專利名稱：一種直接耦合膜生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的反應(yīng)器和廢水處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源和環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及膜生物反應(yīng)器(MBR)及微生物燃料電池(MFC)。利用MBR處理污染物、利用MFC產(chǎn)生電能。
背景技術(shù)：
MBR因其較好的處理效果，目前受到越來越廣泛的關(guān)注，制約其應(yīng)用的膜污染問題和高能耗問題，一直是國(guó)內(nèi)外研究的前沿和熱點(diǎn)；一方面研發(fā)高通量、抗污染的新型膜材料，另一方面利用曝氣、震動(dòng)、超聲、電場(chǎng)減緩膜污染物的吸附沉積。而簡(jiǎn)便、節(jié)能、高效的膜污染控制技術(shù)很少見。膜污染主要由帶負(fù)電荷的污泥及膠體所致，因此目前已有利用電場(chǎng)控制膜污染的相關(guān)報(bào)道。主要是利用同性電荷互相排斥的原理，排斥并使膜污染物離開膜面，不被吸附和沉積，達(dá)到控制膜污染的目的(Kazuki Akamatsu et. al. Development of a novel fouling suppression system in membrane bioreactors using an intermittent electric field, water research. 2010.)。盡管該法簡(jiǎn)便易行,但需要供電裝置及控制設(shè)備，且存在額外能耗，因此不利于節(jié)能和運(yùn)行成本控制。MFC作為一種利用微生物將有機(jī)污染物直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益明顯，但較低的產(chǎn)電能力和難以擴(kuò)大應(yīng)用的局限性一直制約其發(fā)展。因此，目前多數(shù)研究者將目光聚集于利用MFC處理污染物及脫鹽。利用MFC處理污染物主要分兩類一是利用厭氧生物膜陽極氧化分解有機(jī)污染物；二是在陰極，利用氧化態(tài)污染物作為電子受體，使其得到還原。而MFC脫鹽則需要借助離子交換膜的選擇性透過，在陰極和陽極的作用下達(dá)到去除鹽水中陰陽離子的目的。MFC陽極為厭氧反應(yīng)，出水存在濁度高的問題，出水需進(jìn)一步處理；而利用MFC脫鹽則需要昂貴的離子交換膜。目前也存在將不銹鋼網(wǎng)作為陰極，陽極置于其中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電和膜分離的報(bào)道，但其裝置并未簡(jiǎn)化，且膜填充密度較低，不利于實(shí)際應(yīng)用(Yun-Kun Wang et. al. Development of a Novel Bioelectrochemical Membrane Reactor for Wastewater Treatment. Environ. Sci. Technol. 2011,9256-9261.)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種直接耦合MBR和MFC的裝置，實(shí)現(xiàn)高效去除污染物的同時(shí)產(chǎn)生電能。本發(fā)明的技術(shù)方案是I)將導(dǎo)電膜材料用于傳統(tǒng)膜生物反應(yīng)器，作為陰極及過濾介質(zhì)，接受電子及過濾出水，利用懸浮污泥處理污染物；
2)利用金屬催化劑改性導(dǎo)電膜材料，提高其還原反應(yīng)效率；3)將導(dǎo)電基底(鐵、鋁)負(fù)載生物膜，作為陽極，利用產(chǎn)電微生物氧化底物，產(chǎn)生電子;4)利用碳?xì)肿鳛殛枠O，增大生物膜負(fù)載量，形成生物膜膜生物反應(yīng)器與微生物燃料電池耦合裝置。本發(fā)明的效果和益處是操作簡(jiǎn)便，可直接對(duì)已有的MBR反應(yīng)器進(jìn)行改裝，在保持原有處理效果的同時(shí)產(chǎn)生電能，控制膜污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及社會(huì)效益明顯。


圖I是MBR-MFC耦合裝置示意圖。圖2是MBR-MFC耦合裝置與對(duì)照裝置跨膜壓差對(duì)比圖。圖3是MBR-MFC耦合裝置產(chǎn)生電壓變化圖。圖I中1外接電阻；2陽極；3膜組件兼陰極；4真空表；5出水蠕動(dòng)泵；6曝氣裝置。圖2是MBR-MFC耦合裝置與對(duì)照裝置跨膜壓差對(duì)比圖。橫坐標(biāo)為反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間， 縱坐標(biāo)分別表示跨膜壓力(MPa)的變化情況。圓圈符號(hào) 表示MBR-MFC耦合裝置的跨膜壓力的變化情況；四方符號(hào)▲表示對(duì)照組的跨膜壓力的變化情況(除未將陽極與陰極經(jīng)外電路連通之外，對(duì)照組的設(shè)置與MBR-MFC耦合裝置完全一致，虛線表示膜清洗及過濾周期的結(jié)束)。從圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)在MBR-MFC耦合裝置中，MBR的跨膜壓差的增加明顯減緩，膜清洗次數(shù)減少，膜污染得到控制。圖3的橫坐標(biāo)為反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間，縱坐標(biāo)分別表示電壓(V)的變化情況，在外接電阻為100Q時(shí)，產(chǎn)生電壓為0. 2V左右，且較穩(wěn)定。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。實(shí)例I用苯胺或吡咯蒸汽等在滌綸濾布表面聚合，形成穩(wěn)定致密的導(dǎo)電層，使膜材料導(dǎo)電，使膜材料具有導(dǎo)電作陰極的能力，避免設(shè)置額外的陰極，節(jié)約反應(yīng)器空間。用緊固螺栓將膜組件3裝配好，將組裝好的內(nèi)置電極膜組件及鐵陽極2置于反應(yīng)器，以外接電阻I將陽極和陰極用導(dǎo)線連接，陽極用不銹鋼絲導(dǎo)線，陰極用銅絲做導(dǎo)線。反應(yīng)器組成如附圖I所示，運(yùn)行中控制進(jìn)水流入反應(yīng)器的速度并保持其液位恒定。利用曝氣系統(tǒng)的曝氣泵6和氣體流量計(jì)調(diào)節(jié)氣體流量。開啟泵5啟動(dòng)出水系統(tǒng)，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速至適當(dāng)值。通過真空表4監(jiān)測(cè)跨膜壓力，通量測(cè)量則采用量筒接取一個(gè)抽停周期的出水計(jì)算獲得。電場(chǎng)和出水開停時(shí)間由定時(shí)開關(guān)控制。觀測(cè)到MBR中跨膜壓力的上升趨勢(shì)見附圖2。說明陽極產(chǎn)生的絮凝劑及陰極表面負(fù)電荷顯著提高了膜的抗污染性能，保持了較長(zhǎng)的過濾周期。MFC產(chǎn)電情況見附圖3。實(shí)例2由于在MFC陽極面積越大，負(fù)載的產(chǎn)電微生物越多，因此利用碳?xì)值榷嗫讓?dǎo)電材料作為陽極，微生物在其上形成生物膜，將導(dǎo)電陰極與負(fù)載大量生物膜的陽極按實(shí)例2裝配，形成生物膜-膜生物反應(yīng)器，此時(shí)保持了較高的廢水處理能力，同時(shí)增大了反應(yīng)器產(chǎn)電能力。廢水有機(jī)質(zhì)中用于產(chǎn)電的比例得到提高。實(shí)例3
鐵或鋁作為陽極，根據(jù)實(shí)例I進(jìn)行的操作同時(shí)提高反應(yīng)器除磷能力。實(shí)例4以導(dǎo)電的碳膜作陰極、碳?xì)肿麝枠O構(gòu)成組合MBR-MFC新型反應(yīng)器系統(tǒng)，也具有生物陽極產(chǎn)電行為和抑制減緩膜污染的性能。實(shí)例5在陰極上負(fù)載催化氧還原的催化劑，直接耦合MBR-MFC中，部分陽極于陰極膜構(gòu)成MFC回路，部分陽極與非濾膜但負(fù)載催化劑的陰極構(gòu)成MFC回路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)生物產(chǎn)電及其原位利用，催化氧還原引發(fā)對(duì)難降解污染物的氧化降解作用。顯示提高的廢水處理效果。該催化劑包括石墨烯、Fe2O3和MnO2金屬氧化物。
權(quán)利要求
1.一種直接耦合膜生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的反應(yīng)器和廢水處理方法，其特征在于利用導(dǎo)電膜材料作為陰極及平板膜組件過濾介質(zhì)，導(dǎo)電材料作為基底負(fù)載生物膜作為陽極，構(gòu)成膜生物反應(yīng)器及微生物燃料電池的耦合裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種直接耦合膜生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的反應(yīng)器和廢水處理方法，其特征在于作為陰極的導(dǎo)電膜材料由導(dǎo)電聚合物聚吡咯改性得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種直接耦合膜生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的反應(yīng)器和廢水處理方法，其特征在于陽極采用鐵或者鋁材料，其腐蝕過程產(chǎn)生絮凝劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種直接耦合膜生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的反應(yīng)器和廢水處理方法，其特征在于陽極采用碳纖維材料，增加微生物掛膜量，形成生物膜膜生物反應(yīng)器。
全文摘要
一種直接耦合膜生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的反應(yīng)器和廢水處理方法，屬于新能源和環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域。其特征是本發(fā)明將導(dǎo)電材料作為平板膜膜生物反應(yīng)器(MFC)的過濾介質(zhì)，同時(shí)作為微生物燃料電池(MFC)的陰極，實(shí)現(xiàn)MBR和MFC的直接耦合。反應(yīng)器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)污染物的去除和直接向電能的轉(zhuǎn)化。膜陰極表面積聚的負(fù)電荷以及犧牲陽極釋放的絮凝劑有利于膜污染的控制。使用多孔碳材料作為陽極可以提高陽極生物膜負(fù)載量，形成生物膜反應(yīng)器，并提高產(chǎn)電能力。本發(fā)明的效果和益處是操作簡(jiǎn)便，可直接對(duì)已有的MBR反應(yīng)器進(jìn)行改裝，在保持原有處理效果的同時(shí)產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及社會(huì)效益明顯。
文檔編號(hào)C02F3/00GK102616918SQ20121008107
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者劉嘉棟, 楊鳳林, 柳麗芬, 陳會(huì)萍, 高波 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)