生物电化学污水处理系统能量定向转化与原位利用

水利、环境和公共设施管理业

应用技术

新工艺

允许出口

双筒型微生物燃料电池污水产电与同时脱氮技术研究

国家科技计划

独立研究

1、课题来源与背景 水污染问题已成为影响我国经济社会发展的瓶颈问题之一。城镇污水中所含的碳、氮、磷污染物，都是宝贵的”有用资源“，而传统的污水处理与再生回用工艺却投入大量的能耗和物耗去除这些有用资源，来达到净化污水的目的。污水处理从能源消耗型向能源资源回收型转变，已成为世界共识与未来发展的重要趋势。建立全新的污水能源化与资源化处理技术与工艺，具有十分重要的理论意义与实用价值。 项目组在国家自然科学基金重点项目、面上项目、863 计划、科技部国际科技合作项目等课题资助下，围绕生物电化学污水处理系统能量定向转化与原位利用中的关键科学问题，经过十多年潜心研究，在生物电化学系统内阻表征方法、电荷传递机制及其调控、电能原位利用技术等方面获得了系列重要科学发现。 2、技术原理及性能指标 项目组在建立生物电化学系统内阻表征方法，明确电荷传递机制及其调控途径的基础上，提出了新型生物电化学污水处理系统与工艺原理，利用污水自持能量，能够同时实现污水净化、产电、脱盐与氮磷回收。污水首先进入生物阳极，有机物实现降解并同步产电，之后进入阴极，实现有机物深度去除，硝化与反硝化部分脱氮，最后经中间脱盐腔室，在污水自持能量产生电场作用下，氮磷进入回收腔室，出水得到深度净化，氮磷得到回收。项目组提出的新型生物电化学污水处理系统充分利用污水自持能量，处理生活污水时，COD去除率可达95%以上，出水COD＜25 mg/L，总氮＜15 mg/L，总磷＜0.5 mg/L，达到一级A排放标准，并同步实现污水产电与氮磷回收。 3、技术的创造性与先进性 项目组围绕生物电化学污水处理系统能量定向转化与原位利用中的关键科学问题，在内阻表征方法、电荷传递调控、电能原位利用技术等方面获得了系列重要科学发现。建立了生物电化学系统内电荷传递阻力系列表征方法，并指导构型设计与优化；提出了电势调控与电极优化策略，并解析了其机理；首次提出了微生物脱盐电池，同时实现污水产电与脱盐，引领全球新方向；构建了新型生物电化学污水深度处理系统，利用污水自持能量，同时实现污水净化、产电、脱盐与氮磷回收，为全球领先水平。 4、技术的成熟程度，适用范围和安全性 项目完成的技术成果中有两项完成中试，构建了国内首个处理实际生活污水的生物电化学反应器（1 m3），连续运行15个月，产电功率密度达47 W/m3，为目前已有报道的放大生物电化学反应器（体积10 L以上）产电功率密度的3倍；发明并构建了污水自持能量驱动水深度净化与氮磷回收装置，主体装置成功实现放大（单体400 L）并用于处理实际生活污水，脱盐率达到了98.7%，COD去除率达到97.2%，总氮去除率达到97.7%；浓水产率仅为17.8%，回收绝大部分盐、总磷以及74.1%的总氮。通过两个中试装置的运行，获取了相关水质净化、能量转化数据，同时通过成本核算，确定了该技术在中小污水处理系统中的适用性，同时该系统无二次污染问题，是一种高效节能型污水处理及资源化技术，有望在相关领域得到推广应用。 5、应用情况及存在的问题 项目组针对生物电化学系统对污水中能量定向转化及原位利用进行了长期深入的研究，获得了系列重要的科学发现，对于利用生物电化学系统实现污水中化学能的高效转化和原位利用，具有十分重要的意义。尽管如此，本项目在现阶段研究中还存在以下局限： （1）在理论研究方面，关于胞外电子传递机制，如果在空间尺度加以调控，需要更深入的探讨。 （2）在实际应用方面，项目组研发的基于生物电化学系统的各种污水能量转换及原位利用技术在完成相关中试基础上，需从技术应用角度进一步降低成本，突破推广应用技术瓶颈。 、6、历年获奖情况 无。 。