CN101853955A - 双室藻类微生物燃料电池及其低能耗处理废水的方法 - Google Patents

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Abstract

双室藻类微生物燃料电池及其低能耗处理废水的方法，它属于废水处理领域。本发明解决了由于采用外加曝气导致现有好氧生物处理工艺存在能耗大、成本高的问题。双室藻类微生物燃料电池的阳极室和阴极室通过隔膜连接，隔膜与阳极室、阴极室之间夹有真空垫，阳极室内设置有阳极，阴极室内设置有阴极，阳极和阴极通过导线与设置在双室藻类微生物燃料电池外部的外电路连接。方法：一、启动反应器；二、废水通入阴、阳极室，在室温下微生物分解代谢有机物同时获得电能，阴极藻类通过光合作用向阴极室提供氧气。藻类微生物燃料电池可以作为废水好氧处理的主要构筑物，代替曝气池、生物滤池、曝气氧化塘等在污水处理厂中应用，从而降低好氧生物处理的能耗。

Description

双室藻类微生物燃料电池及其低能耗处理废水的方法
技术领域
本发明属于废水处理领域；具体涉及一种双室藻类微生物燃料电池及其低能耗处理废水的方法。
背景技术
现阶段，国内外普遍采用生化方法处理废水。根据处理过程中是否需要曝气，可把生物处理法分为好氧生物处理法和厌氧生物处理法两大类。
好氧生物处理技术是采用外加曝气的方法，向废水中补充氧气，利用好氧微生物降解废水中的有机污染物。活性污泥法、延时曝气法、生物膜法、深井曝气法等是较有代表性的好氧生物处理方法。好氧生物处理技术在处理过程中需要大规模的曝气，因此处理成本较高，能耗很大。废水厌氧生物处理技术是利用厌氧微生物降解废水中的有机污染物的方法。此方法无需对系统进行曝气，但由于厌氧生物处理的出水仍存在一定的COD和BOD，所以必须再经好氧处理后才能达到排放标准。
目前我国的废水处理厂主要采用活性污泥、生物滤池、曝气氧化塘、三级过滤等方法进行废水处理，从这些处理方法可以看出，我国的废水处理主要是以好氧生物处理占主导。废水好氧处理方法是废水处理过程的主要能耗者，一般而言，废水好氧处理所用能耗约占废水处理厂总能耗的70％，而对于不同的废水好氧生物处理过程而言，能量的需要量变化也是很大的，若按能耗的相对大小排列，应为：延时曝气＞活性污泥＞曝气氧化塘＞生物滤池。
根据国家统计局的统计数据显示，2007年，我国废水排放总量达到556.8亿吨，共有废水处理设备78210套，年废水运行费用达到428亿元。若按照70％的能耗用于废水好氧生物处理计算，每年用于废水好氧生物处理所需的费用高达为299.7亿元，可见应当把废水的好氧生物处理作为节能的首要目标。因此，亟待开发一种能够降低废水好氧生物处理过程能耗的新方法。
综上，由于采用外加曝气导致现有好氧生物处理工艺存在能耗大、成本高的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决废水处理过程中由于采用外加曝气导致现有好氧生物处理工艺存在能耗大、成本高的问题，而提供了双室藻类微生物燃料电池及其低能耗处理废水的方法
本发明中双室藻类微生物燃料电池由阳极、阴极、隔膜、取样口、阳极室、阴极室、进水口、出水口、壳体、外电路和导线构成，所述的阳极室和阴极室通过隔膜分隔，隔膜与阳极室、阴极室之间夹有真空垫(以保持密封)，阳极室内设置有阳极，阴极室内设置有阴极，阳极和阴极通过导线与设置在壳体外部的外电路连接阴极室、阳极室的侧壁上部分别开有进水口，并在侧壁下部分别开有出水口，所述阴极室采用有机玻璃制成(以保证阳光充足)，阴极室内投加了藻类。
双室藻类微生物燃料电池低能耗处理废水的方法是按下述步骤进行的：一、启动反应器：室温下将生活污水(或微生物燃料电池的阳极出水)(作为菌源)分别注入阴极室、阳极室内，并向阴极室内投加藻类(作为接种源)以提供氧气，藻类的浓度为0.3～1.0g/L，利用进水中的微生物启动藻类微生物燃料电池，当电池电压低于50mV时，完全更换阳极室的废水，待负载电压稳定在500mV以上，即完成了藻类微生物燃料电池的启动；二、处理废水：废水注入阳极室内，同时将含碳酸盐废水注入阴极室内，室温下微生物分解代谢有机物同时获得电能，藻类通过光合作用向阴极室内提供氧气，待阳极电位高于-50mV，将阳极室处理过的废水完全排放并注入新鲜废水(是指未经处理的废水)，待阴极电位低于30mV，将阴极室处理过的废水完全排放并注入含碳酸盐的废水；即实现了废水的处理；其中步骤二所述含碳酸盐废水中碳酸盐的浓度0.02～0.5g/L。
在本发明中，启动反应器时间约3～5天，利用藻类微生物燃料电池技术实现了废水好氧处理单元的低能耗，并能够在处理废水的同时获得电能。该技术解决了废水好氧处理过程中由于使用曝气装置而带来的高能耗问题，利用微生物燃料电池中藻类产生的O2，替代了现有的废水好氧处理构筑物(如曝气池、生物滤池等)中的曝气装置，实现了废水好氧处理过程的低能耗。本发明方法在室温下应用，废水COD去除率可达82％～90％，且该技术产生的电能可以用作反应器运行，或输入电网，真正达到废物的资源化。
藻类微生物燃料电池可以作为废水好氧处理的主要构筑物，代替曝气池、生物滤池、曝气氧化塘等在污水处理厂中应用，从而降低好氧生物处理的能耗。
附图说明
图1是双室藻类微生物燃料电池的结构示意图；图2是废水藻类微生物燃料电池的运行情况图，图中■表示反应器2，▲表示反应器1；图3是废水藻类微生物燃料电池的功率密度曲线图，图中□表示功率密度曲线，◆表示电压-电流曲线；图4是不同周期的COD去除率图，图中表示反应器1，
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表示反应器2；图5不同藻类浓度对功率密度曲线的影响图，-◆-表示藻类浓度为0.35g/L的功率密度曲线，-▲-表示藻类浓度为1.05g/L的功率密度曲线，-■-表示藻类浓度为0.70g/L的功率密度曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中双室藻类微生物燃料电池由阳极1、阴极2、隔膜3、取样口4、阳极室6、阴极室7、进水口8、出水口9、壳体11、外电路10和导线5构成，所述的阳极室6和阴极室7通过隔膜3分隔，隔膜3与阳极室6、阴极室7之间夹有真空垫(以保持密封)，阳极室6内设置有阳极1，阴极室7内设置有阴极2，阳极1和阴极2通过导线5与设置在壳体11外部的外电路10连接，阴极室7、阳极室6的侧壁上部分别开有进水口8，并且在侧壁下部分别开有出水口9，所述阴极室7采用有机玻璃制成(以保证阳光充足)，阴极室7内投加了藻类。
本实施方式所述电池的结构简单，便于操作，所述电池中藻类产生的O2，替代了现有的废水好氧处理构筑物(如曝气池、生物滤池等)中的曝气装置，实现了废水好氧处理过程的低能耗。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的阳极1的材料为碳布、碳纸、碳毡、碳电刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述的碳电刷是经过预处理的，碳刷预处理的方法是将碳电刷经450℃加热30分钟，再冷却至室温，然后浸泡于质量浓度为10％H2SO4溶液10分钟，再用质量浓度为10％的NaOH溶液进行中和，最后用蒸馏水清洗。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：所述的阴极2的材料为碳布、碳纸、碳毡、碳电刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的碳电刷是经过预处理的，碳刷预处理的方法是将碳电刷经450℃加热30分钟，再冷却至室温，然后浸泡于质量浓度为10％H2SO4溶液10分钟，再用质量浓度为10％的NaOH溶液进行中和，最后用蒸馏水清洗。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一、四或五不同的是：所述阴极2表面载有0.1～0.35mg/cm3的Pt/C催化剂。其它与具体实施方式一、四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：所述隔膜3的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、超滤膜、微滤膜、全氟磺酸树脂膜、玻璃纤维膜或聚碳酸酯膜。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是：所述的藻类为小球藻、螺旋藻、硅藻、甲藻、金藻、裸藻、轮藻、石莼、海带、裙带菜、紫菜或石花菜。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：(参见图1)本实施方式与具体实施方式一至八不同的是：所述阴极室7、阳极室6的顶端面上均开有取样口4。其它与具体实施方式一至八相同。
本实施方式所述的取样口4用作参比电极、溶解氧探头及其它传感器探头插入和采样分析。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九不同的是：所述的双室藻类微生物燃料电池的外形可以为方形或圆筒形。其它与具体实施方式一至九相同。
具体实施方式十一：本实施方式利用具体实施方式一所述的双室藻类微生物燃料电池低能耗处理废水的方法是按下述步骤进行的：一、启动反应器：室温下将生活污水(或微生物燃料电池的阳极出水)分别注入阴极室7、阳极室6内，并向阴极室7内投加藻类(作为接种源)以提供氧气，藻类的浓度为0.3～1.0g/L，利用进水中的微生物启动藻类微生物燃料电池，阴极2和阳极1之间连接1000Ω的定值电阻来监测电阻电压变化情况，当电池电压低于50mV时，完全更换阳极室的废水，待负载电压稳定在500mV以上，即完成了藻类微生物燃料电池的启动；二、处理废水：废水注入阳极室6内，同时将含碳酸盐废水注入阴极室7内，室温下微生物分解代谢有机物同时获得电能，藻类通过光合作用向阴极室7内提供氧气，待阳极1电位高于-50mV，将阳极室6处理过的废水完全排放并注入新鲜废水，待阴极2电位低于30mV，将阴极室7处理过的废水完全排放并注入含碳酸盐的废水；即实现了废水的处理；其中步骤二所述含碳酸盐废水中碳酸盐的浓度0.02～0.5g/L。
本实施方式中反应器启动时间约3～5天，藻类通过光合作用向阴极室7内提供氧气，可用于替代现有的废水好氧处理构筑物(如曝气池、生物滤池等)中的曝气装置，实现了废水好氧处理过程的低能耗。本发明方法在室温下应用，废水COD去除率可达82％～90％，且该技术产生的电能可以用作反应器运行，或输入电网，真正达到废物的资源化。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十不同的是：步骤一中所述的藻类为小球藻、螺旋藻、硅藻、甲藻、金藻、裸藻、轮藻、石莼、海带、裙带菜、紫菜或石花菜。其它步骤和参数与具体实施方式十相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十一或十二不同的是：步骤一中藻类的浓度为0.35～0.45g/L。其它步骤和参数与具体实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十或十一不同的是：步骤一中藻类的浓度为0.5～0.65g/L。其它步骤和参数与具体实施方式十或十一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十一或十二不同的是：步骤一中藻类的浓度为0.7～0.85g/L。其它步骤和参数与具体实施方式十一或十二相同。
具体实施方式十六：本实施方式利用具体实施方式一所述的双室藻类微生物燃料电池处理废水，双室藻类微生物燃料电池的外形为圆形，阳极1和阴极2均采用经预处理的碳电刷，阴极2表面载有0.1mg/cm3的Pt/C催化剂；该方法是按下述步骤进行的：一、启动反应器：室温下将生活污水(作菌源)分别注入阴极室7、阳极室6内，并向阴极室7内投加小球藻(作为接种源)以提供氧气，小球藻的浓度为1.0g/L，利用进水中微生物启动藻类微生物燃料电池，当电池电压低于50mV时，完全更换阳极室的废水，待负载电压上升，并稳定在500 mV以上，即完成了藻类微生物燃料电池的启动；二、处理废水：废水注入阳极室6内，同时将含碳酸盐废水注入阴极室7内，室温下微生物分解代谢有机物同时获得电能，小球藻通过光合作用向阴极室7内提供氧气，待阳极1电位高于-50mV，将阳极室6处理过的废水完全排放并注入新鲜废水，待阴极2电位低于30mV，将阴极室7处理过的废水完全排放并注入含碳酸盐的废水；即实现了废水的处理；其中步骤二所述含碳酸盐废水中碳酸盐的浓度0.02～0.5g/L。
本实施方式所述碳刷预处理的方法是将碳电刷经450℃加热30分钟，再冷却至室温，然后浸泡于质量浓度为10％H2SO4溶液10分钟，再用质量浓度为10％的NaOH溶液进行中和，最后用蒸馏水清洗。
采用下述试验验证本发明的效果
利用平行试验，采用两台本实施方式所述双室藻类微生物燃料电池(标记为反应器1和反应器2)按本实施方式所述方法处理废水，结果分析如下：
1、本实施方式中废水好氧处理过程由于使用曝气装置对系统进行曝气，所以会消耗大量的能源。我国是一个能源短缺的国家，如果能减少废水处理过程的能源消耗，将会为我国经济的可持续发展作出巨大贡献。针对废水好氧处理过程的高能耗问题，设计藻类微生物燃料电池反应器，利用藻类产生的O2替代现有的废水好氧处理过程的曝气装置，从而实现了废水好氧处理的低能耗。在室温，1000Ω外阻下同时启动两台相同的废水藻类微生物燃料电池，经过100小时的启动期，反应器启动成功，两个反应器均能在500mV有稳定的电压输出，且稳定输出电压的时间超过60小时。在反应器运行过程中监测藻类阴极溶液的溶解氧，溶解氧处于饱和状态。从极化曲线上来看(图3)，微生物燃料电池的最大输出功率可达到5.2W/m3，输出的电能可以用作反应器运行，或输入电网，真正达到废物的资源化。
以上结论均表明，与常规的废水好氧生物处理技术相比，应用藻类微生物燃料电池技术，可以替代现有的废水好氧处理工艺，实现废水处理的低能耗。
2、废水处理过程中的COD去除率
对于废水而言，COD的去除率是废水处理的重要评价指标，COD的去除率高标志着废水处理的效果显著。为考察本发明中涉及的藻类微生物燃料电池能否达到较好的废水处理效果，我们同步启动了2台相同的反应器进行多个周期的监测。从图4中可以看出，在反应器运行的7个周期内，COD去除率在82％～90％之间，说明该反应器在废水处理的多个运行周期中COD去除率较高，并能获得稳定的运行效果。
3、不同藻类浓度的影响
对于藻类微生物燃料电池来讲，阴极的藻类浓度是影响反应器产生O2的关键因素之一。向两台稳定运行的藻类微生物燃料电池中分别加入浓度为0.35g/L、0.70g/L、1.05g/L的藻类溶液，功率密度曲线如图5。当加入0.35g/L藻类溶液时，最高功率密度为3.1W/m3，当藻类浓度为0.70g/L时，最高功率密度为6.6W/m3，当增加藻类浓度至1.05g/L时，最高功率密度降为5.1W/m3。可见，在藻类浓度为0.70g/L时，反应器能够获得最大的电能输出。因此，可以通过适当的提高藻类的浓度来获得高的功率输出，从而达到资源回收的最大化。

Claims (10)

1.双室藻类微生物燃料电池，它由阳极(1)、阴极(2)、隔膜(3)、取样口(4)、阳极室(6)、阴极室(7)、进水口(8)、出水口(9)、壳体(11)、外电路(10)和导线(5)构成，其特征在于双室藻类微生物燃料电池的阳极室(6)和阴极室(7)通过隔膜(3)分隔，隔膜(3)与阳极室(6)、阴极室(7)之间夹有真空垫，阳极室(6)内设置有阳极(1)，阴极室(7)内设置有阴极(2)，阳极(1)和阴极(2)通过导线(5)与设置在壳体(11)外部的外电路(10)连接，阴极室(7)、阳极室(6)的侧壁上部分别开有进水口(8)，并在侧壁下部分别开有出水口(9)，所述阴极室(7)采用有机玻璃制成，阴极室(7)内投加了藻类。
2.根据权利要求1所述的双室藻类微生物燃料电池，其特征在于所述的阳极(1)、阴极(2)的材料均为碳布、碳纸、碳毡、碳电刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网。
3.根据权利要求2所述的双室藻类微生物燃料电池，其特征在于所述的碳电刷是经过预处理的，碳刷预处理的方法是将碳电刷经450℃加热30分钟，再冷却至室温，然后浸泡于质量浓度为10％H2SO4溶液10分钟，再用质量浓度为10％的NaOH溶液进行中和，最后用蒸馏水清洗。
4.根据权利要求1、2或3所述的双室藻类微生物燃料电池，其特征在于所述阴极(2)表面载有0.1～0.35mg/cm3的Pt/C催化剂。
5.根据权利要求4所述的双室藻类微生物燃料电池，其特征在于所述隔膜(3)的材料为阳离子交换膜、阴离子交换膜、超滤膜、微滤膜、全氟磺酸树脂膜、玻璃纤维膜或聚碳酸酯膜。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的双室藻类微生物燃料电池，其特征在于所述的藻类为小球藻、螺旋藻、硅藻、甲藻、金藻、裸藻、轮藻、石莼、海带、裙带菜、紫菜或石花菜。
7.根据权利要求7所述的双室藻类微生物燃料电池，其特征在于所述阴极室(7)、阳极室(6)的顶端面上开有取样口(4)。
8.利用权利要求1所述的双室藻类微生物燃料电池低能耗处理废水的方法，其特征在于双室藻类微生物燃料电池低能耗处理废水的方法是按下述步骤进行的：一、启动反应器：室温下将生活污水或微生物燃料电池的阳极出水分别注入阴极室(7)、阳极室(6)内，并向阴极室(7)内投加藻类以提供氧气，藻类的浓度为0.3～1.0g/L，利用进水中的微生物启动藻类微生物燃料电池，当电池电压低于50mV时，完全更换阳极室的废水，待负载电压稳定在500mV以上，即完成了藻类微生物燃料电池的启动；二、处理废水：废水注入阳极室(6)内，同时将含碳酸盐废水注入阴极室(7)内，室温下微生物分解代谢有机物同时获得电能，藻类通过光合作用向阴极室(7)内提供氧气，待阳极(1)电位高于50mV，将阳极室(6)处理过的废水完全排放并注入新鲜废水，待阴极(2)电位低于30mV，将阴极室(7)处理过的废水完全排放并注入含碳酸盐的废水；即实现了废水的处理；其中步骤二所述含碳酸盐废水中碳酸盐的浓度0.02～0.5g/L。
9.根据权利要求8所述的双室藻类微生物燃料电池低能耗处理废水的方法，其特征在于步骤一中所述的藻类为小球藻、螺旋藻、硅藻、甲藻、金藻、裸藻、轮藻、石莼、海带、裙带菜、紫菜或石花菜。
10.根据权利要求8或9所述的双室藻类微生物燃料电池低能耗处理废水的方法，其特征在于步骤一中藻类的浓度为0.35～0.45g/L。
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