CN110228845B - 一种交隔推流式生物电化学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种交隔推流式生物电化学系统，为交隔四室结构，包括两个阳极室和两个阴极室，所述阳极室和所述阴极室沿圆周交替排列；阳极室与阴极室之间设置质子通道。本发明专利突破传统微生物燃料电池结构设计，创新式设置交隔四室型MFC，阳极室与阴极室间质子传输面积得到显著提高，质子传递效率有效提升，对系统产电能力有明显促进作用。

Description

一种交隔推流式生物电化学系统
技术领域
本发明属于废水资源化利用及新能源开发技术领域，涉及一种交隔推流式生物电化学系统。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)作为一种新能源开发技术获得国内外广泛关注。MFC中产电微生物能把废水中的生物质通过新陈代谢作用转化为生物电能，实现废水资源化；废水经MFC阳极室、阴极室连续厌氧、好氧生物处理，废水中的污染物实现高效脱除。
MFC自生电能生产的主要影响因素为阳极室与阴极室间的质子传递。质子传递效率的提升可显著提高阴极表面电化学反应速率，加速质子和电子、氧分子的快速结合，实现电子转移速率加快。传统MFC多设计为双室结构，即单个阳极室和单个阴极室，双室间利用质子交换膜进行分隔，质子交换膜大小直接受室单侧面积约束，一般近似或小于双室贴邻侧面积。质子交换膜面积与质子传递效率成正比。双室间质子交换效率提升许多研究者因设计结构的限制，无法提升质子交换膜面积，转而寻找选择透过性优质材料充当质子交换膜，如Nafion型质子交换膜，但高昂的材料成本限制其应用推广。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，将MFC设计为交隔四室，阳极室和阴极室沿圆周交替排列，实现单个阳极室向双阴极室传递质子。
发明具体内容如下：
一种交隔推流式生物电化学系统，为交隔四室结构，包括两个阳极室和两个阴极室，所述阳极室和所述阴极室沿圆周交替排列；阳极室与阴极室之间设置质子通道。
进一步，所述质子通道采用无纺布密封。无纺布通过法兰将质子通道密封，采用无纺布替代传统质子交换膜，使生物电化学系统成本降低近三分之一，进而降低了废水处理成本。
进一步，所述阳极室的电极为碳毡，所述碳毡自下而上分层堆叠。
再进一步，阳极室内填充石墨颗粒和颗粒活性炭，与碳毡压紧形成有效接触。两者混合均匀后分层堆叠，填充率100％。
进一步，所述阴极室的电极为膜电极。
再进一步，所述膜电极为碳纤维基导电膜。阴极室兼做电膜生物反应器，碳纤维基导电膜作为膜过滤组件，同时兼做为生物燃料电池阴极。
进一步，所述阴极室里设有曝气装置。阴极室底部布设微氧曝气装置，适时补充室内溶解氧水平。曝气装置可以是曝气石。
进一步，所述阳极室的底部设置水冒，所述水冒连接L型进水管，系统进水模式为底部水力推流；阳极室顶部压盖密封，阳极室的顶部与阴极室的顶部之间设置导流板，导流板上部设置出水横孔，出水横孔两侧设置导流边条。阳极室出水经导流板进入阴极室，水体经导流板自然溶氧提升溶解氧水平；阳极室底部可预留排空口，排空口兼做室底采样口系统进水模式为底部水力推流。
阳极室的室内出水横孔可用纱网贴合，防止填料外流。出水横孔边侧可平行预留采样口，采样管预留采样阀。
进一步，所述阴极室顶部开口，上侧部设置溢流口，所述阴极室的底部设置排空口。溢流口可连接溢流管；排空口同时可作为排泥口。
进一步，所述阳极室的顶部设置参比电极，参比电极的导线连接数据收集系统。膜组件与出水泵相连，负压出水；出水侧预置真空压力表，实时监测跨膜压差；出水流量由出水泵泵头控制。
进一步，阳极与膜电极间布设外电阻。
进一步，阳极室与阴极室设置采样及监测系统。阳极室出水侧布设采样管及阀门；阳极室内下插多孔圆管，作为溶解氧、pH值监测采集孔(亦可作微生物样品采集口)；阴极室内设置在线溶解氧监测系统，实时监测溶解氧水平。
本发明的有益效果如下：
本发明专利突破传统微生物燃料电池结构设计，创新式设置交隔四室型MFC，阳极室与阴极室间质子传输面积得到显著提高，质子传递效率有效提升，对系统产电能力有明显促进作用。新型生物电化学系统四室双阳双阴结构，即可串联出水，也可实现并联出水，针对废水污染负荷可灵活调节系统运行模式，操作便利。创新式引入推流导水板，使阳极室出水自然溶氧提高氧含量，降低了曝气溶氧成本。采用无纺布替代传统质子交换膜，使生物电化学系统成本降低近三分之一，进而降低了废水处理成本。双阴双阳实现厌氧、好氧交替处理模式，解决了传统MFC污染物处理停留时间短，处理效率不高的难题。为进一步提高系统废水处理效率，生物电化学系统阴极同时兼做电膜生物反应器，实现膜过滤出水，出水水质得到有效保证。膜组件以导电材料为基底，同时兼做系统阴极，实现一膜双用，微生物燃料电池设计结构上实现有效集成，材料成本实现有效降低。本交隔推流式为生物电化学系统显著延长废水处理流程，厌氧与好氧交替连续处理，对污染物负荷较高废水具有适应性和处理能力，抗负荷冲击能力较强，可实现废水经济高效处理。
附图说明
图1是交隔推流式生物电化学系统装置框架图；
图2是交隔推流式生物电化学系统电能输出图；
图3是本发明的COD(化学需氧量)过滤性能图。
图1中：1、阳极室；2、阴极室；3、质子通道；4、导流板；5、水冒；6、L形进水管；7、出水橫孔；8、排空口；9、溢流口；
图2中：横坐标表示时间，单位d；纵坐标表示电压，单位V；三角形、正方形、圆形分别代表电池电压、阳极电势、阴极电势；
图3中：横坐标表示时间，单位d；纵坐标表示进水浓度和去除效率，单位mg/L和％；方块、圆点分别表示COD进水浓度、去除效率。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例中所述R为半径，H为高度，Φ为直径。
一种交隔推流式生物电化学系统，如图1所示，为交隔四室结构，包括两个阳极室和两个阴极室，所述阳极室和所述阴极室沿圆周交替排列；阳极室与阴极室之间设置质子通道。
交隔推流式生物电化学系统外形结构：生物电化学系统直径Φ20(cm)，按照90°用隔板分割为四室，阳极室R10(cm)×H30(cm)，阴极室R10(cm)×H20(cm)；底部圆角支撑，支撑高度H＝5(cm)。
双阳极室结构如下：阳极室单室容积2.3L，室底部中心预置水冒Φ20mm，水冒连接L型进水弯管直引室顶，跃顶长度5cm，弯管Φ10(mm)，进水弯管对称分布；阳极室底部预留Φ10(mm)排空口，排空口兼做室底采样口；阳极电极为碳毡，碳毡╘型分层排布，层间距8cm，共计3层，单层碳毡尺寸R8(cm)×α90°，碳毡串联外引阳极室外侧，室外预留长度10cm，碳毡嵌合导线后与数据收集系统相连；阳极室内填充石墨颗粒和颗粒活性炭，颗粒粒径为1-3mm，体积比为1:1，填充率100％，填充颗粒与碳毡压紧形成有效接触；阳极室顶部插入甘汞232参比电极，参比电极导线连入数据收集系统；阳极室的顶部与阴极室的顶部之间设置导流板，导流板上部预置出水横孔，横孔尺寸为8cm×0.5cm，阳极室室内出水横孔侧用纱网贴合，防止填料外流；阳极室外侧导流板两侧预置导流边条，边条尺寸0.5cm×10cm，横孔出水经导流边条导引入阴极室；出水横孔边侧平行预留Φ5(mm)采样口，采样管预留采样阀；阳极室下插多孔管，作为溶解氧、pH值监测采集孔，亦可作微生物样品采集口；多孔管尺寸为Φ20(mm)，下插入室底，多孔管顶部设置帽盖，管孔直径Φ3(mm)；
双阴极室结构如下：阴极室单室容积1.5L，阳极出水经导流进入阴极室；阴极室预置溢流口，溢流口尺寸Φ12(mm)；阴极室底部预留排空口，同时亦做排泥口，排空口尺寸Φ12(mm)；阴极室底部中心预置曝气石，需要时补充阴极室溶解氧水平，曝气石弯管外引阴极室顶部，跃顶长度5cm，弯管Φ5(mm)；生物电化学系统阴极为膜电极，碳纤维基导电膜组件同时作为EMBR(电-膜生物反应器)过滤介质，单室导电膜有效膜面积240cm2；膜电极导线与数据收集系统相连；膜组件与出水泵相连，负压出水；出水管路Φ10(mm)，出水侧预置真空压力表，实时监测跨膜压差；出水流量由出水泵泵头控制；
质子通道结构如下：阳极室与阴极室导流板下部预留质子通道，质子通道尺寸为15cm×8cm；质子通道用厚度0.5μm的无纺布密封，法兰盘丝扣固定，防止两侧水体相互影响，替代传统PEM(质子交换膜)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交隔推流式生物电化学系统，其特征在于，包括两个阳极室和两个阴极室，所述阳极室和所述阴极室沿圆周交替排列；阳极室与阴极室之间设置质子通道；
所述阳极室的底部设置水冒，所述水冒连接L形进水管；阳极室顶部压盖密封，阳极室的顶部与阴极室的顶部之间设置导流板，导流板上部设置出水横孔；所述阴极室顶部开口；
所述阴极室的电极为膜电极。
2.根据权利要求1所述的交隔推流式生物电化学系统，其特征在于，所述质子通道采用无纺布密封。
3.根据权利要求1所述的交隔推流式生物电化学系统，其特征在于，所述阳极室的电极为碳毡，所述碳毡自下而上分层堆叠。
4.根据权利要求3所述的交隔推流式生物电化学系统，其特征在于，阳极室内填充石墨颗粒和颗粒活性炭。
5.根据权利要求1所述的交隔推流式生物电化学系统，其特征在于，所述膜电极为碳纤维基导电膜。
6.根据权利要求1所述的交隔推流式生物电化学系统，其特征在于，所述阴极室里设有曝气装置。
7.根据权利要求1所述的交隔推流式生物电化学系统，其特征在于，出水横孔两侧设置导流边条；所述阳极室的底部设置排空口。
8.根据权利要求1所述的交隔推流式生物电化学系统，其特征在于，所述阴极室上侧部设置溢流口，所述阴极室的底部设置排空口。
9.根据权利要求1所述的交隔推流式生物电化学系统，其特征在于，所述阳极室的顶部设置参比电极，参比电极的导线连接数据收集系统。
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