MBR膜材料的每吨水的材料成本一般大于1元，因此MBR膜材料的仍然是无法实现每吨水的材料成本降低至0.5元以内的要求。
发明内容
本发明为了解决现有的微生物电化学系统中间隔材料成本高的问题，提出一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构。
本发明用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的结构主体为板状或筒状，结构主体至少由一层大孔径多孔间隔材料构成；并且结构主体中的大孔径多孔间隔材料中至少有一层为绝缘材质；
所述结构主体的厚度为1μm～10cm；
所述大孔径多孔间隔材料的孔为开孔且孔径为0.1μm～5mm；
所述大孔径多孔间隔材料为自支撑大孔径多孔间隔材料或柔性大孔径多孔间隔材料；
所述自支撑大孔径多孔间隔材料为的材质为多孔陶瓷或多孔烧结聚氯乙烯；
所述柔性大孔径多孔间隔材料为多孔碳基材料、纺织网布或海绵；所述多孔碳基材料为石墨毡或活性炭毡；所述纺织网布为不锈钢网、筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网；所述海绵为聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵；
所述结构主体的内表面或外表面设置有多孔盖板；所述多孔盖板的材质为工程塑料或经过绝缘耐腐蚀处理的金属；所述工程塑料为PVC、有机玻璃、ABS塑料或PP塑料；所述经过绝缘耐腐蚀处理的金属为钛、铝、铁、钛合金、铝合金或铁合金；
所述结构主体的内表面和外表面均设置有多孔盖板；所述多孔盖板的材质为工程塑料或经过绝缘耐腐蚀处理的金属；所述工程塑料为PVC、有机玻璃、ABS塑料或PP塑料；所述经过绝缘耐腐蚀处理的金属为钛、铝、铁、钛合金、铝合金或铁合金；
所述结构主体的内表面或外表面涂覆有多孔材料表面修饰层；所述多孔材料表面修饰层材质为：高岭土、粘土、陶土、硅藻土、氧化锆、二氧化锰、铁氧化物、碳纤维、活性炭粉末、碳黑或碳纳米管；
所述结构主体的内表面和外表面均涂覆有多孔材料表面修饰层；所述多孔材料表面修饰层材质为：高岭土、粘土、陶土、硅藻土、氧化锆、二氧化锰、铁氧化物、碳纤维、活性炭粉末、碳黑或碳纳米管；
所述结构主体的内表面或外表面依次设置有多孔材料表面修饰层和多孔盖板，多孔材料表面修饰层设置于结构主体的内表面与多孔盖板之间或外表面与多孔盖板之间；
所述结构主体的内表面和外表面均依次设置有多孔材料表面修饰层和多孔盖板，多孔材料表面修饰层设置于结构主体的内表面与多孔盖板之间和外表面与多孔盖板之间。
本发明用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构中：
一、柔性大孔径多孔间隔材料中石墨毡或活性炭毡易于附着微生物，价格便宜，耐污水和生物腐蚀，但是遇到压缩或扭曲会造成结构碎裂，属于不可压缩的柔性材料，单独使用容易使阴阳极直接电子导通；因此在本发明大孔径多孔间隔结构中设置石墨毡或活性炭毡时应设置板框类增强结构或多孔盖板，并且在石墨毡的单面或双面设置工业滤布、无纺布、筛绢或尼龙布作为绝缘保护层；
二、柔性大孔径多孔间隔材料中聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵的成本低廉，孔隙率高并且孔径适中，压缩时三维结构不易被破坏；但是聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵的强度低，单独使用时在外力下易出现局部的穿孔破损；因此在本发明大孔径多孔间隔结构中聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵应与具有一定韧性和强度并且耐腐蚀的不锈钢网，筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网、聚酰胺筛网石墨毡、活性炭毡、多孔陶瓷或多孔烧结聚氯乙烯复合使用；
三、柔性大孔径多孔间隔材料中不锈钢网耐腐蚀并且机械强度高，但是存在成本较高、容易直接导通阴阳极、单层使用时已发生局部滤层或生物膜脱落进而使污水在脱落的滤层或生物膜处大量通过，影响系统的稳定性；因此在本发明大孔径多孔间隔结构中不锈钢网应与绝缘的多孔间隔材料复合使用；
四、柔性大孔径多孔间隔材料中筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网价格低廉并且具有一定韧性，但是存在寿命较短或刚性较差的问题，筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网单层使用时容易发送局部滤层或生物膜脱落进而在脱落处形成污水短流；因此在本发明大孔径多孔间隔结构中筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网应采用多层叠加的方式使用，或与多孔碳基材料、海绵、支撑大孔径多孔间隔材料复合，复合后形成一定厚度的间隔结构，防止局部污水短流发生；
五、自支撑大孔径多孔间隔材料中陶瓷或多孔烧结聚氯乙烯的结构稳定、寿命久、机械强度高和易于生物附着；但是成本较高，长期使用堵塞孔隙，在反冲洗和化学清洗也无法恢复孔隙时就需要更换；因此在本发明大孔径多孔间隔结构中陶瓷或多孔烧结聚氯乙烯应在表面复合筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网；复合后的大孔径多孔间隔结构表面形成滤层，可以通过清洗或更换价格较低的材料的方式延长陶瓷、多孔烧结聚氯乙烯或整个复合结构使用寿命。
本发明用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的原理及有益效果为：
一、本发明用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的作用是置于生物阴极微生物电化学系统中并用来分隔阴极室和阳极室；本发明可以通过调节大孔径多孔间隔结构中间隔材料的孔隙率来实现调节大孔径多孔间隔结构的渗流过水能力，以及大孔径多孔间隔结构两侧阴阳极之间的溶解氧、COD梯度，阴阳极离子的导通能力；
二、本发明大孔径多孔间隔结构具有较大的过流通量，所以阴极室的进水仅依靠阳极室与阴极室的水位差产生的重力即可实现从阳极室渗流到阴极；
三、本发明大孔径多孔间隔结构中采用的间隔材料为大孔径，是不易腐蚀和不易堵塞的材料，因此使用寿命长；大孔径多孔间隔结构的表面可以自然附着微生物并且能够截留颗粒污染物，截留颗的粒污染物在大孔径多孔间隔结构的表面形成稳定的滤饼层，即形成动态膜滤层，动态膜滤层可以实现对颗粒污染物的阻隔和截留；并且大孔径间隔材料表面能够自然更新微生物层和滤饼层，使多孔间隔结构的阻隔和截留功能得以自然持续。由于表面微生物和动态膜滤层存在提高了多孔间隔结构的抗污染耐腐蚀能力，延长了间隔材料的使用寿命，进而降低了成本；
四、由于本发明大孔径多孔间隔结构中间隔材料具有一定厚度并附着有大量微生物，阴极一侧的氧气向阳极扩散的过程中不断消耗，形成阳极侧溶解氧浓度低而阴极侧溶解氧浓度高的溶解氧梯度。同时，由于间隔材料具有一定厚度并附着有大量微生物，含有有机污染物的出水从间隔材料渗出过程中被拦截并被微生物降解，机污染物不断消耗进而形成阳极侧COD低而阴极侧COD高的状态，实现了维持COD梯度功能；
五、本发明大孔径多孔间隔结构中采用的间隔材料的成本与采用离子/质子交换膜相比较低。依据已获得数据，离子/质子交换膜的成本为每平方米价格500～10000元不等，且在污水处理工艺使用中寿命仅为1～6个月。本发明采用的大孔径多孔间隔结构的价格低廉并且使用寿命长；如工业滤布仅为成本5～20元每平米，工业滤布在污水中使用寿命2～3年；聚酯海绵的成本为10～50元每平米，聚酯海绵在污水中使用寿命3～5年，因此本发明采用的大孔径多孔间隔结构相对于离子/质子交换膜可实现非常低的成本；
六、采用本发明大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统中，大孔径多孔间隔结构中间隔材料具有贯通的孔道，污水只需阴阳极较小的水位差便能穿过阳极直接渗流到阴极，适合大型系统连续运行，减少了管路等冗余结构；并且由于大孔径多孔间隔结构中间隔材料具有贯通的孔道，孔道内流通的水能够实现阴阳极离子导通功能；
七、采用本发明大孔径多孔间隔结构适用于阳极室与阴极室的水位差为0.1～50cm(阳极室高于阴极室)的生物阴极微生物电化学系统，本发明大孔径多孔间隔结构能够实现污水的过流通量为0.005～50m3·m-2·d-1；其中过流通量为在单位时间内单位截面的大孔径多孔间隔结构能够通过的污水体积；在污水的过流通量为0.005～50m3·m-2·d-1且阳极室COD 为150～5000mg/L的条件下，本发明大孔径多孔间隔结构能保持阳极渗流至间隔材料层阴极一侧后阴极室有机污染物浓度不高于100mg/L，并且当阴极在饱和溶解氧条件下，可保持阳极室溶解氧为0.01～2mg/L；
八、本发明大孔径多孔间隔结构中多孔材料表面修饰层能够强化生物附着，使多孔材料层表面更容易附着微生物，提高多孔间隔材料的表面能，从而提高多孔材料的生物附着能力；金属氢氧化物或氧化物做为涂层能提供正电荷的金属离子位点，还能使带负电的细菌容易附着生长成膜。
附图说明：
图1为典型的生物阴极微生物电化学系统结构示意图，图中1a为阳极室，2a为阴极室，3a为阳极，4a为阴极，5a为间隔材料，6a为电阻；
图2为现有的升流式无膜生物阴极微生物电化学系统的两种结构示意图，图中(a)为阴极室置于阳极室流程的下游，(b)为阴极室置于阳极室垂直位置的上部；
图3为现有的自呼吸生物阴极无膜生物阴极微生物电化学系统的结构示意图；
图4为实施例1中大孔径多孔间隔结构的结构示意图；图中1为多孔盖板，2为聚氨酯海绵，3为多孔盖板；
图5为实施例1生物阴极微生物电化学系统的功率密度曲线图；
图6为实施例2的大孔径多孔间隔结构的结构示意图，图中4为多孔盖板，5为支撑板框，6为大孔径多孔间隔结构的结构主体，7为多孔盖板；
图7为实施例2的大孔径多孔间隔结构的结构主体的结构示意图，图中8为工业滤布， 9为聚氨酯海绵，10为工业滤布；
图8为实施例2生物阴极微生物电化学系统的功率密度曲线图；
图9为实施例3大孔径多孔间隔结构的结构示意图；
图10为图9剖视图；图中1为筒状多孔盖板，2为工业滤布；
图11为实施例3生物阴极微生物电化学系统的功率密度曲线图；图中曲线1为采用实施例3中大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的密度曲线，曲线2为离子交换膜的功率密度曲线；
图12为实施例4生物阴极微生物电化学系统的功率密度曲线图；图中曲线1采用实施例3中大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的密度曲线，曲线2为离子交换膜的功率密度曲线；
图13为实施例5生物阴极微生物电化学系统的功率密度曲线图；图中曲线1采用实施例5中大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的密度曲线，曲线2为离子交换膜的功率密度曲线。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的结构主体为板状或筒状，结构主体至少由一层大孔径多孔间隔材料构成；并且结构主体中的大孔径多孔间隔材料中至少有一层为绝缘材质；
所述结构主体的厚度为1μm～10cm；
所述大孔径多孔间隔材料的孔为开孔且孔径为0.1μm～5mm。
本实施方式具备以下有益效果：
一、本实施方式用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的作用是置于生物阴极微生物电化学系统中并用来分隔阴极室和阳极室；本实施方式可以通过调节大孔径多孔间隔结构中间隔材料的孔隙率来实现调节大孔径多孔间隔结构的渗流过水能力，以及大孔径多孔间隔结构两侧阴阳极之间的溶解氧、COD梯度，阴阳极离子的导通能力；
二、本实施方式大孔径多孔间隔结构具有较大的过流通量，所以阴极室的进水仅依靠阳极室与阴极室的水位差产生的重力即可实现从阳极室渗流到阴极；
三、本实施方式大孔径多孔间隔结构中采用的间隔材料为大孔径，是不易腐蚀和不易堵塞的材料，因此使用寿命长；大孔径多孔间隔结构的表面可以自然附着微生物并且能够截留颗粒污染物，截留颗的粒污染物在大孔径多孔间隔结构的表面形成稳定的滤饼层，即形成动态膜滤层，动态膜滤层可以实现对颗粒污染物的阻隔和截留；并且大孔径间隔材料表面能够自然更新微生物层和滤饼层，使多孔间隔结构的阻隔和截留功能得以自然持续。由于表面微生物和动态膜滤层存在提高了多孔间隔结构的抗污染耐腐蚀能力，延长了间隔材料的使用寿命，进而降低了成本；
四、由于本实施方式大孔径多孔间隔结构中间隔材料具有一定厚度并附着有大量微生物，阴极一侧的氧气向阳极扩散的过程中不断消耗，形成阳极侧溶解氧浓度低而阴极侧溶解氧浓度高的溶解氧梯度。同时，由于间隔材料具有一定厚度并附着有大量微生物，含有有机污染物的出水从间隔材料渗出过程中被拦截并被微生物降解，机污染物不断消耗进而形成阳极侧COD低而阴极侧COD高的状态，实现了维持COD梯度功能；
五、本实施方式大孔径多孔间隔结构中采用的间隔材料的成本与采用离子/质子交换膜相比较低。依据已获得数据，离子/质子交换膜的成本为每平方米价格500～10000元不等，且在污水处理工艺使用中寿命仅为1～6个月。本实施方式采用的大孔径多孔间隔结构的价格低廉并且使用寿命长；如工业滤布仅为成本5～20元每平米，工业滤布在污水中使用寿命2～3年；聚酯海绵的成本为10～50元每平米，聚酯海绵在污水中使用寿命3～5 年，因此本实施方式采用的大孔径多孔间隔结构相对于离子/质子交换膜可实现非常低的成本；
六、采用本实施方式大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统中，大孔径多孔间隔结构中间隔材料具有贯通的孔道，污水只需阴阳极较小的水位差便能穿过阳极直接渗流到阴极，适合大型系统连续运行，减少了管路等冗余结构；并且由于大孔径多孔间隔结构中间隔材料具有贯通的孔道，孔道内流通的水能够实现阴阳极离子导通功能；
七、采用本实施方式大孔径多孔间隔结构适用于阳极室与阴极室的水位差为 0.1～50cm(阳极室高于阴极室)的生物阴极微生物电化学系统，本实施方式大孔径多孔间隔结构能够实现污水的过流通量为0.005～50m3·m-2·d-1；其中过流通量为在单位时间内单位截面的大孔径多孔间隔结构能够通过的污水体积；在污水的过流通量为0.005～50 m3·m-2·d-1且阳极室COD为150～5000mg/L的条件下，本实施方式大孔径多孔间隔结构能保持阳极渗流至间隔材料层阴极一侧后阴极室有机污染物浓度不高于100mg/L，并且当阴极在饱和溶解氧条件下，可保持阳极室溶解氧为0.01～2mg/L；
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述大孔径多孔间隔材料为自支撑大孔径多孔间隔材料或柔性大孔径多孔间隔材料。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述大孔径多孔间隔材料为自支撑大孔径多孔间隔材料或柔性大孔径多孔间隔材料。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述柔性大孔径多孔间隔材料为多孔碳基材料、纺织网布或海绵；所述多孔碳基材料为石墨毡或活性炭毡；所述纺织网布为不锈钢网、筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网；所述海绵为聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述结构主体的内表面或外表面设置有多孔盖板；所述多孔盖板的材质为工程塑料或经过绝缘耐腐蚀处理的金属；所述工程塑料为PVC、有机玻璃、ABS塑料或PP塑料；所述经过绝缘耐腐蚀处理的金属为钛、铝、铁、钛合金、铝合金或铁合金。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述结构主体的内表面和外表面均设置有多孔盖板；所述多孔盖板的材质为工程塑料或经过绝缘耐腐蚀处理的金属；所述工程塑料为PVC、有机玻璃、ABS塑料或PP塑料；所述经过绝缘耐腐蚀处理的金属为钛、铝、铁、钛合金、铝合金或铁合金。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述结构主体的内表面或外表面涂覆有多孔材料表面修饰层；所述多孔材料表面修饰层材质为：高岭土、粘土、陶土、硅藻土、氧化锆、二氧化锰、铁氧化物、碳纤维、活性炭粉末、碳黑或碳纳米管。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
本实施方式具备以下有益效果：
本实施方式大孔径多孔间隔结构中多孔材料表面修饰层能够强化生物附着，使多孔材料层表面更容易附着微生物，提高多孔间隔材料的表面能，从而提高多孔材料的生物附着能力；金属氢氧化物或氧化物做为涂层能提供正电荷的金属离子位点，还能使带负电的细菌容易附着生长成膜。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述多孔材料表面修饰层材质为：高岭土、粘土、陶土、硅藻土、氧化锆、二氧化锰、铁氧化物、碳纤维、活性炭粉末、碳黑或碳纳米管。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
本实施方式具备以下有益效果：
本实施方式大孔径多孔间隔结构中多孔材料表面修饰层能够强化生物附着，使多孔材料层表面更容易附着微生物，提高多孔间隔材料的表面能，从而提高多孔材料的生物附着能力；金属氢氧化物或氧化物做为涂层能提供正电荷的金属离子位点，还能使带负电的细菌容易附着生长成膜。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述结构主体的内表面或外表面依次设置有多孔材料表面修饰层和多孔盖板，多孔材料表面修饰层设置于结构主体的内表面与多孔盖板之间或外表面与多孔盖板之间。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述结构主体的内表面和外表面均依次设置有多孔材料表面修饰层和多孔盖板，多孔材料表面修饰层设置于结构主体的内表面与多孔盖板之间和外表面与多孔盖板之间。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：当结构主体为多层时，每层大孔径多孔间隔材料可以相同也可以不同，大孔径多孔间隔材料可以为自支撑大孔径多孔间隔材料和柔性大孔径多孔间隔材料的任意组合。其他步骤和参数与具体实施方式一至十之一相同。
采用以下实验验证本发明的有益效果：
实施例1：
本实施例用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的结构主体为板状，结构主体由一层聚氨酯海绵构成；所述结构主体的厚度为2cm；所述聚氨酯海绵的孔为开孔且孔径为1～1.5mm；所述结构主体的内表面和外表面均设置有多孔盖板；所述多孔盖板的材质为有机玻璃；图4为实施例1中大孔径多孔间隔结构的结构示意图；图中1 为多孔盖板，2为聚氨酯海绵，3为多孔盖板；
将本实施例的大孔径多孔间隔结构置于生物阴极微生物电化学系统中阴极室与阳极室之间，生物阴极微生物电化学系统中设置24根相互平行的直径为3cm和长为1m的碳刷作为阳极阵列，设置24根相互平行的直径为3cm和长为1m的碳刷作为阴极阵列，阳极阵列和阴极阵列距离大孔径多孔间隔结构的距离都为1cm；向系统中通入市政污水，水质特征为COD：250～350mg/L，总氮：30～45mg/L，总悬浮物：100～140mg/L，电导率： 600～700μS/cm；停留时间为5h，处理后出水的水质特征为：生物阴极出水水质为：COD： 25～30mg/L，总氮：10～13mg/L，氨氮：1～3mg/L，总悬浮物：10mg/L，电导率：600～700μS/cm；上述数据说明采用本实施例的大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统具有极佳的水处理效果，并且采用本实施例采用的聚氨酯海绵每平米多孔材料成本30元。图5 为实施例1生物阴极微生物电化学系统的功率密度曲线图；由图5可知，实施例1生物阴极微生物电化学系统的最大功率输出为34mW/m2。
实施例2：
本实施例用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的结构主体为板状，结构主体由两层工业滤布和一层聚氨酯海绵构成；聚氨酯海绵设置于两层工业滤布之间；结构主体的表面涂覆有活性炭粉末；所述结构主体的内表面和外表面均设置有多孔盖板；多孔盖板的材质为有机玻璃；所述结构主体的厚度为1cm；所述工业滤布和的聚氨酯海绵的孔为开孔且孔径为1～1.5mm；
图6为实施例2的大孔径多孔间隔结构的结构示意图，图中4为多孔盖板，5为支撑板框，6为大孔径多孔间隔结构的结构主体，7为多孔盖板；图7为实施例2的大孔径多孔间隔结构的结构主体的结构示意图，图中8为工业滤布，9为聚氨酯海绵，10为工业滤布；本实施例中结构主体外部设置了支撑板框以保护结构主体；聚氨酯海绵设置于两层工业滤布之间；两层工业滤布能够保护聚氨酯海绵避免产生穿孔，以及在水力冲刷下穿孔不断扩大，进而造成污水集中从穿孔处通过的现象发生；
将本实施例的大孔径多孔间隔结构置于生物阴极微生物电化学系统中阴极室与阳极室之间，生物阴极微生物电化学系统中阴极室和阳极室的尺寸都为30cm高，8cm长和4cm；生物阴极微生物电化学系统的容积约2L；生物阴极微生物电化学系统的阳极室进水水质为：COD为200～300mg/L，氨氮为40～50mg/L，总氮为50～60mg/L，电导率为 700～900μS/cm；在停留时间6h后，出水水质的COD为40～50mg/L，总氮为10～14mg/L，氨氮为1.5mg/L，总悬浮物为10mg/L；并且经长期测试，本实施例生物阴极微生物电化学系统的系统启动稳定的时间从2个月缩短到5周，说明结构主体的表面涂覆的活性炭粉末能够加速其表面微生物层的吸附和生成，加快了大孔径多孔间隔结构实现维持COD梯度功能。
分别将实施例2中表面没有涂覆有活性炭粉末大孔径多孔间隔结构和离子交换膜作为间隔材料，并置于实施例2中的生物阴极微生物电化学系统中，并分别测试各自的功率密度曲线；图8为实施例2生物阴极微生物电化学系统的功率密度曲线图；图中曲线1 为采用实施例2中大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的密度曲线，曲线2 为采用实施例2中表面没有涂覆有活性炭粉末大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的密度曲线，曲线3为离子交换膜的功率密度曲线，从图8可知，含有离子交换膜作为间隔材料的生物阴极微生物电化学系统的最大功率输出为1.46W/m3，含有实施例 2的大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的最大功率输出为1.40W/m3，含有实施例2中表面没有涂覆有活性炭粉末大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的最大功率输出为1.32W/m3；由上述可知，实施例2中大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统可以获得接近离子交换膜的生物阴极微生物电化学系统的性能，说明实施例2中大孔径多孔间隔结构用于生物阴极微生物电化学系统。
本实施例采用的离子交换膜的型号为CMI-7000，生产厂家为美国的MEMBRANESINTERNATIONAL INC；离子交换膜的价格5000每平米，使用寿命约3-6个月；
实施例3：
本实施例用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的结构主体为筒状，结构主体由5层工业滤布构成；所述结构主体的厚度为7cm；所述工业滤布的孔为开孔且孔径为0.9μm；所述结构主体的内表面和外表面均设置有筒状多孔盖板；所述多孔盖板的材质为ABS塑料；
将本实施例的大孔径多孔间隔结构置于生物阴极微生物电化学系统中阴极室与阳极室之间，并测试功率密度曲线；生物阴极微生物电化学系统中阴极室和阳极室的尺寸都为 30cm高，8cm长和4cm宽；生物阴极微生物电化学系统的容积约2L；生物阴极微生物电化学系统的阳极室进水水质为：COD为200～300mg/L，氨氮为40～50mg/L，总氮为 50～60mg/L，电导率为700～900μS/cm；在停留时间6h后，出水水质的COD为40～50mg/L， SCOD为20～30mg/L，总氮为1～3mg/L，总悬浮物为10mg/L；
将离子交换膜作为间隔材料置于实施例3中的生物阴极微生物电化学系统中，并测试功率密度曲线；测试结果如图11所示；由图11可知，含有实施例3中大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的最大功率输出位1.34W/m3，在含有离子交换膜的生物阴极微生物电化学系统中的最大功率输出1.46W/m3；由实验结果可知采用多层工业滤布也能够实现与离子交换膜相似的系统功率密度输出。同时由于工业滤布层更加致密厚度较薄，使系统更加紧凑；
本实施例采用的离子交换膜的型号为CMI-7000，生产厂家为美国的MEMBRANESINTERNATIONAL INC；离子交换膜的价格5000每平米，使用寿命约3-6个月；
实施例4：
本实施例用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的结构主体为板状，结构主体由一层多孔陶瓷构成；所述结构主体的厚度为5mm；所述多孔陶瓷的孔为开孔且孔径为5～200μm；
将本实施例的大孔径多孔间隔结构置于生物阴极微生物电化学系统中阴极室与阳极室之间，生物阴极微生物电化学系统中阴极室和阳极室的尺寸都为30cm高，8cm长和4cm 高；生物阴极微生物电化学系统的容积约2L；生物阴极微生物电化学系统的阳极室进水水质为：COD为200～300mg/L，氨氮为40～50mg/L；在停留时间6h后，生物阴极出水水质为：COD为20～30mg/L，氨氮为1～3mg/L，总悬浮物为5mg/L。
将离子交换膜作为间隔材料置于实施例4中的生物阴极微生物电化学系统中，并测试功率密度曲线；测试结果如图12所示；由图12可知，含有实施例4中大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的最大功率输出为1.0W/m3，采用离子交换膜的生物阴极微生物电化学系统的最大功率输出为1.46W/m3；虽然含有实施例4中大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的电化学性能略低，但实施例4使用多孔陶瓷板的系统能够稳定产能和工作；并且多孔陶瓷板的成本约200～1000元每平米，寿命持久可达3～5 年，而离子交换膜的价格为5000元每平米，使用寿命约3-6个月；
本实施例采用的离子交换膜的型号为CMI-7000，生产厂家为美国的MEMBRANESINTERNATIONAL INC；离子交换膜的价格5000每平米，使用寿命约3-6个月；
实施例5：
本实施例用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构的结构主体为板状，结构主体由一层多孔陶瓷和两层筛绢构成；多孔陶瓷设置于两层筛绢之间；所述结构主体的厚度为5mm；所述多孔陶瓷和筛绢大的孔为开孔且孔径为50～200μm；
将本实施例的大孔径多孔间隔结构置于生物阴极微生物电化学系统中阴极室与阳极室之间，生物阴极微生物电化学系统中阴极室和阳极室的尺寸都为30cm高，8cm长和4cm；生物阴极微生物电化学系统的容积约2L；生物阴极微生物电化学系统的阳极室进水水质为：COD为200～300mg/L，氨氮为40～50mg/L，总氮为50～60mg/L，电导率为 700～900μS/cm；在停留时间6h后，生物阴极出水水质为：COD为20～30mg/L，氨氮为 1～3mg/L，总悬浮物5mg/L。
将离子交换膜作为间隔材料置于实施例5中的生物阴极微生物电化学系统中，并测试功率密度曲线；测试结果如图13所示；由图13可知，含有实施例5大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的最大功率输出为0.9W/m3，含有离子交换膜的生物阴极微生物电化学系统的最大功率输出为1.46W/m3；虽然含有实施例5大孔径多孔间隔结构的生物阴极微生物电化学系统的电化学性能略低，但实施例5大孔径多孔间隔结构能够稳定产能和工作。
本实施例采用的离子交换膜的型号为CMI-7000，生产厂家为美国的MEMBRANESINTERNATIONAL INC；离子交换膜的价格5000每平米，使用寿命约3-6个月。

Claims (10)

1.一种用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：该大孔径多孔间隔结构的结构主体为板状或筒状，结构主体至少由一层大孔径多孔间隔材料构成；并且结构主体中的大孔径多孔间隔材料中至少有一层为绝缘材质；
所述结构主体的厚度为1μm～10cm；
所述大孔径多孔间隔材料的孔为开孔且孔径为0.1μm～5mm。
2.根据权利要求1所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述大孔径多孔间隔材料为自支撑大孔径多孔间隔材料或柔性大孔径多孔间隔材料。
3.根据权利要求1或2所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述自支撑大孔径多孔间隔材料为的材质为多孔陶瓷或多孔烧结聚氯乙烯。
4.根据权利要求3所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述柔性大孔径多孔间隔材料为多孔碳基材料、纺织网布或海绵；所述多孔碳基材料为石墨毡或活性炭毡；所述纺织网布为不锈钢网、筛绢、无纺布、工业滤布、尼龙网、聚酯筛网或聚酰胺筛网；所述海绵为聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵。
5.根据权利要求1、2或4所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述结构主体的内表面或外表面设置有多孔盖板；所述多孔盖板的材质为工程塑料或经过绝缘耐腐蚀处理的金属；所述工程塑料为PVC、有机玻璃、ABS塑料或PP塑料；所述经过绝缘耐腐蚀处理的金属为钛、铝、铁、钛合金、铝合金或铁合金。
6.根据权利要求5所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述结构主体的内表面和外表面均设置有多孔盖板；所述多孔盖板的材质为工程塑料或经过绝缘耐腐蚀处理的金属；所述工程塑料为PVC、有机玻璃、ABS塑料或PP塑料；所述经过绝缘耐腐蚀处理的金属为钛、铝、铁、钛合金、铝合金或铁合金。
7.根据权利要求6所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述结构主体的内表面或外表面涂覆有多孔材料表面修饰层；所述多孔材料表面修饰层材质为：高岭土、粘土、陶土、硅藻土、氧化锆、二氧化锰、铁氧化物、碳纤维、活性炭粉末、碳黑或碳纳米管。
8.根据权利要求7所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述结构主体的内表面和外表面均涂覆有多孔材料表面修饰层；所述多孔材料表面修饰层材质为：高岭土、粘土、陶土、硅藻土、氧化锆、二氧化锰、铁氧化物、碳纤维、活性炭粉末、碳黑或碳纳米管。
9.根据权利要求8所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述结构主体的内表面或外表面依次设置有多孔材料表面修饰层和多孔盖板，多孔材料表面修饰层设置于结构主体的内表面与多孔盖板之间或外表面与多孔盖板之间。
10.根据权利要求9所述的用于生物阴极微生物电化学系统中的大孔径多孔间隔结构，其特征在于：所述结构主体的内表面和外表面均依次设置有多孔材料表面修饰层和多孔盖板，多孔材料表面修饰层设置于结构主体的内表面与多孔盖板之间和外表面与多孔盖板之间。
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