[發明專利]一種集廢水處理與電能輸出一體化的有機膜膜生物反應器

無效

• 申請號: 201310350195.8
• 申請日: 2013-08-13
• 公開（公告）號: CN103435159A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 柳麗芬;李益華;于婷婷;李娜;楊鳳林
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C02F3/30
• 分類號: C02F3/30;C02F3/34;H01M8/16
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 侯明遠

技術領域

本發明屬于新能源與環境保護技術領域，涉及到廢水處理與能源回收利用的領域，特別涉及到直接將化學能轉化為電能的一種集廢水處理與電能輸出一體化的有機膜膜生物反應器。

背景技術

MBR因其具有較高的污水處理效率和較小的占地面積受到廣泛的關注。但是膜污染和高能耗問題制約了它的發展。目前大量的研究集中在開發具有高通量、抗污染性能好的膜材料；另外，在膜上施加微電場、微磁場也是減緩膜污染的有效途徑。近年來由于導電膜施加微電場可以有效的減緩膜污染受到廣泛的關注。目前大多數導電膜集中在研究碳材料及金屬氧化物材料上。碳材料雖然它導電性能好，但是不易聚合，性能難以優化并且成本高昂，難以應用到實際廢水處理中；金屬氧化物材料具有良好的催化性能，但是存在長期運行穩定性問題，并且其成本也較高，在實際應用中存在很大的局限性。有機聚合物材料由于成本低廉，來源廣泛，并且它的氧化還原過程完全可逆，在實際廢水處理中具備潛在的開發價值。在《美國科學院學報》（2012）1-6中潘麗佳等人介紹了用苯胺和植酸聚合形成凝膠并附者于碳布上形成高導電性的有機復合物碳膜材料，但是碳布價格高昂，難以應用于實際廢水處理中；在專利號為CN103100314A的專利中柳麗芬、李娜等公開了一種將苯胺植酸凝膠聚合于濾布上從而制得了復合物基導電膜的方法，但是在她介紹的反應器構型中陽極采用石墨顆粒，且陰極面積小，可處理的廢水量有限；在由英國出版的《生物能源技術》雜志上2009（100）2551-2555中Zhongjian?Li等人介紹的微生物燃料電池構型是將環形陽極置于環形陰極外側，陽極與陰極采用導電材料，但是陰極的導電材料沒有過濾性能。

發明內容

本發明的目的是提供了一種新型的集廢水處理與電能輸出一體化的有機膜膜生物反應器構型，此種構型簡化了反應器結構，縮短了電極間距，實現了流動與傳質的強化；反應器采用成本低廉的有機復合物導電膜材料作為陽極與陰極膜，解決了膜生物反應器成本高昂的問題；反應器中陽極與陰極膜過濾面積增大，按比例的放大陰極與陽極能夠應用于實際廢水處理；反應器能夠將廢水的部分化學能直接轉化為電能利用。

本發明的技術方案是：

1）陽極與陰極材料都用有機復合物導電膜制得。

2）反應器構型有環形構型和平板構型兩種。

3）在環形構型的集廢水處理與電能輸出一體化的有機膜膜生物反應器中，陽極膜與陰極膜同時做成圓柱形環狀，反應器構型有兩種方案：一種是陽極作為內環置于陰極膜中處于厭氧環境，陰極膜作為外環處于好氧環境，陽極區與陰極區之間采用隔氧介質隔開；另一種是陽極膜作為外環，陰極膜作為內環置于陽極膜內，內環處于好氧環境，外環處于厭氧環境；環形的電極由雙層膜里面包覆多孔支撐材料塑料網縫合而成；陽極環狀膜與陰極環狀膜面積相差不大，陽極環狀膜電極與陰極環狀膜電極間距10mm。

4）平板構型的集廢水處理與電能輸出一體化的有機膜膜生物反應器為細而高的構型。反應器共設有三個陰極膜組件，兩個陽極膜組件，陰陽兩極膜組件構型均為封閉的長方體，陽極相對高于陰極；膜組件采用陰極-陽極-陰極-陽極-陰極形式，用卡槽卡住布置于反應器中；陰陽兩極封閉長方體均由兩塊平板組成，在每塊平板上打兩排平行的長方形孔；為連接出水管，陰極長方體頂端接圓管，為陽極內水自行溢流，陽極長方體頂端設圓孔；反應器底座上設有總入水口，經兩通分別用膠皮管與兩個陽極連接，用于陽極進水；曝氣總入口與總進水口相對，置于反應器另一面，經三通用膠皮管與三個陰極分別連接，對陰極進行曝氣；本發明主要特點是兩極內均保持細長而狹窄的空間。

5）在環形構型的集廢水處理與電能輸出一體化的有機膜膜生物反應器跟同等大小的反應器相比，陰極膜過濾面積增大一倍以上，提高了污水處理效率，按比例放大能夠應用于實際廢水處理。

6）在環形構型的集廢水處理與電能輸出一體化的有機膜膜生物反應器中，還可以將陰極膜的上半部分垂直暴露于空氣中，關閉曝氣，形成空氣陰極。

7）作陽極的有機復合物導電膜由苯胺植酸凝膠聚合而成；作陰極的有機聚合物導電膜有兩種：一種是陰極材料與陽極材料一致；一種是陰極材料由苯胺植酸凝膠摻雜離子液體聚合而成。

8）將有機聚合物導電膜材料作為陽極和陰極膜置于反應器中，陽極與陰極膜交替放置，進水首先進入厭氧的陽極區，然后進入好氧的陰極區。

9）陽極與陰極膜用碳纖維布連接到外電路，陰極膜通過抽吸泵過濾出水。

10）陽極與陰極之間用不透氧介質隔開，達到陽極區的厭氧環境。