同步回收盐差能和污水中化学能的联合脱盐废水处理系统的制作方法

本发明涉及废水处理领域，具体涉及同步回收盐差能和污水化学能的联合脱盐废水处理系统。

背景技术：

近年来，榨菜产业迅猛发展，销量剧增。但其在生产过程中会排放大量具有高盐以及高浓度有机物的废水。据统计，仅三峡库区每年就约产生500万吨的榨菜废水，且其排放量呈现逐年增大的趋势。若这些废水未经处理流入三峡库区，其过高的盐度和有机物含量(化学需氧量，cod值3000～20000mg/l)极易对库区的生态环境造成严重影响。

目前，大多数的榨菜生产厂从节约成本的角度考虑，直接利用淡水对废水进行稀释，后续再采用厌氧发酵法处理废水中有机物。根据实地调研，榨菜腌制废水中的盐浓度高达200g/l，为了避免厌氧发酵微生物在高盐环境脱水死亡，同时保证废水能达到盐度＜20g/l的国家排放标准，传统的方法采用自来水直接稀释榨菜废水，造成了水资源的严重浪费。且厌氧发酵后的产物难以进行收集，使废水中有机物蕴含的大量化学能被浪费。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提出了同步回收盐差能和污水化学能的联合脱盐废水处理系统。

本发明的技术方案是：一种同步回收盐差能和污水中化学能的联合脱盐废水处理系统，由微生物反向电渗析池和电渗析池组成，其特征在于：

所述微生物反向电渗析池用于回收高浓度盐废水与低浓度盐淡水间的盐差能以及高浓度盐废水中有机物的化学能，并产生电能。

所述电渗析池用于利用微生物反向电渗析池产生的电能对高盐废水进行脱盐。

所述微生物反向电渗析池包括阳极腔室和阴极腔室，所述阳极腔室和阴极腔室由膜组进行分隔；在阳极腔室内设置有阳极碳刷，该阳极碳刷的表面附着产电微生物；在阴极腔室内设置有空气阴极；所述膜组包括阴离子交换膜、阳离子交换膜、高浓度盐废水流道和低浓度盐淡水流道。

所述电渗析池内设置有第二阳离子交换膜和第二阴离子交换膜，第二阴离子交换膜和第二阳离子交换膜将所述电渗析池分隔为阳极室、脱盐腔室和阴极室；阴、阳极室内分别设置有阴极电极和阳极电极；阴极电极和阳极电极分别与微生物反向电渗析池1的阳极碳刷和空气阴极连接，以接收微生物反向电渗析池产生的电能。

高浓度盐废水和低浓度盐淡水泵入膜组，分别沿高浓度盐废水流道和低浓度盐淡水流道流动，由于高浓度盐废水和低浓度盐淡水中盐的浓度不同，产生的盐差能使高浓度盐废水和低浓度盐淡水中的阳离子通过阳离子交换膜进入阴极腔室，阴离子通过阴离子交换膜进入阳极腔室，阳离子和阴离子的定向运动产生电能；模组回收盐差能后排出的高浓度盐废水再进入所述电渗析池的脱盐腔室，脱盐腔室中高浓度盐废水中的na+和cl-分别通过第二阳离子交换膜和第二阴离子交换膜，分别向阴极室和阳极室迁移，实现脱盐处理。

高浓度盐废水进行脱盐处理后得到低盐废水再泵入微生物反向电渗析池的阳极腔室，为阳极碳刷上附着的产电微生物提供有机物的同时被降解处理，得到的低盐低有机物的废水被排出；并且模组中阳离子和阴离子的定向移动，其两端产生的电势差增强了离子的传输和电子在外电路的移动，充当了内电源的角色，以提高阳极碳刷降解有机物的速率和产电性能。

本发明利用榨菜废水的高盐高有机物cod特性，如果通过反向电渗析原理，可以从高盐度废水和淡水之间的盐度差梯度以电能的形式捕获盐差能，而利用微生物能源转化技术，还可以在降解废水中的cod的同时获得电能，即以电能回收有机物中的化学能。回收的电能可以给电渗析池供电，实现榨菜生产废水的脱盐。因此本发明首次提出利用微生物反渗析池和电渗析池系统联合处理榨菜生产废水并回收盐分的mrc-ed系统。该系统一方面利用高盐水和淡水之间的浓度梯度捕获盐差能，同时利用微生物电化学原理回收有机物中的电能，并将这部分回收的电能用于电渗析，从而达到降低榨菜废水处理费用，回收榨菜废水中的盐分，并减少大量淡水资源的使用，实现“节能减排”的目标。

本发明首次提出了利用微生物反向电渗析池处理榨菜生产过程中产生的废水，同时回收盐差能和有机废水中的化学能，实现榨菜废水中化学能和盐差能的同步回收；并将微生物反向电渗析池的电能应用于电渗析池，实现了电能的原位利用，降低了系统成本，有利于实际应用。

根据本发明所述的同步回收盐差能和污水中化学能的联合脱盐废水处理系统的优选方案，所述脱盐腔室设置有废水电渗析进、出液口。

所述膜组设置有高浓度盐废水出口、低浓度盐淡水进口、高浓度盐废水进口和低浓度盐淡水出口；高浓度盐废水出口与高浓度盐废进口通过模组内设置的高浓度盐废水流道相连通，低浓度盐淡水进口与低浓度盐淡水出口通过模组内设置的低浓度盐淡水流道相连通。

根据本发明所述的同步回收盐差能和污水中化学能的联合脱盐废水处理系统的优选方案，所述膜组包括若干膜组单元；每个膜组单元内交替设置有阴离子交换膜、第一硅胶片、阳离子交换膜和第二硅胶片。

第一硅胶片上设置有高浓度盐废水流道和二个低浓度盐淡水过孔；第二硅胶片上设置有低浓度盐淡水流道和二个高浓度盐废水过孔；二个低浓度盐淡水过孔分别与第二硅胶片上设置的低浓度盐淡水流道的流出端和流进端对应；二个高浓度盐废水过孔分别与第一硅胶片上设置的高浓度盐废水流道的流出端和流进端对应。

所述阴离子交换膜上设置有通过孔一、通过孔二，通过孔一与第一硅胶片上设置的高浓度盐废水流道的流出端对应；通过孔二与第二硅胶片上设置的低浓度盐淡水流道的流进端对应；所述阳离子交换膜上设置有通过孔三、通过孔四，通过孔三与第一硅胶片上设置的高浓度盐废水流道的流进端对应，通过孔四与第二硅胶片上设置的低浓度盐淡水流道的流出端对应。

根据本发明所述的同步回收盐差能和污水中化学能的联合脱盐废水处理系统的优选方案，微生物反向电渗析池有2个或者2个以上；所有微生物反向电渗析池的电极串联连接。

本发明所述的同步回收盐差能和污水中化学能的联合脱盐废水处理系统的有益效果是：

本发明采用联合脱盐废水处理系统以反向电渗析原理利用高盐水和淡水之间的浓度梯度捕获盐差能，同时利用微生物电化学原理回收有机物中的电能，并将这部分回收的电能用于电渗析，从而达到降低榨菜生产产生的废水的处理费用，回收榨菜生产产生的废水中的盐分，并减少大量淡水资源的使用的“节能减排”目标，克服了传统榨菜废水采用自来水直接稀释的弊端，具有较高的经济和社会效益。本发明还可广泛应用在能源、化工、环保等领域。

附图说明

图1是本发明所述的同步回收盐差能和污水中化学能的联合脱盐废水处理系统的结构示意图。

图2是膜组14的结构示意图。

图3是第一硅胶片26的结构示意图。

图4是第二硅胶片27的结构示意图。

图5是微生物反向电渗析池1与没有模组的mfc的产电性能对比图。

图6是本发明所述的同步回收盐差能和污水中化学能的联合脱盐废水处理系统的脱盐效果图。

具体实施方式

参见图1至图4，一种同步回收盐差能和污水中化学能的联合脱盐废水处理系统，由微生物反向电渗析池1和电渗析池2组成。

所述微生物反向电渗析池1用于回收高浓度盐废水hc与低浓度盐淡水lc间的盐差能以及高浓度盐废水中有机物的化学能，并产生电能。

所述电渗析池2用于利用微生物反向电渗析池1产生的电能对高盐废水进行脱盐。

所述微生物反向电渗析池包括阳极腔室3和阴极腔室13，所述阳极腔室3和阴极腔室13由膜组14进行分隔；在阳极腔室3内设置有阳极碳刷15，该阳极碳刷15的表面附着产电微生物；在阴极腔室13内设置有空气阴极12；所述膜组14包括阴离子交换膜8、阳离子交换膜9、高浓度盐废水流道和低浓度盐淡水流道。

所述电渗析池2内设置有第二阳离子交换膜21和第二阴离子交换膜22，第二阴离子交换膜22和第二阳离子交换膜21将所述电渗析池2分隔为阳极室6、脱盐腔室7和阴极室16；阴、阳极室内分别设置有阴极电极20和阳极电极17；阴极电极20和阳极电极17分别与微生物反向电渗析池1的阳极碳刷15和空气阴极12连接，以接收微生物反向电渗析池1产生的电能。

高浓度盐废水和低浓度盐淡水泵入膜组14，分别沿高浓度盐废水流道和低浓度盐淡水流道流动，由于高浓度盐废水和低浓度盐淡水中盐的浓度不同，两者之间的盐度差使高浓度盐废水和低浓度盐淡水中的阳离子通过阳离子交换膜进入阴极腔室13，阴离子通过阴离子交换膜进入阳极腔室3，阳离子和阴离子的定向运动产生电势差，从而回收该盐差能；模组14回收盐差能后排出的高浓度盐废水再进入所述电渗析池2的脱盐腔室7，高浓度盐废水中的na+和cl-分别通过阳离子交换膜21和阴离子交换膜22，分别向阴极室16和阳极室6迁移，实现脱盐处理。

高浓度盐废水进行脱盐处理后得到低盐废水再泵入微生物反向电渗析池1的阳极腔室3，为阳极碳刷15上附着的产电微生物提供有机物的同时被降解处理，得到的低盐低有机物的废水被排出；并且模组14中阳离子和阴离子的定向移动，产生的电势差，增强了溶液内离子的传输和电子在外电路的移动，充当了内电源的角色，以提高阳极碳刷15降解有机物的速率和产电性能。

所述电渗析池2的脱盐腔室7设置有废水电渗析进、出液口19。微生物反向电渗析池1的阳极腔室3设置有进、出液口18。

所述膜组14设置有高浓度盐废水出口4、低浓度盐淡水进口5、高浓度盐废水进口10和低浓度盐淡水出口11；高浓度盐废水出口4与高浓度盐废进口10通过模组内设置的高浓度盐废水流道相连通，低浓度盐淡水进口5与低浓度盐淡水出口11通过模组内设置的低浓度盐淡水流道相连通。

高浓度盐废水从高浓度盐废水进口10泵入微生物反向电渗析池1，低浓度盐淡水从低浓度盐淡水进口5泵入微生物反向电渗析池1，经过模组14回收盐差能后，高浓度盐废水从高浓度盐废水出口4排出，低浓度盐淡水从低浓度盐淡水出口11排出；从进、出液口18进入的低盐高cod的废水，为阳极碳刷15上附着的产电微生物提供有机物，低盐高cod的废水通过降解处理后得到低盐低cod的废水，从进、出液口18排出。

从高浓度盐废水出口10排出的高浓度盐废水通过废水电渗析进、出液口19进入所述中间腔室进行脱盐处理，处理后得到低盐高cod的废水从废水电渗析进、出液口19泵出，通过进、出液口18进入阳极腔室3。

在具体实施例中，所述膜组14包括若干膜组单元，在第n个膜组单元的阴极侧还设置有一个阴离子交换膜。每个膜组单元内交替设置有阴离子交换膜8、第一硅胶片26、阳离子交换膜9和第二硅胶片27。

为了便于加工，第一硅胶片26上设置有高浓度盐废水流道25和二个低浓度盐淡水过孔24；第二硅胶片27上设置有低浓度盐淡水流道29和二个高浓度盐废水过孔30；二个低浓度盐淡水过孔24分别与第二硅胶片27上设置的低浓度盐淡水流道29的流出端和流进端对应；二个高浓度盐废水过孔30分别与第一硅胶片26上设置的高浓度盐废水流道25的流出端和流进端对应。

所述阴离子交换膜8上设置有通过孔一23a、通过孔二23b，通过孔一23a与第一硅胶片26上设置的高浓度盐废水流道25的流出端对应；通过孔二23b与第二硅胶片27上设置的低浓度盐淡水流道29的流进端对应；所述阳离子交换膜9上设置有通过孔三23c、通过孔四23d，通过孔三23c与第一硅胶片26上设置的高浓度盐废水流道25的流进端对应，通过孔四23d与第二硅胶片27上设置的低浓度盐淡水流道29的流出端对应。

在第n个膜组单元的阴极侧设置的一个阴离子交换膜上设置的通过孔一、通过孔二分别与高浓度盐废水进口10和低浓度盐淡水出口11连接。

具体是：第一个膜组单元141的高浓度盐废水过孔与第二个模组单元的高浓度盐废水流道的流出端对应，并同时与第一个模组单元的高浓度盐废水流道的流进端对应，第一个模组单元的高浓度盐废水流道的流出端与高浓度盐废水出口4连通；第一个模组单元141的低浓度盐淡水过孔与低浓度盐淡水流道29的流出端对应，并同时与第二个模组单元的低浓度盐淡水流道流进端对应；低浓度盐淡水流道29的流进端与低浓度盐淡水进口5连通。

第二个膜组单元142的高浓度盐废水过孔与第三个模组单元的高浓度盐废水流道的流出端对应，并同时与第二个模组单元142的高浓度盐废水流道的流进端对应；第二个模组单元142的低浓度盐淡水过孔与低浓度盐淡水流道29的流出端对应，并同时与第三个模组单元的低浓度盐淡水流道流进端对应。

依次类推。

第n个膜组单元14n的高浓度盐废水过孔与第n个模组单元的高浓度盐废水流道的流出端对应，并同时与第n-1个模组单元的高浓度盐废水流道的流进端对应；第n个模组单元14n的低浓度盐淡水过孔与第n-1个模组单元的低浓度盐淡水流道流出端对应；并同时与第n个模组单元的低浓度盐淡水流道29的流进端对应，第n个模组单元的低浓度盐淡水流道29的流出端与低浓度盐淡水出口11连通；第n个模组单元的高浓度盐废水流道的流进端与高浓度盐废水进口10连通。

并且在阴离子交换膜8、第一硅胶片26、阳离子交换膜9和第二硅胶片27的四角设置有安装孔28。

根据电渗析池2对电能的需求，微生物反向电渗析池2可以设置二个或者二个以上；所有微生物反向电渗析池的电极串联连接。

本系统的工作原理为：

在系统工作时，高浓度盐废水hc和低浓度盐淡水lc泵入微生物反向电渗析池mrc的膜组14，高浓度盐废水hc和低浓度盐淡水lc分别沿高浓度盐废水流道和低浓度盐淡水流道流动，由于高浓度盐废水和低浓度盐淡水中盐的浓度不同，产生的盐差能使高浓度盐废水和低浓度盐淡水中的阳离子通过阳离子交换膜进入阴极腔室，阴离子通过阴离子交换膜进入阳极腔室，盐度差驱动的阳离子和阴离子的定向运动，其两端产生的电势差增强了离子的传输和电子在外电路的移动，充当了内电源的角色，从而使微生物阳极降解有机物的速率和产电的性能提高。

高浓度盐废水中有机物的降解主要在阳极碳刷上进行。阳极碳刷上附着有具有有机物降解能力的微生物。当降解时，发生的微生物电化学反应如式1.1所示：

阳极反应：

(ch2o)n+nh2o-4ne^-→nco2+4nh⁺式(1.1)

有机物降解将释放出电子和h+，电子在阴阳两极电势差的作用下，通过外电路传递到阴极，并产生电流；在阴极上，空气中的氧气将接受阴极液中的h+，并结合外电路传递来的电子，在电极上反应生成水，如式1.2。

阴极反应：

no2+4nh⁺+4ne^-→2nh2o式(1.2)

整个反应过程如式1.3，保持了体系的物质和电荷平衡，随着反应的持续进行，阳极中废水的有机底物逐渐的被消耗，电池也获得持续的电流和功率输出。

总反应：(ch2o)n+no2→nh2o+nco2式(1.3)

电渗析池ed在微生物反向电渗析池提供的直流电场(工作电压1.8v左右)的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，在脱盐腔室，高浓度盐废水hc内的na+和cl-分别定向向阴极电极和阳极电极迁移，从而进入两端的阴极室和阳极室。高浓度盐废水经脱盐处理后变为低盐废水。由于此时废水的盐度显著降低，已经达到能够进行生化处理的水平，因此可将这部分低盐度高cod废水直接通入mrc的阳极室进行有机物降解。

高浓度盐废水经过电渗析池脱盐处理和微生物反向电渗析池mrc降解处理后，废水中的盐度和cod含量都将达到排放标准。电渗析池的阴极室和阳极室富集的极高浓度盐溶液可以进行回收再利用。如制作为融雪盐等工业用盐等。

参见图5，图5是微生物反向电渗析池1与没有模组的mfc的产电性能对比图。

实验条件：配制高浓度nacl溶液200g/l(hc)和低浓度nacl溶液0.5g/l(lc)。将hc和lc通过蠕动泵通入mrc的高浓度盐废水流道和低浓度盐淡水流道，流速控制为0.4ml/min。

测试前准备工作：mrc电池两极接入50ω电阻后更换阳极液。使用安捷伦34970a每隔10s扫描一次mrc的阳极电位和两端电压。待到阳极电位到-300mv左右，阴极在150mv左右时开始进行测试。

将电阻箱电阻调节到10ω，通过观察安捷伦34970abenchlinkdatalogger软件中的数据曲线走势，当数据图像接近一条直线时记录数据。然后将电阻箱电阻调节到20ω、30ω、40ω、50ω、75ω、100ω、200ω、300ω、400ω、600ω、1000ω、2000ω、3000ω依次进行实验并记录阳极电位和阴、阳两端的电压数据。

从图5可以看出，微生物反向电渗析池1比没有模组的mfc的产电性能有较大的提高。

参见图6，图6是本发明的脱盐效果图。

实验前配制1mol/l的nacl溶液，然后将其注入ed的中间腔室，注满。ed的阴极腔室通入0.5mmol/l的铁氰化钾溶液，ed的阳极腔室通入0.5mmol/l的亚铁氰化钾溶液。其后将四个mrc串联后接到ed两端进行脱盐，同时使用安捷伦34970a每隔30s扫描一次mrc的阳极电位以及两端电压以此监测mrc是否工作正常。每隔2小时从ed的中间腔室溶液取样，使用哈希hq40d电导率仪进行盐度测量得到此时溶液的盐度，记录数据，最后得到10个小时的脱盐率。

从图6可以看出，本发明具有好的脱盐效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。