專利名稱：厭氧氨氧化微生物逆向電滲析污水處理同時(shí)發(fā)電的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電滲析污水處理技術(shù)，具體涉及一種厭氧氨氧化微生物逆向電滲析污水處理同時(shí)發(fā)電的方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量越來(lái)越大。能源的缺乏以及環(huán)境污染已成為世界最關(guān)注的問(wèn)題之一，嚴(yán)重地影響了人們的日常生活。能否讓當(dāng)今社會(huì)日益增多的污染物轉(zhuǎn)變?yōu)椴粩嗳狈Φ哪茉茨?？微生物燃料電?Microbial Fuel Cell，簡(jiǎn)稱MFC)就是利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在陽(yáng)極室厭氧環(huán)境下，有機(jī)物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子。電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽(yáng)極之間進(jìn)行有效傳遞，并通過(guò)外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極。氧化劑(一般為氧氣)在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。微生物燃料電池不僅能夠降解污水中的有機(jī)物還能同時(shí)發(fā)電，是一種很好的將污染轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉吹霓k法。微生物逆向電滲析電池(MicrobialReverse Electrodialysis Cell,簡(jiǎn)稱 MRC)結(jié)合了微生物燃料電池和逆向電滲析(Reverse Electrodialysis,簡(jiǎn)稱RED)兩種技術(shù)。該系統(tǒng)包含一個(gè)由幾對(duì)膜組成的RED堆，其位于MFC的陰極和陽(yáng)極室之間，質(zhì)子交換膜也位于MFC上。來(lái)自于這兩個(gè)系統(tǒng)的液流被分開(kāi)，獨(dú)立操作但一起提高能量密度RED堆會(huì)增加MFC的電流，與此同時(shí)，MFC電極之間的電壓能使RED堆使用更少的膜進(jìn)行操作。該反應(yīng)系統(tǒng)比傳統(tǒng)MFC的發(fā)電量高出許多。但MRC系統(tǒng)仍然存在一些不足(I)有機(jī)物的去除率低，出水還要進(jìn)行進(jìn)一步處理，這意味著污水中還有大量潛能未能利用，發(fā)電效率可進(jìn)一步提高；(2 )由于RED的工作液為碳酸氫銨溶液，大量的氨會(huì)在MFC陽(yáng)極室累積，抑制微生物的活性，嚴(yán)重抑制MFC產(chǎn)電性能，并會(huì)污染出水。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有微生物燃料電池發(fā)電量少，廢水COD去除率低等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種厭氧氨氧化微生物逆向電滲析污水處理同時(shí)發(fā)電的方法及裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種厭氧氨氧化微生物逆向電滲析污水處理同時(shí)發(fā)電的裝置，所述裝置包含逆向電滲析模塊、厭氧氨氧化室和微生物燃料電池模塊。所述逆向電滲析模塊由交替排列的陰、陽(yáng)離子膜和隔板組成，隔板分別放置在交替排列的陰陽(yáng)離子膜之間形成濃水室和淡水室，所述逆向電滲析模塊的工作液為碳酸氫銨溶液，分別在濃水室和淡水室分為濃碳酸氫銨溶液和稀碳酸氫銨溶液。在逆向電滲析模塊中，濃碳酸氫銨溶液中的陰陽(yáng)離子在濃度差的推動(dòng)下遷移進(jìn)入稀碳酸氫銨溶液，從而產(chǎn)生電流。所述厭氧氨氧化室設(shè)置于逆向電滲析模塊一側(cè)，通過(guò)一層陰離子交換膜隔開(kāi)，其內(nèi)放置厭氧氨氧化微生物，厭氧氨氧化微生物能將滲透入?yún)捬醢毖趸业陌毖趸癁榈獨(dú)?。在厭氧氨氧化室中，碳酸銨根負(fù)離子電離為銨離子和碳酸根離子，銨離子被部分氧化為亞硝酸根離子，在厭氧氨氧化微生物的作用下，與氨離子反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)?，使氨氮得以去除，碳酸根離子為厭氧氨氧化微生物的生長(zhǎng)提供碳源。所述微生物燃料電池模塊包括陽(yáng)極室和陰極室，陽(yáng)極室位于厭氧氨氧化室一側(cè)，是通過(guò)一層質(zhì)子膜與厭氧氨氧化室隔開(kāi)，陰極室位于逆向電滲析模塊的另一側(cè)；所述陽(yáng)極室中放置電極和產(chǎn)電微生物，電極與陰極室內(nèi)放置的電極通過(guò)外電路連接；所述產(chǎn)電微生物可以降解污水中的有機(jī)污染物，同時(shí)將電子轉(zhuǎn)移至電極，從而發(fā)電，并使電極具有氧化能力；所述微生物燃料電池模塊中產(chǎn)生的質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子膜傳遞至厭氧氨氧化室，平衡電荷。所述厭氧氨氧化室和微生物燃料電池模塊的陽(yáng)極室之間通過(guò)電極串聯(lián)，該電極將厭氧氨氧化室中的部分銨離子氧化為亞硝酸根離子。本發(fā)明中，所述厭氧氨氧化室是為利用厭氧氨氧化微生物進(jìn)行氨氮處理的裝置。逆向電滲析模塊的部分碳酸銨根負(fù)離子經(jīng)過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入?yún)捬醢毖趸?。碳酸銨根負(fù)離子在厭氧氨氧化室內(nèi)電離為銨離子和碳酸根離子。由微生物燃料電池模塊陽(yáng)極室串聯(lián)至厭氧氨氧化室的電極，將部分銨離子氧化為亞硝酸根離子。亞硝酸根離子與氨根離子在厭氧氨氧化微生物的作用下反應(yīng)生成氮?dú)?，使氨氮得以去除。碳酸根離子為厭氧氨氧化微生物的生長(zhǎng)提供碳源。所述微生物燃料電池模塊是利用產(chǎn)電微生物處理污水，同時(shí)獲得電能的裝置，在厭氧環(huán)境下，陽(yáng)極室的有機(jī)物在產(chǎn)電微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子傳遞至電極，并通過(guò)外電路傳遞到陰極室電極形成電流，產(chǎn)生的質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子膜傳入?yún)捬醢毖趸?。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(I)增加產(chǎn)電量。此裝置結(jié)合了逆向電滲析模塊、厭氧氨氧化室和微生物燃料電池模塊，三者間發(fā)生了協(xié)同效應(yīng)，大大增加了原本微生物燃料電池的產(chǎn)電量。(2)避免了氨氮離子對(duì)產(chǎn)電微生物的抑制作用，增加有機(jī)物去除率。本裝置中逆向電滲析模塊和微生物燃料電池模塊的陽(yáng)極室是通過(guò)厭氧氨氧化室隔開(kāi)。逆向電滲析模塊中碳酸氫銨電離產(chǎn)生的碳酸銨根負(fù)離子不能進(jìn)入微生物燃料電池模塊，避免了氨對(duì)產(chǎn)電微生物活性的抑制，從而提高了產(chǎn)電量和有機(jī)物的去除率。(3)去除有機(jī)物同時(shí)脫氮。在厭氧氨氧化室中，碳酸銨根負(fù)離子中的碳酸根為厭氧氨氧化微生物提供碳源，氨氮在電極和厭氧氨氧化微生物的共同作用下變?yōu)榈獨(dú)?，使氨氮得以去除。本發(fā)明中逆向電滲析模塊、厭氧氨氧化室和微生物燃料電池模塊能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，功能相互協(xié)調(diào)，不會(huì)產(chǎn)生氨氮累積，使得污水處理成本低，發(fā)電量大。


圖I為厭氧氨氧化微生物逆向電滲析污水處理同時(shí)發(fā)電的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I一廢水進(jìn)水口 ；2—廢水排放口 ；3—陽(yáng)極；4一陰極；5—氮?dú)馀艢饪?；6—濃碳酸氫銨溶液進(jìn)水口 ；7—濃碳酸氫銨溶液出水口 ；8—稀碳酸氫銨溶液進(jìn)水口 ；9一稀碳酸氫銨溶液出水口 ；10—質(zhì)子膜；11 一陰離子膜；12—陽(yáng)離子膜；A—MFC陽(yáng)極室；B—MFC陰極室；C一厭氧氨氧化室；D—RED模塊；E—外電路。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不局限于此。下述實(shí)施例所用電極陽(yáng)極和陰極均為鈦板；陽(yáng)離子膜、陰離子膜和質(zhì)子膜均從市場(chǎng)上購(gòu)得，如可以從日本旭硝子公司購(gòu)買(mǎi)；反應(yīng)裝置外殼材料為有機(jī)玻璃。參見(jiàn)圖1，本裝置由逆向電滲析模塊即RED模塊D、厭氧氨氧化室C和微生物燃料電池模塊構(gòu)成。RED模塊D由交替排列的陰離子膜11、陽(yáng)離子膜12和隔板組成，隔板分別放置在交替排列的陰、陽(yáng)離子膜之間形成濃水室和淡水室，室內(nèi)的工作液為濃碳酸氫銨溶液和稀碳酸氫銨溶液，稀碳酸氫銨溶液的進(jìn)水口 8設(shè)置在淡水室底部，濃碳酸氫銨溶液的進(jìn)水口 6設(shè)置在微生物燃料電池模塊的陰極室B上。厭氧氨氧化室C位于RED模塊D—側(cè)，通過(guò)一層陰離子交換膜11隔開(kāi)，其內(nèi)放置厭氧氨氧化微生物，厭氧氨氧化微生物能將滲透入?yún)捬醢毖趸业陌毖趸癁榈獨(dú)?，頂部由氮?dú)馀艢饪?5。微生物燃料電池模塊(MFC)包括陽(yáng)極室A和陰極室B，陽(yáng)極室A位于厭氧氨氧化室C的一側(cè)，通過(guò)一層質(zhì)子膜10與厭氧氨氧化室隔開(kāi)，陰極室B位于RED模塊D的另一側(cè)。陽(yáng)極室A中放置電極(為陽(yáng)極3)和產(chǎn)電微生物，陽(yáng)極3與陰極室內(nèi)放置的電極(為陰極4)通過(guò)外電路E連接。RED模塊D與MFC陰極室之間設(shè)置有連接孔，供濃碳酸氫銨溶液進(jìn)入RED模塊。在陽(yáng)極室A上設(shè)置有廢水進(jìn)水口 I和廢水排放口 2。厭氧氨氧化室C和微生物燃料電池模塊的陽(yáng)極室A之間通過(guò)電極(即陽(yáng)極3)串聯(lián)，該電極將厭氧氨氧化室中的部分銨離子氧化為亞硝酸根離子。本裝置的污水處理及發(fā)電的方法如下微生物培養(yǎng)在MFC陽(yáng)極室A培養(yǎng)產(chǎn)電微生物,在厭氧氨氧化室C培養(yǎng)厭氧氨氧化微生物。內(nèi)電流產(chǎn)生將濃碳酸氫銨溶液從進(jìn)水口 6送進(jìn)MFC陰極室B，通過(guò)RED模塊D與MFC陰極室之間的連接孔進(jìn)入RED模塊。將稀碳酸氫銨溶液從進(jìn)水口 8送進(jìn)RED模塊。在RED模塊中，濃碳酸氫銨溶液和稀碳酸氫銨溶液通過(guò)陰離子膜11和陽(yáng)離子膜12發(fā)生離子交換，陰離子向陽(yáng)極3方向遷移，陽(yáng)離子向陰極4方向遷移，從而產(chǎn)生內(nèi)電流。內(nèi)電流方向?yàn)閺年?yáng)極流向陰極。氨氮去除RED模塊中的碳酸銨根負(fù)離子向陽(yáng)極遷移，最終會(huì)到達(dá)厭氧氨氧化室C。碳酸銨根負(fù)離子電離為銨離子和碳酸根離子。部分銨離子被陽(yáng)極氧化亞硝酸根離子，在厭氧氨氧化微生物的作用下，與剩余的銨離子反應(yīng)生成氮?dú)?。氮?dú)鈴呐艢饪?5排出。氨氮被去除。在這個(gè)過(guò)程中，碳酸根離子為厭氧氨氧化微生物提供碳源，供微生物生長(zhǎng)，碳酸根離子被去除。外電流產(chǎn)生有機(jī)廢水從廢水進(jìn)水口 I流入MFC陽(yáng)極室A，在產(chǎn)電微生物作用下分解為二氧化碳和質(zhì)子，并釋放電子。產(chǎn)電微生物將電子傳遞到陽(yáng)極3。電子從外電路E傳遞至陰極4，完成外電流生產(chǎn)。外電流方向?yàn)閺年帢O流向陽(yáng)極。處理之后的清潔廢水從廢水排放口 2排出。
本裝置的工藝參數(shù)如下當(dāng)有機(jī)廢水化學(xué)需氧量為500mg/L ;有機(jī)廢水流量為lOOmL/min ;濃碳酸氫銨溶液濃度為2mol/L ;稀碳酸氫銨溶液濃度為O. Olmol/L ；RED模塊流量為100mL/min ;膜對(duì)數(shù)量為10對(duì)時(shí)，裝置的產(chǎn)電能力為O. 53W/m2，有機(jī)廢水化學(xué)需氧量降解率為55%。
權(quán)利要求
1.一種厭氧氨氧化微生物逆向電滲析污水處理同時(shí)發(fā)電的裝置，所述裝置包含逆向電滲析模塊、厭氧氨氧化室和微生物燃料電池模塊；其特征在于 所述逆向電滲析模塊由交替排列的陰、陽(yáng)離子膜和隔板組成，隔板分別放置在交替排列的陰陽(yáng)離子膜之間形成濃水室和淡水室，所述逆向電滲析模塊的工作液為稀碳酸氫銨溶液和濃碳酸氫銨溶液； 所述厭氧氨氧化室設(shè)置于逆向電滲析模塊一側(cè)，通過(guò)一層陰離子交換膜隔開(kāi)，其內(nèi)放置厭氧氨氧化微生物，厭氧氨氧化微生物能將滲透入?yún)捬醢毖趸业陌毖趸癁榈獨(dú)猓? 所述微生物燃料電池模塊包括陽(yáng)極室和陰極室，陽(yáng)極室位于厭氧氨氧化室一側(cè)，是通過(guò)一層質(zhì)子膜與厭氧氨氧化室隔開(kāi)，陰極室位于逆向電滲析模塊的另一側(cè)；所述陽(yáng)極室中放置電極和產(chǎn)電微生物，電極與陰極室內(nèi)放置的電極通過(guò)外電路連接；所述產(chǎn)電微生物可以降解污水中的有機(jī)污染物，同時(shí)將電子轉(zhuǎn)移至電極，從而發(fā)電，并使電極具有氧化能力；所述微生物燃料電池模塊中產(chǎn)生的質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子膜傳遞至厭氧氨氧化室，平衡電荷； 所述厭氧氨氧化室和微生物燃料電池模塊的陽(yáng)極室之間通過(guò)電極串聯(lián)，該電極將厭氧氨氧化室中的部分銨離子氧化為亞硝酸根離子； 所述稀碳酸氫銨溶液的進(jìn)水口設(shè)置在淡水室底部，濃碳酸氫銨溶液的進(jìn)水口設(shè)置在微生物燃料電池模塊的陰極室上，逆向電滲析模塊的濃水室與陰極室之間設(shè)置有連接孔；厭氧氨氧化室設(shè)置有氮?dú)馀欧趴?；在陽(yáng)極室上設(shè)置有廢水進(jìn)水口和廢水排放口。
2.利用權(quán)利要求I所述的裝置進(jìn)行厭氧氨氧化微生物逆向電滲析污水處理并同時(shí)發(fā)電的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 (I)微生物培養(yǎng)在陽(yáng)極室培養(yǎng)產(chǎn)電微生物，在厭氧氨氧化室培養(yǎng)厭氧氨氧化微生物； (2 )內(nèi)電流產(chǎn)生將濃碳酸氫銨溶液從進(jìn)水口送進(jìn)陰極室，通過(guò)逆向電滲析模塊與陰極室之間的連接孔進(jìn)入逆向電滲析模塊，將稀碳酸氫銨溶液從進(jìn)水口送進(jìn)逆向電滲析模塊；在逆向電滲析模塊中，濃碳酸氫銨溶液和稀碳酸氫銨溶液通過(guò)陰離子膜和陽(yáng)離子膜發(fā)生離子交換，陰離子向陽(yáng)極方向遷移，陽(yáng)離子向陰極方向遷移，從而產(chǎn)生內(nèi)電流，內(nèi)電流方向?yàn)閺年?yáng)極流向陰極； (3)氨氮去除逆向電滲析模塊中的碳酸銨根負(fù)離子向陽(yáng)極遷移，最終到達(dá)厭氧氨氧化室，碳酸銨根負(fù)離子電離為銨離子和碳酸根離子；部分銨離子被陽(yáng)極氧化亞硝酸根離子，在厭氧氨氧化微生物的作用下，與剩余的銨離子反應(yīng)生成氮?dú)?，氮?dú)鈴呐欧趴谂懦?，氨氮被去除；在這個(gè)過(guò)程中，碳酸根離子為厭氧氨氧化微生物提供碳源，供微生物生長(zhǎng)，碳酸根離子被去除； (4)外電流產(chǎn)生有機(jī)廢水從廢水進(jìn)水口流入陽(yáng)極室，在產(chǎn)電微生物作用下分解為二氧化碳和質(zhì)子，并釋放電子；產(chǎn)電微生物將電子傳遞到陽(yáng)極，電子從外電路E傳遞至陰極，完成外電流生產(chǎn)；外電流方向?yàn)閺年帢O流向陽(yáng)極；處理之后的清潔廢水從廢水排放口排出。
全文摘要
一種厭氧氨氧化微生物逆向電滲析污水處理同時(shí)發(fā)電的方法及裝置，裝置包含逆向電滲析模塊、厭氧氨氧化室和微生物燃料電池模塊。逆向電滲析模塊為利用碳酸氫銨溶液鹽度梯度進(jìn)行發(fā)電的裝置；厭氧氨氧化室為利用厭氧氨氧化微生物進(jìn)行氨氮處理的裝置；微生物燃料電池模塊是利用產(chǎn)電微生物處理污水，同時(shí)獲得電能的裝置。逆向電滲析模塊采用碳酸氫銨為工作液，碳酸銨根負(fù)離子在通過(guò)逆向電滲析模塊后會(huì)進(jìn)入?yún)捬醢毖趸?，而不?huì)進(jìn)入微生物燃料電池模塊的陽(yáng)極室，避免了氨對(duì)產(chǎn)電微生物活性的抑制。本發(fā)明中逆向電滲析模塊、厭氧氨氧化室和微生物燃料電池模塊能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，功能相互協(xié)調(diào)，不會(huì)產(chǎn)生氨累積，使得污水處理成本低，發(fā)電量大。
文檔編號(hào)H01M8/16GK102976559SQ201210527690
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者徐璇, 范子紅, 許曉毅, 周碧, 劉亭役, 鄒秋林, 金展, 張千 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)