申请日2013.09.02
公开(公告)日2014.01.01
IPC分类号H01M8/16; C02F11/02
摘要
本发明涉及一种同步浓缩消化污泥并产电的装置，由正渗透-微生物燃料电池、污泥调节池、汲取液池、循环泵组成，其中：正渗透-微生物燃料电池由FO膜、阳极室、阴极室、阳极电极和空气阴极组成，以正渗透膜(FO)分隔出阳极室和阴极室。阳极液为剩余污泥，阴极液采用高浓度肥料汲取液;所述阴极为空气阴极。污泥中有机质经微生物催化，最终以电能形式回收;采用空气阴极无需外加动力增加阴极电极氧气含量;FO膜的设计可以提高装置的产电性能且无需外加压力即可实现剩余污泥的固液分离，从而达到浓缩的效果;阴极液稀释后无需再进行纯水分离，直接农用。本发明更加经济合理地实现剩余污泥的处理并同时获得电能，实现污泥浓缩消化产电一体化。
权利要求书
1.一种同步浓缩消化污泥并产电的装置，所述装置由正渗透-微生物燃料电池、污泥调节池(6)、汲取液池(7)、循环泵(8)组成，其特征在于：正渗透-微生物燃料电池由正渗透膜(1)、阳极室(2)、阴极室(3)、阳极电极(4)和空气电极(5)组成，所述渗透-微生物燃料电池通过正渗透膜(1)分隔出阳极室(2)和阴极室(3)，所述阴极室3的电极为空气阴极(5)，空气阴极(5)一侧与阴极室(3)内的高浓度汲取液接触，另一侧直接暴露于空气中，捕获空气中的氧气;阳极室(2)前设有污泥调节池(6)，阴极室(3)前设有汲取液池(7);所述阴极室(2)一侧下部设有进泥口(2-1)，顶部设有通气口(2-2)，阴极室(3)顶部设有第一出水口(3-2)，底部设有第一进水口(3-1)，污泥调节池(6)底部设有污泥口(6-1)，顶部设有通气口(6-2)，汲取液池(7)顶部设有第二进水口(7-1)，底部一侧设有第二出水口(7-2);所述污泥调节池(6)的污泥口(6-1)连接阳极室(2)的进泥口(2-1)，污泥调节池(6)的通气口(6-2)连接阳极室(2)的通气口(2-2)，汲取液池(7)的第二进水口(7-1)通过连接阴极室(3)的第一进水口(3-1)，阴极室(3)的第二出水口(3-2)连接汲取液池(7)的第二进水口(7-1);所述阳极室(3)和污泥调节池(6)为厌氧环境，阳极液为污泥混合液，厌氧微生物悬浮生长于污泥混合液中以及附着生长于阳极电极(4)上;污泥混合液中的有机物被氧化分解并释放出质子与电子，电子通过微生物传递到阳极电极(4)表面，然后传递到阴极电极(5)，同时生成的质子也到达阴极电极(5)，空气中的氧气通过自由扩散穿过阴极电极(5)到达阴极电极(5)的内侧表面上，质子、电子和氧气结合生成水。
2.根据权利要求1所述的同步浓缩消化污泥并产电的装置，其特征在于所述阳极污泥中的游离水在正渗透膜(1)两侧渗透压差的驱动下渗透至汲取液侧即阴极室(3)内，所述阴极室(3)内的阴极液采用高浓度含有氮、磷或钾元素的肥料液。
3.根据权利要求1所述的同步浓缩消化污泥并产电的装置，其特征在于所述阳极电极(4)由碳刷制成，或使用碳棒、碳毡、表面粗糙的钢板中任一种。
4.根据权利要求1所述的同步浓缩消化污泥并产电的装置，其特征在于所述空气阴极(5)由镀铂黑碳纸制成，或使用以炭纳米管、渗氮碳粉、氧化锰、四甲氧基苯基卟啉为催化剂，碳布、碳纸、不锈钢网或镍网为集电体的空气阴极。
说明书
一种同步浓缩消化污泥并产电的装置
技术领域
本发明属于城市污泥处理领域，具体涉及一种正渗透与微生物燃料电池相结合的装置，同步浓缩消化污泥并产电，尤其涉及一种同步浓缩消化污泥并产电的装置。
背景技术
剩余污泥作为城市污水处理厂废水处理的一种副产物，富含的大量潜在能源物质和丰富的氮、磷等营养元素，可以作为一种资源加以利用。倘若采用恰当技术工艺，有效回收剩余污泥中的资源与能源物质，不仅可大幅削减污泥的最终处理处置费用，亦可显著降低其对环境产生的负面影响，有助于实现污水污泥处理行业的可持续发展。
目前，对剩余污泥能源化利用方式主要包括污泥热解气化产燃气、焚烧及厌氧消化产甲烷等技术。污泥热解气化产燃气所需反应温度较低，但工艺流程较为复杂、操作相对困难，且污泥的高含水率不适于直接利用，需干化预处理;污泥燃烧供热技术可显著减少剩余固体废弃物体积，有效降解污泥中难降解的惰性有机组分，但同样由于污泥含水率高、反应能耗高及燃烧后气态污染物难控制等问题，影响了其推广使用;厌氧消化产甲烷技术，因条件较为温和，运行成本较低，目前应用相对广泛，而制约其进一步发展的技术瓶颈，包括如何实现沼气中甲烷的分离纯化及沼气长距离输送等问题。近年来，随着微生物产能技术的不断发展，一种以微生物为催化剂、将有机物直接转化为电能的新型资源化手段--微生物燃料电池技术(Microbial fuel cell, 以下简称MFC)被开发出来，因其具有生化反应条件温和、操作相对简单、生成的能源形式清洁等特点，逐渐引起国内外专家学者的关注。
在MFC系统中，阳极的厌氧微生物群落可将溶解性或固体有机物氧化，释放出质子与电子;电子通过化学介体或微生物纳米导线传递至阳极表面，经外电路传递至阴极，最终与电子受体结合。由于阳极内微生物催化的生化反应不断进行，在外电路内则形成了可利用的生物电流。随着微生物燃料电池的发展，国内外众学者开始了以剩余污泥为燃料进行产电的研究。然而研究者们逐渐发现，经MFC处理后，剩余污泥的含固率下降(约30~40%)，但污泥中的水未得到有效回收利用。同时，由于污泥含水率升高，在进行后续处理前必须进一步脱水浓缩，不仅增加了相关费用，也复杂了处理工艺流程，制约了MFC处理剩余污泥的应用推广。
因此，有必要设计一套可用于同步浓缩消化剩余污泥的MFC装置，解决目前的技术困境。
发明内容
本发明目的在于提出一种同步浓缩消化污泥并产电的装置。根据本发明，上述目的可以通过正渗透-微生物燃料电池装置来实现：在利用污泥产电的同时浓缩消化污泥。本发明的技术方案如下：
一种同步浓缩消化污泥并产电的装置，所述装置由正渗透-微生物燃料电池、污泥调节池6、汲取液池7、循环泵8组成，其中：正渗透-微生物燃料电池由正渗透(Forward Osmosis，简称FO)膜1、阳极室2、阴极室3、阳极电极4和空气阴极5组成，所述正渗透-微生物燃料电池通过FO膜1分隔出阳极室2和阴极室3，所述阴极室3的电极为空气阴极5，空气阴极5一侧与阴极室3内的高浓度汲取液接触，另一侧直接暴露于空气中，捕获空气中的氧气;阳极室2前设有污泥调节池6，阴极室3前设有汲取液池7;所述阴极室2一侧下部设有进泥口2-1，顶部设有通气口2-2，阴极室3顶部设有第一出水口3-2，底部设有第一进水口3-1，污泥调节池6底部设有污泥口6-1，顶部设有通气口6-2，汲取液池7顶部设有第二进水口7-1，底部一侧设有第二出水口7-2;所述污泥调节池6的污泥口6-1连接阳极室2的进泥口2-1，污泥调节池6的通气口6-2连接阳极室2的通气口2-2，汲取液池7的第二进水口7-1通过连接阴极室3的第一进水口3-1，阴极室3的第二出水口3-2连接汲取液池7的第二进水口7-1;所述阳极室3和污泥调节池6为厌氧环境，阳极液为污泥混合液，厌氧微生物悬浮生长于污泥混合液中以及附着生长于阳极电极4上;污泥混合液中的有机物在厌氧微生物的作用下被氧化分解并释放出质子与电子，电子通过微生物传递到阳极电极4表面，然后传递到空气阴极5，同时生成的质子也到达空气阴极5，空气中的氧气通过自由扩散穿过空气阴极5到达空气阴极5的内侧表面上，质子、电子和氧气结合生成水。
本发明中，所述阳极污泥中的游离水在FO膜两侧渗透压差的驱动下渗透至汲取液侧(阴极室3内)，所述阴极室3内的阴极液采用高浓度含有氮、磷或钾等元素的肥料液，如可以采用氯化钾、磷酸氢二铵、尿素等常用化肥。以高浓度肥料液作为FO过程的汲取液，稀释后无需再进行纯水分离，直接农用。
本发明中，所述阳极电极4可由碳刷制成，或使用碳棒、碳毡、表面粗糙的钢板等中任一种。
本发明中，所述空气阴极5可由镀铂黑碳纸制成，或可以使用以炭纳米管、渗氮碳粉、氧化锰、四甲氧基苯基卟啉等为催化剂，碳布、碳纸、不锈钢网、镍网等为集电体的空气阴极。
本发明的有益效果在于：
污泥中有机质经微生物催化，最终以电能形式回收;采用空气阴极无需外加动力增加阴极电极氧气含量;阳极无需投加电子转移介质;FO膜的设计可以提高装置的产电性能且无需外加压力即可实现剩余污泥的固液分离，从而达到浓缩的效果;本发明阴极液采用高浓度肥料液，其稀释后无需再进行纯水分离，直接农用。本发明更加经济合理地实现剩余污泥的处理并同时获得电能，实现污泥浓缩消化产电一体化。
