CN108862548B - 一种微生物电解脱盐池反应器装置 - Google Patents

一种微生物电解脱盐池反应器装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微生物电解脱盐池反应器装置，属于废水生物处理技术领域，包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间设置有1组或多组离子交换膜膜对，阳极室内设置有生物碳毡电极，阳极室有产电微生物，阴极室内设置有不锈钢网电极，生物碳毡电极通过导线经外电压与不锈钢网电极连接，阳极室和阴极室采用硅胶管连接形成闭合回路；离子交换膜膜对包括阳离子交换膜和阴离子交换膜，离子交换膜对中相邻两种离子交换膜之间有腔室隔开，形成产品室，产品室利用硅胶管形成闭合回路。本发明在保证污水得到处理的同时可以从中回收氮磷等资源，并且能够不用额外的加入缓冲液，实现电极室pH的稳定，克服传统MEC加入缓冲液引起的二次污染的缺点。

Description

一种微生物电解脱盐池反应器装置
技术领域
本发明涉及一种微生物电解脱盐池反应器装置，属于废水生物处理技术领域。
背景技术
由于人类对水环境使用率低，并且缺乏管理，因而产生了大量的污水，过度的开采使得淡水资源和磷等矿物资源短缺成为全球面临的两个主要挑战。在实现污水处理回用的同时达到资源回收则被认为是一种能同时解决这两个问题的重要途径。然而，目前的城市污水处理能耗非常高，在活性污泥处理系统中，曝气是污水处理厂中必不可少的过程，占据能量消耗的最大份额，约为污水处理厂能量消耗的45％-75％，同时产生大量的剩余污泥。一些新式污水深度处理技术则由于高成本，复杂的前处理过程，吸附剂易被污染等问题在实际应用中受限。因此，开发一种低能耗的污水处理工艺，在实现污水回用的同时回收氮磷等资源将是一件非常有意义的事情。
生物电化学系统(BES技术)可在有效处理废弃物或生物质的同时，回收电能、生产高附加值产品、实现脱盐等，是解决能源危机和环境污染问题的有效手段之一。在传统双室微生物电解池(Microbial Electrolysis Cell，MEC)中，生长在阳极表面的产电微生物氧化有机物，产生的质子通过离子交换膜进入阴极室与电子结合产生氢气，但是膜的存在会导致阴极发生水解离反应，形成酸性阳极(acidic anode)和碱性阴极(basic cathode)。在之前的研究中，阳极酸化会降低产电微生物活性，为了控制反应器的pH，传统的pH调节方法是加入磷酸盐缓冲溶液(buffer solution)，这样会造成二次污染。
微生物电解脱盐池(MEDC)的出现使得BES技术在实现产氢的同时对海水和含盐污水进行脱盐，是一种兼具解决水污染和资源回收潜力的有效污水治理手段。传统的MEDC中，阴极室和阳极室没有用硅胶管连接，没有形成电极室内溶液的循环，系统可能因电极反应和缺乏缓冲溶液导致酸性阳极和碱性阴极造成系统体系PH失衡，影响反应器内微生物的正常生长。
发明内容
本发明提供一种微生物电解脱盐池反应器(MEDC)装置，在保证污水得到处理的同时可以从中回收氮磷等资源，并且能够不用额外的加入缓冲液，实现电极室pH的稳定，克服传统MEC加入缓冲液引起的二次污染的缺点。
本发明提供一种微生物电解脱盐池反应器装置，包括阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室之间设置有1组或多组离子交换膜膜对(IEMs膜对)，所述阳极室内设置有生物碳毡电极，所述阳极室有产电微生物，所述阴极室内设置有不锈钢网电极，所述生物碳毡电极通过导线经外电压与不锈钢网电极连接，所述阳极室和阴极室采用硅胶管连接形成闭合回路；
所述离子交换膜膜对包括靠近阳极室的阳离子交换膜(CEM)和靠近阴极室的阴离子交换膜(AEM)，所述离子交换膜对中相邻两种离子交换膜之间有腔室隔开，形成产品室，所述产品室利用硅胶管形成闭合回路。
根据本发明优选的，所述生物碳毡电极中的生物碳毡是使用污水处理厂的厌氧污泥和实验室运行的成熟微生物燃料电池出水进行混合接种的生物碳毡。
根据本发明优选的，所述产品室利用硅胶管外接蓝口瓶形成闭合回路。
根据本发明优选的，所述不锈钢网电极未做任何催化处理，所述不锈钢网电极的面积为10～20cm2，优选为16cm2，目数为50～200目，优选为100目。
根据本发明优选的，所述微生物电解脱盐池反应器的材质为有机玻璃并用石蜡密封，形成严格的厌氧环境。
根据本发明优选的，相邻两种离子交换膜之间采用硅胶片隔开。
相邻离子交换膜之间的距离越小，越能减少离子分离阻力，但不不能过小，本发明中，相邻两种离子交换膜之间有腔室的厚度优选为1～3mm，优选为2mm；
当离子交换膜膜对为n组时，所述产品室的体积优选为n×2.5cm3，n为≧1的自然数，应当指出的是，产品室的体积是根据反应器的大小和离子交换膜之间的距离决定的，并不限于上述体积。
进一步优选的，所述阳极室和阴极室优选均为长方体结构，所述阳极室的有效体积优选为150～200mL，优选为175mL(50×50×70mm)，所述阴极室的有效体积优选为10～40mL，优选为25mL(50×50×10mm)。
进一步优选的，为减少离子交换膜边界层厚度的影响，所述产品室的流速优选大于所述阳极室和阴极室的流速。
进一步优选的，所述阳极室水力停留时间(HRT)优选为30min，水力停留时间＝池体有效容积/进水流量，水力停留时间的长短是根据所要达到的效果确定的，由有效容积和进水流量控制，并不限于上述时间；
所述阳极室和阴极室内溶液的流速为5.02mL/min，电极室内溶液的流速是由蠕动泵控制的，电极室内溶液的流速与水力停留时间有关系；
所述产品室内溶液的流速也是由蠕动泵控制的，优选为6mL/min，此处的蠕动泵为常用部件，此处不再赘述。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明的微生物电解脱盐池反应器装置，当离子交换膜膜对为1组时，即在单膜对结构中，污水在阳极室被阳极微生物消耗其中的有机物，然后经过硅胶管与阴极室形成闭合回路，电极室中的离子在外加电场的作用下进行移动，最后在产品室内浓缩，污水以循环流的方式在MEDC中流动，可以避免系统因电极反应和缺乏缓冲溶液导致酸性阳极和碱性阴极造成体系pH失衡，影响反应器内微生物的正常生长，产品室利用硅胶管外接蓝口瓶，形成闭合回路以固定流速不断循环，离子在外加电场的作用下迁移进入该腔室。
2)本发明的微生物电解脱盐池反应器装置，当离子交换膜膜对为多组时，即多膜对结构中，待处理污水从阴极室出来后先经过膜对中腔室再进入阳极室被阳极微生物消耗其中的有机物，然后流入阴极室形成内循环。在MEDC中，阳极微生物通过自身生长氧化有机物后将电子胞外传递给阳极，电子再经外电路到达阴极，在外加电场作用下，阳极室中的阳离子(Na+，NH4+)穿过CEM向阴极移动，被AEM截留在产品室中进行浓缩；阴极室中阴离子受电场作用穿过AEM向阳极移动，被CEM截留而在产品室中浓缩，从而实现了模拟污水中有机物和氮磷的去除，在产品室中氮磷等资源的回收。单膜对结构与多膜对结构实验的路径基本一样，只是单膜对和多膜对的离子交换膜对数不同。
附图说明
图1为本发明的单膜对结构的微生物电解脱盐池反应器装置的结构示意图；
图2为本发明的三膜对结构的微生物电解脱盐池反应器装置的结构示意图，其中a为微生物电解脱盐池反应器装置的结构示意图，b为微生物的放大图，c为离子交换膜对内的循环过程示意图；
其中：1-生物碳毡电极，2-微生物，3-阳极室，4-阴极室，5-产品室，6-不锈钢网电极，7-阳离子交换膜，8-阴离子交换膜，9-蓝口瓶，10-硅胶管，11-导线，12-外电压。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
如图1所示，一种微生物电解脱盐池反应器装置，包括阳极室3和阴极室4，阳极室3和阴极室4之间设置有1组或多组离子交换膜膜对(IEMs膜对)，阳极室3内设置有生物碳毡电极1，阳极室3有产电微生物2，如图2b所示，阴极室4内设置有不锈钢网电极6，生物碳毡电极1通过导线11经外电压12与不锈钢网电极6连接，阳极室3和阴极室4采用硅胶管10连接形成闭合回路；
离子交换膜膜对包括靠近阳极室3的阳离子交换膜(CEM)7和靠近阴极室4的阴离子交换膜(AEM)8，离子交换膜对中相邻两种离子交换膜之间有腔室隔开，形成产品室5，产品室5利用硅胶管形成闭合回路。
实施例1的单膜对结构中，污水在阳极室3被阳极微生物消耗其中的有机物，然后经过硅胶管10与阴极室4形成闭合回路，电极室中的离子在外加电场的作用下进行移动，最后在产品室5内浓缩，污水以循环流的方式在MEDC中流动，可以避免系统因电极反应和缺乏缓冲溶液导致酸性阳极和碱性阴极造成体系pH失衡，影响反应器内微生物的正常生长，产品室利用硅胶管外接蓝口瓶，形成闭合回路以固定流速不断循环，离子在外加电场的作用下迁移进入该腔室。
实施例2：
一种微生物电解脱盐池反应器装置，结构如实施例1所示，所不同的是，离子交换膜膜对为一组，即单膜对结构，生物碳毡电极1中的生物碳毡是使用污水处理厂的厌氧污泥和实验室运行的成熟微生物燃料电池出水进行混合接种的生物碳毡，产品室5利用硅胶管10外接蓝口瓶9形成闭合回路，相邻两种离子交换膜之间有腔室的厚度优选为2mm，阳极室3和阴极室4内溶液的流速为5.02mL/min，产品室5内溶液的流速为6mL/min。
实施例2中，在不同电压下污水化学需氧量(COD)去除效果较好，均达到78％以上。
实施例3：
一种微生物电解脱盐池反应器装置，结构如实施例1所示，所不同的是，外电压为0.8V，实施例3中，氮磷的去除率分别为25.8±15.9％和19.1±6.5％，回收率为3.4±2％和21.5±3.5％，批实验电流峰值在1.5±0.15mA，消耗电量为31.65±0.22C，库伦效率为5.44±0.01％。
实施例4：
一种微生物电解脱盐池反应器装置，结构如实施例1所示，所不同的是，外电压为1V，实施例4中，消耗电量为44.75±3.23C，库伦效率为7.49±3.42％。
实施例5：
一种微生物电解脱盐池反应器装置，结构如实施例1所示，所不同的是，外电压为1.5V时，实施例5中，氮磷的去除率达到36.1±4％和30.1±11.3％，回收率达到11.3±5.1％和36.6±3.9％，实验电流峰值达到2.4±0.32mA，消耗电量为54.94±1.99C，库伦效率为8.54±0.27％。
实施例6：
一种微生物电解脱盐池反应器装置，结构如实施例2所示，所不同的是，在高有机负荷实验中，进水COD浓度为1200mg/L，体积为200mL，产品室为5mL的NaCl溶液，外电压为1V，实验周期延长至29.7±0.2h；
实施例6中，出水中氯离子，氮磷浓度最终较低，污水的脱盐效果较好，其中在1V外电压下，Cl-的去除率达到50.7％，氮磷的去除率分别为89.4％和45.5％；
实施例6中，由于MEDC在高有机负荷情况下可以保持较长时间的稳定电流，所以库伦效率相比于低浓度污水高，1V和1.5V时库伦效率分别可达到9.75±0.54％和11.44±0.1％，消耗电量分别为240±13.2C和296.4±5.1C。
实施例7：
一种微生物电解脱盐池反应器装置，结构如实施例2所示，所不同的是，在高有机负荷实验中，进水COD浓度为1200mg/L，体积为200mL，产品室为5mL的NaCl溶液，外电压1.5V，实验周期延长至24.5±0.7h；
实施例7中，Cl-，氮和磷的去除率分别可达到71％，95％和84.8％。
实施例8：
一种微生物电解脱盐池反应器装置，结构如实施例1所示，所不同的是，离子交换膜膜对为2组，即双膜对结构，如图2所示，生物碳毡电极1中的生物碳毡是使用污水处理厂的厌氧污泥和实验室运行的成熟微生物燃料电池出水进行混合接种的生物碳毡，产品室5利用硅胶管10外接蓝口瓶9形成闭合回路，相邻两种离子交换膜之间有腔室的厚度优选为2mm，阳极室3和阴极室4内溶液的流速为5.02mL/min，产品室5内溶液的流速为6mL/min，电压为1.5V；
实施例8中，外电压为1.5V，库伦效率达到10.2％，这主要是因为运行时间较久，COD迁移较少能维持较高的电流；当电压为2V时，消耗电量增速逐渐减小，随实验进行趋于平缓，库伦效率较小。
实施例9：
一种微生物电解脱盐池反应器装置，结构如实施例1所示，所不同的是，离子交换膜膜对为3组，即三膜对结构，如图2a所示，生物碳毡电极1中的生物碳毡是使用污水处理厂的厌氧污泥和实验室运行的成熟微生物燃料电池出水进行混合接种的生物碳毡，产品室5利用硅胶管10外接蓝口瓶9形成闭合回路，相邻两种离子交换膜之间有腔室的厚度优选为2mm，阳极室3和阴极室4内溶液的流速为5.02mL/min，产品室5内溶液的流速为6mL/mi；
实施例9的中，待处理污水从阴极室出来后先经过膜堆中的腔体再进入阳极室被阳极微生物消耗其中的有机物，然后流入阴极室形成内循环，蓝口瓶中溶液按图2c虚线箭头所示依次经过MEDC中产品室后流回外接蓝口瓶形成循环回路。在MEDC中，阳极微生物通过自身生长氧化有机物后将电子胞外传递给阳极，电子再经外电路到达阴极，在外加电场作用下，阳极室中的阳离子(Na+，NH4+)穿过CEM向阴极移动，被AEM截留在产品室中进行浓缩；阴极室中阴离子受电场作用穿过AEM向阳极移动，被CEM截留而在产品室中浓缩，从而实现了模拟污水中有机物和氮磷的去除，在产品室中回收氮磷等资源。
在实施例9中，外电压为2V，出水中氨氮和磷浓度降至5mg-N/L和0.8mg-P/L。
在三膜对实验中，产品室5的氮磷浓度随着电压的增加而增加，相同电压下，三膜对实验产品室中氮磷浓度更高，产品室5中氮的浓度可达到30.0±3.11mg-N/L，回收率为50.1％，磷的最终浓度为14.2±0.8mg-P/L，回收率为72.4％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微生物电解脱盐池反应器装置，其特征在于，包括阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室之间设置有多组离子交换膜膜对，所述阳极室内设置有生物碳毡电极，所述阳极室有产电微生物，所述阴极室内设置有不锈钢网电极，所述生物碳毡电极通过导线经外电压与不锈钢网电极连接，所述阳极室和阴极室采用硅胶管连接形成闭合回路；
所述离子交换膜膜对包括靠近阳极室的阳离子交换膜和靠近阴极室的阴离子交换膜，所述离子交换膜对中相邻两种离子交换膜之间有腔室隔开，形成产品室，所述产品室利用硅胶管形成闭合回路；
所述不锈钢网电极未做任何催化处理，所述不锈钢网电极的面积为10～20cm2，目数为50～200目；
所述产品室内溶液的流速大于所述阳极室和阴极室内溶液的流速。
2.根据权利要求1所述的微生物电解脱盐池反应器装置，其特征在于，所述生物碳毡电极中的生物碳毡是使用污水处理厂的厌氧污泥和实验室运行的成熟微生物燃料电池出水进行混合接种的生物碳毡。
3.根据权利要求1所述的微生物电解脱盐池反应器装置，其特征在于，所述产品室利用硅胶管外接蓝口瓶形成闭合回路。
4.根据权利要求1所述的微生物电解脱盐池反应器装置，其特征在于，所述微生物电解脱盐池反应器的材质为有机玻璃并用石蜡密封。
5.根据权利要求1所述的微生物电解脱盐池反应器装置，其特征在于，相邻两种离子交换膜之间采用硅胶片隔开。
6.根据权利要求1所述的微生物电解脱盐池反应器装置，其特征在于，相邻两种离子交换膜之间有腔室的厚度为1～3mm；
当离子交换膜膜对为n组时，所述产品室的体积为n×2.5cm3，n为≧1的自然数。
7.根据权利要求1所述的微生物电解脱盐池反应器装置，其特征在于，所述阳极室和阴极室均为长方体结构，所述阳极室的体积为150～200mL，所述阴极室的体积为10～40mL。
8.根据权利要求7所述的微生物电解脱盐池反应器装置，其特征在于，所述阳极室水力停留时间为30min，所述阳极室和阴极室内溶液的流速为5.02mL/min，所述产品室内溶液的流速为6mL/min。
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