CN101462785A - 厌氧流化床空气阴极微生物燃料电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将液固流化床和微生物燃料电池相集成用于废水处理的技术装置，特别是一种厌氧流化床空气阴极微生物燃料电池装置；其底部制有污水入口，污水入口上部制有预分布室，预分布室和流化床体之间制有液体分布板，流化床体内下部装有流化颗粒；阳电极竖向位于流化床体内侧，一端插入流化颗粒内引出电子，空气膜阴极位于流化床体外侧，并通过环氧胶密封，阳电极另一端和空气膜阴极之间通过导线连接，并串联负载形成闭合回路；气体收集出口位于密封盖顶部中心；上下顺序排列的测试口位于流化床体外侧壁；其制备成本低，性能高，操作可靠，效果好，速率快，易于放大和工业化应用。

Description

厌氧流化床空气阴极微生物燃料电池装置
技术领域：
本发明属于液固流化床反应器生物燃料电池技术领域，涉及一种将液固流化床和微生物燃料电池相集成用于废水处理的技术装置，特别是一种厌氧流化床空气阴极微生物燃料电池装置，适用于啤酒工业废水、食品加工废水、城市生活污水等有机物污水处理场合。
背景技术：
目前，工业发展和人口急剧膨胀对资源和环境造成了严重威胁，合理利用资源，实现废物的资源化利用是环保减排和缓解资源短缺的有效途径。由于城市生活污水和工业生产废水的不断增加，净化处理能力严重不足，水环境日益恶化。现有的污水处理方法主要包括物理处理法、化学处理法和生物处理法等，其中最常用的生物处理法包括两种：一种是利用微生物在污水池中进行曝气处理，消耗大量能量，污水处理成本高，不利于推广；另一种是利用厌氧微生物将污水中的有机物氧化分解为二氧化碳以及甲烷等小分子物质，但是厌氧处理过程不能将有机物彻底氧化，产生甲烷、一氧化碳等气体。甲烷、一氧化碳等气体如不进行后处理会对周围环境产生二次污染。因此需要研究高效的有机废水的处理方法。微生物燃料电池技术利用异化菌为催化剂将呼吸作用中的电子供体(如葡萄糖、醋酸等)彻底氧化为二氧化碳，同时产生电能，该技术具有反应条件温和，设备简单，易操作，运行成本低，对污水有机物去除效果好等优点，可实现在污水处理的同时回收能量的双重效果，是一种应用前景广泛的污水处理技术，但该技术目前尚未形成规模化的成熟应用。厌氧流化床阳极空气阴极单室微生物燃料电池是将微生物燃料电池技术与流化床反应器相集成而研究开发的一种新型反应器，属于待开发和创新的技术。电池(MFC)多适用于实验室的研究，阳极多用搅拌的方式，存在微生物分布不均匀，传质效率低，不易于污水处理工业放大等突出缺点。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，开发一种液固厌氧流化床阳极空气阴极单室微生物燃料电池废水处理装置，该装置易于工业化，可在实现污水处理同时生产电能，通过调节床层高度、污水流量、废水浓度和种类、液体分布孔尺度、厌氧污泥和载体颗粒用量及粒度等操作参数，实现污水化学耗氧量(COD)污染物的有效去除和产电性能的提高。
为了实现上述目的，本发明装置的主体结构包括污水入口、污水出口、污水入口预分布室、液体分布板、流化床体、流化床扩大段、流化颗粒(填料)、密封盖、气体收集出口、测试口、阳电极、导线、阴极和负载，各部件配合组成厌氧流化床阳极空气阴极微生物燃料电池装置；装置底部制有污水入口，污水入口上部制有预分布室，预分布室和流化床体之间制有液体分布板，流化床体内下部装有流化颗粒，流化颗粒由厌氧污泥及其载体颗粒混合加入流化床反应区；阳电极竖向位于流化床体内侧，一端插入流化颗粒(填料)内引出和传导有机物降解产生的电子，空气膜阴极位于流化床体外侧，并通过环氧胶密封，阳电极另一端和空气膜阴极之间通过导线连接，并串联负载相连形成闭合回路；上下顺序排列的测试口位于流化床体外侧壁，用于测定床层压力和流化颗粒流速；污水入口预分布室使菌液分布均匀，实现流化颗粒的充分流化，改善废水处理效果，增加产电功率，降低内阻；污水由污水入口依次经过预分布室和液体分布板进入流化床体内，厌氧污泥混合菌挂膜于流化颗粒上处于流化状态；流化床体顶部设置有密封盖，将阳电极处于密封状态并保持厌氧环境，密封盖中心设置有气体收集出口；阳电极与阴极之间距离为10mm-20mm；阴极为空气膜阴极，以不锈钢丝网为支撑体，通过法兰连接于厌氧流化床体外侧。
本发明与传统的微生物燃料电池相比具有以下优点：(1)阳电极室采用厌氧生物流化床，废水自下向上流过床层使填料呈流化状态，增加了单位时间内生物膜同废水的接触面积，强化了污水中有机物的传质，加快了生化反应速率；(2)采用空气阴极，减少曝气动力消耗，避免了氧在水中溶解度对阴极氧还原动力学的限制；(3)厌氧流化床阳极空气阴极微生物燃料电池结构简单、体积功率密度高，易于工业放大；本发明以废水作为电池燃料，以厌氧污泥为混合菌种源，采用空气阴极，降低了电池成本，提高了产电性能，还具有操作区域宽，操作可靠，厌氧流化床传质效果好，生化反应速率快，易于放大和工业化应用等优点，广泛适用于不同化学耗氧量(COD)浓度污水的净化处理。
附图说明：
图1为本发明装置的平面结构原理示意图。
图2为本发明装置的电池启动期电压图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明装置作进一步的描述。
实施例：
本实施例结构主体包括污水入口1、预分布室2、液体分布板3、测试口4、流化床体5、流化床扩大段6、污水出口7、密封盖8、气体收集出口9、负载10、导线11、催化剂颗粒挡板12、阳电极13、阴极14和流化颗粒15，各部件组合构成厌氧流化床阳极空气阴极单室微生物燃料电池装置；污水入口1位于反应器底部中心位置，管径Φ15mm；污水出口7位于流化床体侧壁距顶部50mm处，管径Φ15mm；气体收集出口9位于密封盖8的顶部中心位置，管径Φ10mm；预分布室2的直径为40mm，并通过法兰与流化床体5连接；液体分布板3开孔直径Φ1.5-2.5mm，开孔率10-15％，确保污水均匀进入；催化剂颗粒挡板12的直径Φ70mm，板面开孔直径Φ2-3mm，开孔率10-15％，固定在流化床扩大段6，确保催化剂颗粒或流化颗粒不随污水流出反应器；流化床体5分为反应区和流化床扩大段6，其中流化床反应区为有机玻璃圆筒，直径40mm，高450mm；流化床扩大段6的直径70mm，高150mm；流化颗粒(填料)15为厌氧回流段厌氧污泥(驯化30天)与活性炭载体颗粒按比例混合，填充于流化床体的反应区内；阳电极13为直径Φ5mm，长150mm的石墨碳棒，碳棒底部位于流化颗粒15内，另一端焊接导线导出电子；空气膜阴极14为nafion膜和载铂碳纸热压而成，外侧以丝网为支撑，并用环氧胶密封；若干个上下排列的测试口4(Φ4mm)位于有机玻璃侧壁，用于测定床层压力和颗粒流速。
本实施例的待处理合成污水从污水入口1(管径Φ15mm)进入水预分布室2，穿过多孔液体分布板3(直径Φ40mm，板面开孔直径Φ1.5-2.5mm，开孔率10-15％)进入流化床体5的反应区(直径Φ40mm)；污泥和载体颗粒填充于反应区内，在污水流场的作用下流化，污泥中的混合菌作为催化剂将污水中的有机物直接氧化为二氧化碳，产生的电子通过石墨碳棒阳电极13引出至阴极14，氢质子经过质子交换膜到达阴极14，阴极14以空气为电子接受体与氢质子反应生成水，即将污水中COD直接转化为小分子物质CO2、H2O。处理后的污水经过流化床扩大段6(Φ70mm)，穿过催化剂颗粒挡板12(Φ70mm，板面开孔直径Φ2-3mm，开孔率10-15％)，经污水出口7流出，部分回流至流化床反应器；测试口4(Φ4mm)用于测定床层压力和流化颗粒或催化剂颗粒的流速。
本实施例在实践应用中具有以下技术特征：一是污水的流速控制10ml/min-250ml/min之间，会造成床层节涌和流化颗粒的损失，从而降低传质效果和电子产生与传递；二是液体预分布室的作用是保障污水流动的均一性，从而保证流化床体内流化颗粒的流化均匀性，污水入口1和气体收集出口9设计在中轴线上；三是流化颗粒与气体流速有密切关系，颗粒粒径的选择在0.2mm到5mm之间；四是污水挡板设计方面，为防止流化颗粒的流失，挡板下附加一层丝网；五在污水入口预分布室内设计过滤层，过滤处理的污水含有颗粒物杂质，防止堵塞液体分布板孔。
本实施例适于不同COD浓度的污水处理，COD去除率可达87％，具有良好的污水处理效果。附图2为本实施例电池启动期电池电压变化曲线图，将颗粒粒径为0.2-1mm的活性炭和培养好的厌氧污泥以6:5的比例投入厌氧流化床阳极反应器内，系统温度在28±3℃条件下运行时，电池启动较快，系统初始电压为0.2v，运行至第五天，开路电压为0.904v；继续运行一周后，体系运行正常，电压稳定于0.7-1.2v之间；表明本实施例传质效率高、电池启动快、处理效果好、易于工业放大等优点，有利于获得较多的生物质能，实现生物发电和同步废水处理技术的实际应用。

Claims (1)

1.一种厌氧流化床空气阴极微生物燃料电池装置，主体结构包括污水入口、污水出口、污水入口预分布室、液体分布板、流化床体、流化床扩大段、流化颗粒、密封盖、气体收集出口、测试口、阳电极、导线、阴极和负载，其特征在于装置底部制有污水入口，污水入口上部制有预分布室，预分布室和流化床体之间制有液体分布板，流化床体内下部装有流化颗粒，流化颗粒由厌氧污泥及其载体颗粒混合加入流化床反应区；阳电极竖向位于流化床体内侧，一端插入流化颗粒内引出和传导有机物降解产生的电子，空气膜阴极位于流化床体外侧，并通过环氧胶密封，阳电极另一端和空气膜阴极之间通过导线连接，并串联负载形成闭合回路；上下顺序排列的测试口位于流化床体外侧壁，用于测定床层压力和流化颗粒流速；污水入口预分布室使菌液分布均匀，实现流化颗粒的充分流化，改善废水处理效果，增加产电功率，降低内阻；污水由污水入口依次经过预分布室和液体分布板进入流化床体内，厌氧污泥混合菌挂膜于流化颗粒上处于流化状态；流化床体顶部设置有密封盖，将阳电极处于密封状态并保持厌氧环境，密封盖中心设置有气体收集出口；阳电极与阴极之间距离为10mm-20mm；阴极为空气膜阴极，以不锈钢丝网为支撑体，通过法兰连接于厌氧流化床体外侧。
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