申请日2012.05.04
公开(公告)日2012.09.19
IPC分类号C02F3/00
摘要
本发明涉及一种废水处理技术，具体的说一种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水的方法。废水先经微生物燃料电池去除有机物、氮及磷的同时产生电能，然后将微生物燃料电池处理后的废水引入光生物反应器中培养微藻，利用微藻进一步连续处理，直至处理后废水符合排放标准。本发明可广泛用于有机废水的处理，不仅提高了废水的处理效果，而且获得的电能和生物质能可以补偿废水处理的成本，为有效处理有机废水提供了新途径，对节能减排和保护环境都具有重要的意义。
权利要求书
1.一种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于：废水先经微生物燃料电池去除有机物、氮及磷的同时产生电能，然后将微生物燃料电池处理后的废水引入光生物反应器中培养微藻，利用微藻进一步连续处理，直至处理后废水符合排放标准。
2.按权利要求1所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于：所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水可采用分体式结构或一体式结构。
3.按权利要求2所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于：所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水采用微生物燃料电池与光生物反应器两个独立反应器相互耦合形成分体式结构，废水经微生物燃料电池的经阳极室后直接流入阴极室并连续转入光生物反应器内直至将废水处理到符合达标。
4.按权利要求2所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于：所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水将微生物燃料电池的阴极作为光生物反应，使废水经微生物燃料电池阳极室后直接流入作为光生物反应的阴极室连续直至将废水处理到符合达标。
5.按权利要求1所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于：所述微生物燃料电池的阳极和阴极电极可采用碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭、碳纤维刷、铂或不锈钢。
6.按权利要求1所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，其特征在于：所述处理的废水为生活污水、食品加工废水、淀粉加工废水或啤酒废水。
7.一种权利要求1所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的专用装置，其特征在于：专用装置包括阴极室和阳极室，所述阴极室与阳极室之间设有交换膜，所述阴极室为光反应器或通过出水口外接光反应器。
8.按权利要求7所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的专用装置，其特征在于：所述阳极室同轴设于阴极室内。
9.按权利要求7所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的专用装置，其特征在于：所述阳极室同轴设于阴极室底部。
10.按权利要求7所述的微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的专用装置，其特征在于：所述交换膜可为玻璃棉层与玻璃珠层组合的交换膜或离子交换膜。
说明书
一种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水的方法及其专用装置
技术领域
本发明涉及一种废水处理技术，具体的说一种微生物燃料电池与微藻 培养相结合处理有机废水的方法及其专用装置。
背景技术
全球每年产生大量的有机废水，传统的废水生物处理过程不仅需要消 耗大量的能量，而且产生大量的污泥，而对污泥的处理费用也很高。因而 需要开发效率高和成本低的替代技术。与此同时，能源短缺也是制约21世 纪人类发展的主要瓶颈。因此开发经济、高效的新型能源势在必行，其中 生物新能源是主要研究热点之一。微生物燃料电池(Microbial fuel cell， MFC)是以微生物为催化剂氧化有机物并产生电流的装置。MFC克服了传 统废水生物处理过程的缺点，是一种新兴的废水处理和同步产电的废水生 物处理新技术。MFC技术相对传统的废水生物处理工艺有许多优点，其中 最大的优势是在处理废水的同时可以获得电能，从而可抵消废水处理厂的 部分运行成本。此外，微生物燃料电池能使活性污泥法处理废水过程中因 曝气而消耗的电量减半，并使产生的污泥量减小50-90%。目前，MFC已应 用于各种废水的处理同时产电，包括生活废水和工业废水。MFC对废水中 的有机物(浓度以化学需氧量Chemical Oxygen Demand表示，COD)具有 很好的去除效果，利用MFC可以将废水中80-99%的有机物去除。虽然MFC 对废水中的COD具有很好的去除效果，但是对氮及磷的去除效果却不佳。 为了提高氮的去除率，将MFC与其它除氮方法相结合开发了许多联合系统。 虽然这些系统可以提高氮的去除率，但存在氮去除不完全或系统过于复杂 不易于放大等不足，且不关注磷的去除。MFC处理后的废水中含有许多的 氮、磷及其它营养成分，不能满足相关排放标准。
与此同时，许多研究表明微藻对污水处理厂二沉溢流污水中的氮和磷 具有很好的去除效果，并可获得生物质。但目前微藻还无法直接利用生活 污水。因为生活污水中的固体颗粒物和固体悬浮物较多，致使污水的透光 率很低。因此在使用之前必须通过过滤等方法去除污水中的固体颗粒物和 固体悬浮物以提高透光率，这一过程不仅耗能且效率低。同时生活污水中 存在的有机物浓度较高，有利于细菌的生长，而细菌的大量生长繁殖又不 利于、甚至抑制微藻生长。
发明内容
本发明目的在于一种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方 法及其专用装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：
一种微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的方法，废水先经微 生物燃料电池去除有机物、氮及磷的同时产生电能，然后将微生物燃料电 池处理后的废水引入光生物反应器中培养微藻，利用微藻进一步连续处理， 直至处理后废水符合排放标准。
所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水可采用分体式结 构或一体式结构。
所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水采用微生物燃料 电池与光生物反应器两个独立反应器相互耦合形成分体式结构，废水经微 生物燃料电池的经阳极室后直接流入阴极室并连续转入光生物反应器内直 至将废水处理到符合达标。
所述微生物燃料电池与微藻培养相结合处理有机废水将微生物燃料电 池的阴极作为光生物反应，使废水经微生物燃料电池阳极室后直接流入作 为光生物反应的阴极室连续直至将废水处理到符合达标。
所述微生物燃料电池的阳极和阴极电极可采用碳布、颗粒石墨、网状 玻璃碳、颗粒活性炭、碳纤维刷、铂或不锈钢。
所述处理的废水为生活污水、食品加工废水、淀粉加工废水或啤酒废 水
微生物燃料电池与微藻培养相结合处理废水的专用装置，专用装置包 括阴极室和阳极室，所述阴极室与阳极室之间设有交换膜，所述阴极室为 光反应器或通过出水口外接光反应器。所述阳极室同轴设于阴极室内。所 述阳极室同轴设于阴极室底部。所述交换膜可为玻璃棉层与玻璃珠层组合 的交换膜或离子交换膜。
本发明微生物燃料电池包括交换膜、阳极室和阴极室和外电路四部分， 其各部分的连接方式可按照现有技术常规的方式连接;进而得到本发明微 生物燃料电池与光反应器两个单独单元通过连接有泵的管道耦合连接，或 是将微生物燃料电池与光反应器的阴极室作为光反应器一体式结构进行连 续处理废水;微生物燃料电池阳极室内添加有现有技术中能够降解废水的 电化学活性微生物，光反应器添加有微藻;微生物燃料电池中的交换膜可 采用阳离子交换膜、阴离子交换膜、微滤膜、纳滤膜或双极膜将阳极室与 阴极室隔开，阳极室内添加的电化学活性微生物能够代谢利用污水中的有 机物产生二氧化碳、质子和电子，而产生的质子和电子迁移到阴极后与氧 结合生成水，并产生电流，从而达到去除有机污染物和产电的目的;光反 应器添加的微藻为普生小球藻、莱茵衣藻、斜生栅藻、小球藻chlorella fusca、 蛋白核小球藻或卵配衣藻，在光照的情况下微藻利用污水中氮和磷合成新 的微藻生物质，从而达到去除污水中氮和磷的目的。
本发明作用原理：首先，将污水输入到微生物的阳极室，阳极室中的电 化学微生物代谢利用污水中的有机物产生二氧化碳、质子和电子，而产生 的质子和电子迁移到阴极后与氧结合生成水，并产生电流，从而达到去除 有机污染物和产电的目的。同时微生物燃料电池阳极室的其它微生物会利 用污水中的有机物、氮和磷等营养物质合成新的细胞生物质，从而能去除 污水中的部分氮和磷。然后，将阳极室出水直接作为好氧阴极室的底物， 可以利用阴极室内生长的异养微生物将污水中生物降解慢的有机物进一步 水解和氧化，从而可以提高COD的去除率。此外，还可以利用阴极室中的 硝化细菌将NH4+-N氧化为硝酸盐，同时在阴极室生长的微生物可以利用氮 磷和其它营养物质合成新的生物质，从而提高氮和磷的去除率。最后，再 将微生物燃料电池阴极室出水(或微生物燃料电池阳极室出水)连续不断 地用泵输入到柱状光合生物反应器中培养微藻，在光照的情况下微藻利用 污水中氮和磷合成新的微藻生物质，进一步去除微生物燃料电池处理后的 污水中残留的氮和磷，在提高废水处理效果的同时获得微藻生物质。
本发明所具有的优点：
1.本发明采用的阳、阴极室连续流结构的MFC不仅增加了质子的传递 速率，同时可以形成生物催化阴极，从而提高了电池的功率输出。此外， 由于阳、阴极连续流型微生物燃料电池的阴极过程作为一个额外的好氧处 理步骤，进一步提高了污染物的去除率;
2.本发明光反应器单元中的微藻可以进一步去除MFC处理后的废水中 残留的磷和氮，提高了废水处理效果，同时可以获得生物质。
3.本发明处理方法不仅提高了废水处理效果，而且获得的电能和生物质 能可以补偿废水处理的成本，实现了废物资源化，为有效处理有机废水提 供了新途径，对节能减排和保护环境都具有重要的意义。
4.经本发明方法处理后废水中COD、氨态氮和总磷浓度分别小于 50mg/L、0.45mg/L及0.34mg/L，其浓度都达到了国家《城镇污水处理厂污 染物排放标准》(GB18918-2002)中COD、氨态氮和总磷的一级排放标准。
