压力延迟渗透耦合微生物燃料电池处理排海污水同步产能研究

Efficient treatment of wastewater with low energy cost is a promising solution for controlling the severe costal pollution problems in China. Various innovative technologies such as seawater driven osmotic membrane processes and bioelectrochemical systems have been robustly developed, providing alternatives to achieve energy-efficient wastewater treatment and discharge. In this study, we propose a synergy of pressure retarded osmosis and microbial fuel cell technologies, namely a pressure retarded microbial osmotic fuel cell, with the function of simultaneously wastewater purification and transmembrane discharge with electricity generation by using an osmotic membrane to substitute an ion exchange membrane. Furthermore, the mass transportation rate through the osmotic membrane will be matched with the rate of microbial treatment by adjusting the operational pressure in order to obtain an optimal performance in terms of wastewater purification and energy production in the system. .To establish a highly fouling resistant osmotic microbial fuel cell system, membrane surface modification will be initially performed in order to improve the anti-fouling performance of a pressure retarded osmotic membrane. Afterward, a pressure retarded microbial osmotic fuel cell process will be developed, followed by interpretation of mass transport and energy generation mechanisms in the combined system using modeling method. By optimizing process performance and understanding the mechanisms, this study will provide an innovative concept and theoretical support for safe disposal of treated wastewater as well as energy recovery from wastewater.

正渗透技术及微生物电化学系统等新型低能耗污水处理技术的发展为有效处理排海污水并回收污水中的资源和能源提供了基础。本项目提出将压力延迟渗透技术与微生物燃料电池技术相结合，采用渗透膜替代离子交换膜，同时完成污水微生物处理及膜分离排放，生物产电及盐差发电等功能，并通过调节耦合系统操作压力实现微生物处理与渗透传质过程的速率匹配，以期实现最大限度的回收和利用排海污水中的能源。.首先，对压力延迟渗透膜进行高效抗污染改良，建立高通量抗污染的渗透微生物燃料电池系统。在此基础上，构建压力延迟渗透-微生物燃料电池耦合工艺，并对系统的传质-产能机制通过理论模型进行解析。通过对工艺性能的优化和工艺原理的阐明，本项目将为以低能耗实现污水安全排海及能源回收提供新的思路和理论依据。

正渗透（FO）及微生物电化学系统等新型低能耗污水处理技术的发展为有效处理排海污水并回收污水中的资源和能源提供了技术基础。本项目探索了通过采用渗透膜代替离子交换膜，将正渗透过程与微生物燃料电池（MFC）相结合，以实现同步污水微生物处理及膜分离排放与污水微生物产电技术的可能性和效果。并对该技术的工作原理进行了初步的探索和讨论。. 首先，本研究尝试了三种薄膜制备/改性方法以增强薄膜材料在纯水通量，盐截留率以及抗污染性方面的性能，其中基于双亲性嵌段共聚物的高渗透选择性复合膜（TFC（PSf-b-PEG））可实现约40%的纯水通量增加和较好的抗蛋白污染能力及恢复能力；通过MEMO-PMMA-Br单体接枝TiO2纳米颗粒的抗污染膜（TiO2-CTA & TiO2-AqP）可分别实现73.4%和13.6%的清水通量增加，且改性后的AqP膜的抗污染性能得到了较大的提高；超支化聚缩水甘油改性的嵌段共聚物基复合膜（hPG-TFC）在保持较高清水通量的同时有效降低了NaCl反向渗透。.其次，研究考察了在正渗透模式下超支化聚缩水甘油改性的嵌段共聚物基正渗透复合膜（hPG-TFC）对实际市政污水的处理效果，以1 mol/L NaCl汲取液条件为例，可获得污水过滤通量17 ~ 19 L/(m2·h)，同时有效截留和浓缩市政污水中的有机物，氮磷等污染物。但由于市政污水化学组成复杂，由膜污染造成的通量下降仍对系统的长期运行造成一定影响。. 进一步的，通过构建三室型反应器对正渗透微生物燃料电池（OsMFC）与传统MFC产电效果进行了对比，在共用阳极的条件下OsMFC相较于传统MFC的最大产电功率密度可提高22%，同时内阻减低37%。膜污染仍然是OsMFC实现长期稳定运行的重要制约因素，对比不同膜污染清洗方式发现，低浓度次氯酸钠溶液对膜通量恢复具有较好的效果，清洗后膜通量可恢复91%。另外，阳极室水力停留时间的增加导致产电效率的下降，但会有效强化阳极液COD去除；阴极液渗透压的增加有利于反应系统产电效率的增加，但盐的反向渗透可能导致阳极产电微生物活性的下降，从而影响COD的去除效果。