一種微生物電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微生物電池技術領域，尤其是一種能夠同時去除污水有機物和鹽分的微生物電池。其包括：陽極室、集鹽室和陰極室，其中，所述陽極室與所述集鹽室由陽離子交換膜連接，所述集鹽室與所述陰極室由陰離子交換膜連接；以及能夠連通所述陽極室和所述陰極室的外部電阻或外加電源。本發(fā)明的微生物電池既能夠有效地去除污水中的有機物，又能夠有效地除去污水中的鹽分，克服了傳統(tǒng)的微生物電池不能同時有效去除污水中有機物和鹽分的缺陷。
【專利說明】
一種微生物電池
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及微生物電池技術領域，尤其是一種能夠同時去除污水有機物和鹽分的微生物電池。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的城市污水中均含有一定有機物和有鹽分。而工業(yè)廢水如食品加工、紡織印染、皮革制造、石油生產、藥物制造等所含鹽分和有機物濃度更高，其鹽分濃度能達到幾百克每升，而COD則能達到十萬以上，屬于高鹽、高氮、高有機物的污水。傳統(tǒng)的污水處理中對有機物的去除方法主要有活性污泥法和生物膜法等生物處理技術，然而工業(yè)廢水中的高含鹽量會抑制傳統(tǒng)生物方法中微生物的生長及活性，影響污水中有機物的去除效果。另一方面，常見的水體脫鹽方法包括反滲透、電滲析等，但它們均要求鹽水進水中不能含有太高的有機物，否則有機物形成的膜污染會迅速降低脫鹽裝置的壽命，使其無法正常運行。
[0003]微生物脫鹽電池(Microbial Desalinat1n Cell，MDC)作為一種新型的生物電化學技術，能夠同時實現(xiàn)污水處理、產電、脫鹽。其基本原理是在陽極和陰極產電微生物的作用下，陽極凈化污水并將污水中有機物的化學能轉化為電能，中間脫鹽腔體則在內部電場作用下實現(xiàn)含鹽水的淡化。由于具有這些特點，近些年微生物脫鹽電池受到了全球學者的廣泛關注，其性能也得到了大幅度提高。然而，傳統(tǒng)生物陰極微生物脫鹽電池也具有一些缺點:(I)陽極不能取得良好的有機物去除效果，尤其是難以對難降解污染物進行降解去除。
(2)無法對陽極和陰極污水中的鹽分進行去除。(3)中間脫鹽室無法對含有高濃度有機物的鹽水進行脫鹽，否則會導致膜污染和腔體堵塞。
[0004]因此如何找到一種能同時去除有機物和鹽分的水處理技術勢在必行。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供了一種微生物電池，其包括:陽極室、集鹽室、陰極室以及能夠連通所述陽極室和所述陰極室的外部電阻或外加電源；其中，所述陽極室與所述集鹽室由陽離子交換膜連接，所述集鹽室與所述陰極室由陰離子交換膜連接。其中，外部電阻可以為用電器。
[0006]本發(fā)明針對傳統(tǒng)生物工藝和脫鹽技術的不足，本工藝本著節(jié)能減排、能源回收的原則，針對污水中的污染物和其蘊含的化學能，研發(fā)了一種新型的微生物電池，其陽極室內含有陽極，陽極上附著陽極厭氧產電微生物，能實現(xiàn)有機物的氧化并產生電子;其陰極室內設有陰極，陰極上附著陰極好氧產電微生物，能實現(xiàn)氧氣的還原并接收電子。同時陽極的厭氧微生物和陰極的好氧微生物還能實現(xiàn)有機物的降解。陽極和陰極間的離子交換膜對形成集鹽室，在電場作用下能收集由與其相鄰的陽極室和陰極室內的污水中迀移過來的鹽分離子，巧妙地實現(xiàn)了鹽分在陰陽極污水中的脫除和在集鹽室的回收。集鹽室中可以填充有混合的陰陽離子交換樹脂，以降低微生物脫鹽電池內阻，強化產電脫鹽效果。因此，本發(fā)明的微生物電池既能夠有效地去除污水中的有機物，又能夠有效地降低污水中的鹽濃度，克服了傳統(tǒng)的微生物電池不能同時有效去除有機物和鹽分的缺陷。
[0007]在一個具體實施例中，所述陰極室內還設有曝氣裝置。通過曝氣裝置向陰極室內輸送空氣或氧氣，可以保證好氧微生物的正常生長，從而有利于污水中的有機物及難降解有機物等污染物的去除。
[0008]在一個具體實施例中，所述微生物電池為多級串聯(lián)式的微生物電池。通過多級串聯(lián)多個陽極室、集鹽室和陰極室，可以實現(xiàn)污水的逐級凈化，直到滿足需求為止。
[0009]在一個具體實施例中，所述陽極室和所述陰極室分別設有入水口和出水口，且所述微生物電池的所述陽極室和所述陰極室一端連通。如此可以實現(xiàn)了污水的循環(huán)供給，可以大大提高污水處理的工作效率。
[0010]在一個具體實施例中，所述陽極室和所述陰極室獨立地與鹽濃度檢測裝置相連。通過陽極室和所述陰極室獨立地與鹽濃度檢測裝置的相連，可以實現(xiàn)自動化控制。例如，將微生物電池中的陽極室和陰極室分別和鹽濃度檢測裝置相連，便能夠實時監(jiān)測每個陽極室和陰極室內的鹽濃度，當處理后的污水的鹽濃度低于檢測裝置的設定值時，可以輔以相應的自動化操作收集鹽濃度處理合格的污水。
[0011]在一個具體實施例中，所述陽極室和所述陰極室獨立地與COD檢測裝置相連。通過陽極室和所述陰極室獨立地與COD檢測裝置的相連，同樣可以實現(xiàn)自動化控制。例如，將微生物電池中的陽極室和陰極室分別和COD檢測裝置相連，便能夠實時監(jiān)測每個陽極室和陰極室內的COD值等指標，當處理后的污水的COD值等指標低于檢測裝置的設定值時，可以輔以相應的自動化操作收集COD值等指標處理合格的污水。
[0012]而且，進一步的，所述鹽濃度檢測裝置和COD檢測裝置可以集成為一個統(tǒng)一的檢測裝置，從而更有利于監(jiān)測污水的各個指標。所述鹽濃度檢測裝置和所述COD檢測裝置為兩者的集成式檢測裝置。
[0013]在一個具體實施例中陽極材料和陰極材料獨立地選自活性炭顆粒、石墨顆粒、碳租和碳刷中的至少一種填料，優(yōu)選所述填料的等效粒度為0.5-lcm。該粒徑可以很好防止填料堵塞，且具有較大的表面積供微生物附著生長，利于產電和污染物降解。
[0014]在一個具體實施例中陽極用微生物接種于污水處理廠厭氧污泥，其含有希瓦氏菌(Shewanella)等厭氧或兼性厭氧產電菌;和/或陰極用微生物接種于污水處理廠好氧污泥，其含有地桿菌(Geobacter)等氧氣還原催化產電菌。
[0015]在一個具體實施例中，所述陽離子交換膜為電滲析陽離子交換膜;所述陰離子交換膜為電滲析陰離子交換膜;優(yōu)選所述電滲析陽離子交換膜和所述電滲析陰離子交換膜的厚度獨立地為0.2-1.0mm，優(yōu)選為0.2-0.5mm;更優(yōu)選所述電滲析陽離子交換膜和所述電滲析陰離子交換膜的透過率獨立地不小于90%，爆破強度獨立地不小于0.3MPa。
[0016]在一個具體實施例中，在所述集鹽室內含有混合的陰陽離子交換樹脂，其能夠降低微生物脫鹽電池的內阻，強化產電和脫鹽。所述混合陰陽離子交樹脂可為強酸性陽離子交換樹脂和強堿性陰離子交換樹脂的混合物，或者弱酸性陽離子交換樹脂和弱堿性陰離子交換樹脂的混合物。
【附圖說明】
[0017]圖1是一種多級浸沒式微生物電池及其運行流程示意圖。
[0018]圖2是另一種多級浸沒式微生物電池及其運行流程示意圖。
[0019]圖中:1_陽極室；2-陰極室;3-陽離子交換膜;4-陰離子交換膜;5-集鹽室(內部填充混合陰陽離子交換樹脂)；6_曝氣裝置;7-外部電阻；8-外加電源(根據(jù)條件選擇加或不加，加電時可以強化廢水的脫鹽效果)；9_污水進水;10-污水出水;11-集鹽室進水口 ； 12-集鹽室出水口。
【具體實施方式】
[0020]下面結合實施例及附圖對本發(fā)明做以下詳細說明。
[0021]實施例1
[0022]如圖1所示，微生物電池可以被陽離子交換膜和陰離子交換膜分隔為2n+l個腔室，其中η為自然數(shù);微生物電池被分割后得到的腔室包括陽極室1、陰極室2和集鹽室5。陽離子交換膜3設在靠近陽極室的一側，陰離子交換膜4設在靠近陰極室的一側，陽離子交換膜3和陰離子交換膜4之間形成的腔室即為集鹽室5，這樣可以構成一個微生物電池。另外，對于多級串聯(lián)式的多個微生物電池，陽極室和陰極室必須交替設置，且陽極室和陰極室之間設有集鹽室5，微生物電池兩端的腔室可以均為陽極室，也可以均為陰極室，還可以是一個陽極室和一個陰極室。或多個微生物電池。通過多級串聯(lián)式形成的多個微生物電池(即微生物電池組)，可以實現(xiàn)污水的逐級凈化，直到滿足需求為止。
[0023]所述陽極室I和所述陰極室2還可以分別設有入水口和出水口，且所述微生物電池的所述陽極室的一端和所述陰極室的一端連通。如此可以實現(xiàn)了污水的循環(huán)供給，可以大大提高污水處理的工作效率。其中，所述陽極室的一端和所述陰極室的一端連通，可以通過陽極室出水口和陰極室的入水口連通，或者通過陰極室出水口和陽極室的入水口連通，具體的出水口和入水口的連通視陽極室和陰極室所處的位置而定，這是本領域技術人員容易理解的。其目的是為了實現(xiàn)微生物電池的多級串聯(lián)。
[0024]所述陽極室和所述陰極室還可以獨立地與鹽濃度檢測裝置相連。通過陽極室和所述陰極室獨立地與鹽濃度檢測裝置的相連，可以實現(xiàn)自動化控制。例如，將微生物電池中的陽極室和陰極室分別和鹽濃度檢測裝置相連，便能夠實時監(jiān)測每個極室(陽極室和陰極室)內的鹽濃度，當處理后的污水的鹽濃度低于檢測裝置的設定值時，可以輔以相應的自動化操作收集鹽濃度處理合格的污水。
[0025]在一個具體實施例中，所述陽極室和所述陰極室獨立地與COD檢測裝置相連。通過陽極室和所述陰極室獨立地與COD檢測裝置的相連，同樣可以實現(xiàn)自動化控制。例如，將微生物電池中的陽極室和陰極室分別和COD檢測裝置相連，便能夠實時監(jiān)測每個極室(陽極室和陰極室)內的COD值等指標，當處理后的污水的COD值等指標低于檢測裝置的設定值時，可以輔以相應的自動化操作收集COD值等指標處理合格的污水。
[0026]而且，進一步的，所述鹽濃度檢測裝置和COD檢測裝置可以集成為一個統(tǒng)一的檢測裝置，從而更有利于監(jiān)測污水的各個指標。
[0027]在上述檢測裝置中還可以包括可視化輸出的處理后的污水的鹽離子濃度值和/或COD 值。
[0028]微生物電池中的單個陽極元件所在的陽極室的尺寸可以為20X 7 X 3cm(空床體積為420mL)，陽極元件內填充柱狀顆活性炭直徑和長度分別為5mm和1mm，活性炭顆粒的集電材料為鈦網(wǎng)。該微生物電池中的單個陰極元件所在的陰極室的尺寸為20 X 7 X 4cm(空床體積為560mL)，陰極元件內填充柱狀顆活性炭直徑和長度分別為5mm和10mm，活性炭顆粒的集電材料為鈦網(wǎng)。在陰極元件所在的陰極室的底部設置有空氣或氧氣的曝氣裝置6。
[0029]每個陽極元件和陰極元件之間設有成對的陽離子交換膜3(2.0mol/kg，上海上化公司)和陰離子交換膜4(1.8mol/kg，上海上化公司)構成的膜對，其中陽離子交換膜3靠近陽極元件，陰離子交換膜4靠近陰極元件，成對的離子交換膜3和4與微生物電池的壁圍合成集鹽室5，在圖1中形成了3個集鹽室5。集鹽室5的尺寸為20 X 7 X 0.5cm，厚度為0.5cm，膜面積為140cm2，體積為70mL。集鹽室5中填充混合陽離子交換樹脂(Na型，4.2mmoI/g，國藥集團)和陰離子交換樹脂(Cl型，3.0mmol/g，國藥集團)。陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂的顆粒粒徑為0.5-1.0mm，陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂混合填充重量比例為1: 1.4。
[0030]陽極室內使用的厭氧微生物可以接種于污水處理廠的厭氧污泥，其含有希瓦氏菌(Shewane Ila)等厭氧或兼性厭氧產電菌。
[0031]陰極室內使用的好氧微生物可以接種于污水處理廠的好氧污泥，其含有地桿菌(Geobacter)等氧氣還原催化產電菌。
[0032]實施例2
[0033]將實施例1中設計的如圖1的微生物電池用于生活污水和工業(yè)廢水的處理。具體來講，陽極室內的微生物接種于污水處理廠的厭氧污泥，陰極室內的微生物接種于污水處理廠的好氧污泥。在運行過程中采用實際污水的C0D:>250mg/L，電導率:>500yS/cm)，運行方式為推流式。即污水先以35mL/h的速度通過栗的栗入進入陽極室(在陽極空床水力停留時間為12h)，實現(xiàn)有機物的初步去除。之后初步去除有機質和鹽的污水從該陽極室出水進入陰極室，在陰極曝氣頭產生的好氧情況下進一步去除有機物，同時除去鹽離子。接著該陰極室出水進入下一級的陽極室以及隨后進入與該下一級的陽極室相通的陰極室，實現(xiàn)一般有機物的深度去除、難降解有機物的降解、氮的硝化反硝化、以及磷的吸收和釋放，實現(xiàn)污水的深度處理凈化。與此同時，不含有機物的集鹽水(自來水、去離子水等等)逆向串聯(lián)流入陽極室和陰極室間的集鹽室5(即串聯(lián)的集鹽室內的集鹽水的流向與連通的陽極室和陰極室內的污水的流向相反)，在電場的作用下收集從陽極室I和陰極室2的廢水中迀移過來的鹽分，實現(xiàn)廢水中鹽分的去除和集鹽室5中鹽分的回收。為了強化對廢水的脫鹽效果，在MDC自身產電不足的情況下，可以外加電源，以強化脫鹽同時促進陽極和陰極的微生物的生長。
[0034]雖然本發(fā)明已經參照其【具體實施方式】進行了描述，但是本領域的技術人員應該理解在沒有脫離本發(fā)明的真正的精神和范圍的情況下，可以進行的各種改變。此外，可以對本發(fā)明的主體、精神和范圍進行多種改變以適應特定的情形、材料、材料組合物、方法、方法步驟或步驟。所有的這些改變均包括在本發(fā)明的權利要求的范圍內。
【主權項】
1.一種微生物電池，其包括: 陽極室、集鹽室、陰極室以及能夠連通所述陽極室和所述陰極室的外部電阻或外加電源;其中，所述陽極室與所述集鹽室由陽離子交換膜連接，所述集鹽室與所述陰極室由陰離子交換膜連接。2.根據(jù)權利要求1所述的微生物電池，其特征在于，所述陰極室內還設有曝氣裝置。3.根據(jù)權利要求1或2所述的微生物電池，其特征在于，所述微生物電池為多級串聯(lián)式。4.根據(jù)權利要求1或2所述的微生物電池，其特征在于，所述陽極室和所述陰極室分別設有入水口和出水口，且所述陽極室的一端和所述陰極室的一端連通。5.根據(jù)權利要求1或2所述的微生物電池，其特征在于，陽極材料和陰極材料獨立地選自活性炭顆粒、石墨顆粒、碳氈和碳刷中的至少一種填料。6.根據(jù)權利要求5所述的微生物電池，其特征在于，所述填料的等效粒度為0.5-lcm。7.根據(jù)權利要求1或2所述的微生物電池，其特征在于，陽極用微生物為厭氧和/或兼性厭氧產電菌;和/或陰極用微生物為氧氣還原催化產電菌。8.根據(jù)權利要求7所述的微生物電池，其特征在于，所述陽極用微生物為希瓦氏菌(Shewanella);所述陰極用微生物為地桿菌(Geobacter)。9.根據(jù)權利要求1或2所述的微生物電池，其特征在于，所述陽離子交換膜為電滲析陽離子交換膜;所述陰離子交換膜為電滲析陰離子交換膜;優(yōu)選所述電滲析陽離子交換膜和所述電滲析陰離子交換膜的厚度獨立地為0.2-1.0mm;更優(yōu)選所述電滲析陽離子交換膜和所述電滲析陰離子交換膜的透過率獨立地不小于90%，爆破強度獨立地不小于0.3MPa。10.根據(jù)權利要求1或2所述的微生物電池，其特征在于，在所述集鹽室內含有混合的陰陽離子交換樹脂，所述混合陰陽離子交樹脂選自強酸性陽離子交換樹脂和強堿性陰離子交換樹脂的混合物，或者弱酸性陽離子交換樹脂和弱堿性陰離子交換樹脂的混合物。
【文檔編號】C02F3/34GK105836873SQ201610296988
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】黃霞, 左魁昌, 陳熹, 梁鵬, 張瀟源
【申請人】清華大學