CN103259034B - 一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池 - Google Patents

一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池 Download PDF

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Abstract

一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，本发明涉及一种能处理污水的微生物燃料电池。可用于处理生活污水，可实现出水COD达标排放，且能回收电能。本发明的微生物燃料电池包括至少四个电池模块、进水围堰和出水围堰，每两个电池模块为一组以上水平狭缝相邻来贴靠设置，两组电池模块贴靠在一起形成矩形阵列；水从进水围堰溢流流入每个电池模块中，在上阴极板和下阴极板分别与阳极杆件之间形成的电池体之间发电，处理后的水流入出水围堰排出。由于电池模块的进水和排水都是并联方式，任何一个模块出现故障和维修，不影响整体装置的运行。通过叠加的方式增加装置的容量和工作能力，真正实现了产业化的进步。

Description

一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池
技术领域
本发明涉及一种能处理污水的微生物燃料电池。
背景技术
将生物质中的化学能转化成电能已经引起世界各国的广泛关注。其中，微生物燃料电池（MFC）作为一种新的能量获得方法，可从广泛存在的可生物降解、具有还原性的化合物中生产能源。经过十余年的快速发展，MFC技术已经在诸多领域显示出广阔的应用前景。其中，应用MFC技术进行复杂底物转化，比如应用与污水处理，可实现水中复合底物转化，并回收能量，用于各类废水处理，可降低处理能耗，减少污泥排放量，实现水处理可持续发展。
将微生物燃料电池技术应用于污水处理，面临一系列重大问题需要突破，其中，设计出可供放大应用的MFC新构型是此技术应用于污水处理的核心最终目标。目前报道的绝大部分MFC反应器均是实验室研究水平装备，且基本没有涉及设备放大过程研究。截止目前，仍然没有一个微生物燃料电池放大系统成功运行并用于实际污水处理过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，可用于处理生活污水，可实现出水COD达标排放，且能回收电能。
本发明的微生物燃料电池包括至少四个电池模块x、进水围堰7和出水围堰8，每个电池模块x由四框体1、上阴极板2、下阴极板3、多排阳极杆件4、两个阴极外支撑板5和两个阴极内覆盖板6组成，上阴极板2设置在四框体1的上端开口处将四框体1的上端口密封，下阴极板3设置在四框体1的下端开口处将四框体1的下端口密封，两个阴极外支撑板5分别设置在上阴极板2和下阴极板3的外表面上，两个阴极内覆盖板6为聚碳酸酯多孔塑料板，两个阴极内覆盖板6分别内衬于上阴极板2和下阴极板3的内表面上；每个电池模块x的一面侧壁上开有上水平狭缝1-1，与开有水平狭缝1-1的侧壁相对的侧壁上开有下水平狭缝1-2，每两个电池模块x为一组以上水平狭缝1-1相邻来贴靠设置，两组电池模块x贴靠在一起形成矩形阵列；每根阳极杆件4的两端连接在四框体1并且水平设置，多根阳极杆件4平行设置成一排且距离均等，多排阳极杆件4之间沿高度方向等距离排列；四个电池模块x的上水平狭缝1-1都与进水围堰7相连通，四个电池模块x的下水平狭缝1-2都与出水围堰8相连通。
本发明装置运行时，处理之前的水从进水围堰7溢流流入每个电池模块x中，在上阴极板2和下阴极板3分别与阳极杆件4之间形成的电池体之间发电，同时完成生物降解水中有机物的过程，处理后的水从下水平狭缝1-2流出电池模块x，并向上溢流流入出水围堰8，并排出本发明。由于本发明四个电池模块x的进水和排水都是并联方式，任何一个模块出现故障和维修，不影响整体装置的运行。每个电池模块作为独立单元运行，还可以通过叠加的方式增加本发明装置的容量和工作能力，使本发明真正实现了产业化的进步。
附图说明
图1是本发明电池模块排布结构示意图。图2是电池模块的结构示意图。图3是电池模块的另一幅结构示意图。图4是污水在单个电池模块中的流动方式示意图。图5是四联体电池模块布水方式示意图。图6是多层反应器堆叠后整体布水方式示意图，图7是大型MFC稳定运行期电压输出和阳极电位曲线图，图8是运行期反应器污水处理COD性能示意图。图9是运行期反应器污水处理PH性能示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图5具体说明本实施方式。本实施方式的微生物燃料电池包括至少四个电池模块x、进水围堰7和出水围堰8，每个电池模块x由四框体1、上阴极板2、下阴极板3、多排阳极杆件4、两个阴极外支撑板5和两个阴极内覆盖板6组成，上阴极板2设置在四框体1的上端开口处将四框体1的上端口密封，下阴极板3设置在四框体1的下端开口处将四框体1的下端口密封，两个阴极外支撑板5分别设置在上阴极板2和下阴极板3的外表面上，两个阴极内覆盖板6为聚碳酸酯多孔塑料板，两个阴极内覆盖板6分别内衬于上阴极板2和下阴极板3的内表面上；每个电池模块x的一面侧壁上开有上水平狭缝1-1，与开有水平狭缝1-1的侧壁相对的侧壁上开有下水平狭缝1-2，每两个电池模块x为一组以上水平狭缝1-1相邻来贴靠设置，两组电池模块x贴靠在一起形成矩形阵列；每根阳极杆件4的两端连接在四框体1并且水平设置，多根阳极杆件4平行设置成一排且距离均等，多排阳极杆件4之间沿高度方向等距离排列；四个电池模块x的上水平狭缝1-1都与进水围堰7相连通，四个电池模块x的下水平狭缝1-2都与出水围堰8相连通。
多排阳极杆件4中的每排阳极杆件4与四框体1之间为能调节高度的固定连接，比如四框体1上开有高度方向的长槽，用于调节阳极杆件4的安装高度。
电池模块与电池模块之间可以拆分组合，同时每个电池模块的长宽高均可以适当变化，以满足工艺需要。阳极杆件4的阳极材料为以钛丝为核心的碳纤维丝毛刷材料。碳刷材料经过预处理用于本模块之中。可替换的阳极材料可以有很多种，例如碳纤维薄毡，活性炭填料以及其他导电的生物可附着填料。阴极采用载催化剂碳布材料。碳布材料作为导电基体可以由不锈钢丝布等材料替换。催化剂可以使用铂炭，活性炭粉末，超级电容碳粉等多种材料。
采用碳刷阳极时，模块内部有若干根可以调节高度的有机玻璃杆，如图2，其上钻孔可以保证阳极碳刷穿过，从而在反应器中部支撑碳刷，形成相应数目的碳刷层，如图3。通过支撑杆和框架之间的相对位置变化可以调节阳极在反应器中的相对位置变化。从而可以根据实际需要调节阴阳极间距，碳刷层距和碳刷层数，且分别和上下表面的阴极构成上电池和下电池两个电池系统。
四框体1为有机玻璃板、不锈钢、塑料板或其他材料构建。有机玻璃板具有良好的可塑性，易于加工，并且基体透明，在整个反应器运行过程中易于观察电池系统内部的各种变化，如阳极生物膜的生长状况等。电池主体还可以用塑料、金属、水泥等不同材料制作以满足不同用途。
阴极外支撑板5为不锈钢丝网，它作为反应器水压的主要承受体。不锈钢网还可以使用塑料网，铁丝网等。阴极内侧衬有聚碳酸酯多孔塑料板，孔径依据阳极选择适合孔径。聚碳酸酯塑料板具有良好的抗压抗拉性能，同时具有良好的绝缘性能，同时抗细菌附着不易生长菌膜，是制作阴阳极间绝缘层的良好材质。聚碳酸酯多孔塑料板除用其他多孔板材代替外还可用涂布PTFE的无纺布、玻璃纤维薄毡等透水绝缘层替代。
在实际运行中可以看到阳极表面几经覆盖厚厚的生物膜，而聚碳酸酯多孔塑料板始终洁净没有明显菌膜生长附着，从而避免阴阳极由于生物膜生长粘结而内部短路。聚碳酸酯多孔塑料板亦可以用其他多孔板材代替。多个电池模块间可以方便的拼接与堆栈。模块间通过串联并联等方式构成更大的微生物燃料电池系统。
四个电池模块一组构成一个相对独立的四联体单元。该四联体结构保持相同的进水、出水流率，但独立运行调控。即当某一个模块出现问题时，可将其独立取出更换或维修，而不影响其他模块的运行。各个四联体单元之间还可以堆栈叠加，形成更大的系统。基于这种方式，系统可以构建出容积适合需求的MFC系统。
电池模块采用溢流进水、溢流出水的方式布水。进水在电池系统中的流动方式如图4所示。在进水侧，进水液在进水槽中逐渐汇集，液面上升，最终通过锯齿状溢流堰溢流至进水槽中。进水槽采用狭缝进水的方式，进水紧贴上层阳极碳刷的下缘流入电池。狭缝的宽度最宽可以是上下层阳极固定点之间的宽度。狭缝中填充多孔塑料板窄条。多孔板的孔径向与水流方向相同。由于进水槽沉淀的多孔板阻隔作用，进水液中的悬浮物无法进入反应器中。沉积的污泥由进水槽下的排泥孔排出。在反应器内部进水呈推流模式向前推进，出水狭缝紧贴下层阳极毛刷层。出水流入进水槽中后通过水平溢流堰流入排水管，靠重力作用排出体系。
水面位置依次为进水管最高出水管次之，上层阴极面最低，反应器中若有气体产生，在此压力的作用下会通过阴极扩散层排出。
四联体单元的进水方式可以采用单侧进出水，两侧进出水，中央进出水以及以上方式的组合形式。图5所示为中央进水和两侧出水的组合形式。
具体实施方式二：下面结合图6具体说明本实施方式。本实施方式还包括多层电池模块x，每四个电池模块x构成一层，每层电池模块x从高度上叠加形成整体，每组电池模块x的进水围堰7之间都连通，每组电池模块x的出水围堰8之间都连通。如图6所示，采用溢流的方式同时给每一层电池模块x供水，出水汇集到一起排出。极大地放大了本发明的工作能力。
反应器初始菌源可以选择1.生活污水；2.厌氧污水处理系统颗粒污泥；3.好氧颗粒污泥；4、水厂二沉池出水中的一种或几种。系统启动时，设定外电路初始电阻500～1000欧姆，启动期初期停留时间（HRT）设定为1～6天，运行温度室温20～30℃。
当上、下电池模块电压均达到600mV以上且稳定运行3-6天后，可以认为系统稳定，此时改变外阻阻值依次为500Ω，250Ω，100Ω，50Ω，20Ω，10Ω，5Ω、2Ω，监控电压、功率密度、COD去除率等水质指标。当电压，COD去除率，功率密度稳定认为启动成功，系统可进入正式运行。
放大的MFC系统在实际污水处理过程中稳定运行。电压输出平稳，出水水质均一。
实施例：每个电池模块高25cm，长、宽均为100cm，体积约为0.25立方米。阳极由两层直径4cm、长100cm的碳刷连接而成（图3），阴极分布于电池上下侧面，为1m2的碳纤维布空气阴极，催化剂加载量为0.25mg/cm2～0.5mg/cm2。模块内部有两根可以调节高度的有机玻璃杆，形成两层阳极。阴阳极间距为2cm。
在每个单元的反应器主体框架的上下两面安放有阴极，阴极外侧覆盖有1m*1m的不锈钢丝网作为反应器水压的主要承受体。阴极内侧衬有聚碳酸酯多孔塑料板，塑料板孔径5mm，厚度10mm。进水狭缝宽度2cm、高度2cm长度96cm，上沿距离反应器上表面2cm。狭缝中填充厚1cm、高2cm、长96cm的多孔塑料板窄条。如果以反应器的底部平面记为高度0，则进水管水面高度30cm，出水管高度29cm，上层阴极高度25cm。在这种设计下上层阴极保持有4cm的水压。水压可以压出MFC内所产生的气体，使上层阴极下方无气泡积聚。
四个模块一组构成一个相对独立的四联体单元，配合布水边框(如图5所示)，长宽均为2.3m。面积2.3m×2.3m≈5.3m2，高度30cm。叠加十层记，总高度约3m，占地约5.3m2。总污水处理容积10m3，共占用体积2.3m*2.3m*3m=15.87m3≈16m3。（如图2和3所示）
250L系统水处理运行效果：
1、MFC模块的能量回收性能
反应器在外阻2Ω下保持稳定的电压输出。随后将反应器的外电阻进一步调为1Ω，经过一段时间的小幅度波动，反应器最终在1Ω外阻下稳定运行。在整个运行过程中，反应器的电压输出最终保持在0.20～0.22V之间（如图7），阳极电位保持在-0.2V（Vs SHE）左右。在反应器在1Ω外阻下稳定运行后获得的最大输出功率值为58mW.
2.反应器稳定运行后出水指标
反应器稳定运行后，该废水生物处理工艺的总COD去除率达80%，后期出水COD均值为60mg/L（图8）；出水的pH平均值7.7维持在中性（图9）。

Claims (10)

1.一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，其特征在于包括至少四个电池模块(x)、进水围堰(7)和出水围堰(8)，每个电池模块(x)由四框体(1)、上阴极板(2)、下阴极板(3)、多排阳极杆件(4)、两个阴极外支撑板(5)和两个阴极内覆盖板(6)组成，上阴极板(2)设置在四框体(1)的上端开口处将四框体(1)的上端口密封，下阴极板(3)设置在四框体(1)的下端开口处将四框体(1)的下端口密封，两个阴极外支撑板(5)分别设置在上阴极板(2)和下阴极板(3)的外表面上，两个阴极内覆盖板(6)为聚碳酸酯多孔塑料板，两个阴极内覆盖板(6)分别内衬于上阴极板(2)和下阴极板(3)的内表面上；每个电池模块(x)的一面侧壁上开有上水平狭缝(1-1)，与开有水平狭缝(1-1)的侧壁相对的侧壁上开有下水平狭缝(1-2)，每两个电池模块(x)为一组以上水平狭缝(1-1)相邻来贴靠设置，两组电池模块(x)贴靠在一起形成矩形阵列；每根阳极杆件(4)的两端连接在四框体(1)并且水平设置，多根阳极杆件(4)平行设置成一排且距离均等，多排阳极杆件(4)之间沿高度方向等距离排列；四个电池模块(x)的上水平狭缝(1-1)都与进水围堰(7)相连通，四个电池模块(x)的下水平狭缝(1-2)都与出水围堰(8)相连通。
2.根据权利要求1所述的一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，其特征在于多排阳极杆件(4)中的四框体(1)上开有高度方向的长槽，用于调节阳极杆件(4)的安装高度。
3.根据权利要求2所述的一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，其特征在于阳极杆件(4)的阳极材料为以钛丝为核心的碳纤维丝毛刷材料。
4.根据权利要求2所述的一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，其特征在于阳极杆件(4)的阳极材料为碳纤维薄毡或活性炭填料。
5.根据权利要求1所述的一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，其特征在于上阴极板(2)或下阴极板(3)采用载催化剂碳布材料。
6.根据权利要求1所述的一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，其特征在于上阴极板(2)或下阴极板(3)采用载催化剂不锈钢丝布材料。
7.根据权利要求5或6所述的一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，其特征在于催化剂使用铂炭、活性炭粉末或超级电容碳粉。
8.根据权利要求1所述的一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，其特征在于四框体(1)为不锈钢板或塑料板；或用塑料、金属或水泥材料制作。
9.根据权利要求1所述的一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，其特征在于阴极外支撑板(5)为不锈钢丝网、塑料网或铁丝网。
10.根据权利要求1所述的一种用于污水处理与能量回收的微生物燃料电池，其特征在于还包括多层电池模块(x)，每四个电池模块(x)构成一层，每层电池模块(x)从高度上叠加形成整体，每组电池模块(x)的进水围堰(7)之间都连通，每组电池模块(x)的出水围堰(8)之间都连通。
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