基于反向电渗析技术的生物电化学系统构建及性能优化

发布时间：2020-05-19 08:33

【摘要】：本研究构建了反向电渗析系统和反向电渗析-生物电化学系统,并在此基础上进行了改进。本研究提取利用自然界广泛存在的盐差能降低水处理能耗,并利用双室反应器结构将阳极有机物氧化失去的电子直接提供给阴极重金属离子还原。反向电渗析膜堆提升了电势差,使系统相比传统微生物燃料电池可以更好的强化阴极重金属离子还原,同时将阴极重金属离子与阳极微生物环境隔离,避免了一般微生物燃料电池金属离子透过离子交换膜抑制阳极微生物群落生长的现象,有利于系统稳定持续去除污染物。论文探究了不同参数对反向电渗析系统运行效能的影响。结果表明,膜材料的选择性透过系数与反向电渗析系统的效能呈正相关关系;在不挂外阻的情况下,进水浓淡水浓度差较大可以产生更大的电压,最高平均电压在7对膜,淡水0.35g/L,流速3.2m L/min时达到0.911V,但会导致浓水淡水交换程度减弱,最大功率密度降低,最大功率密度在3对膜,淡水0.7g/L,流速3.2m L/min时达到最大值0.221W/m2。在流速0.8m L/min~3.2m L/min的范围内,平均外电压随着流速的增大而不断增加,浓水淡水交换程度减弱,系统最大输出功率提升,但通过提升流速增加的输出电功量均远低于提高流速需要额外功,二者比值约为0.01-0.15。在1-7对膜的情况下,平均外电压和膜堆内阻均与膜对数呈现线性正相关关系,相关性系数R2在0.9798~0.9993;出水随着膜对数的增加进行更充分的离子交换。论文探究了不同参数对反向电渗析-生物电化学系统运行效能的影响。结果表明,对于外阻为1000欧姆的反向电渗析-生物电化学系统而言,当膜对数为1时,高浓度梯度的输出电压、阳极COD去除率、阴极铜离子去除率更高,与低浓度梯度相比最高提高了3%、2%和5%;当膜对数在5以上时,前述结论相反。随着流速的增加,平均外电压得到小幅增加,对提高阳极液COD去除效率和阴极液铜离子去除效率效果有限。阳极液的p H基本稳定,维持在6.71-7.19之间。系统平均外电压与膜对数呈现线性正相关关系,相关性系数R2在0.9621~0.996之间;随着膜对数的增大,浓水淡水离子交换更加充分,最终阳极电导率和COD不断降低,COD去除率在7对膜,淡水0.35g/L,流速3.2m L/min时最高,达到89.1%,出水COD为74mg/L;而最终阴极液铜离子浓度不断下降,铜离子还原效率得到提升,在7对膜,淡水0.35g/L,流速3.2m L/min时最高,达到58.5%,出水铜离子浓度为154.65 mg/L;最终阴极液电导率随着膜对数的增大而逐步降低,最低达到0.50m S/cm,阴极液最终p H随着膜对数的增加而不断增大,最大值达到5.72。论文探究了不同电极材料对反向电渗析-生物电化学系统运行效能的影响。将反向电渗析-生物电化学系统的碳布替换为碳毡,阴极液去除率在不同膜对数情况下提升了4.6%,7.3%,4.9%和4.2%,在7对膜,淡水0.35g/L,流速3.2m L/min时最大去除率最高,达到62.7%,最终阴极液p H有一定提升,其余参数均无明显变化。
【图文】：

1-1 2016 年七大流域、浙闵片河流、西北、西南诸河国控断面水质 1-2 2016 年七大流域、浙闵片河流、西北、西南诸河国控断面水质于污水成分复杂，总量大，在处理过程中需要消耗大量的能广泛的活性污泥法处理技术，及 A2/O、氧化沟等相关变形，但是需要曝气，耗能过高[6]。根据研究表明，我国城镇污 m3污水消耗的电能约为 0.2 至 0.4 kWh[7]。而高能耗意味着

-2-图 1-2 2016 年七大流域、浙闵片河流、西北、西南诸河国控断面水质情况图然而由于污水成分复杂，总量大，在处理过程中需要消耗大量的能源。目用最为广泛的活性污泥法处理技术，及 A2/O、氧化沟等相关变形工艺虽果较好，但是需要曝气，耗能过高[6]。根据研究表明，我国城镇污水处理处理 1 m3污水消耗的电能约为 0.2 至 0.4 kWh[7]。而高能耗意味着高昂的，这已经成为了制约水处理效果的重要因素。所以，开发高效率、低能耗水处理技术对推动我国水污染控制事业的发展具有重要意义。目前，利用自然界的盐差能处理污水为降低能耗提供了一种新的思路和能是存在浓度差的两种盐溶液混合时释放的吉布斯自由能。在自然界，盐从不同浓度梯度的水中提取，如江、河、海的交汇口等。在提取过程中没染，而且可以通过自然界的蒸发降雨等水循环过程自发补充，不存在枯竭作为一种尚未被人们广泛利用的可再生能源，盐差能的总量十分巨大，在围内可供利用的盐差能约为 2.6TW[8]，，国内可供利益的盐差能约为 0.1T
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】

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1 刘柯;李大平;王娟;;尿液微生物燃料电池研究[J];应用与环境生物学报;2015年01期

2 刘伯羽;李少红;王刚;;盐差能发电技术的研究进展[J];可再生能源;2010年02期

3 杨凌波;曾思育;鞠宇平;何苗;陈吉宁;;我国城市污水处理厂能耗规律的统计分析与定量识别[J];给水排水;2008年10期

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1 张文娟;反向电渗析中膜电化学性能与膜污染行为的研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

2 罗希;基于碳酸氢铵反向电渗析的污水生物产电及有价物质生产[D];清华大学;2015年

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本文编号：2670621