申请日2012.06.28
公开(公告)日2012.10.03
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明公开了一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置，阴极室内设置有阴极和膜组件;膜组件通过管路通入水箱;曝气泵通过管路与设置在阴极室内底部的曝气头连接;阳极室内设置有阳极，电压表和负载并联后，一端连接阳极，一端连接阴极;阳极室与阴极室之间设置有管道，在管道上设置有分隔膜;阳极室的顶部设置有排气孔，阴极室的底部通过管路与调节室连接，调节室通过管路与阳极室的底部连接;本发明不仅可以进行污水处理回用，而且以废水作为能源产电，不产生浓水，不污染环境。膜处理效率高，出水水质优质稳定，本发明的方法简单易行，占地少、投资及维护费用低。根据不同要求而设计处理能力，可以适应序批式处理、连续流处理。
权利要求书
1.一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置，进水管(5)依次与进水泵(23)、 进水流量计(42)连接后通入阴极室(1);阴极室(1)内设置有阴极(10)和膜组件(4); 膜组件(4)通过管路依次与压力表(24)、第一三通(36)、第一阀门(25)、出水流量计(29)、 第三三通(38)、出水泵(6)、第二三通(37)、第三阀门(27)连接后通入水箱(31);第一 三通(36)通过管路依次与第二阀门(26)、反洗流量计(30)连接后再与第二三通(37)连 接;第三三通(38)通过管路与第四阀门(28)连接后通入水箱(31);曝气泵(13)通过管 路与气体流量计(43)连接后与设置在阴极室(1)内底部的曝气头(14)连接;阳极室(2) 内设置有阳极(11)，电压表(9)和负载(8)并联后，一端连接阳极(11)，一端连接阴极 (10);阳极室(2)与阴极室(1)之间设置有管道(39)，在管道(39)上设置有分隔膜(12); 阳极室(2)的顶部设置有排气孔(17)，阳极室(2)的中下部通过管路依次与第四三通(44)、 第七阀门(34)、回流泵(22)、回流流量计(45)连接后通入阴级室内;第四三通(44)通 过管路与第九阀门(46)连接，阴极室(1)的底部通过管路与第五阀门(32)连接后再与调 节室(3)连接，调节室(3)通过管路依次与水泵(21)，第六阀门(33)连接后与阳极室(2) 的底部连接;调节室(3)的顶部设置有加药管(19);调节室(3)的底部通过管路与第八阀 门(35)连接;调节室(3)内部设置有挡板(20)。
2.根据权利要求1所述的一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置，其特征是设置 在调节室(3)内部的挡板(20)的奇数的档板的一端垂直设置在所述调节室的前侧壁(40) 上，偶数的档板的一端设置在连接有奇数档板的相对的调节室的后侧壁(41)上。
3.根据权利要求1所述的一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置，其特征是所述 膜组件(4)为U型膜组件、帘式膜组件、中空纤维帘状浸入式膜组件、中空纤维柱状浸入 式膜组件或平板型帘状浸入式膜组件。
4.根据权利要求1所述的一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置，其特征是所述 分隔膜(12)为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜、多 孔纤维织物膜或玻璃纤维膜。
5.根据权利要求1所述的一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置，其特征是所述 阳极(11)的外表面设置有碳布或碳毡。
说明书
以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置
技术领域
本发明涉及水处理技术，涉及物料分离技术，涉及能源利用和环境保护，具体涉及一种 以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是一种利用微生物的催化作用将有机物中的化 学能转化为电能的新型技术。基本原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分 解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递， 并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气) 在阴极得到电子被还原与质子结合成水。传统MFCs的反应室通常被分隔膜分成一个阳极室 和一个阴极室，微生物在阳极室进行废水处理并产生电子，阴极室则一般以贵金属(如铂)金 属络合物作为催化剂还原氧气生成水，或添加电子媒介体参与电极反应，该体系被称为化学 阴极MFC。
生物阴极MFC是指阴极室中也有功能微生物，功能微生物能够附着在电极表面形成生物 膜，电子由阴极传递给微生物并发生相应的生物电化学反应。Bergel(Bergel A，Feron D，Mollica A.Catalysis of oxygen reduction in PEM fuel cell by seawater biofilm[J].Electrochemistry Communications,2005,7(9)：900-904.)等发现在质子交换膜燃料电池中，长满生物膜的不锈钢阴 极能够还原氧气，提高燃料电池的性能，最大功率密度达到320mW/m2他们还发现去除生物 膜后功率会显著下降，从原来的270mW/m2降为2.8mW/m2，证明生物膜对氧气还原有着明显 的催化作用，Clauwaert(Clauwaert P，Van der Ha D，Boon N，et al.Open air biocathode enables effective electricity generation with microbial fuel cells[J].Environment Science Technology,2007,41(21)：7564-7569.) 等在筒状MFC中实现了生物催化的O2还原过程，最大功率密度达到83W/m3，阳极COD 去除速率为1.5kg/(m3d)，库仑效率达到90%。
与化学阴极相比，生物阴极具有以下优点：(1)以氧气作为电子供体，不需要添加化学催 化剂或人工媒介体，降低了MFC的构建成本;(2)不存在化学催化剂失活现象，可提高MFC 的长期稳定性;(3)在阴极室生长的微生物也可处理废水，生成有工业价值的产品，实现资源 的综合利用。
膜分离技术因具有处理效率高、工艺流程短、易自动控制的特点，近年来在水处理领域 得到广泛重视。将膜分离技术应用于给水处理，由于能够有效地截留杂质、细菌和病原菌， 提高对有机污染物的去除效果，出水水质优质稳定、安全性高、生物稳定性好，同时可以降 低消毒加氯量。因此，膜分离被认为是当今获得优质安全水的重要技术之一。
将两技术进行有效的结合并构建一种新型水处理工艺，可以将两者的优势大大提升，具 有广阔工程应用前景。
目前有关MFC的研究还主要停留在实验室水平上，当前报道的MFC形式从结构和运行特 点上不适用于单独并高效废水处理，限制了MFC在废水处理中的应用。将MFC与膜分离技术 联用未见报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处 理装置。
本发明的技术方案概述如下：
一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置，进水管5依次与进水泵23、进水流 量计42连接后通入阴极室1;阴极室1内设置有阴极10和膜组件4;膜组件4通过管路依次 与压力表24、第一三通36、第一阀门25、出水流量计29、第三三通38、出水泵6、第二三 通37、第三阀门27连接后通入水箱31;第一三通36通过管路依次与第二阀门26、反洗流 量计30连接后再与第二三通37连接;第三三通38通过管路与第四阀门28连接后通入水箱 31;曝气泵13通过管路与气体流量计43连接后与设置在阴极室1内底部的曝气头14连接; 阳极室2内设置有阳极11，电压表9和负载8并联后，一端连接阳极11，一端连接阴极10; 阳极室2与阴极室1之间设置有管道39，在管道39上设置有分隔膜12(管道39是设置在阳 极室和阴极室上的管通过法兰连接，分隔膜设置在起密封作用的硅胶垫片中间);阳极室2的 顶部设置有排气孔17;阳极室2的中下部通过管路依次第四三通44、第七阀门34、回流泵 22、回流流量计45连接后通入阴级室内;第四三通44通过管路与第九阀门46连接，阴极室 1的底部通过管路与第五阀门32连接后再与调节室3连接，调节室3通过管路依次与水泵21， 第六阀门33连接后与阳极室2的底部连接;调节室3的顶部设置有加药管19;调节室3的 底部通过管路与第八阀门35连接;调节室3内部设置有挡板20。
设置在调节室3内部的挡板20的奇数的档板的一端垂直设置在所述调节室的前侧壁40 上，偶数的档板的一端设置在连接有奇数档板的相对的调节室的后侧壁41上。
膜组件4优选U型膜组件、帘式膜组件、中空纤维帘状浸入式膜组件、中空纤维柱状浸 入式膜组件或平板型帘状浸入式膜组件。
分隔膜12为质子交换膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜、双极膜、微滤膜、超滤膜、多 孔纤维织物膜或玻璃纤维膜。
阳极11的外表面最好是设置有碳布或碳毡。
本发明具有以下优点：
本发明不仅可以进行污水处理回用，而且以废水作为能源产电，不产生浓水，不污染环 境。膜处理效率高，出水水质优质稳定，工艺更适合应用废水处理。阴极室的高强度曝气减 缓膜污染的同时可以满足水中充足的溶解氧给生物阴极提供电子供体。阴极室排出的泥和浓 水通过调节室的处理作为阳极的碳源，满足阳极微生物的产电要求。本发明达到资源综合合 理利用。本发明的方法简单易行，占地少、投资及维护费用低。根据不同要求而设计处理能 力，可以适应序批式处理、连续流处理等，具有广阔工程应用前景。
