申请日2009.10.30
公开(公告)日2012.07.25
IPC分类号H01M8/16; H01M4/96; C02F3/34; C02F101/20
摘要
本发明提供一种燃料电池系统和污水处理产电及还原重金属的方法，该系统包括生物反应器，生物反应器包括阴极室和阳极室，阴极室和阳极室内分别设有阴电极和阳电极，阴极室和阳极室内分别具有微生物活性物，阴极室和阳极室之间通过质子交换膜相间隔，阳极室内流通污水并通过其内的微生物活性物对污水进行处理，阴极室内包含重金属离子溶液并在其内使重金属离子还原，阳极室内产生质子和电子，质子通过质子交换膜迁移至阴极室，使两极室在反应器内部电性连通，并使生物反应器处理污水的同时产生电能。在该系统和方法中，通过以重金属离子溶液作为电子受体，不用鼓入氧气，整个系统结构简单，成本低，操作简便，还可以从阴极溶液中回收重金属。
翻译权利要求书
1.一种燃料电池系统，其包括生物反应器，所述生物反应器包括阴极室和阳极室，所述阴极室和阳极室内分别设有阴电极和阳电极，所述阴极室和阳极室内分别具有微生物活性物，所述阴极室和阳极室之间通过质子交换膜相间隔，其特征在于，所述阳极室内流通污水并通过其内的微生物活性物对污水进行处理，所述阴极室内包含重金属离子溶液并在其内使重金属离子还原，所述阳极室内产生质子和电子，所述质子通过所述质子交换膜迁移至所述阴极室，使两极室在反应器内部电性连通，并使生物反应器处理污水的同时产生电能;所述阴极室内进一步在加入重金属离子溶液前添加有缓冲溶液，所述添加缓冲溶液与加入重金属离子溶液的间隔时间为24小时至72小时。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述阳电极包括两片交叉连接的石墨电极，所述阴电极包括至少一片倾斜设置的石墨电极。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述重金属离子溶液包含铜离子、锌离子、镍离子、铅离子、镉离子或铬离子中的至少一种。
4.一种污水处理产电及还原重金属的方法，其采用如权利要求1至3任一项所述的燃料电池系统来进行污水处理、产电及还原重金属，该方法包括以下步骤：
将污水导入所述阳极室内;
将缓冲溶液加入阴极室内，运行24小时至72小时后将重金属离子溶液导入所述阴极室内;
通过所述阳极室内的微生物活性物对流经所述阳极室的污水进行处理，同时产生质子和电子，所述质子通过所述质子交换膜迁移至所述阴极室;
所述重金属离子溶液在所述阴极室内接受电子被还原，所述阳极室中产生的质子通过所述质子交换膜迁移至所述阴极室，使两极室在反应器内部电性连通，产生电能。
5.如权利要求4所述的污水处理产电及还原重金属的方法，其特征在于，所述阴极室内先加入缓冲溶液，同时进行曝气，运行预定时间后再导入重金属离子溶液，所述预定时间为24小时至72小时。
6.如权利要求4所述的污水处理产电及还原重金属的方法，其特征在于，所述阴极室内先加入缓冲溶液，在不进行曝气的状态下运行预定时间，再导入重金属离子溶液，所述预定时间为24小时至72小时。
7.如权利要求4所述的污水处理产电及还原重金属的方法，其特征在于，所述重金属离子溶液中的重金属离子还原成重金属单质并沉积在所述阴极上，同时还在所述阴极和/或所述质子交换膜上形成重金属的沉淀化合物，分别收集沉积在所述阴极和/或所述质子交换膜上的重金属单质和重金属的沉淀化合物。
说明书
燃料电池系统和污水处理产电及还原重金属的方法
技术领域
本发明涉及水处理工艺，尤其涉及一种采用微生物反应处理污水并产生电能的燃料电池系统和污水处理产电及还原重金属的方法。
背景技术
随着国家或企业对绿色环保和节约资源等的需求，污(或废)水处理变得越来越受到大众的重视。目前较为有效可行的污水处理通常采用生物处理方法。例如，传统的生物处理工艺使用二次沉淀池来对污水进行处理。然而，在进行污水处理时，污水在经过生化反应后，还需要经过二次沉淀池沉淀后才可排放，造成污水处理的过程较长。另外，采用二次沉淀池的处理工艺占地面积大，投资成本高。尤其是当运行泥龄较高时，这会导致不良的污泥沉淀性。因此，这种处理系统及工艺并不适宜用于人口密集的地域。
随着工业化生产的发展，重金属越来越引起人们的关注。随着环保要求的日益严格，对含重金属废水处理的要求也越来越高，已不单纯局限于末端治理，而是向清洁生产转化，要求实现废水净化回用的同时实现重金属的回收。目前已开发应用的含重金属废水处理方法主要有化学法、物理化学法和生物法，包括化学沉淀、电解、离子交换、膜分离、活性碳和硅胶吸附、生物絮凝、生物吸附、植物整治等方法。一般的化学法处理含重金属废水时，由于许多重金属废水中含有大量的有机络合物，限制了化学沉降过程，导致处理后的废水重金属含量超标;处理过程投加酸碱药剂，操作复杂，成本难以控制，沉降污泥成分复杂，难以处理，容易带来二次污染。生物处理法虽然具有成本低，处理方便的优点，但由于受废水毒性的影响，很难大规模实现，且处理的效率低，效果较差。应用电化学法回收重金属的处理方法，在电解过程中，溶液与电源的正负极接触并发生氧化还原反应，当对重金属废水进行电解时，废水中的重金属离子在阴极得到电子而被还原，这些重金属或沉积在电极表面或沉淀到反应槽底部，从而降低废水中重金属含量。
中国正面临快速发展与环境制约的突出矛盾，存在一些区域水环境中有机物和重金属污染严重的状况。例如，珠江三角洲是重要的印刷电路板(PrintedCircuit Board，PCB)生产和出口基地，仅深圳就有PCB生产企业150余家，年生产能力1100万平方米以上，在创造几百亿元产值的同时也产生大量含高浓度重金属及有机物的废液和废水。由于处理方法落后，致使排放的废水含有铜、镍、铅等重金属离子，严重污染环境。因此，如何有效去除铜、镍、铅等重金属离子的成为当前迫切需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种结构简单、成本低、能充分利用阴极还原力的燃料电池系统。
以及提供一种采用上述燃料电池系统进行污水处理产电及还原重金属的方法。
一种燃料电池系统，其包括生物反应器，所述生物反应器包括阴极室和阳极室，所述阴极室和阳极室内分别设有阴电极和阳电极，所述阴极室和阳极室内分别具有微生物活性物，所述阴极室和阳极室之间通过质子交换膜相间隔，所述阳极室内流通污水并通过其内的微生物活性物对污水进行处理，所述阴极室内包含重金属离子溶液并在其内使重金属离子还原，所述阳极室内产生质子和电子，所述质子通过所述质子交换膜迁移至所述阴极室，使两极室在反应器内部电性连通，并使生物反应器处理污水的同时产生电能;所述阴极室内进一步在加入重金属离子溶液前添加有缓冲溶液，所述添加有缓冲溶液与加入重金属离子溶液的间隔时间为24小时至72小时。
以及，一种污水处理产电及还原重金属的方法，其采用上述的燃料电池系统来进行污水处理、产电及还原重金属，该方法包括以下步骤：
将污水导入所述阳极室内;
将缓冲溶液加入阴极室内，运行24小时至72小时后将重金属离子溶液导入所述阴极室内;
通过所述阳极室内的微生物活性物对流经所述阳极室的污水进行处理，同时产生质子和电子，所述质子通过所述质子交换膜迁移至所述阴极室;
所述重金属离子溶液在所述阴极室内接受电子被还原，所述阳极室中产生的质子通过所述质子交换膜迁移至所述阴极室，使两极室在反应器内部电性连通，产生电能。
在上述技术方案中，所述阴极室内包含重金属离子溶液，并以其作为电子受体，从而在污水处理和产电过程中不用鼓入氧气，整个燃料电池系统可省却传统所需的曝气装置，从而，使得整个系统结构简单，成本低，进行污水处理和产电时，操作也较为简便。而且，由于阴极室可以采用包含重金属离子的溶液作为阴极溶液，因此上述系统和方法不但可以同时实现污水净化和产电，还可以将重金属离子还原，充分利用阴极还原力，从阴极溶液中回收重金属。其中，加入重金属离子溶液前添加有缓冲溶液能阻碍阴极溶液里面的重金属离子在浓度差的压力下向阳极室迁移，从而有效的减少重金属离子如铜离子向阳极室渗透，达到了有效保护阳极室中微生物活性的目的，保证生物反应器的成功启动，并降低生物反应器的表观内阻，提高输出功率和提高重金属离子的除去率。