[发明专利]从污染物产生能源

说明书

本发明提供一个系统,其使用连续去离子电解技术‑固体氧化物燃料电池(Electrodeionization‑Solid Oxide Fuel Cells,EDI‑SOFC)结合厌氧处理，从碳质及氮质污染物回收能源。该系统可以把厌氧微生物群中复杂的碳质及氮质污染物代谢为生物气体及沼渣。该系统可以直接收集生物气体，然后在EDI的阴极浓缩NH₄⁺并转化为气态NH₃及副产物H₂。随后，把生成的生物气体、氢气和氨送至SOFC以高效率产生能源。

此专利申请以申请号为62/353,137在2016年6月22日申请的美国专利申请作为优先权。上述提及的专利申请的所有内容和公开都结合在此申请中。

在此专利申请中的所有不同的参考文献和公开都在此合并到此专利申请中从而更全面描述此发明从属的技术领域。

技术领域

本发明涉及重整碳质及氮质污染物中的铵、甲烷及二氧化碳而产生能源。

背景技术

活性有机物和氮化物是造成水体缺氧和富营养化的主要原因。因此，越加严格的排放管制可促使发展更有效率的废水处理系统。随着全球能源危机日益加剧，如何降低污水处理的成本并提高废物的可回收能源效率已成为全球的焦点。虽然从含碳有机废物如甲烷(CH₄)中回收能源已有广泛的研究,但氮化物的能源回收并没有完善的发展,更不用说甲烷(CH₄)、二氧化碳(CO₂)、氨(NH₃)及氢(H₂)的混合回收。此外，传统燃烧法只能获得30％的发电效率，而提高其效率的方法和系统已有相关的研究发表。本发明涉及首次结合使用连续去离子电解技术及固体氧化物燃料电池(Electrodeionization-Solid Oxide FuelCells,EDI-SOFC)的系统，用于从废弃物(废水)中的碳质(10.0g L^-1COD)和氮质污染物(0.5mol L^-1NH₄⁺-N)捕获能源。此实验室规模的系统可以应用于香港的废物填埋场设施，使净能量平衡比率由1.11提升至1.75。如成功扩大本系统的规模，可以减低管理通风设备和污泥产量的重要运营成本及增加约六成有机物进料的能源回收，同时节省使用离子态氨氮(NH₄⁺-N)污水处理的成本。

厌氧处理是从废水中回收能源最常采用的方法，可以把碳质及氮质污染物分别转化为生物气体和沼渣。

从废物或污水中提取能源可以减缓对环境的损害，同时减少化石燃料的消耗，这使得该项技术越来越受关注。^1,2為此目的，最能应用的方法是厌氧处理，如厌氧消化(anaerobic digestion,AD)或废物填埋场，可以把废物或污水转化为含有约60％甲烷(CH₄)及40％二氧化碳(CO₂)的生物气体，以及含有400-8000mg L^-1NH₄⁺-N的沼渣或渗滤污水。^3-6生物气体是确认的燃料，可通过热电联产(combined heat and power,CHP)或与燃气发动机热电联产发电。^7,8然而，发电效率限于30％左右，^9,10因此需要进一步改进技术以减低系统对环境的影响。^11-14

沼渣中的铵浓度约400至8000mg L^-1NH₄⁺-N。^1-4铵浓度受到管制以防止缺氧和富营养化。目前去除铵或生產能量的方法包括生物硝化反硝化、厭氧铵氧化(Partialnitrification-Anammox)、耦合好氧-缺氧一氧化二氮(N₂O)分解操作(coupledaerobic-anoxic nitrous decomposition operation,CANDO)和氣提法(Air stripping,AS)