申请日：2017.01.20
公开(公告)日：2017.05.24
IPC分类号：C02F3/34; H01M8/16
摘要
本发明公开了一种用于过滤型生物阴极微生物脱盐电池的污水处理方法，包括：使污水进入阳极室，在阳极产电微生物的作用下降解污水中的有机物，得到阳极出水;使所述阳极出水进入阴极室，在阴极产电微生物、过滤处理和曝气处理的共同作用下去除所述阳极出水中的悬浮物、细菌和有机物，得到阴极出水;使所述阴极出水进入淡室和浓室，在离子交换膜的作用下脱除所述阴极出水中的盐分。本发明同时公开了该过滤型生物阴极微生物脱盐电池，包括阳极室、阴极室以及位于两者之间的淡室和浓室进行处理。本发明方法易于操作，微生物脱盐电池结构简单，对污水的处理效果好。
说明书
一种过滤型生物阴极微生物脱盐电池及污水处理方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，涉及一种过滤型生物阴极微生物脱盐电池及用于该脱盐电池的污水处理方法。
背景技术
污水中的有机物蕴含有大量的化学能，其化学能的能量密度约为1.93kW/m3，远高于污水处理过程中需要消耗的能量。然而，传统的污水处理则是通过消耗巨大能量(如曝气、水泵等等)来实现污水中有机物的氧化分解，没有有效回收利用污水中化学能。因而，传统的污水处理过程具备能耗高等缺点。
微生物脱盐电池(Microbial Desalination Cell,MDC)作为一种新型的低能耗污水处理技术。MDC一般由一个微生物阳极、阴极(生物阴极、化学阴极、空气阴极等)、以及阴阳极之间的离子交换膜堆组成。在运行时，污水进入阳极，污水中的有机物在阳极厌氧产电微生物的作用下氧化分解释放电子，电子通过外部电路到达阴极，在阴极发生还原反应(如还原O2、化学氧化剂等)实现产电。与此同时，阴阳极之间产生电场，驱动离子交换膜堆中盐水的阴阳离子移动，实现脱盐。因而，MDC能够同时实现污水处理、产电以及脱盐。
然而，传统的MDC也具有一些缺点：
(1)出水水质较差。MDC的阳极微生物虽然可以降解污水中的有机物，但其降解速率和程度均较低，且不能对污水中的营养元素(如氮磷等)及颗粒物实现有效去除，因而出水水质不能满足现有排放要求。
(2)淡水产水率较低。在运行过程中传统MDC会同时产生多种出水，如阳极出水、阴极出水、淡水以及浓水，其中淡水为唯一的有用水，但是传统MDC中淡水的产率较低。
膜分离技术是一种成熟的污水处理技术，其中的微滤膜孔径为0.1-1.0微米，能够实现污水中悬浮物、微生物以及一些大分子物质的截留，实现污水的深度处理。由于该技术具有出水水质好、性能稳定等特点，目前微滤膜分离技术已经广泛应用于污水处理、食品加工等行业，取得了良好的效果。
发明内容
本发明是针对现有技术中存在的问题，提供一种过滤型生物阴极微生物脱盐电池及用于该脱盐电池的污水处理方法，将过滤膜和生物阴极型微生物脱盐电池耦合，过滤膜能实现对污染物的拦截分离，强化水处理效果;而生物阴极能实现氧气的还原产生电能，同时对污染物的具有降解作用。
根据本发明的一个方面，提供一种用于过滤型生物阴极微生物脱盐电池的污水处理方法，包括：
使污水进入阳极室，在阳极产电微生物的作用下降解污水中的部分有机物，得到阳极出水;
使所述阳极出水进入阴极室，在阴极产电微生物、过滤处理和曝气处理的共同作用下去除所述阳极出水中的悬浮物、细菌和有机物，得到阴极出水;
使所述阴极出水进入淡室和浓室，在离子交换膜和电场的作用下脱除或浓缩所述阴极出水中的盐分。
根据本发明的一些实施方式，所述阳极产电微生物附着于所述阳极室的阳极上，其通过厌氧氧化分解污水中的有机物释放电子到阳极上，所述电子通过外部电路传递到阴极;所述阴极产电微生物附着于所述阴极室的阴极上，在所述阴极产电微生物的作用下，所述阴极上的电子与所述阴极室中的电子受体发生还原反应实现产电。
根据本发明的一个优选实施例，所述污水的进水流速为35mL/h。
根据本发明的一些实施方式，所述污水在阳极室的水力停留时间为2-15小时，优选为12小时。
根据本发明的一个优选实施例，所述阴极室内过滤处理的通量为10-50L/(h·m2)。
根据本发明的一些实施方式，所述阴极室内曝气处理的曝气速率为0.2-60L/h。
根据本发明的一个优选实施例，所述阳极出水进入阴极室，一方面通过曝气处理，去除其中的一部分污染物(如有机物、氮等)，另一方面通过附着于阴极上的阴极产电微生物降解其中的部分有机物，再一方面通过过滤装置滤除其中的悬浮颗粒物及微生物，得到阴极出水。
根据本发明的一些实施例，通过对所述阳极出水进行曝气处理，一方面可以去除其中的一部分污染物(如有机物、氮等)，另一方面通过曝气能够为阴极提供电子受体(氧气)产生电能，再一方面通过曝气可以减轻过滤装置的污染。
根据本发明的一个优选实施例，所述过滤处理为通过过滤装置进行的过滤处理，所述过滤装置包括过滤膜。
根据本发明的一些实施方式，对于所述过滤膜没有特别的限定，选择本领域具有污水过滤功能的过滤膜即可。
在一些具体实施例中，所述过滤膜包括有机膜、无机膜和金属膜中的一种或几种。
根据本发明的优选实施方式，所述过滤膜的孔径为50-2000nm。
根据本发明的一个优选实施例，所述阴极出水进入淡室和浓室，在离子交换膜和电场的共同作用下脱除或浓缩所述阴极出水中的盐分，即得。
根据本发明的一些实施方式，所述离子交换膜包括交替设置的阳离子交换膜和阴离子交换膜，通过所述交替设置的阳离子交换膜和阴离子交换膜形成间隔的淡室和浓室;所述阴极出水进入淡室和浓室后，在内部电场的作用下，阴极出水中的阳离子穿过所述阳离子交换膜向阴极方向移动，阴极出水中的阴离子穿过所述阴离子交换膜向阳极方向移动，实现盐分的脱除和浓缩。
在一些具体的实施例中，所述阴极出水进入所述淡室和浓室，在内部电场的作用下，阴极出水中的阳离子穿过所述阳离子交换膜向阴极方向移动，阴极出水中的阴离子穿过所述阴离子交换膜向阳极方向移动，在所述浓室和淡室内分别得到富集了盐分的浓水和脱除了盐分的淡水。
根据本发明的另一个方面，提供一种过滤型生物阴极微生物脱盐电池，包括：
阳极室，所述阳极室内设有阳极，其上附着有阳极产电微生物;
阴极室，其通过管道与所述阳极室连接，接收来自阳极室的阳极出水，所述阴极室内分别设有阴极、过滤装置和曝气装置，所述阴极上附着有阴极产电微生物;以及，
位于所述阳极室和阴极室之间的淡室和浓室，所述浓室和淡室通过交替设置的离子交换膜分隔而成，并通过管道与所述阴极室连接，接收来自阴极室的阴极出水;
其中，所述阳极室内的阳极通过外部电路连接所述阴极室内的阴极。
根据本发明，所述附着于阳极上阳极产电微生物通过厌氧氧化分解污水中的有机物释放电子到阳极上，所述电子通过外部电路传递到阴极;所述附着于阴极上的阴极产电微生物通过与由阳极传递过来的电子发生还原反应实现产电。
根据本发明的一些实施方式，所述过滤装置用于对进入阴极室内的阳极出水进行过滤处理，去除其中的悬浮物、细菌和部分有机物。
在一些具体的实施例中，所述过滤装置的过滤通量为10-50L/(h·m2)。
根据本发明的一些实施方式，所述的曝气装置位于过滤装置的下方，通过所述曝气装置对所述阴极室内的阳极出水进行曝气处理，曝气能够同时实现阴极的产电、污染物的进一步去除、以及降低过滤装置的污染速度。
在一些具体的实施例中，所述曝气装置的曝气速率为0.2-60L/h。
根据本发明的一个优选实施例，对于所述阳极材料没有特别的限定，选择能附着相应的产电微生物，且能防止化学或生物腐蚀的材料即可。
根据本发明的一些实施方式，所述阳极材料包括碳基材料和/或金属材料。在一些具体的实施例中，所述阳极材料包括活性炭颗粒、碳刷、石墨、碳布、不锈钢网和镍刷中的一种或几种。
根据本发明的一个优选实施例，对于所述阳极产电微生物没有特别的限定，例如可选择希瓦氏菌(Shewanella)。
根据本发明的一些实施方式，对于所述阴极材料没有特别的限定，选择能附着相应的产电微生物，且能防止化学或生物腐蚀的材料即可。
根据本发明的一个优选实施例，所述阴极材料包括碳基材料和/或金属材料。在一些具体的实施例中，所述阴极材料包括活性炭颗粒、碳刷、石墨、碳布、不锈钢网和镍刷中的一种或几种。
根据本发明的一些实施方式，对于所述阴极产电微生物没有特别的限定，例如可选择地杆菌(Geobacter)。
根据本发明的一个优选实施例，所述过滤装置包括过滤膜。
根据本发明的一些实施方式，对于所述过滤膜没有特别的限定，选择本领域具有污水过滤功能的过滤膜即可。
在一些具体实施例中，所述过滤膜包括有机膜、无机膜和金属膜中的一种或几种。
根据本发明的优选实施方式，所述过滤膜的孔径为50-2000nm。
根据本发明的一个优选实施例，所述离子交换膜包括交替设置的阳离子交换膜和阴离子交换膜，靠近阳极一侧的所述离子交换膜为阳离子交换膜，靠近阴极一侧的所述离子交换膜为阴离子交换膜，通过所述交替设置的阳离子交换膜和阴离子交换膜形成间隔的淡室和浓室。在本发明中，“靠近”是一个相对的概念，靠近阳极一侧是指距离阳极的距离小于距离阴极的距离，靠近阴极一侧是指距离阴极的距离小于距离阳极的距离。
根据本发明的一些实施方式，所述阴极出水进入淡室和浓室后，在内部电场的作用下，阴极出水中的阳离子穿过所述阳离子交换膜向阴极方向移动，阴极出水中的阴离子穿过所述阴离子交换膜向阳极方向移动，实现盐分的脱除。
在一些具体的实施例中，所述阴极出水分别进入所述浓室和淡室，在内部电场的作用下，阴极出水中的阳离子穿过所述阳离子交换膜向阴极方向移动，阴极出水中的阴离子穿过所述阴离子交换膜向阳极方向移动，在所述浓室和淡室内分别得到富集了盐分的浓水和脱除了盐分的淡水。
根据本发明的一些实施方式，对于所述离子交换膜没有特别的限定，选择本领域常用的电渗析离子交换膜即可。在一些具体的实施例中，所述离子交换膜的厚度为0.2-0.5mm，透过率≥90%，交换容量≥1mol/kg，爆破强度≥0.3MPa。
根据本发明的一个优选实施例，对于所述离子交换膜的数量没有特别的限定，根据实际运行中对浓水和淡水的出水水质需求设置。
本发明过滤型生物阴极微生物脱盐电池通过附着于阳极和阴极上的产电微生物实现产电，将污水中的化学能转化为电能;同时，在电极产生的电场的作用下，污水中的阴阳离子移动，实现了脱盐，即又将该电能用于污水的处理，无需外加电场即可实现对污水的处理，并且产生的电能不浪费。
根据本发明的过滤型生物阴极微生物脱盐电池，还包括：
连通所述阳极室、阴极室、淡室和浓室之间的管路;
位于所述管路上的水泵，用于各级进水和出水的流通;
任选的外部循环瓶，其通过管路分别于与所述阴极室、淡室和浓室连通。
根据本发明的一些实施方式，阴极出水可任选地进入外部循环瓶，并在外部循环瓶与淡室和浓室内循环流动，实现多次脱盐和浓缩过程。
根据本发明的再一个方面，提供一种上述过滤型生物阴极微生物脱盐电池及污水处理方法在污水处理中的应用。
根据本发明的一个优选实施例，所述污水的COD值大于150mg/L。
本发明的优点和有益技术效果如下：
本发明将将过滤膜和生物阴极型微生物脱盐电池耦合，过滤膜能实现对污水中悬浮物和有机物的拦截分离，而生物阴极一方面能实现氧气的还原产生电能，另一方面能对污染物进行降解，对污水的处理效率高，处理效果好。本发明方法易于操作，微生物脱盐电池结构简单，出水水质优异，非常适合大规模工业化生产应用。
