一種用於同步產電脫鹽的汙水處理工藝及裝置的製作方法

2023-05-28 15:06:51

專利名稱：一種用於同步產電脫鹽的汙水處理工藝及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於水資源處理技術領域，特別涉及一種用於同步產電脫鹽的汙水處 理工藝及裝置。
背景技術：
水是人類賴以生存的重要自然資源。全球水環境的惡化和嚴重的能源危機， 迫切要求高效低耗的汙水資源化技術，以緩解水資源的短缺和對能源的需求。地
球十.水的總儲量中97%是鹹水(包括海水和苦鹹水)，向大海和鹽水湖索取淡水， 緩解日趨嚴重的世界性水危機，不僅已在全球科技界形成共識,也已成為各臨海國 家的政府主張與開發新水源的對策。目前海水淡化已遍及全世界125個國家和地 區，淡化水大約養活世界5%的人口，其中蒸餾法、電滲析、超濾-反滲透等是目 前主要的淡化工藝，這些工藝處理效率很高，但是隨之而來的就是高額的電耗。 微生物燃料電池(Microbial fbel cell,簡稱MFC)是近年來發展起來的汙水 處理新技術，由陽極、分隔膜和陰極三部分組成，它的基本原理是以產電微生物 的作用下，在陽極氧化去除汙染物，將其化學能轉化為電能，在處理汙水的同時 產電。從2002年到現在，MFC輸出功率提高了近萬倍，初步顯示出光明、誘人 的應用前景。常規的MFC研究思路是利用外電路的電流，但是在內電路，存在 相同大小的內電流；借鑑電滲析的原理，我們將內部的單一陽離子交換膜替換為 陽離子和陰離子兩套膜，形成中間腔室，在中間腔室加入鹽水，則可以利用MFC 的內電流在處理汙水、產電的同時脫鹽，實現三效合一。

發明內容
本發明以微生物燃料電池技術為基礎，目的在於利用MFC同時實現處理汙 水，產電以及脫鹽過程。本發明提供了一種用於同步產電脫鹽的汙水處理工藝， 其特徵在於，包括以下步驟 (a)安裝設備；
4(b) 汙水進入陽極室A，在產電微生物的作用下氧化去除汙水中的汙染物， 產電微生物將呼吸鏈的電於傳遞到陽極4，外電路電流方向為從陰極5流向陽極 4;
(c) 內電路電流方向為從陽極4流向陰極5，含鹽水連續流入中間脫鹽室B， 由於陰膜2和陽膜3的選擇性，陰離子和陽離子在電驅動力作用卜'，分別穿過陰 膜2和陽膜3到達陽極室A和陰極室C，實現脫鹽過程；
(d) 外電路的電子到達陰極5與電子受體結合，發生還原反應，完成產電過程。
所述汙水為可生化處理的有機廢水。 所述產電微生物的種類包括geobacter和shewanella。 所述含鹽水包括海水或苦鹹水，含鹽量為5-35g/L。
所述電子受體包括化學催化還原的氧氣、鐵氰化鉀以及微生物催化還原的氧 氣、硝酸鹽、二氧化碳。
本發明還提供了一種用於同步產電脫鹽的汙水處理裝置，其特徵在於，陰膜 2和陽膜3將微生物燃料電池1分為陽極室A、中間脫鹽室B和陰極室C;在陽 極室A內設置陽極4，在陰極室C內設置陰極5，並在陽極4上布置產電微生物 膜6。
所述陰膜2和陽膜3為透過率不小於90%的無毒的工業用電滲析離子交換 膜，厚度為0.2~0.5mm，爆破強度不小於0.3MPa。
所述陽極4上的產電微生物膜6的厚度為20 S0^im。
所述陽極室A內陽極4及填充材料包括石墨顆粒或碳氈，粒徑範圍為l-5mm。
所述陰極室C內陰極5及填充材料包括石墨顆粒或碳氈，粒徑範圍為l-5mm。
本發明的有益效果為利用微生物燃料電池(MFC)的內電流在處理汙水、 產電的同時脫鹽，實現三效合一；本發明所述工藝簡單，易操作，能耗低且效率 高；所述裝置結構簡單，便於工業生產及使用。


圖1為本發明所述脫鹽微生物燃料電池的原理示意圖。 圖中標號
l-微生物燃料電池；2-陰膜；3-陽膜；4-陽極；5-陰極；6-產電微生物膜。
具體實施例方式
本發明提供了一種用於同步產電脫鹽的汙水處理工藝及裝置，下面結合附圖 說明和具體實施方式
對本發明做進一步說明。
圖1為本發明所述脫鹽微生物燃料電池的原理示意圖。陰膜2和陽膜3將微 生物燃料電池1分為陽極室A、中間脫鹽室B和陰極室C，其中，陰膜2和陽膜 3採用透過率為95%的無毒的工業用電滲析離子交換膜，厚度為0.3mm，爆破強 度為0.5MPa;在陽極室A內設置陽極4，在陰極室C內設置陰極5，並在陽極4 上布置厚度為40pm的產電微生物膜6，產電微生物使用geobacter，其中，陽極 4、陰極5以及陽極室A和陰極室B內的填充材料均為碳氈，粒徑範圍為1-5 mm， 陽極室A和陰極室B內的填充材料可以增大產電微生物的附著面積和陰極面積， 提高電流。
安裝完成設備後，陽極室A保持厭氧狀態，可生化處理的有機廢水進入陽極 室A，在產電微生物的作用下氧化去除汙水中的汙染物，產電微生物將呼吸鏈的 電子傳遞到陽極4，外電路電流方向為從陰極5流向陽極4;內電路電流方向為 從陽極4流向陰極5，含鹽量為20g/L的海水連續流入中間脫鹽室B，由於陰膜2 和陽膜3的選擇性，陰離子和陽離子在電驅動力作用下，分別穿過陰膜2和陽膜 3到達陽極室A和陰極室C，實現脫鹽過程；外電路的電子到達陰極5與電子受 體結合，發生還原反應，完成產電過程。
目前此MFC輸出功率約為300W/m3，汙水處理負荷5kg/m3d，運行電流約 100 mA，對應的脫鹽速率為90mM/d，隨著MFC技術的進步，電流的增加將不 斷的提高脫鹽速率。
權利要求
1. 一種用於同步產電脫鹽的汙水處理工藝，其特徵在於，包括以下步驟(a)安裝設備；(b)汙水進入陽極室(A)，在產電微生物的作用下氧化去除汙水中的汙染物，產電微生物將呼吸鏈的電子傳遞到陽極(4)，外電路電流方向為從陰極(5)流向陽極(4)；(c)內電路電流方向為從陽極(4)流向陰極(5)，含鹽水連續流入中間脫鹽室(B)，由於陰膜(2)和陽膜(3)的選擇性，陰離子和陽離子在電驅動力作用下，分別穿過陰膜(2)和陽膜(3)到達陽極室(A)和陰極室(C)，實現脫鹽過程；(d)外電路的電子到達陰極(5)與電子受體結合，發生還原反應，完成產電過程。
2. 根據權利要求l所述的一種用於同步產電脫鹽的汙水處理工藝，其特徵 在於，所述汙水為可生化處理的有機廢水。
3. 根據權利要求l所述的一種用於同步產電脫鹽的汙水處理工藝，其特徵 在於，所述產電微生物的種類包括geobacter和shewanella。
4. 根據權利要求l所述的一種用於同步產電脫鹽的汙水處理工藝，其特徵 在於，所述含鹽水包括海水或苦鹹水，含鹽量為5-35g/L。
5. 根據權利要求l所述的一種用於同步產電脫鹽的汙水處理工藝，其特徵 在於，所述電子受體包括化學催化還原的氧氣、鐵氰化鉀以及微生物催化還原的 氧氣、硝酸鹽、二氧化碳。
6. —種用於同步產電脫鹽的汙水處理裝置，其特徵在於，陰膜(2)和陽膜 (3)將微生物燃料電池(1)分為陽極室(A)、中間脫鹽室(B)和陰極室(C);在陽極室(A)內設置陽極(4)，在陰極室(C)內設置陰極(5)，並在陽極(4) 上布置產電微生物膜(6)。
7. 根據權利要求6所述的一種用於同步產電脫鹽的汙水處理裝置，其特徵在於，所述陰膜(2)和陽膜(3)為透過率不小於90%的無毒的工業用電滲析離 子交換膜，厚度為0.2~0.5mm，爆破強度不小於0.3MPa。
8. 根據權利要求6所述的一種用於同步產電脫鹽的汙水處理裝置，其特徵 在於，所述陽極(4)上的產電微生物膜(6)的厚度為20 80^im。
9. 根據權利要求6所述的一種用於同步產電脫鹽的汙水處理裝置，其特徵 在於，所述陽極室(A)內陽極(4)及填充材料包括石墨顆粒或碳氈，粒徑範 圍為1-5 mm。
10. 根據權利要求6所述的一種用於同步產電脫鹽的汙水處理裝置，其特徵 在於，所述陰極室(C)內陰極(5)及填充材料包括石墨顆粒或碳氈，粒徑範 圍為1-5 mm。
全文摘要
本發明屬於水資源處理技術領域，特別涉及一種用於同步產電脫鹽的汙水處理工藝及裝置。由陽極室，陰膜、中間脫鹽室、陽膜和陰極室5個組成部分，陽極上布置產電微生物膜；汙水流入陽極室，在產電微生物作用下被氧化去除，電子傳導到陽極；中間脫鹽室中陰離子穿過陰膜到達陽極，陽離子穿過陽膜達到陰極，實現脫鹽過程並形成內電流；電子通過外電路負載到達陰極發生還原反應，實現產電過程。利用微生物燃料電池的內電流在處理汙水、產電的同時脫鹽，實現三效合一；本發明所述工藝簡單，易操作，能耗低且效率高；所述裝置結構簡單，便於工業生產及使用。
文檔編號C02F3/34GK101481178SQ20091007803
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月10日 優先權日2009年2月10日
發明者周穎君, 曹效鑫, 鵬 梁, 羅甘·布魯斯, 康 肖, 霞 黃 申請人:清華大學