一种集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器的制造方法
【专利摘要】一种集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器，属于环保技术与新能源领域。其特征是在反应器中利用聚合物基导电复合膜作为电极，厌氧区的阳极接种产电菌，废水首先进入厌氧区，再进入好氧区，由好氧微生物进一步去除水中污染物，阴极膜过滤出水；阳极和阴极交替布置，并通过外电路相连，从而将存在于废水有机污染物中的部分化学能直接转化为电能。本发明的效果和益处是阴极和阳极同时使用导电膜材料，使反应器在降解废水的同时实现电能输出，实现节能减排、回收能源，环境效益、经济效益与社会效益明显。
【专利说明】一种集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器
【技术领域】
[0001]本发明属于新能源与环境保护【技术领域】，涉及到废水处理与能源回收利用的领域，特别涉及到直接将化学能转化为电能的一种集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器。
【背景技术】
[0002]MBR因其具有较高的污水处理效率和较小的占地面积受到广泛的关注。但是膜污染和高能耗问题制约了它的发展。目前大量的研究集中在开发具有高通量、抗污染性能好的膜材料；另外，在膜上施加微电场、微磁场也是减缓膜污染的有效途径。近年来由于导电膜施加微电场可以有效的减缓膜污染受到广泛的关注。目前大多数导电膜集中在研究碳材料及金属氧化物材料上。碳材料虽然它导电性能好，但是不易聚合，性能难以优化并且成本高昂，难以应用到实际废水处理中；金属氧化物材料具有良好的催化性能，但是存在长期运行稳定性问题，并且其成本也较高，在实际应用中存在很大的局限性。有机聚合物材料由于成本低廉，来源广泛，并且它的氧化还原过程完全可逆，在实际废水处理中具备潜在的开发价值。在《美国科学院学报》(2012) 1-6中潘丽佳等人介绍了用苯胺和植酸聚合形成凝胶并附者于碳布上形成高导电性的有机复合物碳膜材料，但是碳布价格高昂，难以应用于实际废水处理中；在专利号为CN103100314A的专利中柳丽芬、李娜等公开了一种将苯胺植酸凝胶聚合于滤布上从而制得了复合物基导电膜的方法，但是在她介绍的反应器构型中阳极采用石墨颗粒，且阴极面积小，可处理的废水量有限；在由英国出版的《生物能源技术》杂志上2009 (100) 2551-2555中Zhongjian Li等人介绍的微生物燃料电池构型是将环形阳极置于环形阴极外侧，阳极与阴极采用导电材料，但是阴极的导电材料没有过滤性能。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供了一种新型的集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器构型，此种构型简化了反应器结构，缩短了电极间距，实现了流动与传质的强化；反应器采用成本低廉的有机复合物导电膜材料作为阳极与阴极膜，解决了膜生物反应器成本高昂的问题；反应器中阳极与阴极膜过滤面积增大，按比例的放大阴极与阳极能够应用于实际废水处理；反应器能够将废水的部分化学能直接转化为电能利用。
[0004]本发明的技术方案是:
[0005]I)阳极与阴极材料都用有机复合物导电膜制得。
[0006]2)反应器构型有环形构型和平板构型两种。
[0007]3)在环形构型的集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器中，阳极膜与阴极膜同时做成圆柱形环状，反应器构型有两种方案:一种是阳极作为内环置于阴极膜中处于厌氧环境，阴极膜作为外环处于好氧环境，阳极区与阴极区之间采用隔氧介质隔开；另一种是阳极膜作为外环，阴极膜作为内环置于阳极膜内，内环处于好氧环境，外环处于厌氧环境；环形的电极由双层膜里面包覆多孔支撑材料塑料网缝合而成；阳极环状膜与阴极环状膜面积相差不大，阳极环状膜电极与阴极环状膜电极间距10mm。
[0008]4)平板构型的集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器为细而高的构型。反应器共设有三个阴极膜组件，两个阳极膜组件，阴阳两极膜组件构型均为封闭的长方体，阳极相对高于阴极；膜组件采用阴极-阳极-阴极-阳极-阴极形式，用卡槽卡住布置于反应器中；阴阳两极封闭长方体均由两块平板组成，在每块平板上打两排平行的长方形孔；为连接出水管，阴极长方体顶端接圆管，为阳极内水自行溢流，阳极长方体顶端设圆孔；反应器底座上设有总入水口，经两通分别用胶皮管与两个阳极连接，用于阳极进水；曝气总入口与总进水口相对，置于反应器另一面，经三通用胶皮管与三个阴极分别连接，对阴极进行曝气；本发明主要特点是两极内均保持细长而狭窄的空间。
[0009]5)在环形构型的集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器跟同等大小的反应器相比，阴极膜过滤面积增大一倍以上，提高了污水处理效率，按比例放大能够应用于实际废水处理。
[0010]6)在环形构型的集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器中，还可以将阴极膜的上半部分垂直暴露于空气中，关闭曝气，形成空气阴极。
[0011]7)作阳极的有机复合物导电膜由苯胺植酸凝胶聚合而成；作阴极的有机聚合物导电膜有两种:一种是阴极材料与阳极材料一致；一种是阴极材料由苯胺植酸凝胶掺杂离子液体聚合而成。
[0012]8)将有机聚合物导电膜材料作为阳极和阴极膜置于反应器中，阳极与阴极膜交替放置，进水首先进入厌氧的阳极区，然后进入好氧的阴极区。
[0013]9)阳极与阴极膜用碳纤维布连接到外电路，阴极膜通过抽吸泵过滤出水。
[0014]10)阳极与阴极之间用不透氧介质隔开，达到阳极区的厌氧环境。
[0015]11)运行初期，阳 极负载产电菌，利用产电菌氧化底物，产生电子。
[0016]12)阳极区的产电菌产生电子，电子通过外电路到达阴极膜，在阴极膜上电子与氧气结合产生水。
[0017]本发明的效果和益处是作为电极的有机聚合物导电膜成本低廉，来源广泛，实用价值高；阴极膜面积增大，提升了过滤效率；阳极与阴极的面积较大，可按比例的应用于实际废水处理中；反应器在高效处理污水的同时实现电能输出，达到能源回收利用的目标；此构型的反应器减小了污水处理的占地面积，阴极采用导电膜集废水处理与电能输出为一体，反应器中的微电场有效地减缓了膜污染。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]附图1是环形构型集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器示意图侧视图。
[0019]图中:①进水口；②出水蠕动泵；③环形膜组件兼阴极；④阳极；⑤曝气装置。
[0020]附图2是环形构型集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器示意图俯视图。
[0021]图中:⑥隔氧膜材料。
[0022]附图3是平板构型集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器示意图。
[0023]图中:1进水口 ；2曝气孔；3阳极膜组件；4阴极膜组件；5出水泵；6阴极导出碳纤维线；7阳极导出碳纤维线；8外接电阻；9计算机。
[0024]附图4是集废水处理与电能输出一体化装置电池电势图。
[0025]图中表示反应器运行期间阳极电势(V)随时间(h)的变化图。图中横坐标表示反应器运行时间，纵坐标表示阳极电势，外电阻为500Ω ;从图中看到阳极电势在很长一段时间内呈现出相对稳定的电势。
[0026]附图5是集废水处理与电能输出一体化装置阳极电势图。
[0027]图中表示运行期间电池电势(V)随时间(h)的变化图。图中横坐标表示反应器运行时间，纵坐标表示电池电势，外电阻为500Ω ;图中显示反应器在运行很长一段时间内呈现较高的电池电势，之后随着时间的延长出现膜污染，电池电势减弱。【具体实施方式】
[0028]以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。
[0029]实施例1
[0030]反应器采用环形构型反应器，阳极置于内环，阴极置于外环。阴极与阳极用苯胺和植酸在滤布表面聚合形成聚合物基导电复合膜。反应器运行前期阳极首先引入产电的希瓦氏菌，培养7天，定期添加营养物，完成菌种挂膜。将碳纤维丝作为导线贯穿于聚合物基导电复合膜上，并且将它作为导线与外电路连接，外接500 Ω电阻。利用气体流量计调节曝气量大小，使好氧区的阴极溶解氧保持正常水平。进水首先进入阳极区，然后进入阴极区。反应器运行稳定期间，电池电势达0.12V，阳极电势达0.4V，COD去除率高达99.5%。
[0031]实施例2
[0032]反应器采用环形构型.反应器，阳极置于外环，阴极置于外环。阳极面积大于阴极面积，阳极与阴极膜都采用苯胺和植酸在滤布表面聚合形成聚合物基导电复合膜材料，外接500 Ω电阻，运行稳定期电池电势最高达到0.13V。
[0033]实施例3
[0034]反应器采用环形构型反应器，阳极置于外环，阴极置于外环。阳极膜用苯胺植酸在滤布表面聚合形成聚合物基导电复合膜材料，阴极采用苯胺和植酸掺杂1-丁基-3-甲基咪唑溴盐离子液体在滤布表面聚合形成有机聚合物基导电复合膜材料，阴极关闭曝气，将部分阴极材料暴露于空气中，形成空气阴极，外接500Ω运行稳定期电池电势最高达到
0.17V。
[0035]实施例4
[0036]此实例为平板式废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器。该反应器设有三个阴极，两个阳极，阴阳极膜组件构型均为封闭的长方体，宽均为5_ ;阴极长方体由长150mm,宽50mm的两块平板组成封闭长方体,在每块平板上打两排长15mm,宽3mm的长方形孔以利于污水的进入，长方形所在区域距平板上下两侧分别为15mm、5mm，距平板左右两侧均为5_，为连接出水管，阴极长方体顶端接有直径为5_的圆管；阳极长方体由长200mm,宽50mm的两块平板组成,在每块平板上打两排长15mm,宽3mm的长方形孔以利于微生物与膜接触与电子的导出，长方形所在区域距平板上下两侧分别为15mm、70mm，距平板左右两侧均为5_，阳极顶端直径5mm圆孔出水。膜组件采用阴极_阳极_阴极_阳极_阴极形式，用卡槽间歇布置于反应器中，膜组件间距均为10mm。
[0037]应用苯胺和植酸在滤布表面聚合形成导电复合膜，将其用玻璃胶黏在每个膜组件两侧，为了使两极具有更好的导电性将碳纤维丝用导电胶竖直粘在膜组件两侧膜上。阳极为保持厌氧环境使厌氧希瓦式菌更好的生长，阳极膜组件用亲水的保鲜膜包裹；阴极膜组件下方放置曝气头，由流量计控制流速。
[0038]污水从阳极底端支座上的总入水口由泵打入，由反应器两通分别打入阳极，自下而上流动，由阳极顶端圆孔流出；在厌氧的条件下阳极内污染物经希瓦式菌降解产生电子，电子由碳纤维丝导出，流经500 Ω外电阻，电极电势0.1v,阳极电势0.4v ;污水经厌氧降解后，通过阴极膜过滤 进入阴极，由泵抽出，COD去除率99%。
【权利要求】
1.一种集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器，其特征是:聚合物基导电复合膜作为阳极和阴极，阳极膜与阴极膜采用环形构型或者平板构型，阳极与阴极膜交替放置，阳极与阴极间距为10mm，中间放置隔氧材料，阳极区厌氧，阴极区好氧，废水先进入厌氧区后进入好氧区，阳极负载产电菌，连接外电路，构成了电能输出与废水处理一体化的膜生物反应器。
2.根据权利要求1所述的一种集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器，其特征是:环形构型的反应器中阴极与阳极是由双层有机复合膜包覆多孔支撑材料塑料网制成的圆柱状膜，阴极与阳极位置能够实现互换，将阳极置于外环，阴极置于内环，或者将阳极置于内环，阴极置于外环；平板构型的反应器阴阳极膜组件构型均为细长而封闭的长方体，膜组件采用阴极-阳极-阴极-阳极-阴极形式，用卡槽间歇布置于反应器中。
3.根据权利·要求1所述的一种集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器，其特征是:环形构型的反应器中阴极膜相比于同等大小的反应器过滤面积增加一倍以上；平板构型的聚合物基导电复合膜用玻璃胶黏在每个膜组件两侧，碳纤维丝用导电胶竖直粘在膜组件两侧膜上。
4.根据权利要求1所述的一种集废水处理与电能输出一体化的有机膜膜生物反应器，其特征是:环形构型的反应器中阴极膜的上半部分垂直暴露于空气中，关闭曝气泵，形成空气阴极。
【文档编号】C02F3/30GK103435159SQ201310350195
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月13日 优先权日:2013年8月13日
【发明者】柳丽芬, 李益华, 于婷婷, 李娜, 杨凤林 申请人:大连理工大学