CN108520972A - 一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池及污水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池及污水处理方法，电池的阴极室套设在阳极室内部，阴极室内设置有阴极，阴极的表面附着有反硝化生物膜，连接有电导线，阴极室的下部设置有阴极室进水口，上端设置有三相分离器，阴极室的侧壁上还设置有与阳极室进行质子交换的质子交换膜；阳极室内固定设置有空心柱状的阳极室内置挡板，阳极室内置挡板的外表面与阳极室的内表面之间具有流液间隙；阳极室内置挡板套设于阴极室和三相分离器的外周；阳极室内设有铁质的阳极，阳极设置于阴极室与阳极室内置挡板之间，阳极上连接有电导线，本发明实现了微生物燃料电池阴极和阳极的一体化，减少了微生物燃料电池的占地面积，降低了工程投资成本。
Description
技术领域
本发明属于污水处理及燃料电池技术领域，具体涉及一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池及污水处理方法。
背景技术
据2018年我国生态环境部发布的《关于加强固定污染源氮磷污染防治的通知》，我国水污染防治形势面临新的变化，氮磷成为重点湖泊、近岸海域、长江经济带地表水等的首要污染物，氮磷污染防治成为流域水质改善的重大瓶颈。
传统的生物脱氮技术需要额外添加有机物作为反硝化电子供体，传统的化学除磷技术则需要添加铁盐、铝盐等作为除磷絮凝剂。额外添加某种物质以实现水体中原有污染物的去除，都将使得废水处理成本增高，且极易因添加过量而造成二次污染。
据报道，世界范围内磷资源匮乏。就我国而言，2003年底保有磷矿储量18.9亿吨，折标矿12亿吨，2003年磷矿实际消费量4500万吨。且不说每年的磷矿实际消费量在大幅增加，保守估计，目前的磷矿储量只够我们开采到2030年。并且我国磷矿多为中低品矿，开采难度大，磷矿损失严重，磷矿保证程度低。
面对环境污染和资源短缺的双重压力，传统高能耗、高投资、低产出甚至无产出的废水处理技术已难以满足可持续发展的要求。如何将废水治污与资源回用相结合，建立新型水处理技术已成为当下之势。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池及污水处理方法，本发明采用“内套”模式实现微生物燃料电池阴极和阳极的一体化，减少了微生物燃料电池的占地面积，降低了工程投资成本。
为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池，包括阳极室和阴极室，阴极室套设在阳极室内部，阴极室和阳极室内均填充有用于发电的废水；
阴极室内设置有阴极，阴极的表面附着有反硝化生物膜，阴极上连接有电导线；
阴极室的下部设置有阴极室进水口，上端设置有三相分离器，阴极室的侧壁上还设置有与阳极室进行质子交换的质子交换膜；
阳极室内固定设置有空心柱状的阳极室内置挡板，阳极室内置挡板的外表面与阳极室的内表面之间具有流液间隙；阳极室内置挡板套设于阴极室和三相分离器的外周，阳极室内置挡板的上端高于三相分离器液固分离区的顶部，且低于三相分离器气液分离区的排气口；
阳极室内设有铁质的阳极，阳极设置于阴极室与阳极室内置挡板之间，阳极上连接有电导线，阳极室的上部设置有阳极室出水口，阳极室出水口的水平高度低于阳极室内置挡板上端所在水平高度。
阴极室的下端设置有阴极室排泥口，阴极室排泥口低于阴极室进水口，阴极室排泥口从阳极室穿出，阴极室排泥口与阳极室之间密封连接。
阴极为碳毡质的阴极，包括两块碳毡，两块碳毡互成90°相互连接，阴极的横截面为十字形。
所述离子交换膜的形状为环状，阴极室通过若干段有机玻璃环和若干段离子交换膜相间连接而成。
三相分离器液固分离区顶部一周设置有阴极室溢流堰，阴极室溢流堰的顶部低于阳极室内置挡板的上端。
阳极包括若干个铁环，所有铁环套设于阴极室的外部，所有铁环均与电导线连接，电导线从阳极室引至阳极室外。
阳极室的下端设置有阳极产物收集斗。
阴极附着反硝化生物膜后的表面积与阴极室容积之比为1mm2:(15～20)mm3。
一种污水处理方法，基于上述微生物燃料电池，其过程如下：
将含氮磷污染物的废水由阴极室进水口通入阴极室中，使废水从三相分离器液固分离区的顶部溢流，溢流出的废水进入阳极室内置挡的内腔并进入阳极室底部，再从阳极室内置挡板外表面与阳极室内表面之间的流液间隙的下部向上移动，最终从阳极室出水口流出阳极室；
当对含氮磷污染物的废水进行处理时，将负载通过电导线分别与阴极和阳极连接，在阴极室中，阴极表面附着的硝化生物膜将废水中的硝酸盐和/或亚硝酸盐还原成氮气，实现废水脱氮，生成的氮气从三相分离器气液分离区的排气口排出；
脱氮后的废水从三相分离器液固分离区的顶部溢流，溢流出的废水进入阳极室内置挡板的内腔，在阳极室内置挡板的内腔，阳极失去电子，形成二价铁离子，形成的二价铁离子与脱氮后的废水中的磷酸盐反应生成蓝铁矿沉淀，实现除磷；在反应过程中，阳极室中的多余质子通过质子交换膜进入阴极室，以维持两极室中的电荷平衡；
除磷后的废水从阳极室内置挡板外表面与阳极室内表面之间的流液间隙向上移动，最终从阳极室出水口排出阳极室。
含氮磷污染物的废水中，与的总摩尔数之和与的摩尔数比值为(0.95～1.7):1；废水pH值为6.0～6.4。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池的阴极室套设在阳极室内部，在阴极室和阳极室内均填充用于发电的废水，阴极室内设置有阴极，阴极的表面附着有反硝化生物膜，阴极室的下部设置有阴极室进水口，上端设置有三相分离器，通过阴极室进水口向阴极室内输送发电废水，通过三相分离器能够将阴极室中产生的气体和污泥颗粒与阴极室中的液体进行分离；阳极室内固定设置有空心柱状的阳极室内置挡板，阳极室内置挡板的外表面与阳极室的内表面之间具有流液间隙，阳极室内置挡板套设于阴极室和三相分离器的外周，阳极室内置挡板的上端高于三相分离器液固分离区的顶部，且低于三相分离器气液分离区的排气口，因此，当阴极室和三相分离器的液固分离区充满废水后，废水从液固分离区的顶部溢流并向下流入阳极室的下部，然后填充于阳极室内置挡板与阴极室之间以及阳极室内置挡板外表面与阳极室内表面之间的流液间隙内，当持续从阴极室进水口输送废水时，从液固分离区的顶部溢流出的废水从阳极室内置挡板与阴极室之间的空间从上之下运动，再从阳极室内置挡板的下端进入溢流间隙，再从溢流间隙自下而上运动，最后从阳极室出水口排出；当使用燃料电池时，将负载通过电导线分别与阴极和阳极连接，则在阴极室中，阴极表面附着的硝化生物膜将废水中的硝酸盐和/或亚硝酸盐还原成氮气，实现废水脱氮，生成的氮气从三相分离器气液分离区的排气口排出；脱氮后的废水从三相分离器液固分离区的顶部溢流，溢流出的废水进入阳极室内置挡板的内腔，在阳极室内置挡板的内腔，阳极失去电子，形成二价铁离子，形成的二价铁离子与脱氮后的废水中的磷酸盐反应生成蓝铁矿沉淀，实现除磷；在反应过程中，阳极室中的多余质子通过质子交换膜进入阴极室，以维持两极室中的电荷平衡；除磷后的废水从阳极室内置挡板外表面与阳极室内表面之间的流液间隙向上移动，最终从阳极室出水口排出阳极室；本发明将阴极室套设在阳极室内部，采用这种“内套”模式实现微生物燃料电池阴、阳极的一体化，结构紧凑，减少了微生物燃料电池的占地面积，降低了工程投资成本；通过上述的结构和工作原理可知，该结构的微生物燃料电池能够采用连续流的进水方式，提升了微生物燃料电池的去污容积负荷，综上，本发明的为生物燃料电池既能够实现发电，还能够实现对废水中氮和磷的去除，是一种环境友好型的为生物燃料电池，经济效益和环境效益显著。
进一步的，阴极室的下端设置有阴极室排泥口，因此便于阴极室的排污，有利于连续化发电和处理废水。
进一步的，三相分离器液固分离区顶部一周设置有阴极室溢流堰，使得能够均匀向下溢流，保证了阳极室中废水成分的均匀性，有利于阳极室中队磷的去除。
进一步的，阳极室的下端设置有阳极产物收集斗，通过阳极产物收集斗能够将阳极室中产生的污泥进行收集以及便于污泥的排出，有利于本发明为生物燃料电池的连续化生产作业。
由上述本发明的为生物燃料电池的有益效果可知，本发明的污水处理方法以“连续流”替代传统的“续批式”进水方式，能够实现对污水中的氮和磷进行连续化去除，去除效率更高，废水处理的产物为无污染的氮气和有再利用价值的蓝铁矿，并且能够将化学能转化为电能进行使用，因此本发明的污水处理方法经济效益显著，对环境更加友好。
附图说明
图1是本发明一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池的正视图；
图2是本发明一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池的侧视图；
图3是本发明一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池阴极室环壁的局部示意图；
图4是本发明一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池的俯视图。
图中：A-阳极室、B-阴极室；1-阳极产物收集斗、2-阴极室排泥口、3-阴极室进水口、4-阳极室内置挡板、5-阴极、6-阳极、7-第一电导线接入口、8-电导线、9-阴极室环壁、10-三相分离器、11-阳极室出水口、12-阴极室溢流堰、13-排气口、14-第二电导线接入口、15-负载、16-电信号采集仪、17-质子交换膜、18-有机玻璃环、19-溢流间隙。
具体实施方式
下面结合具体附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。若没有特殊说明或冲突，各优选实施方式可以任意组合。
如图1和图2所示，结合图4，本发明的一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池，包括阳极室A和阴极室B，阴极室B套设在阳极室A内部，阴极室B和阳极室A内均填充有用于发电的废水；阴极室B的阴极室环壁9围绕区域即为阴极室B的主反应区，
阴极室B内设置有阴极5，阴极5的表面附着有反硝化生物膜，阴极5上连接有电导线8；
阴极室B的下部设置有阴极室进水口3，上端设置有三相分离器10，阴极室B的侧壁上还设置有与阳极室A进行质子交换的质子交换膜17；
阳极室A内固定设置有空心柱状的阳极室内置挡板4，阳极室内置挡板4的外表面与阳极室A的内表面之间具有流液间隙；阳极室内置挡板4套设于阴极室B和三相分离器10的外周，阳极室内置挡板4的上端高于三相分离器10液固分离区的顶部，且低于三相分离器10气液分离区的排气口13；
阳极室A内设有铁质的阳极6，阳极6设置于阴极室B与阳极室内置挡板4之间，阳极6上连接有电导线8，阳极室A的上部设置有阳极室出水口11，阳极室出水口11的水平高度低于阳极室内置挡板4上端所在水平高度。
优选的，本发明阴极室B的下端设置有阴极室排泥口2，阴极室排泥口2低于阴极室进水口3，阴极室排泥口2从阳极室A穿出，阴极室排泥口2与阳极室A之间密封连接。
优选的，阴极室进水口3从阳极室A水平穿出，阴极室进水口3与阳极室A之间密封连接。
优选的，阴极5为碳毡质的阴极。
优选的，参照图4，阴极5由两块互成90°的碳毡连接而成，其横截面为十字形。
优选的，如图1和图2所示，阴极5上连接的电导线8与阴极5的上端连接，该电导线8向上延伸进入三相分离器10的气液分离区，并从气液分离区的顶部引出。
优选的，三相分离器10的气液分离区顶部的排气口13高于液固分离区且排气口13内套设第二电导线接入口14，与阴极5上端连接的电导线8从第二电导线接入口14引出，使阴极5悬挂于阴极室B主反应区中部。
优选的，阴极5的下端高于阴极室进水口3。
优选的，参照图3和图4，本发明的离子交换膜17的形状采用环状，阴极室B通过若干段有机玻璃环18和若干段离子交换膜环相间连接而成。更优选的，每个离子交换膜17的高度为8～12mm，有机玻璃环18的高度为20～30mm。
优选的，如图1和图2，本发明在三相分离器10液固分离区顶部一周设置阴极室溢流堰12，阴极室溢流堰12的顶部低于阳极室内置挡板4的上端。
优选的，阳极室内置挡板4下端与阴极5的下端等高，上端比阴极室溢流堰12高出18～22mm。
优选的，参照图1、图2和图4，阳极6包括若干个铁环，所有铁环套设于阴极室B的外部，所有铁环均与电导线8连接，电导线8从阳极室A引至阳极室A外。
优选的，参照图1和图4，阳极室A的侧壁上设有第一电导线接入口7，与阳极6相连的电导线8第一电导线接入口7处引至阳极室A的外部。
优选的，如图1和图2，阳极室A的下端设置有阳极产物收集斗1。
优选的，阳极室内置挡板4悬空设置于阳极室A中，阳极室内置挡板4的顶端和底端均不与阳极室A内壁接触，阳极室内置挡板4的外侧壁与阳极室A内侧壁之间通过连接构件固定连接。
优选的，本发明中，阴极室B、阳极室A和阳极室内置挡板4均为空心圆柱结构，且三者同轴设置。
本发明的上述各装置的尺寸及比例可视实际情况进行设定。在本实施方式中，阳极室A和阴极室B主反应区内径比为(2.5～3.0):1，阳极室A和阴极室B主反应区高度比为(1.5～2.0):1。阳极铁环的直径与阳极室A的内径比为(0.7～0.8):1，铁环之间的垂直间距为10～15mm，材质选用直径为2mm的14#铁丝。阳极室内置挡板4绕阳极室中轴呈柱形曲面；阳极室内置挡板4总高与阳极室A的高度之比为(0.8～0.9):1；阳极室内置挡板4底端与附着有反硝化生物膜的阴极5持平，上端比阴极室溢流堰12高出18～22mm。附着有反硝化生物膜的阴极5的表面积与阴极室B主反应区容积比为1mm2:(15～20)mm3。质子交换膜17的宽为8～12mm，相邻两质子交换膜17垂直方向的间隔为20～30mm。阴极室B进水中污染物与的总摩尔数之和与的摩尔数比值(0.95～1.7):1；进水pH值为6.0～6.4；其中，当污水中无亚硝酸盐时，与的摩尔比为(1.6～1.7):1，当污水中无硝酸盐时，与的摩尔比为(0.95-1.05):1。经过试验，上述尺寸及比例能够较好地完成本发明的试验目的。
参照图1和图2，通过本发明的上述微生物燃料电池进行污水处理方法，其过程如下：
将含氮磷污染物的废水由阴极室进水口3通入阴极室B中，使废水从三相分离器10液固分离区的顶部溢流，溢流出的废水进入阳极室内置挡4的内腔并进入阳极室A底部，再从阳极室内置挡板4外表面与阳极室A内表面之间的流液间隙的下部向上移动，最终从阳极室出水口11流出阳极室A；
当对含氮磷污染物的废水进行处理时，将负载15通过电导线8分别与阴极5和阳极6连接，在阴极室B中，阴极5表面附着的硝化生物膜将废水中的硝酸盐及亚硝酸盐还原成氮气，实现废水脱氮，生成的氮气从三相分离器10气液分离区的排气口13排出；
脱氮后的废水从三相分离器10液固分离区的顶部溢流，溢流出的废水进入阳极室内置挡板4的内腔，在阳极室内置挡板4的内腔，阳极6失去电子，由零价铁固体变成二价铁离子，形成的二价铁离子与脱氮后的废水中的磷酸盐反应生成蓝铁矿沉淀，实现除磷；在反应过程中，阳极室A中的多余质子通过质子交换膜17进入阴极室B，以维持两极室中的电荷平衡；
除磷后的废水从阳极室内置挡板4外表面与阳极室A内表面之间的流液间隙向上移动，最终从阳极室出水口11排出阳极室A。
优选的，将阳极室A产生的除磷产物蓝铁矿经由阳极产物收集斗1进行回收，再用于制作绘图染料或人工装饰品。
优选的，阴极5表面脱落的反硝化生物膜经由阴极室排泥口2排出。
参照在污水处理过程中，通过电信号采集仪16采集负载15的电流信息，对微生物燃料电池产生的电流信息进行实时监测。
综上，本发明的微生物燃料电池将废水脱氮、除磷及磷、电资源回用过程一体化，减少了装置占地面积，降低了工程投资成本；采用“连续流”替代“续批式”进水方式，提升了装置去污容积负荷；增加阴、阳两极表面积，强化了阴、阳两极的电子流通，提升了装置的产电效能。
Claims (10)
1.一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池，其特征在于，包括阳极室(A)和阴极室(B)，阴极室(B)套设在阳极室(A)内部，阴极室(B)和阳极室(A)内均填充有用于发电的废水；
阴极室(B)内设置有阴极(5)，阴极(5)的表面附着有反硝化生物膜，阴极(5)上连接有电导线(8)；
阴极室(B)的下部设置有阴极室进水口(3)，上端设置有三相分离器(10)，阴极室(B)的侧壁上还设置有与阳极室(A)进行质子交换的质子交换膜(17)；
阳极室(A)内固定设置有空心柱状的阳极室内置挡板(4)，阳极室内置挡板(4)的外表面与阳极室(A)的内表面之间具有流液间隙(19)；阳极室内置挡板(4)套设于阴极室(B)和三相分离器(10)的外周，阳极室内置挡板(4)的上端高于三相分离器(10)液固分离区的顶部，且低于三相分离器(10)气液分离区的排气口(13)；
阳极室(A)内设有铁质的阳极(6)，阳极(6)设置于阴极室(B)与阳极室内置挡板(4)之间，阳极(6)上连接有电导线(8)，阳极室(A)的上部设置有阳极室出水口(11)，阳极室出水口(11)的水平高度低于阳极室内置挡板(4)上端所在水平高度。
2.根据权利要求1所述的一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池，其特征在于，阴极室(B)的下端设置有阴极室排泥口(2)，阴极室排泥口(2)低于阴极室进水口(3)，阴极室排泥口(2)从阳极室(A)穿出，阴极室排泥口(2)与阳极室(A)之间密封连接。
3.根据权利要求1所述的一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池，其特征在于，阴极(5)为碳毡质的阴极，包括两块碳毡，两块碳毡互成90°相互连接。
4.根据权利要求1所述的一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池，其特征在于，所述离子交换膜(17)的形状为环状，阴极室(B)通过若干段有机玻璃环(18)和若干段离子交换膜(17)相间连接而成。
5.根据权利要求1所述的一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池，其特征在于，三相分离器(10)液固分离区顶部一周设置有阴极室溢流堰(12)，阴极室溢流堰(12)的顶部低于阳极室内置挡板(4)的上端。
6.根据权利要求1所述的一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池，其特征在于，阳极(6)包括若干个铁环，所有铁环套设于阴极室(B)的外部，所有铁环均与电导线(8)连接，电导线(8)从阳极室(A)引至阳极室(A)外。
7.根据权利要求1所述的一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池，其特征在于，阳极室(A)的下端设置有阳极产物收集斗(1)。
8.根据权利要求1所述的一种一体化铁基除污和资源回用微生物燃料电池，其特征在于，阴极(5)附着反硝化生物膜后的表面积与阴极室(B)容积之比为1mm2:(15～20)mm3。
9.一种污水处理方法，其特征在于，通过权利要求1-8任意一项所述的微生物燃料电池进行，其过程如下：
将含氮磷污染物的废水由阴极室进水口(3)通入阴极室(B)中，使废水从三相分离器(10)液固分离区的顶部溢流，溢流出的废水进入阳极室内置挡板(4)的内腔并进入阳极室(A)底部，再从阳极室内置挡板(4)外表面与阳极室(A)内表面之间的流液间隙的下部向上移动，最终从阳极室出水口(11)流出阳极室(A)；
当对含氮磷污染物的废水进行处理时，将负载(15)通过电导线(8)分别与阴极(5)和阳极(6)连接，在阴极室(B)中，阴极(5)表面附着的硝化生物膜将废水中的硝酸盐和/或亚硝酸盐还原成氮气，实现废水脱氮，生成的氮气从三相分离器(10)气液分离区的排气口(13)排出；
在阳极室内置挡板(4)的内腔，阳极(6)失去电子，形成二价铁离子，形成的二价铁离子与废水中的磷酸盐反应生成蓝铁矿沉淀，实现除磷；在反应过程中，阳极室(A)中的多余质子通过质子交换膜(17)进入阴极室(B)，以维持阳极室(A)和阴极室(B)中的电荷平衡。
10.根据权利要求9所述的一种污水处理方法，其特征在于，含氮磷污染物的废水中，与的总摩尔数之和与的摩尔数比值为(0.95～1.7):1；废水pH值为6.0～6.4。
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