專(zhuān)利名稱(chēng)：溶液或廢水的處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一方面，本發(fā)明涉及處理廢水流的方法。另一方面，本發(fā)明涉及形成酸性溶液或堿性溶液的方法。
背景技術(shù)：
許多工業(yè)需要大量的苛性鈉和/或鹽酸用于其操作。代表性地，苛性鈉通過(guò)氯堿工藝制得，在該工藝中NaCl鹽水被電解。在這方面使用3種主要的方法水銀電解槽工藝(也稱(chēng)為Castner-Kellner工藝)、隔膜電解槽工藝和膜電池工藝。后者采用納菲昂 (Nafion)陽(yáng)離子交換膜來(lái)分隔陰極和陽(yáng)極反應(yīng)。只有鈉離子和一些水通過(guò)所采用的膜。鹽酸在工業(yè)上通過(guò)兩種方法制得。第一，在氯堿工藝過(guò)程中其在陽(yáng)極處形成，在陽(yáng)極處氯化物轉(zhuǎn)化為氯氣，氯氣與氫氣重新結(jié)合為HCl :C12+H2 —2HC1。作為在制備例如聚四氟乙烯(Teflon)和PVC過(guò)程中的副產(chǎn)品，鹽酸也可通過(guò)有機(jī)地合成。苛性鈉和鹽酸都廣泛用于工業(yè)中，經(jīng)常用于調(diào)節(jié)廢物流的pH。例如，紙和紙漿工業(yè)采用大量的鹽酸來(lái)防止鈣結(jié)垢，而苛性鈉也被用于移除專(zhuān)用反應(yīng)器中的鈣。生物電化學(xué)系統(tǒng)例如微生物燃料電池和微生物電解池，通常被認(rèn)為是從廢水中存在的有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生能量的有希望的未來(lái)技術(shù)。工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活廢水代表性地包含溶解的有機(jī)物，其需要在排放至環(huán)境前被移除。代表性地，這些有機(jī)污染物通過(guò)需氧處理而得到移除，這可采用大量的用于充氣的電能。最近，生物電化學(xué)廢水處理作為從廢水產(chǎn)生能量的可能引起關(guān)注的技術(shù)而涌現(xiàn)。 生物電化學(xué)廢水處理基于電化學(xué)活性微生物的使用，當(dāng)它們氧化(并因此移除)廢水中的有機(jī)物質(zhì)時(shí)，這種處理將電子傳輸?shù)诫姌O(陽(yáng)極)。可通過(guò)將微生物的微生物陽(yáng)極與進(jìn)行還原反應(yīng)的對(duì)電極(陰極)電連接來(lái)完成生物電化學(xué)的廢水處理。由于在陽(yáng)極和陰極之間的這種電連接，可發(fā)生電極反應(yīng)并且電子可從陽(yáng)極流向陰極。生物電化學(xué)系統(tǒng)可作為燃料電池(在這種情況下產(chǎn)生電能)或作為電解槽(在這種情況，向生物電化學(xué)系統(tǒng)供應(yīng)電能) 來(lái)操作(Rozendal,R. Α. ,H. V. Μ. Hamelers,K. Rabaey, J. Keller,and C. J. N. Buisman. 2008. Towards practical implementation of bioelectrochemicalwastewater treatment. Trends in Biotechnology 26 :450-459)。生物電化學(xué)系統(tǒng)中的陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子或消耗氫氧離子，這可酸化圍繞陽(yáng)極的生物膜并且負(fù)面地影響生物電化學(xué)系統(tǒng)的性能。已經(jīng)建議，向電解質(zhì)中添加緩沖劑或增加在生物電化學(xué)系統(tǒng)中使用的電解質(zhì)的緩沖強(qiáng)度可導(dǎo)致從生物電化學(xué)系統(tǒng)獲得的電流密度的顯著增長(zhǎng)(Liuet al Environmental Science and Technology 2008)。相應(yīng)地,傳統(tǒng)的知識(shí)試圖避免在生物電化學(xué)系統(tǒng)陽(yáng)極室中的電解質(zhì)的酸化。在一項(xiàng)研究中于反滲透濃縮物的背景下提到了由于酸化/堿化作用在陽(yáng)極和/或陰極處可能的抑菌效果(Clauwaert and coworkers, AppliedMicrobiology and Biotechnology 2008)0在國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)W02008109962中提出了這個(gè)問(wèn)題的一種可能的解決方法，其全文通過(guò)交叉引用在此處并入本文。在這篇國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)中，描述了一種微生物燃料電池，其中向陽(yáng)極室供給廢水，并且隨后將廢水從陽(yáng)極室輸送到陰極室。由于可在陽(yáng)極室中已經(jīng)形成的任何酸度都被陰極室中的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)所破壞，溶液的酸化得以避免。在國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng) W02008109962中描述的裝置和方法提供了一種非常合適的通過(guò)在生物電化學(xué)系統(tǒng)中處理廢水流而產(chǎn)生電能的裝置和方法。另一種普遍的解決方法是省略分隔陽(yáng)極和陰極的膜(Liu，H.，andB. E. Logan. 2004, "Electricity generation using an air-cathodesingIe chamber microbial fuel cell in the presence and absenceof a proton exchange membrane", Environmental Science &Technology 38:4040-4046)。這改進(jìn)了流體之間的混合并導(dǎo)致了在陽(yáng)極和陰極之間減少的PH差別。該系統(tǒng)通常遭受從陽(yáng)極到陰極的燃料透過(guò)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一些實(shí)施方案的目的是提供處理廢水流的方法，以產(chǎn)生具有減少的有機(jī)物含量和其它所需的性質(zhì)例如減少的鹽含量或溶液中溶解的離子下降的沉淀趨勢(shì)的廢水流。本發(fā)明的一些實(shí)施方案的目的是提供通過(guò)還原方法來(lái)微生物制備化學(xué)物和/或生物化學(xué)物的方法。本發(fā)明的其它實(shí)施方案的目的是提供形成酸性溶液或堿性溶液的方法。第一方面，本發(fā)明提供了處理包含有機(jī)物質(zhì)或無(wú)機(jī)物的廢水流的方法，其包含將廢水流通向生物電化學(xué)系統(tǒng)的陽(yáng)極或陰極，所述生物電化學(xué)系統(tǒng)具有在陽(yáng)極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極，或者在陰極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陰極，或者在陽(yáng)極和陰極處均通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極和陰極，從而改變廢水流的pH使得a)降低通向陽(yáng)極的流的pH以最小化或抑制溶解的陽(yáng)離子的沉淀；或b)提高通向陰極的流的pH以產(chǎn)生堿性流；或c)降低通向陽(yáng)極的流的pH以產(chǎn)生含酸的廢水流。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，在本發(fā)明中所使用的生物電化學(xué)系統(tǒng)將包括與陽(yáng)極或與陰極相關(guān)的電化學(xué)活性的微生物。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，生物電化學(xué)系統(tǒng)包含通過(guò)離子滲透膜分隔的陽(yáng)極室和陰極室。適合用于本發(fā)明的離子滲透膜包括任何可用于生物電化學(xué)系統(tǒng)的離子滲透膜(Kim etal.，Environ. Sci. Technol. ,2007,41,1004-1009 ； Rozendal et al. , Water Sci. Technol. , 2008, 57,1757-1762) 這樣的離子滲透膜可包括離子交換膜，例如陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜。多孔膜例如微孔過(guò)濾膜、超濾膜和納米過(guò)濾膜也可用于在本發(fā)明中使用的生物電化學(xué)系統(tǒng)中。離子滲透膜促進(jìn)了帶正和/或負(fù)電荷的離子通過(guò)膜的輸送，這補(bǔ)償了帶負(fù)電荷的電子從陽(yáng)極到陰極的流動(dòng)，并且因而維持了系統(tǒng)的電中性。也可使用滲透蒸發(fā)膜和用于膜蒸餾的膜。陽(yáng)極和陰極通過(guò)電路彼此連接。在一個(gè)實(shí)施方案中，電路可包含具有非常低電阻的導(dǎo)體使得在一些情況下導(dǎo)體在陽(yáng)極和陰極之間起到電短路的作用。在另一個(gè)實(shí)施方案中，電源可包含于電路中。該電源可用于向系統(tǒng)施加電壓，這增加了電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的速率。在陽(yáng)極和陰極之間用電源施加的電壓可為0-10V，優(yōu)選0-2V，更優(yōu)選0-1.0V。這可導(dǎo)致生物電化學(xué)單元的0-10，ΟΟΟΑ/m3的生物電化學(xué)單元中的體積電流密度，優(yōu)選10-5，000A/m3 的生物電化學(xué)單元，更優(yōu)選100-2500A/m3的生物電化學(xué)單元，和/或0_1，ΟΟΟΑ/m2膜表面積的面積比電流密度，優(yōu)選l-100A/m2膜表面積，更優(yōu)選2-25A/m2膜表面積。在本發(fā)明的不同實(shí)施方案中，可向該生物電化學(xué)系統(tǒng)供給以下的流或溶液i)可向陽(yáng)極室供給廢水流，并向陰極室供給廢水流。這將導(dǎo)致在陽(yáng)極室中酸化的廢水流和陰極室中增加堿度的廢水流的形成。向陰極室供給的廢水流可不同于向陽(yáng)極室供給的廢水流。作為替代，可將單一的廢水流分流，將一部分供給于陽(yáng)極室并將一部分供給于陰極室。在這個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極和陰極都可通過(guò)電化學(xué)活性的微生物得到生物催化。ii)可向陽(yáng)極室供給廢水流，并向陰極室供給水或含水的流。向陰極室供給的含水的流可包含陽(yáng)離子例如鈉、鉀、鎂或鈣陽(yáng)離子。在這個(gè)實(shí)施方案中，離開(kāi)陰極室的產(chǎn)物流可包含具有高PH的堿性流。在這個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極可通過(guò)電化學(xué)活性的微生物得到生物催化。陰極可包括常規(guī)的陰極。iii)可向陰極室供給廢水流，并向陽(yáng)極室供給水或含水的流。向陽(yáng)極室供給的含水的流可包含陰離子例如氯離子、硝酸根離子、磷酸根離子、碳酸根離子或乙酸根離子。在這個(gè)實(shí)施方案中，離開(kāi)陽(yáng)極室的產(chǎn)物流可包含具有低PH的酸化流。在這個(gè)實(shí)施方案中，陰極可通過(guò)電化學(xué)活性的微生物得到生物催化。陽(yáng)極可包括常規(guī)的陽(yáng)極。iv)可向陽(yáng)極和陰極均供給水或水溶液。在本發(fā)明的第一方面的一個(gè)實(shí)施方案中，將廢水流通入生物電化學(xué)系統(tǒng)的陽(yáng)極。 這將導(dǎo)致廢水流中有機(jī)物質(zhì)的氧化，其起到減少?gòu)U水流中有機(jī)物的數(shù)量或濃度的作用。也形成了質(zhì)子(H+離子)，并且這些質(zhì)子導(dǎo)致廢水流pH的降低。合適地，操作該實(shí)施方案使得該廢水流的PH降低到陽(yáng)離子(特別是鈣離子或鎂離子或鳥(niǎo)糞石離子)的沉淀或沉淀反應(yīng)得到最小化或抑制的水平。將會(huì)理解，許多廢水流包含溶解的陽(yáng)離子，并且如果廢水流的PH 提高，這些溶解的陽(yáng)離子傾向于沉淀，因?yàn)槿绻鸓H增加到超過(guò)閥值，許多陽(yáng)離子形成碳酸鹽和/或氫氧化物沉淀。該值在一定程度上取決于液體溶液的組成。通常，如果溶液的PH 增加到超過(guò)6. 5，可能形成碳酸鹽和/或氫氧化物沉淀，特別是碳酸鈣。在其它情況中，如果 PH增加到超過(guò)閥值時(shí)，可發(fā)生沉淀反應(yīng)從而促使更復(fù)雜的沉淀物例如鳥(niǎo)糞石的沉淀。沉淀， 例如來(lái)自廢水流的碳酸鹽和/或氫氧化物的沉淀，可導(dǎo)致在工藝管道和容器上大量污垢的形成。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，污垢的形成可導(dǎo)致在工藝容器和工藝上的許多不利結(jié)果， 包括需要完全關(guān)閉工藝容器來(lái)移除污垢。事實(shí)上，在工藝容器中污垢可能積累到充分高的程度使得工藝容器不可操作。這可具有極嚴(yán)重的后果。例如，如果在水處理工藝中使用工藝容器并且那個(gè)工藝容器必須脫機(jī)，那么有效地排放未處理的廢水可變得必要。這可具有不利的環(huán)境后果，使設(shè)備的操作者冒著違背其操作許可的風(fēng)險(xiǎn)，并也導(dǎo)致了設(shè)備的操作者不得不為處置廢水流而花費(fèi)增多的處置成本。在一個(gè)實(shí)施方案中，處理廢水流使得pH降低至7以下。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方案中，可向生物電化學(xué)系統(tǒng)的陰極提供單獨(dú)的廢水流。作為替代，可向陰極提供不同的流。例如，可向陰極提供相對(duì)清潔的水，或者可向陰極提供鹽溶液、反滲透濃縮物或鹽水。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，其中在陽(yáng)極處的電化學(xué)活性的微生物的活性導(dǎo)致向陽(yáng)極供給的廢水流的酸化，PH不太可能降低到低于約5-5. 5，因?yàn)槿绻鹥H降低到那種水平，微生物活性終止。在另一個(gè)實(shí)施方案中，操作本發(fā)明的方法使得通入陰極的流的pH增加從而制得堿性流?？蓮年帢O回收該堿性流并隨后用于其它用途。該實(shí)施方案對(duì)應(yīng)上面的(b)。在本發(fā)明的這個(gè)方面的一個(gè)實(shí)施方案中，陰極通過(guò)電化學(xué)活性的微生物得到生物催化，并且在陰極處電化學(xué)活性的微生物的生物活性導(dǎo)致向陰極供給的流的PH的提高。在這樣的實(shí)施方案中，向陰極供給的流的PH不太可能增加到超過(guò)8-8. 5，這是因?yàn)槿绻鹥H超過(guò)那種水平，微生物的生物活性可能會(huì)終止。這個(gè)特別的實(shí)施方案對(duì)于產(chǎn)生離開(kāi)陰極的堿性流出物是有用的，在該堿性流出物中PH得到調(diào)節(jié)從而獲得所需的下游處理性質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施方案中，在陰極處產(chǎn)生的堿性流可包含苛性鈉(NaOH)或氫氧化鉀 (KOH)，或者事實(shí)上任何其它包含可用于其它用途的溶液的氫氧化物。期望地，在陰極處產(chǎn)生的堿性流包含溶解的氫氧化物鹽。這可通過(guò)提供具有分隔陽(yáng)極和陰極的離子滲透膜的生物電化學(xué)系統(tǒng)而完成，該離子滲透膜選擇性地允許陽(yáng)離子通過(guò)其間。在一些實(shí)施方案中，離子滲透膜可允許陽(yáng)離子通過(guò)其間但是限制其間陰離子的流動(dòng)。這樣，僅有一部分電荷平衡通過(guò)質(zhì)子得到恢復(fù)，因而確保了在陰極處液體的PH提高。這樣的陽(yáng)離子交換膜對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的，其包括膜例如CMI-7000 (Membra neslnternational), Neosepta CMX(ASTOM Corporation),f UmaSep FKB (Fumatech)禾口 Nafion(DuPont)。在一些實(shí)施方案中，離子選擇性膜可包含選擇性地允許單價(jià)陽(yáng)離子通過(guò)其間的陽(yáng)離子選擇性膜。在這種實(shí)施方案中，存在于陰極溶液中的氫氧化物鹽可能為包含單價(jià)陽(yáng)離子的氫氧化物鹽。例子可包括氫氧化鈉和氫氧化鉀。由于在該實(shí)施方案中，二價(jià)陽(yáng)離子向膜的通過(guò)受到限制，因此在生物電化學(xué)系統(tǒng)中的陰極側(cè)上沉淀例如碳酸鈣的可能性也可得到降低。在一個(gè)特別的實(shí)施方案中，將廢水流通向陽(yáng)極并將含水的流或水通向陰極。廢水流可包含溶解的鈉和/或鉀和/或其它陽(yáng)離子，這些陽(yáng)離子通過(guò)在陽(yáng)極和陰極之間的離子選擇性膜從而在生物電化學(xué)系統(tǒng)陰極側(cè)上的水溶液中形成氫氧化鈉和/或氫氧化鉀。在另一個(gè)實(shí)施方案中，通向陰極的含水的流可包含溶解的陽(yáng)離子，例如鈉、鉀、鈣和鎂。例如，通向陰極的含水的流可包含鹽溶液或鹽水或海水。在這種實(shí)施方案中，可操作該方法使得離開(kāi)陰極的堿性流的pH超過(guò)10，更優(yōu)選大和12，甚至更優(yōu)選大于13。可回收堿性流用于其它用途的用于儲(chǔ)存或用于輸送。例如，堿性流可用于在食品加工行業(yè)或在飲料或裝瓶行業(yè)中使用的容器或管道或工藝器具的清洗。 本發(fā)明的使用的一個(gè)例子是制備用于在啤酒裝瓶工廠(chǎng)或釀酒廠(chǎng)中清洗發(fā)酵槽的堿性流。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，操作該方法使得通向陽(yáng)極的流的pH降低從而產(chǎn)生含酸的流。該實(shí)施方案對(duì)應(yīng)上述的(c)。合適地，降低pH到低于4，更優(yōu)選到低于2，甚至更優(yōu)選到低于1。適于回收含酸的流用于儲(chǔ)存或者用于其它用途。在該實(shí)施方案中，向陽(yáng)極供給的流可以是水或含水的流，例如包含溶解的鹽的溶液、鹽水、反滲透濃縮物或海水。在該實(shí)施方案中向陽(yáng)極供給的水或水溶液可包含陰離子， 例如氯離子、硝酸根離子、磷酸根離子、碳酸根離子、乙酸根離子或者其中兩種或更多種的混合物。在其中于陽(yáng)極室內(nèi)形成低pH的酸性流的本發(fā)明實(shí)施方案中，生物電化學(xué)系統(tǒng)可包含對(duì)陰離子選擇性地滲透的膜。這樣的陰離子交換膜對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的，并包括膜例如 AMI-7001 (MembranesInternational)、Neos印ta AMX (ASTOM Corporation)禾口 fumasep FAA (fumatech)。第二方面，本發(fā)明提供了形成酸性溶液或堿性溶液的方法，其包括步驟提供具有陽(yáng)極和陰極的生物電化學(xué)系統(tǒng)，所述生物電化學(xué)系統(tǒng)具有在陽(yáng)極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極，或者在陰極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陰極，或者在陽(yáng)極和陰極處均通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極和陰極，向陽(yáng)極供給含水的流，向陰極供給含水的流，在陽(yáng)極處產(chǎn)生酸性溶液或在陰極處產(chǎn)生堿性溶液，并且回收酸性溶液或堿性溶液?？蓪⒒厥盏乃嵝匀芤夯驂A性溶液送至儲(chǔ)存。作為替代，可將回收的酸性溶液或堿性溶液輸送至用于另一過(guò)程。可將酸性溶液或堿性溶液從生物電化學(xué)系統(tǒng)直接輸送至另一過(guò)程而沒(méi)有中間儲(chǔ)存。作為替代，可將酸性溶液或堿性溶液在用于其它用途之前輸送至儲(chǔ)存。在一個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)入陽(yáng)極的含水的流是來(lái)自紙工廠(chǎng)或紙回收工廠(chǎng)或紙和紙漿工廠(chǎng)的包含鈣離子的廢水。在陽(yáng)極處酸化廢水。在陰極處產(chǎn)生堿性溶液?？蓪⒃搲A性溶液添加到廢水中來(lái)沉淀鈣離子。在上述方法的一個(gè)實(shí)施方案中，廢水已通過(guò)厭氧消化器(digester)。厭氧消化器的流出物通過(guò)陽(yáng)極。在陰極處產(chǎn)生堿性流。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，來(lái)自厭氧消化器的廢水通過(guò)反應(yīng)器容器，在其中鈣離子得到沉淀。反應(yīng)器容器的流出物去往陽(yáng)極，在陽(yáng)極處廢水得到酸化。部分或全部的陽(yáng)極的流出物直接地或間接地返回厭氧消化器。在陰極處產(chǎn)生被輸送至反應(yīng)器容器的堿性流， 在反應(yīng)器容器中鈣離子得到沉淀。在另一個(gè)實(shí)施方案中，由于氧或氫氧離子的還原，陰極的流體變成堿性的而同時(shí)在陰極處產(chǎn)生氫氧化物?？蓪⒃摦a(chǎn)品輸送用于別處。在另一個(gè)實(shí)施方案中，采用來(lái)自釀造或釀酒容器清洗工藝的廢水作為用于陽(yáng)極室的流入物，而在陰極處產(chǎn)生堿性溶液?？蓪㈥?yáng)極的流出物送至厭氧消化器。在該實(shí)施方案的變體中，可將反滲透濃縮物、鹽溶液或鹽水用作用于陰極室的流體或?qū)⑵涮砑又陵?yáng)極的流入物來(lái)提供陽(yáng)離子。在本發(fā)明的全部方面，優(yōu)選不將離開(kāi)陽(yáng)極的電解質(zhì)流送至陰極(并且反之亦然)。 例外的是如下情形在陽(yáng)極和陰極之間放置僅允許小于1毫米優(yōu)選小于0. Imm甚至更優(yōu)選小于1微米的細(xì)粒通過(guò)的膜，允許部分或全部的流體通過(guò)膜從陽(yáng)極到陰極的流動(dòng)(并且反之亦然)。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，通過(guò)允許離子輸送的膜分隔陽(yáng)極和陰極，該膜優(yōu)選陽(yáng)離子或陰離子交換膜、單價(jià)陽(yáng)離子或陰離子交換膜或者任何允許離子通過(guò)的分隔體。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，陰極材料可選自碳基材料、石墨、碳纖維、不銹鋼、 鋼、鐵或任何允許存在于向陰極供給的流體中氧、水或化合物還原的材料。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，陽(yáng)極材料可選自碳基材料、石墨、碳纖維、不銹鋼、或任何允許存在于向陽(yáng)極供給的流體中的水、有機(jī)物質(zhì)(有或無(wú)微生物存在)、氯化物或化合物氧化的材料。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，通過(guò)陽(yáng)極和/或陰極的流體流動(dòng)可與膜垂直。這可通過(guò)例如將流體輸送通過(guò)膜或通過(guò)在膜和陽(yáng)極的和/或陰極電極之間引入空間或間隔體來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的間隔體對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，向陽(yáng)極供給的流體可包含發(fā)酵液或包含脂肪酸和/ 或醇的液體，例如乙酸、丙酸、丁酸、甲醇、乙醇和其它本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的?？蓪㈥?yáng)極的酸化流出物送至汽提塔或膜交換單元，或者可通過(guò)流體輸送氣體流從而回收脂肪酸和/ 或醇。作為替代，脂肪酸和/或醇通過(guò)膜從陽(yáng)極到陰極，并且在堿性陰極溶液中溶解。在一些實(shí)施方案中，膜將是滲透蒸發(fā)膜。在上述的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，在陰極流體中脂肪酸和/或醇的濃度高于1克每升，更優(yōu)選高于5克每升，最優(yōu)選高于50克每升。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，可獲得0-10，ΟΟΟΑ/m3生物電化學(xué)系統(tǒng)的生物電化學(xué)單元中的體積電流密度，優(yōu)選10-5，ΟΟΟΑ/m3，更優(yōu)選100_2500A/m3，和/或0_1，ΟΟΟΑ/m2膜表面積的面積比電流密度，優(yōu)選l-100A/m2的膜表面積，更優(yōu)選2-25A/m2的膜表面積。在0-10千瓦每立方米的生物電化學(xué)系統(tǒng)的功率密度下，可從生物電化學(xué)系統(tǒng)獲得電能或向生物電化學(xué)系統(tǒng)提供電能。在另一個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)入陰極的流體可以是酸性礦物排水或包含溶解的金屬的酸性溶液。通過(guò)電子受主例如水、氧、硫酸鹽和其它存在于酸性溶液中的物質(zhì)或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的物質(zhì)的進(jìn)行電化學(xué)或生物電化學(xué)的還原，陰極流體可提高PH。在上述一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，陰極的PH提高到金屬離子從流體中沉淀的水平。 例子是金屬硫化物或金屬氫氧化物。金屬離子可在陰極流體已離開(kāi)陰極室之后沉淀，例如沉淀可發(fā)生于沉淀容器中。在上述另一個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極流是包含有機(jī)物質(zhì)的流體或者包含電子施主(例如水或硫化物和其它本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的)的流體。在上述另一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)太陽(yáng)電池板或通過(guò)產(chǎn)生電能的另外的裝置來(lái)傳遞或增強(qiáng)陰極的還原能力。在另一個(gè)實(shí)施方案中陽(yáng)極沒(méi)有入口，而是浸入包含電子施主的流體中。陽(yáng)極可以至少部分圍繞容納陰極的膜。類(lèi)似地，在一些實(shí)施方案中，陰極沒(méi)有入口，而是浸入包含電子受主的流體中。陰極可以至少部分圍繞容納陽(yáng)極的膜。在又一個(gè)方面，本發(fā)明提供了處理包含有機(jī)物質(zhì)和/或無(wú)機(jī)物質(zhì)的廢水流的方法，其包括將廢水流通向生物電化學(xué)系統(tǒng)的陽(yáng)極或陰極，所述生物電化學(xué)系統(tǒng)具有在陽(yáng)極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極，或者在陰極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陰極，或者在陽(yáng)極和陰極處均通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極和陰極，從而a)降低通向陽(yáng)極的流的pH以最小化或抑制溶解的陽(yáng)離子的沉淀；或b)提高通向陰極的流的pH以產(chǎn)生堿性流；或c)降低通向陽(yáng)極的流的pH以產(chǎn)生含酸的流。在又一個(gè)方面，本發(fā)明提供了產(chǎn)生堿性含水的流的方法，其包括步驟-提供生物電化學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含具有生物催化的陽(yáng)極的陽(yáng)極室和具有陰極的陰極室，通過(guò)離子滲透膜分隔陽(yáng)極室和陰極室，陽(yáng)極和陰極彼此電連接；
-向陽(yáng)極室供給廢水流使得廢水流中的有機(jī)物質(zhì)和/或無(wú)機(jī)物質(zhì)得到氧化；-向陰極室供給含水的流，-其中離子滲透膜允許陽(yáng)離子通過(guò)其間但是限制陰離子流過(guò)其間，并且其中在陰極室產(chǎn)生堿性流，以及-從陰極室移除堿性含水的流。


圖1顯示了適合用于本發(fā)明的生物電化學(xué)單元的通用布置的工藝流程圖；圖2顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的工藝流程圖，其中可發(fā)生部分流體通過(guò)膜的流動(dòng)；圖3顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案結(jié)合入紙漿和紙加工設(shè)備的工藝流程圖；圖4顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的工藝流程圖，其中生物電化學(xué)系統(tǒng)與厭氧消化器和沉淀容器結(jié)合；圖5顯示了用于實(shí)驗(yàn)室作業(yè)(rim) 1的電流與時(shí)間的關(guān)系圖；圖6顯示了用于實(shí)驗(yàn)室作業(yè)2的電流與時(shí)間的關(guān)系圖；以及圖7顯示了用于釀酒廠(chǎng)作業(yè)的電流與時(shí)間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式將會(huì)理解，提供附圖用于說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的目的。因此，將會(huì)理解本發(fā)明不應(yīng)該被認(rèn)為限制于附圖中所顯示的特征。每一幅附圖都具有許多共同的特征，為方便起見(jiàn)，將采用類(lèi)似的附圖標(biāo)記描述每一幅附圖中類(lèi)似的特征。轉(zhuǎn)向圖1，其顯示了適合用于本發(fā)明的生物電化學(xué)單元的通用布置的工藝流程圖， 可以看出圖1顯示的裝置包含位于陰極室中的陰極4和位于陽(yáng)極室中的陽(yáng)極5?？蓾B透離子的膜6，位于陰極室和陽(yáng)極室之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)知道，陽(yáng)極5和陰極4彼此電連接。陰極室包含流體入口 1和流體出口 9。陽(yáng)極室包含流體入口 7和流體出口 8。在圖2中顯示的實(shí)施方案通常類(lèi)似于在圖1中顯示的實(shí)施方案，但不同的是允許部分流體流動(dòng)通過(guò)膜6。因此，可不具有陽(yáng)極室的流體入口。在顯示在圖1和2中的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，向陰極入口 1供給廢水流。在這個(gè)實(shí)施方案中，陰極4是生物催化的陰極。陰極可以是例如碳或石墨陰極。可向陽(yáng)極入口 7供給水或含水的流。在這個(gè)實(shí)施方案中，從陽(yáng)極室移除酸化流8。該酸化流可具有小于 1 的 pH。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，向陽(yáng)極入口 7供給廢水流，并向陰極入口 1供給水或含水的流。在這個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極5包含生物催化的陽(yáng)極。從陽(yáng)極出口 8移除酸化的廢水流，并從陰極出口 9移除苛性(caustic)流?？苫厥赵摽列粤饔糜陔S后的利用或儲(chǔ)存。 該苛性流可具有大于13的pH。圖3顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案在紙漿和紙?zhí)幚碓O(shè)備中實(shí)施的工藝流程圖。在圖3中，向厭氧消化器2供給廢水流1。廢水流1是來(lái)自紙漿和紙工廠(chǎng)的廢水流，其包含大量溶解的有機(jī)物質(zhì)。在厭氧消化之后，向結(jié)晶反應(yīng)器3供給處理過(guò)的廢水流，在其中由于增加的pH，碳酸鈣和/或其它的陽(yáng)離子鹽和氫氧化物得到沉淀。采用來(lái)自陰極4的堿性溶液，pH得到提高。然后向類(lèi)似于顯示在圖1中的生物電化學(xué)裝置的陽(yáng)極室供給離開(kāi)結(jié)晶器3的廢水流。陽(yáng)極是生物催化的陽(yáng)極。這導(dǎo)致廢水流中任何殘留的無(wú)機(jī)/有機(jī)物質(zhì)進(jìn)一步分解。與此同時(shí)，向裝有陰極4的陰極室供給水或含水的流10。這導(dǎo)致強(qiáng)苛性流11的產(chǎn)生，并且可將該苛性流作為進(jìn)料用于紙漿工藝，或者如上所述，通過(guò)管路12向沉淀容器3供給該苛性流從而引起沉淀容器中的沉淀。通過(guò)管路14可將離開(kāi)陽(yáng)極室的處理過(guò)的廢水流返回至厭氧消化器2。作為替代， 可將其送至廢物。由于離開(kāi)陽(yáng)極室的廢水流包含比離開(kāi)結(jié)晶器3的廢水流更低水平的污染物，離開(kāi)陽(yáng)極室的廢水流的處置成本應(yīng)該更低。作為進(jìn)一步的益處，從陽(yáng)極室到厭氧消化器 2回收的廢水流為一定程度酸化的，因而減小了在厭氧消化器中發(fā)生不需要的沉淀的可能性。圖4顯示了本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案的工藝流程圖。在圖4中，向生物電化學(xué)系統(tǒng)32的陽(yáng)極室31供給廢水流30。陽(yáng)極室31包含生物催化的陽(yáng)極33。生物電化學(xué)系統(tǒng)32還包含容納陰極35的陰極室34。向陰極室34供給含水的流 36。離子滲透膜36將陽(yáng)極室31與陰極室34分隔。通過(guò)示意性地顯示的電路37將陽(yáng)極33 和陰極；34電連接至一起。在陽(yáng)極室31中，通過(guò)微生物來(lái)氧化廢水有機(jī)物或無(wú)機(jī)物。這產(chǎn)生質(zhì)子，并且陽(yáng)極室31中的廢水的pH因此降低。來(lái)自廢水的陽(yáng)離子，例如鈉離子或鉀離子，通過(guò)離子滲透膜 36并進(jìn)入陰極室34中。陰極反應(yīng)消耗了質(zhì)子，并且因此在陰極室34中水溶液的氫氧離子含量增加。這結(jié)合鈉和/或鉀離子通過(guò)滲透膜36的輸送導(dǎo)致了在陰極室34中形成包含氫氧化鈉和/或氫氧化鉀的堿性流(以及在所有的可能性中的其它氫氧化物)。陽(yáng)極流出物通過(guò)流38離開(kāi)陽(yáng)極室31。將陽(yáng)極流出物通向厭氧消化器39進(jìn)行進(jìn)一步處理。由于正在離開(kāi)陽(yáng)極室的廢水流的PH通過(guò)在陽(yáng)極室中發(fā)生的反應(yīng)已經(jīng)得到減少，因此在厭氧消化器中鈣化合物和其它化合物的沉淀得到抑制或最小化(應(yīng)理解，鈣化合物傾向于在提高的PH下沉淀)。因此，利用陽(yáng)極流出物作為厭氧消化器39的進(jìn)料流抑制或最小化了在厭氧消化器39中可能發(fā)生的污垢的數(shù)量。離開(kāi)厭氧消化器39的處理過(guò)的廢水通過(guò)流40進(jìn)入沉淀容器41中。通過(guò)流42從陰極室移除在陰極室34中產(chǎn)生的堿性流。在又一個(gè)實(shí)施方案中，可向沉淀容器41提供該堿性流，并且這造成通過(guò)管路40向容器41供給的處理過(guò)廢水的pH提高。結(jié)果，鈣化合物和其它化合物在沉淀容器41中沉淀。如果沉淀容器沒(méi)有固體分離，可通過(guò)流43從沉淀容器41移除沉淀固體和液體的混合物，并且將其通向固體/液體分離器44。將包含固體的流 45送至廢物處置或送至固體回收。將液體流46送至液體處置或送至液體回收。如圖4所示，可回收離開(kāi)陽(yáng)極室31的流出物或通過(guò)再循環(huán)管路50將其再循環(huán)回到陽(yáng)極室31。類(lèi)似地，還通過(guò)流42可回收離開(kāi)陰極室34的堿性流或通過(guò)再循環(huán)管路51將其再循環(huán)回到陰極室34。將會(huì)理解，可通過(guò)調(diào)整流過(guò)再循環(huán)管路50的材料的再循環(huán)速率來(lái)調(diào)整陽(yáng)極流出物的pH。類(lèi)似地，可通過(guò)調(diào)整流過(guò)再循環(huán)管路51的物質(zhì)的再循環(huán)速率來(lái)調(diào)整離開(kāi)陰極室34的堿性流的pH。例如，為了增加陰極流出物的pH，可增加通過(guò)再循環(huán)管路 51的物質(zhì)再循環(huán)的數(shù)量。盡管沒(méi)有顯示在圖1-3中，在這些圖中顯示的生物電化學(xué)系統(tǒng)也可為陽(yáng)極室、陰極室或兩者都提供有再循環(huán)管路。實(shí)施例在過(guò)去數(shù)年內(nèi)，微生物燃料電池(MFC)已經(jīng)引起了相當(dāng)大的興趣。簡(jiǎn)言之，MFC采用全部的微生物作為用于陽(yáng)極處的(無(wú)機(jī))有機(jī)電子施主的氧化的生物催化劑。經(jīng)氧化獲得的電子從陽(yáng)極輸送至陰極，后者具有較高的電勢(shì)。隨著電子從低電勢(shì)向高電勢(shì)流動(dòng)， 產(chǎn)生了能量輸出。MFC如今一般被稱(chēng)為生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)。BES所面對(duì)的一個(gè)特別復(fù)雜的問(wèn)題是由廢水或向陽(yáng)極供給的其它進(jìn)料中陽(yáng)離子例如鈉和鉀的存在造成的。由于這些陽(yáng)離子的濃度通常比質(zhì)子濃度高得多，在很大程度上通常將它們輸送通過(guò)BES的陽(yáng)離子交換膜從而恢復(fù)陽(yáng)極和陰極之間的電荷平衡。結(jié)果，由于在陽(yáng)極反應(yīng)中質(zhì)子的產(chǎn)生，陽(yáng)極傾向于酸化，而由于在陰極反應(yīng)中質(zhì)子的消耗，陰極趨于變得堿性更強(qiáng)。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了不同的方法來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題° Liu 等人(Liu, H. ；Logan, B. Ε. , Electricity generation using an air-cathode singlechamber microbial fuel cell in the presence and absence of aproton exchange membrane. Environmental Science & Technology2004，38， (14), 4040-4046)總體上省略了膜，因而降低了系統(tǒng)的歐姆電阻和積累的pH梯度。然而，這樣的方法可造成陽(yáng)極燃料或陰極氧的透過(guò)，從而造成庫(kù)侖效率的降低。Torres等人(Torres， C. I. ；Lee, H. S. ；Rittmann, B.E.，Carbonate Species as OH-Carriers forDecreasing the pH Gradient between Cathode and Anode inBiological Fuel Cells. Environmental Science & Technology 2008,42, (23)，8773-8777)向 BES 的陰極提供碳酸鹽，其和陽(yáng)極與陰極之間的陰離子交換膜結(jié)合，允許陽(yáng)極PH更好的平衡。Freguia及其合作者的第三禾中方法(Freguia, S. ；Rabaey, K. ；Yuan, Ζ. G. ；Keller, J. , Sequential anode-cathode configuration improves cathodicoxygen reduction and effluent quality of microbial fuel cells. Water Research 2008,42, (6-7), 1387-1396)涉及將陽(yáng)極流出物引入陰極并且反之亦然，導(dǎo)致了再利用堿度-和鹽。雖然對(duì)于MFC和從BES移除氮有吸引力，但是由于有機(jī)物的透過(guò)、氧消耗和最終產(chǎn)品的污染，這樣的方法可阻礙在陰極處有價(jià)值的化學(xué)物的形成。不是挑戰(zhàn)(battling)陰極pH的增加，作為一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的實(shí)施方案中收獲苛性溶液。事實(shí)上，陰極反應(yīng)中質(zhì)子的消耗與輸送到陰極的鈉和/或鉀結(jié)合產(chǎn)生了苛性溶液， 其包含鈉、鉀和其它氫氧化物。當(dāng)引入少的清潔水流作為陰極流入物時(shí)，可收獲苛性溶液。 苛性鈉是一種在地球上最廣泛使用的化學(xué)物。紙漿工業(yè)是使用苛性鈉的最大的工業(yè)部門(mén)之一，其在制漿和漂白階段需要這種化學(xué)物。其它的工業(yè)例如釀酒和乳制品工廠(chǎng)將苛性物廣泛用于清洗工藝設(shè)備的地方。所有上述提到的工業(yè)通常具有可獲得的豐富和生物降解的廢水，這就允許將陽(yáng)極燃料供應(yīng)給BES?？紤]到上述問(wèn)題，為了在廢水處理期間生產(chǎn)苛性鈉，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)從而研究BES的電勢(shì)。建造了具有多層布局的一升規(guī)模的反應(yīng)器。在高陽(yáng)極產(chǎn)量(throughput)下操作該BES 來(lái)提供高的電子密度。與此同時(shí)，提供有限的陰極流體流來(lái)獲得如用于工業(yè)中的濃縮的苛性流。所關(guān)心的參數(shù)是可獲得的電流、能量需求、有機(jī)物移除和采用真實(shí)的廢水而不是合成的實(shí)驗(yàn)室原料的效果。方法通過(guò)制作Icm厚度的2個(gè)焊接的陽(yáng)離子交換膜(CMI-7000，Membranes International Inc.)包殼(170X200mm)和采用用于第三陽(yáng)極室的一個(gè)片膜來(lái)建造多層類(lèi)型的反應(yīng)器。BES具有3個(gè)陰極室和3個(gè)陽(yáng)極室。在底部和頂部的槽中夾住并粘接 (Bostix, Australia)所述膜，其圍繞8mm的縫。在膜包殼中，在兩側(cè)通過(guò)插入波紋不銹鋼網(wǎng)(6mm網(wǎng))(Locker，Australia)將石墨氈(164X200mm)插入、夾于側(cè)部。作為陰極，要么僅將波紋不銹鋼網(wǎng)(5mm網(wǎng)，6mm絲)要么將該網(wǎng)加上兩個(gè)精細(xì)編織的不銹鋼網(wǎng)(Locker， Australia)插入陰極套管(164X200mm)。將所有的波紋網(wǎng)焊接到不銹鋼桿(5mm直徑)的側(cè)部上，這將它們連接到陽(yáng)極或陰極集流板(316SS，3mm厚度)上。隨后將反應(yīng)器與再循環(huán)和進(jìn)料管路連接。反應(yīng)器操作和介質(zhì)。從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的微生物燃料電池獲得用于反應(yīng)器最初啟動(dòng)的接種體(inoculum)，向該電池供給來(lái)自釀酒廢水處理工廠(chǎng)的混合容器的廢水。向陽(yáng)極供給兩種介質(zhì)的混合物?；?basic)介質(zhì)(最初6.9L cf1)每升包含0. Ig NH4Cl, 0. IgKH2PO4,0. Ig MgSO4 · 7Η20，0· 02g CaCl2 · 2H20 和 Iml 先前在 Rabaey, K. ；Ossieur, W.； Verhaege,M. ；Verstraete,W. ,Continuousmicrobial fuel cells convert carbohydrates to electricity. Water Science and Technology 2005,52，(1—2)，515—523 中描述的培養(yǎng)液。由于需要獲得取決于反應(yīng)器狀態(tài)的目標(biāo)電流密度，將包含乙酸鈉(對(duì)于增加的電流合適的從3. 93g Γ1啟動(dòng))和NaHCO3(為了保證引入的濃縮物的中性)的濃縮物加入該介質(zhì)中。為了獲得不同的加載速率(啟動(dòng)速率為0.7L cf1)改變?cè)摑饪s物的流動(dòng)。陽(yáng)極也在 0.7L IT1下再循環(huán)，這大概地代表1/1再循環(huán)。將鹽溶液(lg NaCl L—1)在3-30L cf1速率下連續(xù)地供給陰極，并且以相同的速率再循環(huán)。操作周期可分為三種作業(yè)(i)第一基于實(shí)驗(yàn)室的作業(yè)(ii)第二基于實(shí)驗(yàn)室的作業(yè)和(iii)基于釀酒廠(chǎng)的作業(yè)。在第一作業(yè)中，陰極僅包含作為陰極的波紋網(wǎng)和集流體。操作該系統(tǒng)64天，在其間通過(guò)增加濃縮物濃度和流量而逐漸增加陽(yáng)極進(jìn)料。在因產(chǎn)生氣體所致的失效后，短暫地終止試驗(yàn)。觀(guān)察到陽(yáng)極和陰極之間不完美的密封，因此拆除反應(yīng)器并重建。在這一階段(第二基于實(shí)驗(yàn)室的作業(yè))將較細(xì)的網(wǎng)插入陰極中來(lái)作為電極，其與作為集流體的波紋網(wǎng)相鄰。與第一作業(yè)類(lèi)似地操作該系統(tǒng)46天。在這個(gè)周期之后，將反應(yīng)器移動(dòng)至!Asters釀酒廠(chǎng)(Yatala，Australia)，在那里向反應(yīng)器供給“混合容器”廢水?？稍诒?中看到引入的廢水的組成。在試驗(yàn)階段結(jié)束時(shí)，將流入物與厭氧消化器流出物混合以達(dá)到較高的流入物PH并獲得較大的堿度。陰極流為0. 7IL cf1，陽(yáng)極流入物流為51-702L cf1不等。表1.在釀酒廠(chǎng)獲得的混合容器廢水的組成(因每周的操作性波動(dòng)未給出平均值)。所有的濃度數(shù)值均以mg Γ1給出。
權(quán)利要求
1.一種處理包含有機(jī)物質(zhì)或無(wú)機(jī)物質(zhì)的廢水流的方法，其包括將廢水流通入向生物電化學(xué)系統(tǒng)的陽(yáng)極或陰極，所述生物電化學(xué)系統(tǒng)具有在陽(yáng)極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極，或者在陰極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陰極，或者在陽(yáng)極和陰極處均通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極和陰極，從而改變廢水流的PH 使得a)降低通向陽(yáng)極的流的PH來(lái)最小化或抑制溶解的陽(yáng)離子的沉淀；或b)提高通向陰極的流的PH以產(chǎn)生堿性流；或c)降低通向陽(yáng)極的流的PH以產(chǎn)生含酸的流。
2.一種形成酸溶液或堿溶液的方法，包括步驟提供具有陽(yáng)極和陰極的生物電化學(xué)系統(tǒng)，所述生物電化學(xué)系統(tǒng)具有在陽(yáng)極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極，或者在陰極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陰極，或者在陽(yáng)極和陰極處均有通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極和陰極，向陽(yáng)極供給含水的流，向陰極供給含水的流，在陽(yáng)極處產(chǎn)生酸性溶液或在陰極處產(chǎn)生堿性溶液，并且回收酸性溶液或堿性溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中利用如下的進(jìn)料流i)向陽(yáng)極供給廢水流，并向陰極供給廢水流；ii)向陽(yáng)極供給廢水流，并向陰極供給水或含水的流iii)向陰極供給廢水流，并向陽(yáng)極供給水或水溶液；或iv)向陽(yáng)極和陰極均供給水或水溶液。
4.一種處理包含有機(jī)物質(zhì)和/或無(wú)機(jī)物質(zhì)的廢水流的方法，其包括將廢水流通向生物電化學(xué)系統(tǒng)的陽(yáng)極或陰極，所述生物電化學(xué)系統(tǒng)具有在陽(yáng)極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極，或者在陰極處通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陰極，或者在陽(yáng)極和陰極處均通過(guò)微生物來(lái)生物催化一種或多種反應(yīng)的陽(yáng)極和陰極，從而a)降低通向陽(yáng)極的流的PH來(lái)最小化或抑制溶解的陽(yáng)離子的沉淀；或b)提高通向陰極的流的PH以產(chǎn)生堿性流；或c)降低通向陽(yáng)極的流的pH以產(chǎn)生含酸的流。
5.一種產(chǎn)生堿性含水的流的方法，其包括步驟-提供生物電化學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含具有生物催化的陽(yáng)極的陽(yáng)極室和具有陰極的陰極室，通過(guò)離子滲透膜分隔陽(yáng)極室和陰極室，陽(yáng)極和陰極彼此電連接；-向陽(yáng)極室供給廢水流使得廢水流中的有機(jī)物質(zhì)和/或無(wú)機(jī)物質(zhì)得到氧化；-向陰極室供給含水的流，-其中離子滲透膜允許陽(yáng)離子通過(guò)其間但是限制陰離子流過(guò)其間，并且其中在陰極室中產(chǎn)生堿性流，以及-從陰極室移除堿性含水的流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中通過(guò)在陰極處質(zhì)子的消耗產(chǎn)生堿性流。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的方法，其中離子選擇性膜包含選擇性地允許單價(jià)陽(yáng)離子通過(guò)其間的陽(yáng)離子選擇性膜，并且從陰極室移除的堿性含水的流包含氫氧化鈉或氫氧化鉀或者兩者的溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的方法，其中離開(kāi)陰極室的堿性含水的流的pH至少為11，更優(yōu)選大于12. 5，甚至更優(yōu)選至多14。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中將廢水流通向生物電化學(xué)系統(tǒng)的生物催化的陽(yáng)極，使得在廢水流中的有機(jī)物質(zhì)發(fā)生氧化從而減少?gòu)U水流中有機(jī)物的數(shù)量或濃度，并且也形成了質(zhì)子(H+離子)從而造成廢水流的PH降低，其中廢水流的pH降低到陽(yáng)離子(特別是鈣離子或鎂離子或鳥(niǎo)糞石離子)的沉淀或沉淀反應(yīng)得到最小化或抑制的水平。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中處理廢水流使得pH降低到7以下。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-4或權(quán)利要求9和10(當(dāng)從屬于權(quán)利要求1-4時(shí))中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)電化學(xué)活性的微生物來(lái)生物催化陰極，并且在陰極處的電化學(xué)活性微生物的生物活性導(dǎo)致向陰極供給的流的PH提高。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中從陰極移除的流的pH為約8-8.5。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中通向陰極的含水的流包含鹽溶液或鹽水或海水，所述鹽溶液或鹽水或海水含有包括選自鈉、鉀、鈣和鎂中一種或多種的溶解的陽(yáng)離子。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其中降低向陽(yáng)極供給的流的pH從而產(chǎn)生含酸的流，該含酸的流具有低于4、更優(yōu)選低于2、甚至更優(yōu)選低于1的pH，并且向陽(yáng)極供給的流包含水或含水的流，生物電化學(xué)系統(tǒng)包含對(duì)陰離子選擇性透過(guò)的膜，并且該方法還包含回收含酸的流用于儲(chǔ)存或利用。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中進(jìn)入陽(yáng)極的含水的流是來(lái)自紙工廠(chǎng)或紙回收工廠(chǎng)或紙和紙漿工廠(chǎng)的包含鈣離子的廢水，并且該廢水在陽(yáng)極處得到酸化，在陰極處產(chǎn)生堿性溶液，將所述堿性溶液加入廢水來(lái)沉淀鈣離子。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中廢水已通過(guò)厭氧消化器，并將厭氧消化器的流出物通向陽(yáng)極。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中來(lái)自厭氧消化器的流出物通過(guò)反應(yīng)器容器，在該反應(yīng)器容器中鈣離子得到沉淀，反應(yīng)器容器的流出物去往陽(yáng)極，在此得到酸化，部分或全部的來(lái)自陽(yáng)極的流出物直接或間接的流回厭氧消化器，并且在陰極處產(chǎn)生堿性流，將該堿性流供應(yīng)至其中沉淀鈣離子的反應(yīng)器容器中。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的方法，其中采用來(lái)自釀造或釀酒容器清洗工藝的廢水作為給陽(yáng)極的進(jìn)料流，而在陰極處產(chǎn)生堿性溶液。
19.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求4所述的方法，其中陽(yáng)極得到生物催化，且廢水流流動(dòng)通過(guò)陽(yáng)極使得廢水流的PH得到降低以及將包含降低pH的處理過(guò)的廢水流的陽(yáng)極流出物供給到厭氧消化器，其中供給到厭氧消化器的陽(yáng)極流出物的降低的PH抑制或最小化厭氧消化器中的沉淀。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中離開(kāi)陰極的流出物流包含堿性流，并且將該堿性流加入來(lái)自厭氧消化器的流出物流從而造成來(lái)自厭氧消化器流出物的化合物的沉淀。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中堿性流和來(lái)自厭氧消化器的流出物流在單獨(dú)的容器中混合。
全文摘要
一種處理包含有機(jī)物質(zhì)或無(wú)機(jī)物質(zhì)的廢水流的方法，其包含將廢水流通向生物電化學(xué)系統(tǒng)的陽(yáng)極或陰極從而改變廢水流的pH使得a)降低通向陽(yáng)極的流的pH來(lái)最小化或抑制溶解的陽(yáng)離子的沉淀；或b)提高通向陰極的流的pH以產(chǎn)生堿性流；或c)降低通向陽(yáng)極的流的pH以產(chǎn)生含酸的流。在一個(gè)實(shí)施方案中，在陰極處制備苛性鈉溶液并將其回收用于儲(chǔ)存和隨后的利用。
文檔編號(hào)C02F1/46GK102224109SQ200980146932
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者K·P·H·L·A·拉巴雷, R·A·羅森達(dá)爾 申請(qǐng)人:昆士蘭大學(xué)