CN102110835A

CN102110835A - 可用于aao污水处理工艺中强化脱氮的微生物燃料电池装置

Info

Publication number: CN102110835A
Application number: CN2011100236148A
Authority: CN
Inventors: 刘红; 董文博; 谢倍珍
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2011-06-29

Abstract

本发明设计了一种可用于AAO污水处理工艺中强化脱氮的微生物燃料电池装置，强化污水生物污水脱氮并产生电能。该装置的结构由阳极堆、阴极堆、外接电路导线、外接负载组成。将阳极堆布设与AAO污水处理工艺厌氧反应池中，阴极堆布设于缺氧池中，组成生物阴极性微生物燃料电池结构，在不影响原AAO处理工艺功能的同时强化脱氮，在去除污染物的同时还可以产生电能。本装置易于安装，可以方便地与现有的AAO工艺结合使用。

Description

可用于AAO污水处理工艺中强化脱氮的微生物燃料电池装置

技术领域

本发明涉及一种能在AAO污水处理工艺过程中强化生物除氮并同时发电装置。此种装置能够强化微生物去除污水中的含氮污染物，并且产生一定量的电能，同时不干扰传统的AAO污水处理工艺，提高生物脱氮效率。

背景技术

AAO工艺是传统活性污泥工艺、生物硝化及反硝化工艺和生物除磷工艺的综合。由于该工艺将厌氧、缺氧和好氧三种不同的环境条件交替运行，生物反应池中会存在例如兼性厌氧发酵细菌、反硝化菌、好氧聚磷菌等多种适合于不同环境的微生物。不同种类的微生物菌群共存于同一污泥系统中，必然存在细菌之间不同泥龄和碳源之争。由于上述矛盾的存在，系统很难实现不同功能的三种菌的最佳生长条件，因此该工艺的脱氮效率一般不高。

为解决AAO工艺碳源不足及硝酸盐难于去除的问题，研究者们进行了工艺改进：针对碳源不足采取的措施，如补充碳源、改变进水方式等。然而，基于对传统工艺流程及反应器改进的新工艺，需要另设庞大复杂的水处理构筑物，所占的体积空间大，而且增加了运行成本和操作控制难度；基于新的微生物学和生物化学理论开发出的新型工艺，如何进行微生物的筛选、培育以及如何通过合理控制来保持它们在水处理系统中的优势地位都是难点。

因此，如何利用更简单、易行、低成本的装置来提高AAO工艺脱氮效果就成为了关键。

发明内容

针对以上提到的种种问题，本发明提出了一种新型的用于AAO污水处理工艺中强化脱氮的微生物燃料电池装置。该装置主要由两部分构成：位于AAO工艺厌氧池中的阳极堆和位于缺氧池中的阴极堆，它们通过导线和外接负载相连。该装置阳极堆是由活性炭或石墨材料制成直径0.51.0m，长度为1.05.0m的管状电极材料相互平行并排相连，由PE等具有绝缘性能的高分子聚合材料的固定管架固定，构成模块化的电极堆。管状电极材料之间靠金属导线连接，导线包裹于高分子聚合材料固定管架中；阴极堆材料与结构与阳极堆相同。连接电极材料的导线汇集后连入外电路。管状电极材料开口方向与AAO工艺生物反应池内水流方向平行，以保证水流顺畅和电极表面微生物膜的更新。

将该装置阳极堆置于AAO污水处理工艺的厌氧池中，阴极堆置于AAO污水处理工艺的缺氧池中，通过外电路导线和外接负载连接，形成闭合回路，从而构成生物阴极型微生物燃料电池。在此装置启动阶段，阴、阳极板会逐渐附着具有活性的微生物膜，即在阳极表面附着厌氧产电微生物，阴极表面附着厌氧反硝化微生物。待此装置稳定运行后，阳极产电微生物去除有机碳并产生质子和电子，产生的电子通过外电路传递到阴极，而产生的质子通过水流传递给阴极，在反硝化微生物的催化作用下，激活阴极的反硝化作用，缺氧区中的NO₃ ^-与质子和电子反应生成N₂和H₂O，从而强化去除污水中的N元素，并产生电能。整个过程可视为：在不影响AAO污水处理工艺正常运行的情况下，缺氧池中的NO₃ ^-氧化厌氧池中的含碳有机物，生成CO₂，N₂和H₂O。即利用该微生物燃料电池装置催化污染物与污染物之间的反应，产生非污染气体。

根据AAO工艺处理规模以及进、出水水质情况，可分别在厌氧区和缺氧区设置由10-100个阳极堆和阴极堆，在保证满足出水质量的前提下减少电极堆数量，节约成本。此装置阴、阳极堆的布设，要求电极堆顶部在水面0.6-1.0m以下，以保证厌氧的环境；相同电极堆以2.5-5.5m为间距布设。为缩短阴、阳极之间距离，阳极堆从厌氧池末端最靠近厌氧池出水口的一端向厌氧池进水口方向排布，阴极堆从缺氧池初始端进水口开始向缺氧池出水口方向排布。电极堆之间靠金属导线连接并最终与外电路导线和外接负载相连。

该种强化装置可直接应用于任何池形的AAO工艺污水处理生物反应池中，无需对池体做改动，只用在原有的污水处理生物缺氧反应池中加入适当的电极，构成生物阴极型微生物燃料电池，就能够在处理污水过程中强化脱氮效率，有效的应用于富含有机氮污染物的污水处理；与此同时完成电力的生产，带动一些小功率的直流用电器。

附图说明

图1为本发明装置电极板结构的前侧视图。

图2为本发明装置电极板结构的右侧视图。

图3为本发明装置的示意图。

图4为本发明装置用于AAO污水处理工艺中生物反应池的俯视示意图。

图中：1是活性炭或石墨材料制成极板材料；2是高分子有机绝缘材料管架，由A、B、C、D四根管组成，如附图1所示；3是金属导线，包埋在绝缘管内部；4是金属螺栓，用于固定管架和极板材料，并将电子传递给金属导线；5是阳极堆；6是阴极堆；7是外接电路导线；8是外接负载；9是高分子聚合材料固定管架与生物反应池壁固定装置，采用抗腐蚀的金属材料；10是反应池进水口；11厌氧池；12是缺氧池；13是好氧池；14是内循环出水口；15水泵；16是内循环进水口；17是反应池出水口。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。

按照附图1、图2所示组装该装置极板堆，保证金属导线3与金属螺栓4、金属螺栓4与电极材料1之间接触良好，有较好的导电性；按照图3所示将装置布设于AAO工艺生物反应池中；连接极板组成图2所示的闭合回路。

装置启动时，利用金属材料的固定装置9，分别将合适数量的阳极堆5和阴极堆6布设于AAO工艺生物反应池中的厌氧池11和缺氧池12的池壁上。外电路导线7将它们连接成闭合回路，从而组成生物阴极型微生物燃料电池。这样会使阳极堆5表面附着厌氧产电微生物，阴极堆6表面附着厌氧反硝化微生物。

装置稳定运行时，含有大量有机碳污染的废水，由反应池进水口10进入到厌氧池11，厌氧池中的阳极堆5上附着有大量的产电微生物，废水流经过程中，产电微生物会消耗废水中的有机碳作为自己生长和代谢的原料，将有机碳转化为自身的物质或者是CO₂，起到了去除有机碳污染的作用；在代谢的同时，会产生电子传递给阳极堆，电子通过外电路7和外接负载8到达阴极堆6，产生质子会随着污水流进缺氧池12，在阴极堆6表面附着的反硝化微生物作用下，缺氧池中的NO₃ ^-会与质子和电子结合生成N₂和H₂O，从而达到除氮的目的。

Claims

1.一种可用于AAO污水处理工艺中强化脱氮的微生物燃料电池装置，其特征在于：主要由两部分构成，位于AAO工艺厌氧池中的阳极堆和位于缺氧池中的阴极堆，它们通过导线和外接负载相连。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，阳极堆和阴极堆是由活性炭或石墨材料制成直径0.5-1.0m，长度为1.0-5.0m的管状电极材料相互平行并排相连，由PE等具有绝缘性能的高分子聚合材料的固定管架固定，构成模块化的电极堆；管状电极材料之间靠金属导线连接，导线包裹于高分子聚合材料固定管架中；连接电极材料的导线汇集后连入外电路。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，在AAO工艺厌氧池和缺氧池中以2.5-5.5m间距布设，顶部在水面0.6-1.0m以下，以保证厌氧的环境；为缩短阴、阳极之间距离，阳极堆从厌氧池末端最靠近厌氧池出水口的一端向厌氧池进水口方向排布，阴极堆从缺氧池初始端进水口开始向缺氧池出水口方向排布；根据AAO工艺处理规模以及进、出水水质情况，可分别在厌氧区和缺氧区设置由10-100个阳极堆和阴极堆；电极堆之间靠金属导线连接并最终与外电路导线和外接负载相连，形成闭合回路，从而构成微生物燃料电池。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，管状电极材料开口方向与AAO工艺生物反应池内水流方向平行，以保证水流顺畅和电极表面微生物膜的更新。