CN205313150U - 一种与电渗析相结合的双阴极mfc水处理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，包括自上而下依次相接的好氧阴极室、厌氧阳极室、缺氧阴极室，好氧阴极室设有自上而下依次分为反应区和曝气区，反应区和曝气区之间设有穿孔板，反应区侧壁设有普通水出水口，曝气区底部设置有曝气设备，同时好氧阴极室顶部设置有石墨电极负极，缺氧阴极室底部设置有石墨电极正极，一方面将MFC处理过的水，利用电场作用，强行将电子向电极处吸引，致使阳极室的离子浓度大为下降，从而制得优质水，本实用新型解决了现有技术中存在的水处理过程中微生物燃料电池的产电效率比较低的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统。
背景技术
氮是城市污水中最重要的无机污染物之一，从废水、肥料和人类活动中，氮被超负荷排放，由此导致水体富营养化、水质恶化等问题，进而危害水生生态系统。传统的物理法、化学法脱氮效果不佳且运行费用高，没有生物法应用广泛。
微生物燃料电池是通过微生物的呼吸代谢作用将化学能转化成电能的装置。在污水处理领域，MFC的应用实现了污水处理理念的重大革新，既能够净化污水又能够回收生物能，同时污泥产率低，具有效率高、无污染等特点，降低了水厂处理成本，可最大限度地实现污水处理的可持续发展，是污水处理领域里重点开发的新技术之一。
然而，现有的微生物燃料电池技术还处于起步研究阶段，仍存在不少缺点。一种虽然对有机污染物具有较好的去除效果，但对氮素污染物的去除不尽人意，面临水体富营养化、水质恶化等问题，研究微生物燃料电池的脱氮功能已是必然要求，具有同步脱碳除氮功能的微生物燃料电池更加具有应用价值；此外，微生物燃料电池的产电效率还比较低，不能满足实际应用的要求，如何提高电池的产电效率是目前微生物燃料电池的重点，有研究表明将碳纳米管高比表面积、高电子传导材料负载到碳毡材料的表面，可增加微生物和电极的接触面积，附着在电极表面的微生物相对较多，总的代谢活性和电子传导率较强，因此系统的产电能力有所提高；另外微生物燃料电池产生的电能如何有效的收集利用也是当前需要解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，解决了现有技术中存在的水处理过程中微生物燃料电池的产电效率比较低的问题。
本实用新型所采用的技术方案是，一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，包括反应室，反应室包括自上而下依次相接的好氧阴极室、厌氧阳极室、缺氧阴极室，好氧阴极室设有自上而下依次分为反应区和曝气区，反应区和曝气区之间设有穿孔板，反应区侧壁设有普通水出水口，曝气区底部设置有曝气设备，同时好氧阴极室顶部设置有石墨电极负极，厌氧阳极室其中一侧壁设有进水口，另一侧壁从上而下依次设有优质水出水口和出水口，缺氧阴极室侧壁设有第二普通水出水口，缺氧阴极室底部设置有石墨电极正极，石墨电极正极和石墨电极负极通过导线连接至电池的正负极，形成闭合回路，好氧阴极室、厌氧阳极室、缺氧阴极室之间还通过导线连接有一对负载，一对负载又与蓄电池连接，蓄电池收集并储备反应过程产生的电能，蓄电池又连接至所述电池，蓄电池作为电渗析过程的能量来源，不断给电池输送电能。
本实用新型的特点还在于，
厌氧阳极室和好氧阴极室之间通过第一法兰连接，第一法兰上固定有阳离子交换膜。
厌氧阳极室和缺氧阴极室之间通过第二法兰连接，第二法兰上固定有阴离子交换膜。
好氧阴极室和缺氧阴极室之间还连接有回流管，回流管实现将残留在所述好氧阴极室的有机物在所述缺氧阴极室进一步去除。
穿孔板上分布有若干圆孔，若干圆孔呈同心圆排列，若干圆孔的直径均为1-3mm。
本实用新型的有益效果是，一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，以含碳、含氮废水为燃料生产电能，实现同步废水脱氮和生物产电，有效回收废水中所蕴含的能量，降低废水处理成本；将碳纳米管高比表面积、高电子传导材料负载到碳毡材料的表面，可增加微生物和电极的接触面积，附着在电极表面的微生物相对较多,总的代谢活性和电子传导率较强，系统的产电能力有所提高；与电渗析技术结合，一方面将MFC产生的电能合理的利用，达到以废治废的目的，一方面将MFC处理过的水，利用电场作用，强行将电子向电极处吸引，致使阳极室的离子浓度大为下降，从而制得优质水。
附图说明
图1是本实用新型一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统的结构示意图；
图2是本实用新型一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统中穿孔板结构示意图。
图中，1.复合电极，2.阴离子交换膜，3.第二法兰，4.蓄电池，5.导线，6.负载，7.进水口，8.曝气区，9.阳离子交换膜，10.曝气设备，11.好氧阴极室，12.穿孔板，13.石墨电极负极，14.普通水出水口，15.优质水出水口，16.回流管，17.电池，18.厌氧阳极室，19.石墨电极正极，20.缺氧阴极室，21.出水口，22.管道，23.反应区，24.第二普通水出水口，25.第一法兰。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，结构如图1所示，包括反应室，反应室包括自上而下依次相接的好氧阴极室11、厌氧阳极室18、缺氧阴极室20，好氧阴极室11自上而下依次分为反应区23和曝气区8，反应区23和曝气区8之间设有穿孔板12，如图2所示，穿孔板12上分布有若干圆孔，若干圆孔呈同心圆排列，若干圆孔的直径均为1-3mm，反应区23侧壁设有普通水出水口14，曝气区8底部设置有曝气设备10，同时好氧阴极室11顶部设置有石墨电极负极13，厌氧阳极室18其中一侧壁设有进水口7，另一侧壁从上而下依次设有优质水出水口15和出水口21，缺氧阴极室20侧壁设有第二普通水出水口24，缺氧阴极室20底部设置有石墨电极正极19，所述石墨电极正极19和石墨电极负极13通过导线连接至电池17的正负极，形成闭合回路，好氧阴极室11、厌氧阳极室18、缺氧阴极室20之间还通过导线5连接有一对负载6，一对负载6又与蓄电池4连接，蓄电池4收集并储备反应过程产生的电能，蓄电池4又连接至所述电池17，蓄电池4作为电渗析过程的能量来源，不断给电池17输送电能。
其中，厌氧阳极室18和好氧阴极室11之间通过第一法兰25连接，第一法兰25上固定有阳离子交换膜9，厌氧阳极室18和缺氧阴极室20之间通过第二法兰3连接，第二法兰3上固定有阴离子交换膜2。
好氧阴极室11和缺氧阴极室20之间还连接有回流管16，回流管16实现将残留在所述好氧阴极室11的有机物在缺氧阴极室20进一步去除。
本实用新型一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统工作原理如下：
厌氧阳极室18与好氧阴极室11通过阳离子交换膜9隔开、与缺氧阴极室20通过阴离子交换膜2隔开，好氧阴极室11、厌氧阳极室18、缺氧阴极室20的复合电极是将碳纳米管高比表面积、高电子传导材料负载到碳毡材料的表面，以增加微生物和电极的接触面积，从而提高产电能力。利用化学沉积法在碳毡表面生长碳纳米管，制备的复合电极具有高比表面积、高传导率等特点，增加微生物和电极的接触面积，附着在电极表面的微生物相对较多，总的代谢活性和电子传导率较强，产电有所提高。通过接种污泥，以含碳、含氮有机废水为燃料，厌氧阳极室18中部相当于阳极，好氧阴极室11中部设有硝化阴极，反应区23内部装有反应液，反应液中接种硝化污泥，硝化阴极上附着硝化污泥，碳源在阳极室分解释放电子，好氧阴极室11在硝化菌的作用下将氨氮转化为硝酸盐氮，缺氧阴极室20中部设有反硝化阴极，反应区内部装有反应液，反应液中接种反硝化污泥，反硝化阴极上附着反硝化污泥，缺氧阴极室20得电子在反硝化细菌的作用下将硝酸盐氮和亚硝酸盐氮转化为氮气，同时将好氧阴极室11的出水回流到缺氧阴极室20，残留有机物可作为反硝化电子供体进一步去除。在好氧阴极室11顶部和缺氧阴极室20底部设有石墨电极负极13和石墨电极正极19，石墨电极负极13和石墨电极正极19表面涂敷了催化剂0.5mgPt/cm2和PTFE，石墨电极负极13和石墨电极正极19通过导线与电池17连接，形成闭合回路，与阳离子交换膜9和阴离子交换膜2形成电渗析结构，在整个水处理运行过程中产生的电能作为电渗析的能量来源，将处理过的水，利用电场的作用，强行将离子向电极处吸引，致使阳极室的离子浓度大为下降，从而制得优质水，阳极和硝化阴极、阳极和反硝化阴极之间串联有负载，产电微生物产生的电子通过外电路传递到阴极。
本实用新型一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统工作过程如下：
当含碳、含氮废水进入厌氧阳极室18后，在微生物的作用下将碳源降解并释放电子，经厌氧阳极室18处理过的水，经过出水口21，通过管道22，一部分进入曝气区8，通过穿孔板12进入好氧阴极室11，在硝化菌的作用下将氨氮转化为硝酸盐氮，一部分进入到缺氧阴极室20，缺氧阴极室20得电子在反硝化细菌的作用下将硝酸盐氮和亚硝酸盐氮转化为氮气，同时通过回流管16将好氧阴极室11处理过的废水回流到缺氧阴极室20，目的是将残留有机物作为反硝化电子供体进一步去除。厌氧阳极室18和好氧阴极室11，厌氧阳极室18和缺氧阴极室20通过导线与负载6连接，在处理污水的同时，产生电能，实现脱氮除碳与微生物燃料电池工艺的耦合。整个设备在运行过程中产生的电能经蓄电池4收集并储备，该电能作为电池17的能量来源，电池17通过导线5与石墨电极正极19和石墨电极负极13相连，在电场的作用下，经微生物处理过的阳极液中的正离子会经阳离子交换膜9进入到好氧阴极室11，负离子会经阴离子交换膜2进入到缺氧阴极室20，致使厌氧阳极室18的离子浓度大为下降，从而制得优质水，厌氧阳极室18制备的优质水经优质水出水口15单独采集，好氧阴极室11和缺氧阴极室20的出水经普通出水口14和第二普通水出水口24采集。
本实用新型一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统来处理含碳、含氮废水，以含碳、含氮废水为燃料生产电能，实现同步废水脱氮和生物产电。将碳纳米管高比表面积、高电子传导材料负载到碳毡材料的表面，提高系统的产电效率。通过与电渗析技术结合，一方面将MFC产生的电能合理的利用，达到以废治废的目的，一方面将MFC处理过的水，利用电场作用，强行将电子向电极处吸引，致使阳极室的离子浓度大为下降，从而制得优质水。
Claims (5)
1.一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，其特征在于，包括反应室，所述反应室包括自上而下依次相接的好氧阴极室(11)、厌氧阳极室(18)、缺氧阴极室(20)，所述好氧阴极室(11)自上而下依次分为反应区(23)和曝气区(8)，反应区(23)和曝气区(8)之间设有穿孔板(12)，反应区(23)侧壁设有普通水出水口(14)，曝气区(8)底部设置有曝气设备(10)，同时所述好氧阴极室(11)顶部设置有石墨电极负极(13)，所述厌氧阳极室(18)其中一侧壁设有进水口(7)，另一侧壁从上而下依次设有优质水出水口(15)和出水口(21)，所述缺氧阴极室(20)侧壁设有第二普通水出水口(24)，缺氧阴极室(20)底部设置有石墨电极正极(19)，所述石墨电极正极(19)和石墨电极负极(13)通过导线连接至电池(17)的正负极，形成闭合回路，所述好氧阴极室(11)、厌氧阳极室(18)、缺氧阴极室(20)之间还通过导线(5)连接有一对负载(6)，所述一对负载(6)又与蓄电池(4)连接，所述蓄电池(4)收集并储备反应过程产生的电能，所述蓄电池(4)又连接至所述电池(17)，蓄电池(4)作为电渗析过程的能量来源，不断给电池(17)输送电能。
2.根据权利要求1所述的一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，其特征在于，所述厌氧阳极室(18)和好氧阴极室(11)之间通过第一法兰(25)连接，第一法兰(25)上固定有阳离子交换膜(9)。
3.根据权利要求1所述的一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，其特征在于，所述厌氧阳极室(18)和缺氧阴极室(20)之间通过第二法兰(3)连接，第二法兰(3)上固定有阴离子交换膜(2)。
4.根据权利要求1所述的一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，其特征在于，所述好氧阴极室(11)和缺氧阴极室(20)之间还连接有回流管(16)，所述回流管(16)实现将残留在所述好氧阴极室(11)的有机物在所述缺氧阴极室(20)进一步去除。
5.根据权利要求1所述的一种与电渗析相结合的双阴极MFC水处理系统，其特征在于，所述穿孔板(12)上分布有若干圆孔，所述若干圆孔呈同心圆排列，所述若干圆孔的直径均为1-3mm。
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