申请日2017.06.16
公开(公告)日2017.09.05
IPC分类号C02F3/00; H01M8/16; C02F103/06
摘要
本发明涉及一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统及处理方法，包括正渗透微生物燃料电池、膜蒸馏装置和回流装置，其中所述正渗透微生物燃料电池包括阳极液侧和阴极液侧，所述阳极液侧为阳极室，所述阴极液侧包括阴极室、阴极液储备罐和第一蠕动泵，所述阴极室的输入端通过阴极液输入管道依次与第一蠕动泵、阴极液储备罐连接，所述阴极室的输出端通过阴极液输出管道与阴极液储备罐连接，且阳极室和阴极室的电极用钛丝固定、外接电阻连接、形成回路，所阳极室与阴极室通过正渗透膜分离，所述正渗透膜采用三醋酸纤维素正渗透膜、活性层朝向阳极室。本发明提高污染物的去除效率，还具有出水水质好、产生电能等优点，可直接有效处理垃圾渗滤液。
摘要附图
权利要求书
1.一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统，包括正渗透微生物燃料电池、膜蒸馏装置和回流装置，其特征在于：所述正渗透微生物燃料电池包括阳极液侧和阴极液侧，所述阳极液侧为阳极室(1)，所述阴极液侧包括阴极室(2)、阴极液储备罐(7)和第一蠕动泵(6)，所述阴极室(2)的输入端通过阴极液输入管道依次与第一蠕动泵(6)、阴极液储备罐(7)连接，所述阴极室(2)的输出端通过阴极液输出管道与阴极液储备罐(7)连接，且阳极室(1)和阴极室(2)的电极用钛丝固定、外接电阻(4)连接、形成回路，所阳极室(1)与阴极室(2)通过正渗透膜(3)分离，所述正渗透膜(3)采用三醋酸纤维素正渗透膜、活性层朝向阳极室(1)，所述电阻(4)上并联蓝电测试系统(5)，所述蓝电测试系统(5)与PC端(21)连接;所述膜蒸馏装置包括热侧(14)、冷侧(12)、第二蠕动泵(8)、第一齿轮泵(15)、恒温水浴锅(10)、膜蒸馏组件(16)，第二齿轮泵(15)、膜蒸馏组件(16)、第一高精度低温恒温槽(20)和冷凝管(18)，所述热侧(14)通过热侧输入管道依次与第二蠕动泵(8)、阴极液储备罐(7)连接，所述热侧(14)置于恒温水浴锅(10)中，所述热侧(14)通过第一齿轮泵(15)与膜蒸馏组件(16)连接，所述膜蒸馏组件(16)通过第二齿轮泵(13)与冷侧(12)连接，所述冷侧(12)与冷凝管(18)连接，所述冷凝管(18)与第一高精度低温恒温槽(20)连接，所述冷侧(12)底部设有电子天平(11)，所述回流装置包括热侧(14)、第三齿轮泵(19)、第一高精度低温恒温槽(20)、冷凝管(17)和阴极液储备罐(7)，所述热侧(14)与冷凝管(17)连接，所述冷凝管(17)通过冷凝管依次与第三齿轮泵(19)、阴极液储备罐(7)连接，所述冷凝管(17)与第一高精度低温恒温槽(20)连接。
2.根据权利要求1所述的一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统，其特征在于：所述阳极室(1)和阴极室(2)的有效容积均为125mL，且阳极室(1)和阴极室(2)之间由正渗透膜(3)分隔、中间用专用铁夹固定。
3.根据权利要求1所述的一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统，其特征在于：所述阳极室(1)和阴极室(2)的电极材料采用碳毡、投影面积为8cm2(1cm×8cm)。
4.根据权利要求1所述的一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统，其特征在于：所述阳极室(1)内的阳极液为垃圾渗滤液，所述阴极室(2)内的阴极液为浓氯化钠溶液。
5.根据权利要求1所述的一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统，其特征在于：所述正渗透膜(3)为三醋酸纤维素正渗透膜，所述膜蒸馏组件(16)的材质为耐高温材质，所述膜蒸馏组件(16)内的膜蒸馏膜为疏水的微滤膜。
6.根据权利要求1所述的一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统，其特征在于：所述正渗透膜(3)直径为0.35m、有效工作面积为9.616×10-4m2。
7.根据权利要求1所述的一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统，其特征在于：所述外接电阻(4)为200Ω。
8.一种如权利要求1所述的一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统处理方法，其特征在于：包括以下步骤:
(a)将垃圾渗滤液置于正渗透微生物燃料电池的阳极室(1)，经阳极中的微生物和产电微生物对垃圾渗滤液进行降解和产生电能，同时阳极液中的水由于渗透压的驱动透过正渗透膜来到阴极室(2);
(b)经步骤(a)处理的阴极液通过第一蠕动泵(6)进入膜蒸馏的热侧(14)，且将热侧(14)置于恒温水浴锅(10)中;
(c)经步骤(b)的膜蒸馏的热侧(14)通过第一齿轮泵(15)进入膜蒸馏组件中;
(d)冷侧(12)与冷凝管(18)连接，热侧液与冷侧液采用错流方式，从膜蒸馏组件(16)的下部进入，从其上部返回，采用电子天平(11)计算冷侧中质量的变化。
(e)经步骤(d)的膜蒸馏热侧(14)液体经冷凝管(18)冷却后，通过第三齿轮泵(19)返回阴极液储备罐(7)中。
9.根据权利要求8所述的一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统处理方法，其特征在于：所述步骤(a)中,所述正渗透微生物燃料电池的阴极室(2)的碳毡进行600℃的灼烧处理，且阳极室(1)和阴极室(2)电极之间采用钛线连接，并外接200Ω电阻构成电路。
10.根据权利要求8所述的一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统处理方法，其特征在于：所述步骤(a)中,所述正渗透微生物燃料电池的阴极室(2)外接1L阴极液储备罐(7)，并用第一蠕动泵(6)循环运行，且流速为60ml/min，以保持阴极的溶解氧浓度。
说明书
一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统及处理方法
技术领域
本发明属水处理技术领域，特别是涉及一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统及处理方法。
背景技术
垃圾渗滤液中含有大量的有机物，水质变化大，成分复杂，是一种较难处理的有机废水，处理成本高，亟需高效、低成本的处理技术。正渗透(Forward Osmosis，FO)是近年来发展起来的一种浓度驱动的新型膜分离技术，它依靠选择性渗透膜两侧的渗透压差为驱动力自发实现水传递的膜分离过程(施人莉等，2011)。微生物燃料电池(microbial fuelcell，简称MFC)是利用微生物代谢将有机物或无机物中的能量转化电能的电生化反应器。正渗透微生物燃料电池(Osmosis microbial fuel cell，简称OsMFC)是将FO与MFC结合，以微生物作为催化剂，将有机物的化学能转换为电能的装置，其中阳极中的水和离子由于渗透压梯度的驱动，从低渗透压侧(阳极)透过选择性渗透膜到高渗透压侧(阴极)。将OsMFC应用到废水处理领域，能以废水有机污染物为燃料直接产生电能，同时实现废水的净化，是一种具有资源化前景的绿色技术。膜蒸馏(Membrane Distillation，简称MD)是采用疏水微孔膜，以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动的膜分离过程。膜蒸馏在海水淡化与纯水制备，食品与中药工业，化学品工业和废水处理等方面均有应用。将OsMFC与MD联合，可以使垃圾渗滤液达到排放标准，并且可以有效利用垃圾渗滤液中污染物质，有利于垃圾渗滤液的资源化。
目前，没有将正渗透微生物燃料电池和膜蒸馏工艺联合处理垃圾渗滤液的研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统及处理方法，将正渗透微生物燃料电池和膜蒸馏工艺联合使用，以垃圾渗滤液为阳极液，氯化钠溶液为阴极液，达到污染物的降解、产生生物质能、提高垃圾渗滤液处理效果和汲取液重复利用，解决了汲取液被稀释使工艺无法长时间稳定运行的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统，包括正渗透微生物燃料电池、膜蒸馏装置和回流装置，其中所述正渗透微生物燃料电池包括阳极液侧和阴极液侧，所述阳极液侧为阳极室，所述阴极液侧包括阴极室、阴极液储备罐和第一蠕动泵，所述阴极室的输入端通过阴极液输入管道依次与第一蠕动泵、阴极液储备罐连接，所述阴极室的输出端通过阴极液输出管道与阴极液储备罐连接，且阳极室和阴极室的电极用钛丝固定、外接电阻连接、形成回路，所阳极室与阴极室通过正渗透膜分离，所述正渗透膜采用三醋酸纤维素正渗透膜、活性层朝向阳极室，所述电阻上并联蓝电测试系统，所述蓝电测试系统与PC端连接;所述膜蒸馏装置包括热侧、冷侧、第二蠕动泵、第一齿轮泵、恒温水浴锅、膜蒸馏组件，第二齿轮泵、膜蒸馏组件、第一高精度低温恒温槽和冷凝管，所述热侧通过热侧输入管道依次与第二蠕动泵、阴极液储备罐连接，所述热侧置于恒温水浴锅中，所述热侧通过第一齿轮泵与膜蒸馏组件连接，所述膜蒸馏组件通过第二齿轮泵与冷侧连接，所述冷侧与冷凝管连接，所述冷凝管与第一高精度低温恒温槽连接，所述冷侧底部设有电子天平，所述回流装置包括热侧、第三齿轮泵、第一高精度低温恒温槽、冷凝管和阴极液储备罐，所述热侧与冷凝管连接，所述冷凝管通过冷凝管依次与第三齿轮泵、阴极液储备罐连接，所述冷凝管与第一高精度低温恒温槽连接。
本发明的进一步技术方案是，所述阳极室和阴极室的有效容积均为125mL，且阳极室和阴极室之间由正渗透膜分隔、中间用专用铁夹固定。
本发明的又进一步技术方案是，所述阳极室和阴极室的电极材料采用碳毡、投影面积为8cm2(1cm×8cm)。
本发明的再进一步技术方案是，所述阳极室内的阳极液为垃圾渗滤液，所述阴极室内的阴极液为浓氯化钠溶液。
本发明的再进一步技术方案是，所述正渗透膜为三醋酸纤维素正渗透膜，所述膜蒸馏组件的材质为耐高温材质，所述膜蒸馏组件内的膜蒸馏膜为疏水的微滤膜。
本发明的再进一步技术方案是，所述正渗透膜直径为0.35m、有效工作面积为9.616×10-4m2。
本发明的再进一步技术方案是，所述外接电阻为200Ω。
一种所述的一种正渗透微生物燃料电池组合处理废水系统处理方法，其中包括以下步骤:
(a)将垃圾渗滤液置于正渗透微生物燃料电池的阳极室，经阳极中的微生物和产电微生物对垃圾渗滤液进行降解和产生电能，同时阳极液中的水由于渗透压的驱动透过正渗透膜来到阴极室;
(b)经步骤(a)处理的阴极液通过第一蠕动泵进入膜蒸馏的热侧，且将热侧置于恒温水浴锅(10)中;
(c)经步骤(b)的膜蒸馏的热侧通过第一齿轮泵进入膜蒸馏组件中;
(d)冷侧与冷凝管连接，热侧液与冷侧液采用错流方式，从膜蒸馏组件的下部进入，从其上部返回，采用电子天平计算冷侧中质量的变化。
(e)经步骤(d)的膜蒸馏热侧液体经冷凝管冷却后，通过第三齿轮泵返回阴极液储备罐中。
本发明的再进一步技术方案是，所述步骤(a)中,所述正渗透微生物燃料电池的阴极室的碳毡进行600℃的灼烧处理，且阳极室和阴极室电极之间采用钛线连接，并外接200Ω电阻构成电路。
本发明的更进一步技术方案是，所述步骤(a)中,所述正渗透微生物燃料电池的阴极室外接1L阴极液储备罐，并用第一蠕动泵循环运行，且流速为60ml/min，以保持阴极的溶解氧浓度。
有益效果
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明的垃圾渗滤液处理方法是低渗透压的渗滤液作为原料液、高渗透压的氯化钠溶液作为汲取液，利用氯化钠溶液与渗滤液的渗透压差作为驱动力使得水能自发地从阳极液一侧透过选择透过性膜到达阴极液—侧以实现低能耗下污染物质的截留;在阳极室中微生物降解垃圾渗滤液中的部分污染物同时产生电能;OsMFC-MD(正渗透微生物燃料电池和膜蒸馏工艺)的联合工艺提高污染物的去除效率，还解决了汲取液被稀释使工艺无法长时间稳定运行的问题，具有出水水质好、无需外加压力、产生电能等优点，可直接有效处理垃圾渗滤液。
