[发明专利]一种直接耦合膜生物反应器和微生物燃料电池的反应器和废水处理方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源和环保技术领域。具体涉及膜生物反应器(MBR)及微生物燃料电池(MFC)。利用MBR处理污染物、利用MFC产生电能。

背景技术

MBR因其较好的处理效果，目前受到越来越广泛的关注，制约其应用的膜污染问题和高能耗问题，一直是国内外研究的前沿和热点；一方面研发高通量、抗污染的新型膜材料，另一方面利用曝气、震动、超声、电场减缓膜污染物的吸附沉积。而简便、节能、高效的膜污染控制技术很少见。膜污染主要由带负电荷的污泥及胶体所致，因此目前已有利用电场控制膜污染的相关报道。主要是利用同性电荷互相排斥的原理，排斥并使膜污染物离开膜面，不被吸附和沉积，达到控制膜污染的目的(Kazuki Akamatsu et.a1.Development of a novel fouling suppression system in membrane bioreactors using an intermittent electric field.water research.2010.)。尽管该法简便易行，但需要供电装置及控制设备，且存在额外能耗，因此不利于节能和运行成本控制。

MFC作为一种利用微生物将有机污染物直接转化为电能的装置，其环境效益及经济效益明显，但较低的产电能力和难以扩大应用的局限性一直制约其发展。因此，目前多数研究者将目光聚集于利用MFC处理污染物及脱盐。利用MFC处理污染物主要分两类：一是利用厌氧生物膜阳极氧化分解有机污染物；二是在阴极，利用氧化态污染物作为电子受体，使其得到还原。而MFC脱盐则需要借助离子交换膜的选择性透过，在阴极和阳极的作用下达到去除盐水中阴阳离子的目的。MFC阳极为厌氧反应，出水存在浊度高的问题，出水需进一步处理；而利用MFC脱盐则需要昂贵的离子交换膜。目前也存在将不锈钢网作为阴极，阳极置于其中，同时实现产电和膜分离的报道，但其装置并未简化，且膜填充密度较低，不利于实际应用(Yun-Kun Wang et.al.Development of a Novel Bioelectrochemical Membrane Reactor for Wastewater Treatment.Environ.Sci.Technol.2011，9256-9261.)。

发明内容

本发明的目的是提供一种直接耦合MBR和MFC的装置，实现高效去除污染物的同时产生电能。

本发明的技术方案是：

1)将导电膜材料用于传统膜生物反应器，作为阴极及过滤介质，接受电子及过滤出水，利用悬浮污泥处理污染物；

2)利用金属催化剂改性导电膜材料，提高其还原反应效率；

3)将导电基底(铁、铝)负载生物膜，作为阳极，利用产电微生物氧化底物，产生电子；

4)利用碳毡作为阳极，增大生物膜负载量，形成生物膜膜生物反应器与微生物燃料电池耦合装置。

本发明的效果和益处是操作简便，可直接对已有的MBR反应器进行改装，在保持原有处理效果的同时产生电能，控制膜污染，实现节能减排，经济效益、环境效益及社会效益明显。

附图说明

图1是MBR-MFC耦合装置示意图。

图2是MBR-MFC耦合装置与对照装置跨膜压差对比图。

图3是MBR-MFC耦合装置产生电压变化图。

图1中：1外接电阻；2阳极；3膜组件兼阴极；4真空表；5出水蠕动泵；6曝气装置。

图2是MBR-MFC耦合装置与对照装置跨膜压差对比图。横坐标为反应器运行时间，纵坐标分别表示跨膜压力(MPa)的变化情况。圆圈符号●表示MBR-MFC耦合装置的跨膜压力的变化情况；四方符号▲表示对照组的跨膜压力的变化情况(除未将阳极与阴极经外电路连通之外，对照组的设置与MBR-MFC耦合装置完全一致，虚线表示膜清洗及过滤周期的结束)。从图中可以明显发现在MBR-MFC耦合装置中，MBR的跨膜压差的增加明显减缓，膜清洗次数减少，膜污染得到控制。

图3的横坐标为反应器运行时间，纵坐标分别表示电压(V)的变化情况，在外接电阻为100Ω时，产生电压为0.2V左右，且较稳定。

具体实施方式

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。

实例1

用苯胺或吡咯蒸汽等在涤纶滤布表面聚合，形成稳定致密的导电层，使膜材料导电，使膜材料具有导电作阴极的能力，避免设置额外的阴极，节约反应器空间。