[发明专利]以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置

说明书

技术领域

本发明涉及水处理技术，涉及物料分离技术，涉及能源利用和环境保护，具体涉及一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是一种利用微生物的催化作用将有机物中的化学能转化为电能的新型技术。基本原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。传统MFCs的反应室通常被分隔膜分成一个阳极室和一个阴极室，微生物在阳极室进行废水处理并产生电子，阴极室则一般以贵金属(如铂)金属络合物作为催化剂还原氧气生成水，或添加电子媒介体参与电极反应，该体系被称为化学阴极MFC。

生物阴极MFC是指阴极室中也有功能微生物，功能微生物能够附着在电极表面形成生物膜，电子由阴极传递给微生物并发生相应的生物电化学反应。Bergel（Bergel A，Feron D，Mollica A.Catalysis of oxygen reduction in PEM fuel cell by seawater biofilm[J].Electrochemistry Communications,2005,7（9）：900-904.）等发现在质子交换膜燃料电池中，长满生物膜的不锈钢阴极能够还原氧气，提高燃料电池的性能，最大功率密度达到320mW/m²他们还发现去除生物膜后功率会显著下降，从原来的270mW/m²降为2.8mW/m²，证明生物膜对氧气还原有着明显的催化作用，Clauwaert（Clauwaert P，Van der Ha D，Boon N，et al.Open air biocathode enables effective electricity generation with microbial fuel cells[J].Environment Science Technology,2007,41（21）：7564-7569.）等在筒状MFC中实现了生物催化的O₂还原过程，最大功率密度达到83W/m³，阳极COD去除速率为1.5kg/（m³d），库仑效率达到90%。

与化学阴极相比，生物阴极具有以下优点：(1)以氧气作为电子供体，不需要添加化学催化剂或人工媒介体，降低了MFC的构建成本；(2)不存在化学催化剂失活现象，可提高MFC的长期稳定性；(3)在阴极室生长的微生物也可处理废水，生成有工业价值的产品，实现资源的综合利用。

膜分离技术因具有处理效率高、工艺流程短、易自动控制的特点，近年来在水处理领域得到广泛重视。将膜分离技术应用于给水处理，由于能够有效地截留杂质、细菌和病原菌，提高对有机污染物的去除效果，出水水质优质稳定、安全性高、生物稳定性好，同时可以降低消毒加氯量。因此，膜分离被认为是当今获得优质安全水的重要技术之一。

将两技术进行有效的结合并构建一种新型水处理工艺，可以将两者的优势大大提升，具有广阔工程应用前景。

目前有关MFC的研究还主要停留在实验室水平上，当前报道的MFC形式从结构和运行特点上不适用于单独并高效废水处理，限制了MFC在废水处理中的应用。将MFC与膜分离技术联用未见报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种以微生物燃料电池与膜技术结合的水处理装置。

本发明的技术方案概述如下：