申请日2012.12.10
公开(公告)日2013.03.20
IPC分类号H01M8/16; C02F9/14
摘要
一种厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的方法及装置，装置包含逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块。逆向电渗析模块为利用碳酸氢铵溶液盐度梯度进行发电的装置;厌氧氨氧化室为利用厌氧氨氧化微生物进行氨氮处理的装置;微生物燃料电池模块是利用产电微生物处理污水，同时获得电能的装置。逆向电渗析模块采用碳酸氢铵为工作液，碳酸铵根负离子在通过逆向电渗析模块后会进入厌氧氨氧化室，而不会进入微生物燃料电池模块的阳极室，避免了氨对产电微生物活性的抑制。本发明中逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块能够实现优势互补，功能相互协调，不会产生氨累积，使得污水处理成本低，发电量大。
权利要求书
1.一种厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的装置，所述装 置包含逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块;其特 征在于：
所述逆向电渗析模块由交替排列的阴、阳离子膜和隔板组成，隔板分 别放置在交替排列的阴阳离子膜之间形成浓水室和淡水室，所述逆向 电渗析模块的工作液为稀碳酸氢铵溶液和浓碳酸氢铵溶液;
所述厌氧氨氧化室设置于逆向电渗析模块一侧，通过一层阴离子交换 膜隔开，其内放置厌氧氨氧化微生物，厌氧氨氧化微生物能将渗透入 厌氧氨氧化室的氨氧化为氮气;
所述微生物燃料电池模块包括阳极室和阴极室，阳极室位于厌氧氨氧 化室一侧，是通过一层质子膜与厌氧氨氧化室隔开，阴极室位于逆向 电渗析模块的另一侧;所述阳极室中放置电极和产电微生物，电极与 阴极室内放置的电极通过外电路连接;所述产电微生物可以降解污水 中的有机污染物，同时将电子转移至电极，从而发电，并使电极具有 氧化能力;所述微生物燃料电池模块中产生的质子通过质子膜传递至 厌氧氨氧化室，平衡电荷;
所述厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块的阳极室之间通过电极串联 ，该电极将厌氧氨氧化室中的部分铵离子氧化为亚硝酸根离子;
所述稀碳酸氢铵溶液的进水口设置在淡水室底部，浓碳酸氢铵溶液的 进水口设置在微生物燃料电池模块的阴极室上，逆向电渗析模块的浓 水室与阴极室之间设置有连接孔;厌氧氨氧化室设置有氮气排放口; 在阳极室上设置有废水进水口和废水排放口。
2.利用权利要求1所述的装置进行厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理 并同时发电的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)微生物培养：在阳极室培养产电微生物，在厌氧氨氧化室培养厌 氧氨氧化微生物;
(2)内电流产生：将浓碳酸氢铵溶液从进水口送进阴极室，通过逆向 电渗析模块与阴极室之间的连接孔进入逆向电渗析模块，将稀碳酸氢 铵溶液从进水口送进逆向电渗析模块;在逆向电渗析模块中，浓碳酸 氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液通过阴离子膜和阳离子膜发生离子交换， 阴离子向阳极方向迁移，阳离子向阴极方向迁移，从而产生内电流， 内电流方向为从阳极流向阴极;
(3)氨氮去除：逆向电渗析模块中的碳酸铵根负离子向阳极迁移，最 终到达厌氧氨氧化室，碳酸铵根负离子电离为铵离子和碳酸根离子; 部分铵离子被阳极氧化亚硝酸根离子，在厌氧氨氧化微生物的作用下 ，与剩余的铵离子反应生成氮气，氮气从排放口排出，氨氮被去除; 在这个过程中，碳酸根离子为厌氧氨氧化微生物提供碳源，供微生物 生长，碳酸根离子被去除;
(4)外电流产生：有机废水从废水进水口流入阳极室，在产电微生物 作用下分解为二氧化碳和质子，并释放电子;产电微生物将电子传递 到阳极，电子从外电路E传递至阴极，完成外电流生产;外电流方向为 从阴极流向阳极;处理之后的清洁废水从废水排放口排出。
说明书
厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的方法及装置
技术领域
本发明涉及电渗析污水处理技术，具体涉及一种厌氧氨氧化微生物逆 向电渗析污水处理同时发电的方法及装置。
技术背景
随着经济的发展，人类对能源的需求量越来越大。能源的缺乏以及环 境污染已成为世界最关注的问题之一，严重地影响了人们的日常生活 。能否让当今社会日益增多的污染物转变为不断缺乏的能源呢?微生 物燃料电池(Microbial Fuel Cell，简称MFC)就是利用微生物将 有机物中的化学能直接转化为电能的装置，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。微生物燃料电池不仅能够 降解污水中的有机物还能同时发电，是一种很好的将污染转变为能源 的办法。
微生物逆向电渗析电池(Microbial Reverse Electrodialysis C ell,简称MRC)结合了微生物燃料电池和逆向电渗析(Reverse Elec trodialysis，简称RED)两种技术。该系统包含一个由几对膜组成的 RED堆，其位于MFC的阴极和阳极室之间，质子交换膜也位于MFC上。来 自于这两个系统的液流被分开，独立操作但一起提高能量密度：RED堆 会增加MFC的电流，与此同时，MFC电极之间的电压能使RED堆使用更少 的膜进行操作。该反应系统比传统MFC的发电量高出许多。但MRC系统 仍然存在一些不足：(1)有机物的去除率低，出水还要进行进一步处 理，这意味着污水中还有大量潜能未能利用，发电效率可进一步提高 ;(2)由于RED的工作液为碳酸氢铵溶液，大量的氨会在MFC阳极室累 积，抑制微生物的活性，严重抑制MFC产电性能，并会污染出水。
发明内容
为解决现有微生物燃料电池发电量少，废水COD去除率低等问题，本发 明提供了一种厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的方法 及装置。
本发明的技术方案如下：
一种厌氧氨氧化微生物逆向电渗析污水处理同时发电的装置，所述装 置包含逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块。
所述逆向电渗析模块由交替排列的阴、阳离子膜和隔板组成，隔板分 别放置在交替排列的阴阳离子膜之间形成浓水室和淡水室，所述逆向 电渗析模块的工作液为碳酸氢铵溶 液，分别在浓水室和淡水室分为浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液。 在逆向电渗析模块中，浓碳酸氢铵溶液中的阴阳离子在浓度差的推动 下迁移进入稀碳酸氢铵溶液，从而产生电流。
所述厌氧氨氧化室设置于逆向电渗析模块一侧，通过一层阴离子交换 膜隔开，其内放置厌氧氨氧化微生物，厌氧氨氧化微生物能将渗透入 厌氧氨氧化室的氨氧化为氮气。在厌氧氨氧化室中，碳酸铵根负离子 电离为铵离子和碳酸根离子，铵离子被部分氧化为亚硝酸根离子，在 厌氧氨氧化微生物的作用下，与氨离子反应产生氮气，使氨氮得以去 除，碳酸根离子为厌氧氨氧化微生物的生长提供碳源。
所述微生物燃料电池模块包括阳极室和阴极室，阳极室位于厌氧氨氧 化室一侧，是通过一层质子膜与厌氧氨氧化室隔开，阴极室位于逆向 电渗析模块的另一侧;所述阳极室中放置电极和产电微生物，电极与 阴极室内放置的电极通过外电路连接;所述产电微生物可以降解污水 中的有机污染物，同时将电子转移至电极，从而发电，并使电极具有 氧化能力;所述微生物燃料电池模块中产生的质子通过质子膜传递至 厌氧氨氧化室，平衡电荷。
所述厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块的阳极室之间通过电极串联 ，该电极将厌氧氨氧化室中的部分铵离子氧化为亚硝酸根离子。
本发明中，所述厌氧氨氧化室是为利用厌氧氨氧化微生物进行氨氮处 理的装置。逆向电渗析模块的部分碳酸铵根负离子经过阴离子交换膜 进入厌氧氨氧化室。碳酸铵根负离子在厌氧氨氧化室内电离为铵离子 和碳酸根离子。由微生物燃料电池模块阳极室串联至厌氧氨氧化室的 电极，将部分铵离子氧化为亚硝酸根离子。亚硝酸根离子与氨根离子 在厌氧氨氧化微生物的作用下反应生成氮气，使氨氮得以去除。碳酸 根离子为厌氧氨氧化微生物的生长提供碳源。
所述微生物燃料电池模块是利用产电微生物处理污水，同时获得电能 的装置，在厌氧环境下，阳极室的有机物在产电微生物作用下分解并 释放出电子和质子，电子传递至电极，并通过外电路传递到阴极室电 极形成电流，产生的质子通过质子膜传入厌氧氨氧化室。
本发明的优点如下：
(1)增加产电量。此装置结合了逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微 生物燃料电池模块，三者间发生了协同效应，大大增加了原本微生物 燃料电池的产电量。
(2)避免了氨氮离子对产电微生物的抑制作用，增加有机物去除率。 本装置中逆向电渗析模块和微生物燃料电池模块的阳极室是通过厌氧 氨氧化室隔开。逆向电渗析模块中 碳酸氢铵电离产生的碳酸铵根负离子不能进入微生物燃料电池模块， 避免了氨对产电微生物活性的抑制，从而提高了产电量和有机物的去 除率。
(3)去除有机物同时脱氮。在厌氧氨氧化室中，碳酸铵根负离子中的 碳酸根为厌氧氨氧化微生物提供碳源，氨氮在电极和厌氧氨氧化微生 物的共同作用下变为氮气，使氨氮得以去除。
本发明中逆向电渗析模块、厌氧氨氧化室和微生物燃料电池模块能够 实现优势互补，功能相互协调，不会产生氨氮累积，使得污水处理成 本低，发电量大。
