产电20-87W/m.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910241073.2 (22)申请日 2019.03.28 (71)申请人 大连理工大学 地址 124221 辽宁省盘锦市辽东湾新区大 工路2号 (72)发明人 柳丽芬张倩拉贝张艺臻 郑玥石 (74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200 代理人 温福雪侯明远 (51)Int.Cl. C02F 9/14(2006.01) C02F 101/30(2006.01) C02F 101/16(2006.01) (54)发明名称 一种产电20-87W/m2的节能催化水处理。

2、装置 (57)摘要 本发明公开了一种产电20-87W/m2的节能催 化水处理装置， 属于废水资源化和能源化领域。 该装置包括池体、 导线、 负载、 阴极室、 曝气装置、 出水溢流装置、 进水泵、 进水管、 阳极室、 碳棒和 沙粒隔层。 废水通过阳极室的产电微生物分解废 水中的有机物并释放电子， 再通过沙粒隔层过滤 掉颗粒物及阳极微生物后向上渗入阴极室中， 再 经曝气装置进一步降解通过出水溢流装置流出， 实现废水处理及废水产电。 废水经过一次流过该 装置， 或流过多个串联的组合单元装置， 实现有 机质被降解、 颗粒悬浮物被截留； 阴极电极的负 载催化剂能提高产电能力和对污染物的降解能 力， 有效。

3、提高出水水质； 且该装置结构简单， 操作 方便， 运行费用少。 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 CN 109956620 A 2019.07.02 CN 109956620 A 1.一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 其特征在于， 该节能催化水处理装置包 括池体(1)、 导线(2)、 负载(3)、 阴极室(4)、 曝气装置(5)、 出水溢流装置(6)、 进水泵(7)、 进 水管(8)、 阳极室(9)、 碳棒(10)和沙粒隔层(11)； 所述沙粒隔层(11)位于池体(1)中部， 沙粒隔层(11)将池体(1)分为阴极室(4)和阳极 室(9)两部分； 所述阳极室(9)位于沙粒隔层。

4、(11)的下方， 阳极电极为碳棒(10)， 碳棒(10)的 一端连接导线； 阳极室(9)用活性炭填充并负载产电微生物； 所述阴极室(4)位于沙粒隔层 (11)的上方， 阴极电极以导电性材料为基底并负载催化剂， 阴极电极的一端连接导线并接 入负载(3)， 与阳极电极碳棒(10)一端的导线相连， 从而形成外电路； 所述曝气装置(5)位于 阴极室(4)、 池体(1)顶部的开口处， 用于向阴极室(4)内补充空气或氧气， 进一步促进催化 降解废水中的有机物； 所述出水溢流装置(6)位于阴极室(4)、 池体(1)上方、 低于曝气装置 (5)所在的开口处； 所述进水泵(7)通过进水管(8)通入至阳极室(9)。

5、、 位于池体(1)的下方； 废水通过进水泵(7)从进水管(8)流入阳极室(9)， 阳极室(9)的产电微生物分解废水中的有 机物并释放电子， 废水再通过沙粒隔层(11)过滤掉颗粒物及阳极微生物后向上渗入阴极室 (4)中， 再经曝气装置(5)进一步降解通过出水溢流装置(6)流出， 从而实现废水处理及废水 产电。 2.根据权利要求1所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 其特征在于， 所述阴极 电极的基底导电性材料为碳纤维布或活性炭； 阴极电极的负载催化剂为二氧化钛复合催化 剂、 含Fe、 Mn、 Zn、 C、 F、 O元素的催化剂。 3.根据权利要求1或2所述的产电20-87W/m2的。

6、节能催化水处理装置， 其特征在于， 所述 阳极室(9)活性炭的填充率为4095。 4.根据权利要求1或2所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 其特征在于， 所述 沙粒隔层(11)为石英砂、 锰砂或二者的混合物。 5.根据权利要求3所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 其特征在于， 所述沙粒 隔层(11)为石英砂、 锰砂或二者的混合物。 6.根据权利要求1、 2或5任一所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 其特征在 于， 所述负载(3)为1001000的电阻。 7.根据权利要求1、 2或5任一所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 其特征在 。

7、于， 与阳极电极碳棒(10)平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极， 在碳棒(10)和参比电 极上接入数据采集卡， 实时采集阳极的电势数据； 在阴极电极的导线上接入数据采集卡， 实 时采集电池的电势数据。 8.根据权利要求6所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 其特征在于， 与阳极电 极碳棒(10)平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极， 在碳棒(10)和参比电极上接入数据 采集卡， 实时采集阳极的电势数据； 在阴极电极的导线上接入数据采集卡， 实时采集电池的 电势数据。 9.根据权利要求1、 2、 5或8任一所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 其特征在 于， 所述池。

8、体(1)的形状为横管形、 柱形、 方形或多层组合结构。 10.根据权利要求7所述的产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 其特征在于， 所述池 体(1)的形状为横管形、 柱形、 方形或多层组合结构。 权利要求书 1/1 页 2 CN 109956620 A 2 一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置 技术领域 0001 本发明属于废水资源化和能源化技术领域， 具体涉及达到单位电极面积产电20W/ m2的新型水处理装置， 以活性炭颗粒和微生物作生物阳极， 以基底为碳纤维布的复合电极 作阴极， 中间为石英砂与锰砂隔层。 废水先进入装置的阳极， 在生物阳极作用下， 污染物浓 度梯度降低。

9、， 经隔层的过滤和截留作用、 阴极催化作用得到进一步净化。 耦合微生物产电作 用和阴极催化作用如催化氧化污染物氨/COD(化学需氧量)等、 还原硝态氮和氧还原作用， 实现了高效水处理。 背景技术 0002 生物产电技术， 是近些年迅速发展起来的一种将生物法与电化学技术结合的新技 术， 将其应用到废水处理领域， 能够在降解有机物的同时产生电能。 微生物可将底物中的有 机物直接转化成CO2、 H2O等小分子无机物， 并将其中的化学能转化为电能， 不排放污染物， 是 一种清洁能源。 阳极微生物能够将有机物氧化， 并将氧化过程中释放出来的电子转移到电 极材料上， 进而以电流的形式从外电路输出。 微生物。

10、的生长需要厌氧或微氧环境， 以保证最 终电子受体是电极而不是氧气， 否则电子将直接参与还原生成水。 特别地， 如果将有机废水 作为生物阳极的底物， 废水中的有机物会被微生物降解， 这样便完成了有机物的氧化分解、 电子流动和电位梯度的形成。 从能源和环境保护的角度来看， 这样一个过程实际上是实现 了污染物向电能的直接转化， 同时污染物又被分解， 使废水不但被处理， 而且 “变废为宝” 。 但其对废水的处理效率较低， 阳极出水水质一般达不到排放标准， 需进一步处理， 此外电能 输出较小、 库伦效率低等问题也有待解决。 发明内容 0003 为解决上述问题， 本发明提供了一种产电20-87W/m2的节。

11、能催化水处理装置， 构建 了一种自生电场电催化的水处理装置， 本发明的技术方案为： 0004 一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 包括池体1、 导线2、 负载3、 阴极室4、 曝气装置5、 出水溢流装置6、 进水泵7、 进水管8、 阳极室9、 碳棒10和沙粒隔层11； 0005 其中， 沙粒隔层11位于池体1中部， 沙粒隔层11将池体1分为阴极室4和阳极室9两 部分； 所述阳极室9位于沙粒隔层11的下方， 阳极电极为碳棒10， 碳棒10的一端连接导线； 阳 极室9用活性炭填充并负载产电微生物； 所述阴极室4位于沙粒隔层11的上方， 阴极电极以 导电性材料为基底并负载催化剂， 阴极。

12、电极的一端连接导线并接入负载3， 与阳极电极碳棒 10一端的导线相连， 从而形成外电路； 曝气装置5位于阴极室4、 池体1顶部的开口处， 用于向 阴极室4内补充空气或氧气， 进一步促进催化降解废水中的有机物； 出水溢流装置6位于阴 极室4、 池体1上方、 低于曝气装置5所在的开口处； 进水泵7通过进水管8通入至阳极室9、 位 于池体1的下方； 废水通过进水泵7从进水管8流入阳极室9， 阳极室9的产电微生物分解废水 中的有机物并释放电子， 废水再通过沙粒隔层11过滤掉颗粒物及阳极微生物后向上渗入阴 极室4中， 再经曝气装置5进一步降解通过出水溢流装置6流出， 从而实现废水处理及废水产 说明书 1。

13、/3 页 3 CN 109956620 A 3 电。 0006 进一步地， 阴极电极的基底导电性材料为碳纤维布或活性炭； 阴极电极的负载催 化剂为二氧化钛复合催化剂、 含Fe、 Mn、 Zn、 C、 F、 O元素的催化剂。 0007 进一步地， 阳极室9活性炭的填充率为4095。 0008 进一步地， 沙粒隔层11为石英砂、 锰砂或二者的混合物。 0009 进一步地， 负载3为1001000的电阻。 0010 进一步地， 与阳极电极碳棒10平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极， 在碳棒 10和参比电极上接入数据采集卡， 实时采集阳极的电势数据； 在阴极电极的导线上接入数 据采集卡， 实时采集电。

14、池的电势数据。 0011 进一步地， 池体1的形状为横管形、 柱形、 方形或多层组合结构。 0012 本发明的有益效果： 本发明提供了一种产电20-87W/m2的节能催化水处理装置， 该 装置可由多层或多个组合单元构成， 整体外壳可采用水泥、 PVC、 玻璃钢等材料； 该装置根据 需要选择不同形状的池体， 灵活控制水力停留时间和路径， 提高对废水中有机物的降解和 转化； 廉价砂层代替质子交换膜， 既降低了成本， 又对废水起到过滤作用， 截留大颗粒物质 和阳极微生物， 有利于提高出水水质； 阴极电极催化作用进一步提升废水处理效果， 同时生 物阳极产电缓解了阴极的污染； 且该装置结构简单， 操作方。

15、便。 附图说明 0013 图1是本发明的一种横管式水处理装置设计示意图。 0014 图2是本发明的一种柱状池形水处理装置设计示意图。 0015 图3是本发明的一种方形池水处理装置二级串联装置设计示意图。 0016 图4是本发明的COD脱除性能图， 横坐标表示时间， 单位d； 纵坐标表示出水浓度和 去除效率， 单位mg/L和； 方块和圆点表示COD出水浓度， 倒三角和菱形代表COD去除效率。 0017 图5是横管式水处理装置的电势图， 横坐标表示时间， 单位d； 纵坐标表示电压， 单 位V； 圆形和倒三角代表电池电势， 正三角和菱形表示阳极电势。 。 0018 图中： 1池体； 2导线； 3负载。

16、； 4阴极室； 5曝气装置； 6出水溢流装置； 7水泵； 8进水管； 9阳极室； 10碳棒； 11沙粒隔层。 具体实施方式 0019 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。 0020 实施例1： 一种横管式水处理装置 0021 结合图1， 本实施方式是一种横管式水处理装置， 该装置是由池体1、 导线2、 负载3、 阴极室4、 曝气装置5、 出水溢流装置6、 进水泵7、 进水管8、 阳极室9、 碳棒10和沙粒隔层11组 成， 装置设计尺寸为10.5cm0.6m， 总有效体积为4L。 0022 其中， 沙粒隔层11位于池体1中部， 沙粒隔层11将池体1分为阴极室4和阳极室9两 部分，。

17、 沙粒隔层11的设计尺寸为10cm1.3cm0.6m； 填充物为石英砂和锰砂按1： 1组成的 混合物， 0.5-1mm， 填充率为100。 0023 阳极室9位于池体下部， 阳极室9位于沙粒隔层11的下方， 阳极电极为碳棒10， 碳棒 10的尺寸为8mm0.4m， 碳棒10的一端连接导线； 阳极室9用活性炭颗粒填充， 3-5mm， 填充 说明书 2/3 页 4 CN 109956620 A 4 率为4095， 阳极整体含有碳棒、 活性炭、 微生物； 与阳极电极碳棒平行插入一个饱和 甘汞电极作为参比电极， 在碳棒10和参比电极上分别接入数据采集卡， 实时采集阳极电势 数据。 0024 阴极室4位。

18、于沙粒隔层11的上方， 阴极电极以碳纤维布为基底， 并负载催化剂， 常 用的电极催化剂有二氧化钛复合催化剂或含Fe、 Mn、 Zn、 C、 F、 O等元素的催化剂； 阴极电极的 一端连接导线并接入500电阻， 与阳极电极碳棒10一端的导线相连， 从而形成外电路， 阴 极导线也接入数据采集卡， 实时采集电池电势数据； 池体1上部的阴极室开口， 放入曝气装 置5， 阴极室设置出水溢流装置6； 进水泵7通过进水管8通入至阳极室9、 位于池体1的下方； 废水通过进水泵7从进水管8流入阳极室9， 阳极室9的产电微生物分解废水中的有机物并释 放电子， 废水再通过沙粒隔层11过滤掉颗粒物及阳极微生物后向上渗。

19、入阴极室4中， 再经曝 气装置5进一步降解通过出水溢流装置6流出， 从而实现废水处理及废水产电。 0025 溢流出水可以直接作为二级处理进水， 串联与图1相同类型的反应器进行二级处 理， 二级处理能进一步净化废水， 在处理高浓度废水时， 可有效提高出水水质， 达到排放标 准。 0026 图4和图5分别为该装置一级出水的COD去除性能图和产电性能图， 应用不同的导 电膜作阴极， COD去除率可达6090， 说明本装置能够实现废水处理和质能转化， 即能 够实现废水的资源化和能源化。 0027 实施例2一种柱状池形水处理装置 0028 结合图2， 在柱状池形水处理装置中， 结合实施例1填充阳极室、 。

20、多介质仓、 阴极室， 构成电路回路。 阴极电极含有C、 F、 O、 N、 Ti金属等元素。 废水经进水推流装置进入阳极室底 部； 多介质仓作为隔仓代替质子交换膜， 废水流经的同时可以截留微生物和颗粒物； 废水到 达阴极后经导电膜催化作用， 得到进一步净化， 从溢流装置排出。 系统外接负载， 并连入数 据采集卡。 0029 该装置在处理一种化工废水时， 采用不同导电膜作阴极， COD去除率达到60 95， TN(总氮)去除6090， 每平米电极产电能力达到20W； 光照阴极时， 每平米电极产电 能力达到87W。 说明该装置能够实现废水的有效处理和质能转化。 0030 实施例3一种二级水处理装置 。

21、0031 结合图3， 在方形池的水处理装置的单元中， 阳极室和阴极室为左右结构， 中间用 多介质仓分隔。 结合发明方案填充阳极、 隔层、 阴极， 构成电路回路。 其中， 导电膜组件作为 阴极， 其含有F、 C、 N、 O、 Ti金属等元素。 化工废水经进水流量调节装置进入左侧阳极室， 经微 生物作用后由隔仓进入阴极， 微生物和颗粒物被截留在阳极室； 阴极膜组件在曝气装置作 用下进一步催化降解废水中的污染物， 同时阴极耦合MBR， 经膜组件过滤后出水。 单级水处 理装置在处理化工废水时， 所得COD去除率可达6090。 产电可达20W。 0032 单元的组合装置中布置多级、 多层净化单元， 废水。

22、可以同时进入每个单元的阳极， 也可以先依次流经一个单元的阳极室、 隔层、 阴极室后， 再进入另一个单元的阳极室、 隔层、 阴极室； 这样的多级处理适合处理高浓度、 难处理的废水。 如图3所示的二级水处理装置， 在 处理一种高浓度、 难处理的化工废水时， 氨氮去除率在85以上， 总磷去除率稳定在90以 上， COD去除率稳定在95以上， 且产电性能良好。 说明该二级水处理装置能稳定有效的进 行高浓度、 难处理废水的净化， 实现废水资源化和能源化处理。 说明书 3/3 页 5 CN 109956620 A 5 图1 图2 说明书附图 1/3 页 6 CN 109956620 A 6 图3 图4 说明书附图 2/3 页 7 CN 109956620 A 7 图5 说明书附图 3/3 页 8 CN 109956620 A 8 。