一種過濾型生物陰極微生物脫鹽電池及污水處理方法與流程

本發明屬于污水處理技術領域，涉及一種過濾型生物陰極微生物脫鹽電池及用于該脫鹽電池的污水處理方法。

背景技術：

污水中的有機物蘊含有大量的化學能，其化學能的能量密度約為1.93kW/m³，遠高于污水處理過程中需要消耗的能量。然而，傳統的污水處理則是通過消耗巨大能量(如曝氣、水泵等等)來實現污水中有機物的氧化分解，沒有有效回收利用污水中化學能。因而，傳統的污水處理過程具備能耗高等缺點。

微生物脫鹽電池(Microbial Desalination Cell,MDC)作為一種新型的低能耗污水處理技術。MDC一般由一個微生物陽極、陰極(生物陰極、化學陰極、空氣陰極等)、以及陰陽極之間的離子交換膜堆組成。在運行時，污水進入陽極，污水中的有機物在陽極厭氧產電微生物的作用下氧化分解釋放電子，電子通過外部電路到達陰極，在陰極發生還原反應(如還原O₂、化學氧化劑等)實現產電。與此同時，陰陽極之間產生電場，驅動離子交換膜堆中鹽水的陰陽離子移動，實現脫鹽。因而，MDC能夠同時實現污水處理、產電以及脫鹽。

然而，傳統的MDC也具有一些缺點：

(1)出水水質較差。MDC的陽極微生物雖然可以降解污水中的有機物，但其降解速率和程度均較低，且不能對污水中的營養元素(如氮磷等)及顆粒物實現有效去除，因而出水水質不能滿足現有排放要求。

(2)淡水產水率較低。在運行過程中傳統MDC會同時產生多種出水，如陽極出水、陰極出水、淡水以及濃水，其中淡水為唯一的有用水，但是傳統MDC中淡水的產率較低。

膜分離技術是一種成熟的污水處理技術，其中的微濾膜孔徑為0.1-1.0微米，能夠實現污水中懸浮物、微生物以及一些大分子物質的截留，實現污水的深度處理。由于該技術具有出水水質好、性能穩定等特點，目前微濾膜分離技術已經廣泛應用于污水處理、食品加工等行業，取得了良好的效果。

技術實現要素：

本發明是針對現有技術中存在的問題，提供一種過濾型生物陰極微生物脫鹽電池及用于該脫鹽電池的污水處理方法，將過濾膜和生物陰極型微生物脫鹽電池耦合，過濾膜能實現對污染物的攔截分離，強化水處理效果；而生物陰極能實現氧氣的還原產生電能，同時對污染物的具有降解作用。

根據本發明的一個方面，提供一種用于過濾型生物陰極微生物脫鹽電池的污水處理方法，包括：

使污水進入陽極室，在陽極產電微生物的作用下降解污水中的部分有機物，得到陽極出水；

使所述陽極出水進入陰極室，在陰極產電微生物、過濾處理和曝氣處理的共同作用下去除所述陽極出水中的懸浮物、細菌和有機物，得到陰極出水；

使所述陰極出水進入淡室和濃室，在離子交換膜和電場的作用下脫除或濃縮所述陰極出水中的鹽分。

根據本發明的一些實施方式，所述陽極產電微生物附著于所述陽極室的陽極上，其通過厭氧氧化分解污水中的有機物釋放電子到陽極上，所述電子通過外部電路傳遞到陰極；所述陰極產電微生物附著于所述陰極室的陰極上，在所述陰極產電微生物的作用下，所述陰極上的電子與所述陰極室中的電子受體發生還原反應實現產電。

根據本發明的一個優選實施例，所述污水的進水流速為35mL/h。

根據本發明的一些實施方式，所述污水在陽極室的水力停留時間為2-15小時，優選為12小時。

根據本發明的一個優選實施例，所述陰極室內過濾處理的通量為10-50L/(h·m²)。

根據本發明的一些實施方式，所述陰極室內曝氣處理的曝氣速率為0.2-60L/h。

根據本發明的一個優選實施例，所述陽極出水進入陰極室，一方面通過曝氣處理，去除其中的一部分污染物(如有機物、氮等)，另一方面通過附著于陰極上的陰極產電微生物降解其中的部分有機物，再一方面通過過濾裝置濾除其中的懸浮顆粒物及微生物，得到陰極出水。

根據本發明的一些實施例，通過對所述陽極出水進行曝氣處理，一方面可以去除其中的一部分污染物(如有機物、氮等)，另一方面通過曝氣能夠為陰極提供電子受體(氧氣)產生電能，再一方面通過曝氣可以減輕過濾裝置的污染。

根據本發明的一個優選實施例，所述過濾處理為通過過濾裝置進行的過濾處理，所述過濾裝置包括過濾膜。

根據本發明的一些實施方式，對于所述過濾膜沒有特別的限定，選擇本領域具有污水過濾功能的過濾膜即可。

在一些具體實施例中，所述過濾膜包括有機膜、無機膜和金屬膜中的一種或幾種。

根據本發明的優選實施方式，所述過濾膜的孔徑為50-2000nm。

根據本發明的一個優選實施例，所述陰極出水進入淡室和濃室，在離子交換膜和電場的共同作用下脫除或濃縮所述陰極出水中的鹽分，即得。

根據本發明的一些實施方式，所述離子交換膜包括交替設置的陽離子交換膜和陰離子交換膜，通過所述交替設置的陽離子交換膜和陰離子交換膜形成間隔的淡室和濃室；所述陰極出水進入淡室和濃室后，在內部電場的作用下，陰極出水中的陽離子穿過所述陽離子交換膜向陰極方向移動，陰極出水中的陰離子穿過所述陰離子交換膜向陽極方向移動，實現鹽分的脫除和濃縮。

在一些具體的實施例中，所述陰極出水進入所述淡室和濃室，在內部電場的作用下，陰極出水中的陽離子穿過所述陽離子交換膜向陰極方向移動，陰極出水中的陰離子穿過所述陰離子交換膜向陽極方向移動，在所述濃室和淡室內分別得到富集了鹽分的濃水和脫除了鹽分的淡水。

根據本發明的另一個方面，提供一種過濾型生物陰極微生物脫鹽電池，包括：

陽極室，所述陽極室內設有陽極，其上附著有陽極產電微生物；

陰極室，其通過管道與所述陽極室連接，接收來自陽極室的陽極出水，所述陰極室內分別設有陰極、過濾裝置和曝氣裝置，所述陰極上附著有陰極產電微生物；以及，

位于所述陽極室和陰極室之間的淡室和濃室，所述濃室和淡室通過交替設置的離子交換膜分隔而成，并通過管道與所述陰極室連接，接收來自陰極室的陰極出水；

其中，所述陽極室內的陽極通過外部電路連接所述陰極室內的陰極。

根據本發明，所述附著于陽極上陽極產電微生物通過厭氧氧化分解污水中的有機物釋放電子到陽極上，所述電子通過外部電路傳遞到陰極；所述附著于陰極上的陰極產電微生物通過與由陽極傳遞過來的電子發生還原反應實現產電。

根據本發明的一些實施方式，所述過濾裝置用于對進入陰極室內的陽極出水進行過濾處理，去除其中的懸浮物、細菌和部分有機物。

在一些具體的實施例中，所述過濾裝置的過濾通量為10-50L/(h·m²)。

根據本發明的一些實施方式，所述的曝氣裝置位于過濾裝置的下方，通過所述曝氣裝置對所述陰極室內的陽極出水進行曝氣處理，曝氣能夠同時實現陰極的產電、污染物的進一步去除、以及降低過濾裝置的污染速度。

在一些具體的實施例中，所述曝氣裝置的曝氣速率為0.2-60L/h。

根據本發明的一個優選實施例，對于所述陽極材料沒有特別的限定，選擇能附著相應的產電微生物，且能防止化學或生物腐蝕的材料即可。

根據本發明的一些實施方式，所述陽極材料包括碳基材料和/或金屬材料。在一些具體的實施例中，所述陽極材料包括活性炭顆粒、碳刷、石墨、碳布、不銹鋼網和鎳刷中的一種或幾種。

根據本發明的一個優選實施例，對于所述陽極產電微生物沒有特別的限定，例如可選擇希瓦氏菌(Shewanella)。

根據本發明的一些實施方式，對于所述陰極材料沒有特別的限定，選擇能附著相應的產電微生物，且能防止化學或生物腐蝕的材料即可。

根據本發明的一個優選實施例，所述陰極材料包括碳基材料和/或金屬材料。在一些具體的實施例中，所述陰極材料包括活性炭顆粒、碳刷、石墨、碳布、不銹鋼網和鎳刷中的一種或幾種。

根據本發明的一些實施方式，對于所述陰極產電微生物沒有特別的限定，例如可選擇地桿菌(Geobacter)。

根據本發明的一個優選實施例，所述過濾裝置包括過濾膜。

根據本發明的一些實施方式，對于所述過濾膜沒有特別的限定，選擇本領域具有污水過濾功能的過濾膜即可。

在一些具體實施例中，所述過濾膜包括有機膜、無機膜和金屬膜中的一種或幾種。

根據本發明的優選實施方式，所述過濾膜的孔徑為50-2000nm。

根據本發明的一個優選實施例，所述離子交換膜包括交替設置的陽離子交換膜和陰離子交換膜，靠近陽極一側的所述離子交換膜為陽離子交換膜，靠近陰極一側的所述離子交換膜為陰離子交換膜，通過所述交替設置的陽離子交換膜和陰離子交換膜形成間隔的淡室和濃室。在本發明中，“靠近”是一個相對的概念，靠近陽極一側是指距離陽極的距離小于距離陰極的距離，靠近陰極一側是指距離陰極的距離小于距離陽極的距離。

根據本發明的一些實施方式，所述陰極出水進入淡室和濃室后，在內部電場的作用下，陰極出水中的陽離子穿過所述陽離子交換膜向陰極方向移動，陰極出水中的陰離子穿過所述陰離子交換膜向陽極方向移動，實現鹽分的脫除。

在一些具體的實施例中，所述陰極出水分別進入所述濃室和淡室，在內部電場的作用下，陰極出水中的陽離子穿過所述陽離子交換膜向陰極方向移動，陰極出水中的陰離子穿過所述陰離子交換膜向陽極方向移動，在所述濃室和淡室內分別得到富集了鹽分的濃水和脫除了鹽分的淡水。

根據本發明的一些實施方式，對于所述離子交換膜沒有特別的限定，選擇本領域常用的電滲析離子交換膜即可。在一些具體的實施例中，所述離子交換膜的厚度為0.2-0.5mm，透過率≥90％，交換容量≥1mol/kg，爆破強度≥0.3MPa。

根據本發明的一個優選實施例，對于所述離子交換膜的數量沒有特別的限定，根據實際運行中對濃水和淡水的出水水質需求設置。

本發明過濾型生物陰極微生物脫鹽電池通過附著于陽極和陰極上的產電微生物實現產電，將污水中的化學能轉化為電能；同時，在電極產生的電場的作用下，污水中的陰陽離子移動，實現了脫鹽，即又將該電能用于污水的處理，無需外加電場即可實現對污水的處理，并且產生的電能不浪費。

根據本發明的過濾型生物陰極微生物脫鹽電池，還包括：

連通所述陽極室、陰極室、淡室和濃室之間的管路；

位于所述管路上的水泵，用于各級進水和出水的流通；

任選的外部循環瓶，其通過管路分別于與所述陰極室、淡室和濃室連通。

根據本發明的一些實施方式，陰極出水可任選地進入外部循環瓶，并在外部循環瓶與淡室和濃室內循環流動，實現多次脫鹽和濃縮過程。

根據本發明的再一個方面，提供一種上述過濾型生物陰極微生物脫鹽電池及污水處理方法在污水處理中的應用。

根據本發明的一個優選實施例，所述污水的COD值大于150mg/L。

本發明的優點和有益技術效果如下：

本發明將將過濾膜和生物陰極型微生物脫鹽電池耦合，過濾膜能實現對污水中懸浮物和有機物的攔截分離，而生物陰極一方面能實現氧氣的還原產生電能，另一方面能對污染物進行降解，對污水的處理效率高，處理效果好。本發明方法易于操作，微生物脫鹽電池結構簡單，出水水質優異，非常適合大規模工業化生產應用。

附圖說明

圖1為根據本發明一個實施例的過濾型生物陰極微生物脫鹽電池的結構及運行流程示意圖(連續運行)；

圖2為根據本發明一個實施例的過濾型生物陰極微生物脫鹽電池的結構及運行流程示意圖(間歇運行)；

圖3為采用本發明方法及裝置對實際污水進行連續處理105天的進水及出水COD濃度圖；

圖4為采用本發明方法及裝置在不同曝氣速率下對污水的處理情況圖；

附圖標記說明：1、陽極；2、陰極；3、過濾裝置；4、曝氣裝置；5、陽離子交換膜；6、陰離子交換膜；7、外部電阻；8、污水進水；9、陽極出水；10、陰極出水；11、濃水出水；12、淡水出水；13、水泵；14、外部循環瓶；15、陽極材料；16、陰極材料；17、陽極產電微生物；18、陰極產電微生物；19、濃室；20、淡室。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

實施例1

如圖1、2所示，本發明過濾型生物陰極微生物脫鹽電池包括陽極室、陰極室以及位于所述陽極室和陰極室之間的淡室和濃室。

其中，所述陽極室的尺寸為20×7×3.5cm，體積為490mL，有效截面積為140cm²；其內設有陽極1，陽極1的腔體中填充顆粒狀活性炭作為電極材料和載體供產電微生物附著生長，活性炭顆粒的直徑為～2mm，長度為～5mm；陽極的集電方式采用雙側集電，集電材料選用鈦網，鈦網孔徑約為0.2×0.2cm；陽極1上附著有陽極產電微生物如希瓦氏菌(Shewanella)等，并且通過外部電路與陰極室的陰極2連接。

陰極室的尺寸為20cm×7cm×6.5cm，體積為910mL，其內設有陰極2、過濾裝置3和曝氣裝置4，陰極2包括兩個陰極柱，分別設置于陰極室的相對兩側，其腔體內填充顆粒狀活性炭作為電極材料和載體供產電微生物附著生長，活性炭顆粒的直徑為～2mm，長度為～5mm，兩個陰極柱中活性炭填充床的厚度分別為3.0cm和2.0cm，均采用雙側集電方式，集電材料選用鈦網，鈦網孔徑約為0.2×0.2cm；陰極柱上附著有陽極產電微生物如地桿菌(Geobacter)等；過濾裝置3位于兩個陰極柱的中間上部，采用中空纖維膜作為過濾元件，中空纖維膜的內外直徑分別為1.0mm和1.9mm，平均孔徑為0.3μm，強度大于100N，總有效面積為40.2cm²；在所述過濾裝置的下方設有曝氣裝置，運行時進行曝氣，以實現產電、污染物深度去除及膜污染控制。

陽極和陰極之間交替設置有三對陽離子交換膜5和陰離子交換膜6，構成2個淡室和3個濃室，其中陽離子交換膜的交換容量為2.0mol/kg，陰離子交換膜的交換容量為1.8mol/kg，每個濃室和淡室的厚度均為0.5cm，空床體積為70mL。為降低所述過濾型生物陰極微生物脫鹽電池的內阻，在濃室和淡室中均填充混合陽離子交換樹脂(Na型，交換容量為4.2mmol/g)和陰離子交換樹脂(Cl型，交換容量為4.0mmol/g)作為離子導體，陰陽離子交換樹脂的重量填充比為1.4:1.0。

實施例2

以實際城市污水(COD：241.5±31.3mg/L，氨氮：66.6±3.7mg/L，總氮：68.6±5.8mg/L，總磷：5.9±0.4mg/L，電導率：1547.5±27.6μS/cm)為例，采用本發明方法及過濾型生物陰極微生物脫鹽電池進行處理。污水先以41mL/h的速度進入陽極(陽極空床水力停留時間為12h)，實現有機物的初步去除；之后陽極出水進入陰極，在陰極產電微生物、過濾裝置和曝氣裝置的共同作用下進一步去除懸浮顆粒物、細菌以及大分子有機物；接著陰極出水先盛裝在外部循環瓶中，每12h以9:1的體積比進入淡室(441mL)和濃室(49mL)(圖2)，實現鹽分的脫除。試驗中淡室和濃室間歇運行，濃室和淡室分別在外部循環瓶中循環，循環流量為12mL/min，脫鹽周期為12h。

實驗過程中定時測定陽極出水、陰極出水、濃室出水以及淡室出水的COD、電導率等指標，測試數據顯示，在連續運行105天過程中，本發明過濾型生物陰極微生物脫鹽電池的電流在3-17mA，經本發明過濾型生物陰極微生物脫鹽電池處理后，淡室出水的最終電導率均低于150μS/cm，達到了一級反滲透的電導率水平；與此同時，濃室出水的最終電導率均高于5700μS/cm，濃縮了大部分鹽分，幾乎所有的總磷(98.4％)以及部分總氮，實現了營養元素的濃縮及回收。

污水進水、陽極出水、陰極出水、濃室出水和淡室出水的COD測定結果如圖3所示。

從圖3可以看出，在連續運行105天過程中，經本發明過濾型生物陰極微生物脫鹽電池處理后淡室出水的COD值均低于40mg/L，達到了一級A級的水質標準。

按照實施例2的方法進行操作，選擇曝氣裝置的曝氣速率分別為0.2、0.6、1.8、10和60L/h，實驗過程中，測得該過濾型生物陰極微生物脫鹽電池的平均電流、陰極出水(陰極過濾液)的COD濃度、TMP增長速率和溶解氧濃度，并計算淡水脫鹽率/濃水濃縮率數據，結果見圖4。

從圖4可以看出，當陰極曝氣速率由60L/h降低到0.2L/h時，本發明過濾型生物陰極微生物脫鹽電池的平均電流仍然保持在>7mA，淡水脫鹽率保持在85％以上，濃水濃縮率大于600％；陰極出水COD和過濾膜的壓差增速隨著曝氣速率的降低而升高，但均分別低于40mg/L以及0.8kPa/d。表明該過濾型生物陰極微生物脫鹽電池具有較好產電、脫鹽、污水處理性能，且能耗較低、穩定性強。

在本發明中的提到的任何數值，如果在任何最低值和任何最高值之間只是有兩個單位的間隔，則包括從最低值到最高值的每次增加一個單位的所有值。例如，如果聲明一種組分的量，或諸如溫度、壓力、時間等工藝變量的值為50-90，在本說明書中它的意思是具體列舉了51-89、52-88……以及69-71以及70-71等數值。對于非整數的值，可以適當考慮以0.1、0.01、0.001或0.0001為一單位。這僅是一些特殊指明的例子。在本申請中，以相似方式，所列舉的最低值和最高值之間的數值的所有可能組合都被認為已經公開。

應當注意的是，以上所述的實施例僅用于解釋本發明，并不構成對本發明的任何限制。通過參照典型實施例對本發明進行了描述，但應當理解為其中所用的詞語為描述性和解釋性詞匯，而不是限定性詞匯。可以按規定在本發明權利要求的范圍內對本發明作出修改，以及在不背離本發明的范圍和精神內對本發明進行修訂。盡管其中描述的本發明涉及特定的方法、材料和實施例，但是并不意味著本發明限于其中公開的特定例，相反，本發明可擴展至其他所有具有相同功能的方法和應用。