一种过滤型生物阴极微生物脱盐电池的制作方法

本实用新型属于污水处理技术领域，涉及一种过滤型生物阴极微生物脱盐电池。

背景技术：

污水中的有机物蕴含有大量的化学能，其化学能的能量密度约为1.93kW/m³，远高于污水处理过程中需要消耗的能量。然而，传统的污水处理则是通过消耗巨大能量(如曝气、水泵等等)来实现污水中有机物的氧化分解，没有有效回收利用污水中化学能。因而，传统的污水处理过程具备能耗高等缺点。

微生物脱盐电池(Microbial Desalination Cell,MDC)作为一种新型的低能耗污水处理技术。MDC一般由一个微生物阳极、阴极(生物阴极、化学阴极、空气阴极等)、以及阴阳极之间的离子交换膜堆组成。在运行时，污水进入阳极，污水中的有机物在阳极厌氧产电微生物的作用下氧化分解释放电子，电子通过外部电路到达阴极，在阴极发生还原反应(如还原O2、化学氧化剂等)实现产电。与此同时，阴阳极之间产生电场，驱动离子交换膜堆中盐水的阴阳离子移动，实现脱盐。因而，MDC能够同时实现污水处理、产电以及脱盐。

然而，传统的MDC也具有一些缺点：

(1)出水水质较差。MDC的阳极微生物虽然可以降解污水中的有机物，但其降解速率和程度均较低，且不能对污水中的营养元素(如氮磷等)及颗粒物实现有效去除，因而出水水质不能满足现有排放要求。

(2)淡水产水率较低。在运行过程中传统MDC会同时产生多种出水，如阳极出水、阴极出水、淡水以及浓水，其中淡水为唯一的有用水，但是传统MDC中淡水的产率较低。

膜分离技术是一种成熟的污水处理技术，其中的微滤膜孔径为0.1-1.0微米，能够实现污水中悬浮物、微生物以及一些大分子物质的截留，实现污水的深度处理。由于该技术具有出水水质好、性能稳定等特点，目前微滤膜分离技术已经广泛应用于污水处理、食品加工等行业，取得了良好的效果。

技术实现要素：

本实用新型是针对现有技术中存在的问题，提供一种过滤型生物阴极微生物脱盐电池，将过滤膜和生物阴极型微生物脱盐电池耦合，过滤膜能实现对污染物的拦截分离，强化水处理效果；而生物阴极能实现氧气的还原产生电能，同时对污染物的具有降解作用。

本实用新型提供一种过滤型生物阴极微生物脱盐电池，包括：

阳极室，所述阳极室内设有阳极，其上附着有阳极产电微生物；

阴极室，其通过管道与所述阳极室连接，接收来自阳极室的阳极出水，所述阴极室内分别设有阴极、过滤装置和曝气装置，所述阴极上附着有阴极产电微生物；以及，

位于所述阳极室和阴极室之间的淡室和浓室，所述淡室和浓室通过交替设置的离子交换膜分隔而成，并通过管道与所述阴极室连接，接收来自阴极室过滤装置的阴极出水；

其中，所述阳极室内的阳极通过外部电路连接所述阴极室内的阴极。

根据本实用新型，所述附着于阳极上阳极产电微生物通过氧化分解污水中的有机物释放电子到阳极上，所述电子通过外部电路传递到阴极；所述附着于阴极上的阴极产电微生物通过与由阳极传递过来的电子发生还原反应实现产电。

根据本实用新型的一些实施方式，所述过滤装置用于对进入阴极室内的阳极出水进行过滤处理，去除其中的悬浮物、细菌和部分有机物。

根据本实用新型的一些实施方式，所述曝气装置位于所述过滤装置的下方，通过所述曝气装置对所述阴极室内的阳极出水进行曝气处理，曝气能够同时实现阴极的产电、污染物的进一步去除、以及降低过滤装置的污染速度。

根据本实用新型的一个优选实施例，对于所述阳极材料没有特别的限定，选择能附着相应的产电微生物，且能防止化学或生物腐蚀的材料即可。

根据本实用新型的一些实施方式，所述阳极材料包括碳基材料和/或金属材料。在一些具体的实施例中，所述阳极材料包括活性炭颗粒、碳刷、石墨、碳布、不锈钢网和镍刷中的一种或几种。

根据本实用新型的一个优选实施例，对于所述阳极产电微生物没有特别的限定，例如可选择希瓦氏菌(Shewanella)。

根据本实用新型的一些实施方式，对于所述阴极材料没有特别的限定，选择能附着相应的产电微生物，且能防止化学或生物腐蚀的材料即可。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述阴极材料包括碳基材料和/或金属材料。在一些具体的实施例中，所述阴极材料包括活性炭颗粒、碳刷、石墨、碳布、不锈钢网和镍刷中的一种或几种。

根据本实用新型的一些实施方式，对于所述阴极产电微生物没有特别的限定，例如可选择地杆菌(Geobacter)。根据本实用新型的一个优选实施例，所述过滤装置包括过滤膜。

根据本实用新型的一些实施方式，对于所述过滤膜没有特别的限定，选择本领域具有污水过滤功能的过滤膜即可。

在一些具体实施例中，所述过滤膜包括有机膜、无机膜和金属膜中的一种或几种。

根据本实用新型的优选实施方式，所述过滤膜的孔径为50-2000nm。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述离子交换膜包括交替设置的阳离子交换膜和阴离子交换膜，靠近阳极一侧的所述离子交换膜为阳离子交换膜，靠近阴极一侧的所述离子交换膜为阴离子交换膜。在本实用新型中，“靠近”是一个相对的概念，靠近阳极一侧是指距离阳极的距离小于距离阴极的距离，靠近阴极一侧是指距离阴极的距离小于距离阳极的距离。

根据本实用新型的一些实施方式，所述阴极出水进入淡室和浓室后，在内部电场的作用下，阴极出水中的阳离子穿过所述阳离子交换膜向阴极方向移动，阴极出水中的阴离子穿过所述阴离子交换膜向阳极方向移动，实现盐分的脱除。

在一些具体的实施例中，通过所述交替设置的阳离子交换膜和阴离子交换膜将形成交替分隔的浓室和淡室，所述阴极出水分别进入所述浓室和淡室，在内部电场的作用下，阴极出水中的阳离子穿过所述阳离子交换膜向阴极方向移动，阴极出水中的阴离子穿过所述阴离子交换膜向阳极方向移动，在所述浓室和淡室内分别得到富集了盐分的浓水和脱除了盐分的淡水。

根据本实用新型的一些实施方式，对于所述离子交换膜没有特别的限定，选择本领域常用的电渗析离子交换膜即可。在一些具体的实施例中，所述离子交换膜的厚度为0.2-0.5mm，透过率≥90％，交换容量为≥1mol/kg，爆破强度≥0.3MPa。

根据本实用新型的一个优选实施例，对于所述离子交换膜的数量没有特别的限定，根据实际运行中对浓水和淡水的出水水质需求设置。

本实用新型过滤型生物阴极微生物脱盐电池通过附着于阳极和阴极上的产电微生物实现产电，将污水中的化学能转化为电能；同时，在电极产生的电场的作用下，污水中的阴阳离子移动，实现了脱盐，即又将该电能用于污水的处理，无需外加电场即可实现对污水的处理，并且产生的电能不浪费。

根据本实用新型的过滤型生物阴极微生物脱盐电池，还包括：

连通所述阳极室、阴极室、淡室和浓室之间的管路；

位于所述管路上的水泵，用于各级进水和出水的流通；

任选的外部循环瓶，其通过管路分别与所述阴极室、淡室及浓室分别连通。

根据本实用新型的一些实施方式，阴极出水可任选地进入外部循环瓶，所述外部循环瓶中的阴极出水可在外部循环瓶与淡室及浓室内循环流动，实现多次脱盐过程。

本实用新型的优点和有益技术效果如下：

本实用新型将过滤膜和生物阴极型微生物脱盐电池耦合，过滤膜能实现对污水中悬浮物和有机物的拦截分离，而生物阴极一方面能实现氧气的还原产生电能，另一方面能对污染物进行降解，对污水的处理效率高，处理效果好。本实用新型微生物脱盐电池结构简单，出水水质优异，非常适合大规模工业化生产应用。

附图说明

图1为根据本实用新型一个实施例的过滤型生物阴极微生物脱盐电池的结构及运行流程示意图(连续运行)；

图2为根据本实用新型一个实施例的过滤型生物阴极微生物脱盐电池的结构及运行流程示意图(间歇运行)；

附图标记说明：1、阳极；2、阴极；3、过滤装置；4、曝气装置；5、阳离子交换膜；6、阴离子交换膜；7、外部电阻；8、污水进水；9、阳极出水；10、阴极出水；11、浓水出水；12、淡水出水；13、水泵；14、外部循环瓶；15、阳极材料；16、阴极材料；17、阳极产电微生物；18、阴极产电微生物；19、浓室；20、淡室。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1、2所示，本实用新型过滤型生物阴极微生物脱盐电池包括阳极室、阴极室以及位于所述阳极室和阴极室之间的淡室和浓室。

其中，所述阳极室的尺寸为20×7×3.5cm，体积为490mL，有效截面积为140cm²；其内设有阳极1，阳极1的腔体中填充颗粒状活性炭作为电极材料和载体供产电微生物附着生长，活性炭颗粒的直径为～2mm，长度为～5mm；阳极的集电方式采用双侧集电，集电材料选用钛网，钛网孔径约为0.2×0.2cm；阳极1上附着有阳极产电微生物希瓦氏菌(Shewanella)，并且通过外部电路与阴极室的阴极2连接。

阴极室的尺寸为20cm×7cm×6.5cm，体积为910mL，其内设有阴极2、过滤装置3和曝气装置4，阴极2包括两个阴极柱，分别设置于阴极室的相对两侧，其腔体内填充颗粒状活性炭作为电极材料和载体供产电微生物附着生长，活性炭颗粒的直径为～2mm，长度为～5mm，两个阴极柱中活性炭填充床的厚度分别为3.0cm和2.0cm，均采用双侧集电方式，集电材料选用钛网，钛网孔径约为0.2×0.2cm；阴极柱上附着有阴极产电微生物地杆菌(Geobacter)；过滤装置3位于两个阴极柱的中间上部，采用中空纤维膜作为过滤元件，中空纤维膜的内外直径分别为1.0mm和1.9mm，平均孔径为0.3μm，强度大于100N，总有效面积为40.2cm²；在所述过滤装置的下方设有曝气装置，运行时进行曝气，以实现产电、污染物深度去除及膜污染控制。

阳极和阴极间交替设置有三对阳离子交换膜5和阴离子交换膜6，构成2个淡室和3个浓室，其中阳离子交换膜的交换容量为2.0mol/kg，阴离子交换膜的交换容量为1.8mol/kg，每个浓室和淡室的厚度均为0.5cm，空床体积为70mL。为降低所述过滤型生物阴极微生物脱盐电池的内阻，在浓室和淡室中均填充混合阳离子交换树脂(Na型，交换容量为4.2mmol/g)和阴离子交换树脂(Cl型，交换容量为4.0mmol/g)作为离子导体，阴阳离子交换树脂的重量填充比为1.4:1.0。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的任何限制。通过参照典型实施例对本实用新型进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本实用新型权利要求的范围内对本实用新型作出修改，以及在不背离本实用新型的范围和精神内对本实用新型进行修订。