【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包含可生物降解的有机污染物的流出物例如废水(市政或工业)或有机废物(例如粪肥或浸出液)的处理和稳定化的领域，更特别地，涉及使用生物电化学反应器(即，其中电极中的至少一者与微生物接触(所谓的生物电极)的电化学装置)的电化学系统和方法。
技术介绍
1、相对较新的技术(约20年)的这样的电化学系统和方法特别能够将包含有机物的流出物(废水、水解产物等)的处理与电能或具有附加值的分子(例如有机酸和/或醇)的生产相结合。在第一种情况下，我们讨论微生物燃料电池，而在第二种情况下，这些微生物燃料电池包括微生物电解装置。在这两种情况下，一对氧化或还原反应中的至少一者由微生物(通常以生物膜的形式)催化。微生物的使用产生了限制，例如生物活性随时间的不稳定性、与生物质积聚相关的生物膜的老化、对一些抑制剂(在一些情况下，包括分子氧(o2))的敏感性。
2、历史上，生物电化学系统的第一配置由包括被布置成彼此平行的平面电极的“堆叠”型的纯电化学技术启发。这样的配置允许通过减小内阻来使能量损失最小化，但几乎不适合于具有大的工作空间的反应器，并且使反应器的维护困难。此外，阳极隔室的电极表面/容积比通常较低，从而限制了强化该过程或其用于高度稀释的流出物的用途的可能性。
3、因此，为了开发适合于废水处理的解决方案，这些第一配置已成为研究主题。第一解决方案包括使用促进生物膜的建立、放大以及生物电化学系统的维护的呈刷形式的电极。理论上，与平面电极相比，这些刷状电极形成更大的有效面积。然而，当刷被微生物生物膜堵塞时，该优势被快速抵消。
4、另一系列解决方案由通过固定或粒状的生物质处理废水的方法启发。这些解决方案使用固定床粒状电极，形成隔室的电极全部用粒状材料填充(如例如zhou，y.等[6]描述的)或者部分用粒状材料填充(如例如jia，y.h.等[2]描述的)。这些方法旨在优化废水的处理：它们可以处理大量废水，因为它们具有阳极隔室的大的电极表面/容积比，但它们不一定适合电化学应力。特别地，这些配置可能对集流器的设计和反应器的几何形状施加相当大的限制，并且通常具有大的内阻的特征，导致显著的能量损失。
5、因此，例如jia，y.h.等[2]描述了允许通过由微生物催化的过程由生物质产生氢气的微生物电解电池。使用的生物反应器包括通过膜分隔开的阳极隔室和阴极隔室，阳极隔室包括形成填充有其上沉积有微生物的石墨粒状物的金属篮的模块。这些模块被布置成以一定间距彼此平行地竖直、水平并排。因此，待处理的流出物的流动优选地沿模块进行，而不是通过模块，这不会促进与石墨粒状物和微生物的交换。特别地，位于篮内部的粒状物不能被流化。
6、已经开发了使用流化床粒状电极的其他解决方案。因此，li，j.等[3]研究了使用流化床以减少膜的堵塞的膜生物电化学反应器(也被称为“mber”，表示“membrane bio-electrochemical reactor”)。反应器由具有管状的阳离子交换膜形成。阳极是由沿管状膜的内壁布置在管状膜内部的金属网状物支撑的碳织物。管状膜的内部包括呈中空纤维形式的中空膜和活性炭颗粒。阴极由围绕管状膜的覆盖有pt/c粉末的碳织物形成。最后，将微生物引入到管状膜中。在运行中，使位于管状膜内部的活性炭颗粒流化。然而，该研究表明，流化床反应器mber不能单独用于工业水的处理。其被用作工业水的后处理，在通过微生物燃料电池(也被称为“mfc”，表示“microbial fuel cell”)处理之后进行。
7、liu j.等[4]描述了以分批模式运行的流化粒状电极微生物电解电池。反应器呈由pvc(聚氯乙烯)制成的管的形式，包含活性炭颗粒作为流化阳极，这些颗粒将用作微生物的支撑物。定位在反应器底部的尼龙过滤器允许避免颗粒从下方流出反应器。阳极集流器由定位在反应器内部下半部的石墨块形成。阴极由定位在反应器上部的圆柱形金属网状物形成。再循环回路将反应器的出口连接至入口。在运行中，流出物从底部循环到顶部，使将被排放到阳极集流器上的活性炭颗粒流化。然而，在流化期间，这些颗粒可能被夹带到阴极，这将干扰过程的运行。此外，以分批模式的运行不适合工业规模。
8、liu，j.等[5]的文章描述了包括被布置在彼此的顶部上并通过用作阳极集流器的由钛制成的网状物分隔开的两个室的微生物电解电池。下室形成包含旨在接收微生物的活性炭粒状物的阳极室，上室形成阴极室。在运行中，磁力搅拌器允许使阳极室内部的活性炭粒状物流化。该系统还以分批模式运行，这几乎不适合工业规模。此外，在描述的配置的阴极隔室与阳极隔室之间定位一个或更多个膜似乎不太可能被考虑：上升(或下降)的竖直液压流将在一个或更多个膜上施加大的机械应力，可能导致其破裂。
9、最后，deeke，a.等[1]描述了包括玻璃柱和不同的放电单元的微生物电解电池。放电单元包括阳极和阴极。待处理的流出物在玻璃制成的柱中从底部循环到顶部。活性炭颗粒被引入到玻璃制成的柱中，并被气态氮气流流化。因此，它们被输送至放电单元，然后再被输送到玻璃制成的柱中。然而，该配置实施复杂并且几乎不适合工业规模。特别地，颗粒可能仅被排放到放电单元中，这可能限制其放电频率。此外，颗粒在单元的两个部分之间的循环需要使用容易堵塞的导管，特别是当粒状物载荷高时。
10、通常，现有技术的系统旨在使法拉第产量和/或目标分子(例如乙酸盐、乳酸盐等，生物精炼)的产量最大化。
11、本专利技术追求不同的目标：其提出了优化有机分子的降解的生物电化学系统，特别是用于工业水平上的应用。
12、因此，本专利技术旨在通过提供适合工业规模的能够处理包含有机污染物(可生物降解的有机物质)的流出物(例如废水流出物)的生物电化学反应器(特别是电解或微生物电合成反应器)来克服现有技术的缺点。
13、本专利技术还旨在提供用于处理或预处理特别是包含有机污染物(可生物降解的有机物质)的流出物的方法，所述方法包括生物电化学反应步骤。
14、本专利技术的系统和方法是能量有效的，并且与使用曝气池的处理相比，在降低cod(化学需氧量)和能耗二者方面是有竞争力的。
技术实现思路
1、为此，本专利技术涉及包括至少一个阳极隔室和至少一个阴极隔室的用于处理液体流出物的生物电化学反应器。
2、根据本专利技术，阳极隔室和阴极隔室中的至少一者(即，选自至少一个阳极隔室和至少一个阴极隔室中的至少一个隔室、或者两个隔室)为包括以下的微生物生物膜隔室：
3、-位于隔室的一端的至少一个流体入口，
4、-位于隔室的相反端的至少一个流体出口，
5、-用于使隔室内部的流体按照x方向在至少一个入口与至少一个出口之间循环的装置，
6、-包含电活性微生物的电解质，
7、-生物相容性粒状支撑材料，
8、-位于所述微生物生物膜隔室的至少一个流体入口与至少一个流体出口之间的多阶段集流器，所述集流器包括各本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于处理液体流出物的生物电化学反应器(10)，包括至少一个阳极隔室(12)和至少一个阴极隔室(14)、位于所述至少一个阳极隔室与所述至少一个阴极隔室之间的至少一个分隔件，其特征在于，所述阳极隔室和所述阴极隔室中的至少一者为包括以下的微生物生物膜隔室(12；212；312)：
2.根据权利要求1所述的生物电化学反应器(10)，其特征在于，所述阳极隔室为微生物生物膜隔室，以及任选地，所述阴极隔室为微生物生物膜隔室。
3.根据权利要求1或2所述的生物电化学反应器(10)，其特征在于，所述反应器为包括用于在所述微生物生物膜隔室的所述集流器与另一隔室的电极之间施加电势差的装置的电解反应器或微生物电合成反应器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的生物电化学反应器，其特征在于，所述分隔件包括通过包括用于提取在所述反应器内合成的分子的装置的膜间隔室而彼此分隔开的阳离子交换膜和阴离子交换膜，所述膜任选地被定位成使得所述阳极隔室相对所述阴极隔室在从所述阳极隔室到所述阴极隔室通过所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜而分隔开。
5.根据前述权利要求中
6.根据前述权利要求中任一项所述的生物电化学反应器，其特征在于，所述生物电化学反应器包括以下特征中的至少一者：
7.根据前述权利要求中任一项所述的生物电化学反应器，其特征在于，各流化室按照所述X方向的高度根据选自所述粒状支撑材料的密度、几何形状和颗粒尺寸的所述粒状支撑材料的特征参数，以及根据所述微生物生物膜隔室内部的所述流出物的循环的至少一个特征参数例如其表观速度来确定。
8.根据前述权利要求中任一项所述的生物电化学反应器，其特征在于，所述粒状支撑材料选自聚合物材料、粒状石墨、粒状活性炭、生物炭、磁铁矿、具有导电外层的复合材料。
9.根据前述权利要求中任一项所述的生物电化学反应器，其特征在于，所述粒状支撑材料的颗粒尺寸小于或等于2cm。
10.一种使用根据前述权利要求中任一项所述的生物电化学反应器来处理液体流出物的方法，其中：将待处理的流出物引入到所述生物电化学反应器的至少一个微生物生物膜隔室中，以及使所述待处理的流出物以大于或等于集流器内部容纳的粒状支撑材料的最小流化流速的流速在所述微生物生物膜隔室内部循环。
11.根据权利要求10所述的用于处理液体流出物的方法，其中将从所述至少一个微生物生物膜隔室中流出的所述流出物的至少一部分返回到在至少一个流化室的上游、任选地在所述集流器的室的下游的所述隔室。
12.根据权利要求10或11所述的用于处理液体流出物的方法，其中所述阳极隔室内部的所述待处理的流出物的循环方向X与重力方向平行，以及单独或与所述流出物的再循环部分混合的所述待处理的流出物按照以下方式循环：
13.根据权利要求10至12中任一项所述的用于处理液体流出物的方法，在所述微生物生物膜隔室的所述集流器的至少两个不同的室中，包括以下特征中的至少一者：
14.根据权利要求10至13中任一项所述的处理方法，其中所述待处理的流出物选自粪肥、浸出液、生物废物水解产物、来自废水处理厂的水解污泥、废水处理厂的不同有机液体部分、初步沉降之后的城市废水、有机工业流出物、农业食品工业流出物、废水处理厂的消化物、或其数种的混合物。
15.根据权利要求1至9中任一项所述的反应器用于通过有机废物的电合成来生产分子氢或选自有机酸、醇、甲烷的目标有机分子的用途。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于处理液体流出物的生物电化学反应器(10)，包括至少一个阳极隔室(12)和至少一个阴极隔室(14)、位于所述至少一个阳极隔室与所述至少一个阴极隔室之间的至少一个分隔件，其特征在于，所述阳极隔室和所述阴极隔室中的至少一者为包括以下的微生物生物膜隔室(12；212；312)：
2.根据权利要求1所述的生物电化学反应器(10)，其特征在于，所述阳极隔室为微生物生物膜隔室，以及任选地，所述阴极隔室为微生物生物膜隔室。
3.根据权利要求1或2所述的生物电化学反应器(10)，其特征在于，所述反应器为包括用于在所述微生物生物膜隔室的所述集流器与另一隔室的电极之间施加电势差的装置的电解反应器或微生物电合成反应器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的生物电化学反应器，其特征在于，所述分隔件包括通过包括用于提取在所述反应器内合成的分子的装置的膜间隔室而彼此分隔开的阳离子交换膜和阴离子交换膜，所述膜任选地被定位成使得所述阳极隔室相对所述阴极隔室在从所述阳极隔室到所述阴极隔室通过所述阳离子交换膜和所述阴离子交换膜而分隔开。
5.根据前述权利要求中任一项所述的生物电化学反应器，其特征在于，所述至少一个微生物生物膜隔室包括至少一个再循环回路，所述至少一个再循环回路将所述至少一个出口连接至所述至少一个流体入口，或者将所述至少一个出口连接至通向所述室中的一者或通向所述室中的一者的对于所述流体的循环的上游的至少一个再循环入口。
6.根据前述权利要求中任一项所述的生物电化学反应器，其特征在于，所述生物电化学反应器包括以下特征中的至少一者：
7.根据前述权利要求中任一项所述的生物电化学反应器，其特征在于，各流化室按照所述x方向的高度根据选自所述粒状支撑材料的密度、几何形状和颗粒尺寸的所述粒状支撑材料的特征参数，以及根据所述微生物生物膜隔室内部的所述流出物的循环...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗曼·莫斯科维茨，西奥多·布歇，弗洛伦斯·德富舍古，扬妮克·法约勒，
申请(专利权)人：苏伊士国际公司，
类型：发明
国别省市：
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