厭氧氨氧化微生物逆向電滲析汙水處理同時發電的方法及裝置的製作方法
2023-09-19 02:49:40
專利名稱：厭氧氨氧化微生物逆向電滲析汙水處理同時發電的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電滲析汙水處理技術，具體涉及一種厭氧氨氧化微生物逆向電滲析汙水處理同時發電的方法及裝置。
背景技術：
隨著經濟的發展，人類對能源的需求量越來越大。能源的缺乏以及環境汙染已成為世界最關注的問題之一，嚴重地影響了人們的日常生活。能否讓當今社會日益增多的汙染物轉變為不斷缺乏的能源呢？微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，簡稱MFC)就是利用微生物將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置，在陽極室厭氧環境下，有機物在微生物作用下分解並釋放出電子和質子。電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，並通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質子通過質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子結合成水。微生物燃料電池不僅能夠降解汙水中的有機物還能同時發電，是一種很好的將汙染轉變為能源的辦法。微生物逆向電滲析電池(MicrobialReverse Electrodialysis Cell,簡稱 MRC)結合了微生物燃料電池和逆向電滲析(Reverse Electrodialysis,簡稱RED)兩種技術。該系統包含一個由幾對膜組成的RED堆，其位於MFC的陰極和陽極室之間，質子交換膜也位於MFC上。來自於這兩個系統的液流被分開，獨立操作但一起提高能量密度RED堆會增加MFC的電流，與此同時，MFC電極之間的電壓能使RED堆使用更少的膜進行操作。該反應系統比傳統MFC的發電量高出許多。但MRC系統仍然存在一些不足(I)有機物的去除率低，出水還要進行進一步處理，這意味著汙水中還有大量潛能未能利用，發電效率可進一步提高；(2 )由於RED的工作液為碳酸氫銨溶液，大量的氨會在MFC陽極室累積，抑制微生物的活性，嚴重抑制MFC產電性能，並會汙染出水。
發明內容
為解決現有微生物燃料電池發電量少，廢水COD去除率低等問題，本發明提供了一種厭氧氨氧化微生物逆向電滲析汙水處理同時發電的方法及裝置。本發明的技術方案如下—種厭氧氨氧化微生物逆向電滲析汙水處理同時發電的裝置，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、陽離子膜和隔板組成，隔板分別放置在交替排列的陰陽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離子在濃度差的推動下遷移進入稀碳酸氫銨溶液，從而產生電流。所述厭氧氨氧化室設置於逆向電滲析模塊一側，通過一層陰離子交換膜隔開，其內放置厭氧氨氧化微生物，厭氧氨氧化微生物能將滲透入厭氧氨氧化室的氨氧化為氮氣。在厭氧氨氧化室中，碳酸銨根負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，與氨離子反應產生氮氣，使氨氮得以去除，碳酸根離子為厭氧氨氧化微生物的生長提供碳源。所述微生物燃料電池模塊包括陽極室和陰極室，陽極室位於厭氧氨氧化室一側，是通過一層質子膜與厭氧氨氧化室隔開，陰極室位於逆向電滲析模塊的另一側；所述陽極室中放置電極和產電微生物，電極與陰極室內放置的電極通過外電路連接；所述產電微生物可以降解汙水中的有機汙染物，同時將電子轉移至電極，從而發電，並使電極具有氧化能力；所述微生物燃料電池模塊中產生的質子通過質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極室之間通過電極串聯，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。本發明中，所述厭氧氨氧化室是為利用厭氧氨氧化微生物進行氨氮處理的裝置。逆向電滲析模塊的部分碳酸銨根負離子經過陰離子交換膜進入厭氧氨氧化室。碳酸銨根負離子在厭氧氨氧化室內電離為銨離子和碳酸根離子。由微生物燃料電池模塊陽極室串聯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生成氮氣，使氨氮得以去除。碳酸根離子為厭氧氨氧化微生物的生長提供碳源。所述微生物燃料電池模塊是利用產電微生物處理汙水，同時獲得電能的裝置，在厭氧環境下，陽極室的有機物在產電微生物作用下分解並釋放出電子和質子，電子傳遞至電極，並通過外電路傳遞到陰極室電極形成電流，產生的質子通過質子膜傳入厭氧氨氧化室。本發明的優點如下(I)增加產電量。此裝置結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，三者間發生了協同效應，大大增加了原本微生物燃料電池的產電量。(2)避免了氨氮離子對產電微生物的抑制作用，增加有機物去除率。本裝置中逆向電滲析模塊和微生物燃料電池模塊的陽極室是通過厭氧氨氧化室隔開。逆向電滲析模塊中碳酸氫銨電離產生的碳酸銨根負離子不能進入微生物燃料電池模塊，避免了氨對產電微生物活性的抑制，從而提高了產電量和有機物的去除率。(3)去除有機物同時脫氮。在厭氧氨氧化室中，碳酸銨根負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為氮氣，使氨氮得以去除。本發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實現優勢互補，功能相互協調，不會產生氨氮累積，使得汙水處理成本低，發電量大。
圖I為厭氧氨氧化微生物逆向電滲析汙水處理同時發電的裝置的結構示意圖。圖中I一廢水進水口 ；2—廢水排放口 ；3—陽極；4一陰極；5—氮氣排氣口 ；6—濃碳酸氫銨溶液進水口 ；7—濃碳酸氫銨溶液出水口 ；8—稀碳酸氫銨溶液進水口 ；9一稀碳酸氫銨溶液出水口 ；10—質子膜；11 一陰離子膜；12—陽離子膜；A—MFC陽極室；B—MFC陰極室；C一厭氧氨氧化室；D—RED模塊；E—外電路。
具體實施例方式結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明，但本發明不局限於此。下述實施例所用電極陽極和陰極均為鈦板；陽離子膜、陰離子膜和質子膜均從市場上購得，如可以從日本旭硝子公司購買；反應裝置外殼材料為有機玻璃。參見圖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成。RED模塊D由交替排列的陰離子膜11、陽離子膜12和隔板組成，隔板分別放置在交替排列的陰、陽離子膜之間形成濃水室和淡水室，室內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水口 8設置在淡水室底部，濃碳酸氫銨溶液的進水口 6設置在微生物燃料電池模塊的陰極室B上。厭氧氨氧化室C位於RED模塊D—側，通過一層陰離子交換膜11隔開，其內放置厭氧氨氧化微生物，厭氧氨氧化微生物能將滲透入厭氧氨氧化室的氨氧化為氮氣，頂部由氮氣排氣口 5。微生物燃料電池模塊(MFC)包括陽極室A和陰極室B，陽極室A位於厭氧氨氧化室C的一側，通過一層質子膜10與厭氧氨氧化室隔開，陰極室B位於RED模塊D的另一側。陽極室A中放置電極(為陽極3)和產電微生物，陽極3與陰極室內放置的電極(為陰極4)通過外電路E連接。RED模塊D與MFC陰極室之間設置有連接孔，供濃碳酸氫銨溶液進入RED模塊。在陽極室A上設置有廢水進水口 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極室A之間通過電極(即陽極3)串聯，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。本裝置的汙水處理及發電的方法如下微生物培養在MFC陽極室A培養產電微生物,在厭氧氨氧化室C培養厭氧氨氧化微生物。內電流產生將濃碳酸氫銨溶液從進水口 6送進MFC陰極室B，通過RED模塊D與MFC陰極室之間的連接孔進入RED模塊。將稀碳酸氫銨溶液從進水口 8送進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陰離子膜11和陽離子膜12發生離子交換，陰離子向陽極3方向遷移，陽離子向陰極4方向遷移，從而產生內電流。內電流方向為從陽極流向陰極。氨氮去除RED模塊中的碳酸銨根負離子向陽極遷移，最終會到達厭氧氨氧化室C。碳酸銨根負離子電離為銨離子和碳酸根離子。部分銨離子被陽極氧化亞硝酸根離子，在厭氧氨氧化微生物的作用下，與剩餘的銨離子反應生成氮氣。氮氣從排氣口 5排出。氨氮被去除。在這個過程中，碳酸根離子為厭氧氨氧化微生物提供碳源，供微生物生長，碳酸根離子被去除。外電流產生有機廢水從廢水進水口 I流入MFC陽極室A，在產電微生物作用下分解為二氧化碳和質子，並釋放電子。產電微生物將電子傳遞到陽極3。電子從外電路E傳遞至陰極4，完成外電流生產。外電流方向為從陰極流向陽極。處理之後的清潔廢水從廢水排放口 2排出。
本裝置的工藝參數如下當有機廢水化學需氧量為500mg/L ;有機廢水流量為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 ;膜對數量為10對時，裝置的產電能力為O. 53W/m2，有機廢水化學需氧量降解率為55%。
權利要求
1.一種厭氧氨氧化微生物逆向電滲析汙水處理同時發電的裝置，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；其特徵在於 所述逆向電滲析模塊由交替排列的陰、陽離子膜和隔板組成，隔板分別放置在交替排列的陰陽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置於逆向電滲析模塊一側，通過一層陰離子交換膜隔開，其內放置厭氧氨氧化微生物，厭氧氨氧化微生物能將滲透入厭氧氨氧化室的氨氧化為氮氣； 所述微生物燃料電池模塊包括陽極室和陰極室，陽極室位於厭氧氨氧化室一側，是通過一層質子膜與厭氧氨氧化室隔開，陰極室位於逆向電滲析模塊的另一側；所述陽極室中放置電極和產電微生物，電極與陰極室內放置的電極通過外電路連接；所述產電微生物可以降解汙水中的有機汙染物，同時將電子轉移至電極，從而發電，並使電極具有氧化能力；所述微生物燃料電池模塊中產生的質子通過質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極室之間通過電極串聯，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水口設置在淡水室底部，濃碳酸氫銨溶液的進水口設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置有連接孔；厭氧氨氧化室設置有氮氣排放口 ；在陽極室上設置有廢水進水口和廢水排放口。
2.利用權利要求I所述的裝置進行厭氧氨氧化微生物逆向電滲析汙水處理並同時發電的方法，其特徵在於所述方法包括以下步驟 (I)微生物培養在陽極室培養產電微生物，在厭氧氨氧化室培養厭氧氨氧化微生物； (2 )內電流產生將濃碳酸氫銨溶液從進水口送進陰極室，通過逆向電滲析模塊與陰極室之間的連接孔進入逆向電滲析模塊，將稀碳酸氫銨溶液從進水口送進逆向電滲析模塊；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陰離子膜和陽離子膜發生離子交換，陰離子向陽極方向遷移，陽離子向陰極方向遷移，從而產生內電流，內電流方向為從陽極流向陰極； (3)氨氮去除逆向電滲析模塊中的碳酸銨根負離子向陽極遷移，最終到達厭氧氨氧化室，碳酸銨根負離子電離為銨離子和碳酸根離子；部分銨離子被陽極氧化亞硝酸根離子，在厭氧氨氧化微生物的作用下，與剩餘的銨離子反應生成氮氣，氮氣從排放口排出，氨氮被去除；在這個過程中，碳酸根離子為厭氧氨氧化微生物提供碳源，供微生物生長，碳酸根離子被去除； (4)外電流產生有機廢水從廢水進水口流入陽極室，在產電微生物作用下分解為二氧化碳和質子，並釋放電子；產電微生物將電子傳遞到陽極，電子從外電路E傳遞至陰極，完成外電流生產；外電流方向為從陰極流向陽極；處理之後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汙水處理同時發電的方法及裝置，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行發電的裝置；厭氧氨氧化室為利用厭氧氨氧化微生物進行氨氮處理的裝置；微生物燃料電池模塊是利用產電微生物處理汙水，同時獲得電能的裝置。逆向電滲析模塊採用碳酸氫銨為工作液，碳酸銨根負離子在通過逆向電滲析模塊後會進入厭氧氨氧化室，而不會進入微生物燃料電池模塊的陽極室，避免了氨對產電微生物活性的抑制。本發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實現優勢互補，功能相互協調，不會產生氨累積，使得汙水處理成本低，發電量大。
文檔編號H01M8/16GK102976559SQ201210527690
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者徐璇, 範子紅, 許曉毅, 周碧, 劉亭役, 鄒秋林, 金展, 張千 申請人:重慶大學