CN103864270B - 微生物电解池与浮萍培养结合处理有机废水的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种废水处理技术。具体而言，本发明涉及一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机废水的方法与装置，其装置包括微生物电解池、光生物反应器及主控制器三个单元，光生物反应器上设置有辅助光源、光照强度检测器、氮磷浓度检测器，光生物反应器内培养有浮萍。本发明可同时克服分别利用微生物电解池和浮萍处理有机废水时存在的不足，不仅提高了污水的处理效果，而且获得的生物燃料甲烷和生物质可以补偿污水处理的成本，为有效处理有机污水提供了新途径，对节能减排和环境治理都具有重要的意义。此外该装置还能够克服阴雨天气以及雾霾天气对处理效率的影响，实现不同气候条件下的污水处理自动控制。

Description

微生物电解池与浮萍培养结合处理有机废水的装置与方法
技术领域
本发明涉及一种废水处理技术。具体而言，本发明涉及一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机废水的装置与方法，可广泛用于有机废水的处理，在提高废水处理效果的同时能获得生物燃料和生物质，并能降低废水处理成本。
背景技术
全球每年产生大量的有机废水，传统的废水生物处理过程不仅需要消耗大量的能量，而且产生大量的污泥，而对污泥的处理费用也很高。因而需要开发效率高和成本低的替代技术。与此同时，能源短缺也是制约21世纪人类发展的主要瓶颈。因此开发经济、高效的新型能源势在必行，其中生物新能源是主要研究热点之一。微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是以微生物为催化剂氧化有机物并产生电流的装置。MFC克服了传统废水生物处理过程的缺点，是一种新兴的废水处理和同步产电的废水生物处理新技术。目前，MFC已应用于各种废水的处理同时产电，包括生活废水和工业废水。MFC对废水中的有机物（浓度以化学需氧量Chemical Oxygen Demand表示，COD）具有很好的去除效果，利用MFC可以将废水中80-99%的有机物去除。虽然MFC对废水中的COD具有很好的去除效果，但是对氮及磷的去除效果却不佳。为了提高氮的去除率，将MFC与其它除氮方法相结合开发了许多联合系统，如将微生物燃料电池与硝化反应器耦合，微生物燃料电池阳极室中氨氮流经硝化反应器后被硝化细菌氧化为硝酸根，然后硝酸根再在微生物燃料电池的阴极室被还原为氮气而去除。虽然这些系统可以提高氮的去除率，但存在氮去除不完全或系统过于复杂不易于放大等不足，且不关注磷的去除。此外，也可以构建微藻型微生物燃料电池，通过微藻光合作用合成生物质消耗污水中的氮和磷，从而达到去除氮磷和净化污水的目的。但是生活污水中的固体颗粒物和固体悬浮物较多，致使污水的透光率很低，因此在使用之前必须通过过滤等方法去除污水中的固体颗粒物和固体悬浮物以提高透光率，这一过程不仅耗能且效率低。与此同时，微藻的收获成本高，若不收获，吸收的氮和磷又会释放到水中。此外，同时生活污水中存在的有机物浓度较高，有利于细菌的生长，而细菌的大量生长繁殖又不利于、甚至抑制微藻生长。
微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell，MEC）是近年迅速发展起来的一种融合了污水处理和产生能源的新技术，可以在对污水进行生物处理的同时获得不同形式的能源，作为污水处理的新工艺。如果利用微生物电解池替代上述的微生物燃料电池，可以避免阴极曝空气所需的能耗，同时将微藻改为浮萍就可以避免使用微藻时面临的不易收获的问题。
然而浮萍去除有机废水中有机物的能力非常差；同时浮萍在夜间无法进行光合作用，夜间污水处理处于停滞状态；在阴雨天，光合作用速度也将大大减慢；此外，目前由于我国大中城市空气质量每况愈下，晴朗天数呈逐年减少的趋势；总而言之，由这些原因导致的光照不足将严重影响到浮萍的光合作用，导致污水处理能力下降，效率低下，且受天气影响极大。
发明内容
为了解决传统废水耗氧生物处理、微藻型微生物燃料电池处理有机废水系统及浮萍单独处理有机废水时存在的局限性，本发明提供了一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机废水的方法与装置，在处理有机物污水的同时可以获得生物燃料甲烷和生物质，获得的生物质可以作为生物能源生产的原料。本发明可同时克服单独利用微生物电解池处理有机污水时对氮及磷去除效果差和浮萍无法直接处理有机污水的缺陷，不仅提高了污水的处理效果，而且获得的生物燃料甲烷和生物质可以补偿污水处理的成本，为有效处理有机污水提供了新途径，对节能减排和环境治理都具有重要的意义。此外，本发明能够克服阴雨天气以及雾霾天气对处理效率的影响，实现不同气候条件下的污水处理自动控制。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于：包括微生物电解池、光生物反应器及主控制器；
微生物电解池包括微生物电解池壳体2，在微生物电解池壳体2内设置有折射挡板3、阳极电极4和阴极电极5，阳极电极4和阴极电极5分别通过钛丝导线与直流稳压电源8的高电位端和低电位端相连，微生物电解池壳体2左侧壁上设置有污水进水管1，污水进水管1上设置有污水流量控制阀，微生物电解池壳体2顶端设置有气体收集管6，微生物电解池壳体2右侧壁上设置有出水管10，出水管10上设置有出水控制阀；
光生物反应器上设置有辅助光源、光照强度检测器、氮磷浓度检测器和排出管12，排出管12上设置有排出控制阀，光生物反应器内培养有浮萍；
该处理有机污水的装置还包括主控制器20，所述污水流量控制阀、出水控制阀、辅助光源、排出控制阀与主控制器的信号输出端相连，所述光照强度检测器、氮磷浓度检测器与主控制器的信号输入端相连。
所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于微生物电解池壳体内的液位是通过污水流量控制阀和出水控制阀来实现自动调节。
所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于当氮磷浓度检测器检测到的浓度小于预设值时，主控制器输出一控制信号开启排出控制阀。
所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于当光照强度检测器获得的信号表示光强低于预设的光强阈值时，主控制器输出一控制信号开启辅助光源。
所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于所述辅助光源是白光LED，所述微生物电解池为无膜单室微生物电解池。
所述装置的工作模式：常规模式、高效模式。
常规模式具体如下：
当光照强度检测器获得的信号表示光强低于预设的第一光强阈值，且氮磷浓度检测器检获得的浓度信号大于预设的第一浓度阈值时，主控制器分别输出控制信号控制污水流量控制阀和出水控制阀处于低流量状态、排出控制阀关闭；
当光照强度检测器获得的信号表示光强低于预设的低于第一光强阈值的第二光强阈值，且氮磷浓度检测器检获得的浓度信号大于预设的第一浓度阈值时，主控制器分别输出控制信号控制污水流量控制阀和出水控制阀处于低流量状态、排出控制阀关闭、辅助光源开启；
当光照强度检测器获得的信号表示光强低于预设的第一光强阈值，且氮磷浓度检测器检获得的浓度信号大于预设的高于第一浓度阈值的第二浓度阈值时，主控制器分别输出控制信号控制污水流量控制阀和出水控制阀处于低流量状态、排出控制阀关闭、辅助光源开启；
当氮磷浓度检测器检测到的浓度小于第一浓度阈值时，主控制器分别输出控制信号控制污水流量控制阀和出水控制阀处于正常开启状态，排出控制阀处于正常开启状态，辅助光源关闭；该模式能够保证污水排出质量，且兼顾能源消耗。
高效模式具体如下：
当光照强度检测器获得的信号表示光强低于预设的第一光强阈值，主控制器输出控制信号控制辅助光源开启；
当氮磷浓度检测器检获得的浓度信号大于预设的第一浓度阈值时，主控制器分别输出控制信号控制污水流量控制阀和出水控制阀保持正常开启状态、排出控制阀处于低流量状态、辅助光源开启；
该模式目的在于尽可能提高污水处理能力，该模式下将允许光生物反应器中水位在一定范围内的升高。
所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于：微生物电解池壳体和光生物反应器采用钢筋混凝土或碳钢材质制成。
所述的微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于：所述的阴极电极为碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭或碳纤维刷，且在阴极电极的表面附着Methanobacterium palustre等电化学活性产甲烷菌。
所述的微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于：所述的阳极电极为碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭或碳纤维刷，且在阳极电极表面附着产电微生物。
所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的方法，其特征在于：阴极电极的电位为-0.5V～-1.5V，所述的直流稳压电源8的直流输出电压为-2.0V～2.0V。
所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机废水的方法，其特征在于其处理的废水为适合微生物生长的有机污水，包括生活污水、食品加工废水、淀粉加工废水或啤酒废水。
一种利用微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置处理污水的方法，首先将有机物污水注入微生物电解池内作为阳极产电微生物生长的营养源，阳极产电微生物对污水中的有机物进行分解代谢，在处理污水的同时产生CO2、H+及电子，同时在电辅助下微生物电解池阴极电极表面附着的电活性产甲烷菌将阳极产电微生物代谢有机物产生的CO2、H+及电子转化为生物燃料甲烷，然后再以微生物电解池处理过的污水培养浮萍，利用浮萍进一步去除污水中剩余的氮和磷，同时获得生物质，获得的生物质可以作为生物能源生产的原料。
本发明可获得的有益效果是：提高了污水中有机物和氮磷的处理效果，而且获得的生物燃料甲烷和生物质可以补偿污水处理的成本；另外，通过设置辅助光源以及光照强度检测器，大大提高了整个系统抵抗天气变化的能力。
附图说明
图1实施例中所述微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机废水原理示意图。
图2本发明控制系统连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1实施例中所述微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机废水原理示意图。本实施例利用微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机废水的方法与装置，具体按以下顺序和步骤进行操作：
（1）微生物电解池与光生物反应器耦合系统构建
参见图1，微生物电解池与光生物反应器耦合系统包括微生物电解池和光生物反应器两个单元；微生物电解池包括微生物电解池壳体2，在微生物电解池壳体2内设置有折射挡板3、阳极电极4和阴极电极5，阳极电极4和阴极电极5分别通过钛丝导线与直流稳压电源8的高电位端和低电位端相连，直流稳压电源8为太阳能发电和辅助电源相结合，平时以太阳能发电作为直流稳压电源，当太阳能发电所产生的电能不足以维持微生物电解池运行时，开启辅助电源。微生物电解池壳体2左侧壁上设置有污水进水管1，污水进水管1上设置有污水流量控制阀，微生物电解池壳体2顶端设置有气体收集管6，微生物电解池壳体2右侧壁上设置有出水管10，出水管10上设置有出水控制阀；光生物反应器上设置有辅助光源、光照强度检测器、氮磷浓度检测器和排出管12，排出管12上设置有排出控制阀，光生物反应器内培养有浮萍。
（2）微生物电解池与光生物反应器耦合系统的启动
本发明提出的微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机废水系统的启动过程如下：
1）生物阴极制作
将电活性产甲烷菌Methanobacterium palustre首先用ATCC指定使用的专用培养基Medium2487的500mL带厚橡胶塞血清瓶中厌氧培养[H2-CO2（80:20，v/v）]。在接种到微生物电解池前，取250mL上述培养液离心后再将浓缩物悬浮分散到无氧气、灭菌的Medium2487培养基中，然后将上述细胞悬液接种到厌氧的微生物电解池，并立即鼓充CO2，直流稳压电源8的电压固定为-0.9V。在电辅助下，通过微生物电解池阴极表面附着的电活性产甲烷菌Methanobacterium palustre的催化作用将CO2气体还原为CH4。定期对微生物电解池的电流数据进行采样，待微生物电解池的电流最大且稳定后，认为电活性产甲烷菌Methanobacterium palustre在阴极电极表面充分附着，生物阴极的制作完成。
2）生物阳极制作
以污水处理厂的厌氧活性污泥为接种物，以污水处理厂的初沉溢流液为培养基，纯氮气除氧气后按1:9（v/v）的比例接种微生物电解池富集阳极产电微生物。微生物电解池为批次操作，每次实验结束后按上述比例加入接种物与培养基的混合液。直流稳压电源8的电压固定为-0.9V，定期对微生物电解池的电流数据进行采样，待微生物电解池的电流最大且稳定后，认为在阳极电极表面充分附着了产电微生物，此时生物阳极极的制作完成。
3）有机污水处理
待生物阴极和生物阳极制作完成后，将待处理的有机污水除去氧气后经进水管1依次流经微生物电解池内的阳极电极4、阴极电极5、微生物电解池出水口10及光生物反应器11，然后经排水管12流出。同时直流稳压电源8的电压固定为-0.9V。阳极电极4表面附着的产电微生物以污水中的有机物为底物，在处理污水的同时产生CO2、H+及电子，产生的CO2、H+及电子迁移到阴极，同时在电辅助下阴极电极5表面附着的Methanobacterium palustre等电活性产甲烷菌捕获CO2，催化CO2、H+及电子转化为生物燃料甲烷，具体化学反应方程式如下：
阳极电极
阴极电极
而所产生的CO2和CH4等气体经气体收集管6排出并收集。
将筛选获得的浮萍接种到光生物反应器11，以微生物电解池的出水为培养液，利用浮萍光合作用去除污水中剩余的氮和磷，从而达到去除氮磷和净化污水的目的，同时获得浮萍生物质。与此同时，定期对生物反应器11中的浮萍进行收获，以防止浮萍死亡后沉入水中释放吸收的氮和磷。废水经过优化处理后，废水中的COD、氮及磷的浓度低于国家一级排放标准要求的浓度。

Claims (7)

1.一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，包括微生物电解池、光生物反应器及主控制器；
微生物电解池包括微生物电解池壳体（2），在微生物电解池壳体（2）内设置有折射挡板（3）、阳极电极（4）和阴极电极（5），阳极电极（4）和阴极电极（5）分别通过钛丝导线与直流稳压电源（8）的高电位端和低电位端相连，微生物电解池壳体（2）左侧壁上设置有污水进水管（1），污水进水管（1）上设置有污水流量控制阀，微生物电解池壳体（2）顶端设置有气体收集管（6），微生物电解池壳体（2）右侧壁上设置有出水管（10），出水管（10）上设置有出水控制阀；
光生物反应器上设置有辅助光源、光照强度检测器、氮磷浓度检测器和排出管（12），排出管（12）上设置有排出控制阀，光生物反应器内培养有浮萍；
所述污水流量控制阀、出水控制阀、辅助光源、排出控制阀与主控制器的信号输出端相连，所述光照强度检测器、氮磷浓度检测器与主控制器的信号输入端相连；
其特征在于，所述装置具有两种工作模式：常规模式和高效模式；
常规模式具体为：
当光照强度检测器获得的信号表示光强低于预设的第一光强阈值，且氮磷浓度检测器获得的信号表示浓度大于预设的第一浓度阈值时，主控制器分别输出控制信号控制污水流量控制阀和出水控制阀处于低流量状态、排出控制阀关闭；
当光照强度检测器获得的信号表示光强低于预设的低于第一光强阈值的第二光强阈值，且氮磷浓度检测器获得的信号表示浓度大于预设的第一浓度阈值时，主控制器分别输出控制信号控制污水流量控制阀和出水控制阀处于低流量状态、排出控制阀关闭、辅助光源开启；
当光照强度检测器获得的信号表示光强低于预设的第一光强阈值，且氮磷浓度检测器获得的信号表示浓度大于预设的高于第一浓度阈值的第二浓度阈值时，主控制器分别输出控制信号控制污水流量控制阀和出水控制阀处于低流量状态、排出控制阀关闭、辅助光源开启；
当氮磷浓度检测器检测到的浓度小于第一浓度阈值时，主控制器分别输出控制信号控制污水流量控制阀和出水控制阀处于正常开启状态，排出控制阀处于正常开启状态，辅助光源关闭；
高效模式具体为：
当光照强度检测器获得的信号表示光强低于预设的第一光强阈值，主控制器输出控制信号控制辅助光源开启；
当氮磷浓度检测器获得的信号表示浓度大于预设的第一浓度阈值时，主控制器分别输出控制信号控制污水流量控制阀和出水控制阀保持正常开启状态、排出控制阀处于低流量状态、辅助光源开启；
所述的阴极电极（5）为碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭或碳纤维刷，且在阴极电极的表面附着电化学活性产甲烷菌Methanobacterium palustre；
所述的阳极电极（4）为碳布、颗粒石墨、网状玻璃碳、颗粒活性炭或碳纤维刷，且在阳极电极表面附着产电微生物。
2.如权利要求1所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于直流稳压电源8为太阳能发电和辅助电源相结合，平时以太阳能发电作为直流稳压电源，当太阳能发电所产生的电能不足以维持微生物电解池运行时，开启辅助电源。
3.如权利要求1所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于微生物电解池壳体内的液位是通过污水流量控制阀和出水控制阀来实现自动调节。
4.如权利要求1所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于当氮磷浓度检测器检测到的浓度小于预设值时，主控制器输出一控制信号开启排出控制阀。
5.如权利要求1所述的一种微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于当光照强度不足时，主控制器输出一控制信号开启辅助光源。
6.如权利要求1-5中任一项所述的微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于：阴极电极的电位为-0.5V~-1.5V，所述的直流稳压电源8的直流输出电压为-2.0V~2.0V。
7.一种处理有机污水的方法，包括权利要求1-6中任一项所述的微生物电解池与浮萍培养相结合资源化处理有机污水的装置，其特征在于：首先有机物污水注入微生物电解池内作为阳极产电微生物生长的营养源，阳极产电微生物对污水中的有机物进行分解代谢，在污水处理的同时产生CO2、H+及电子，同时在电辅助下微生物电解池阴极电极表面附着的电活性产甲烷菌将阳极产电微生物代谢有机物产生的CO2、H+及电子转化为生物燃料甲烷，然后再以微生物电解池处理过的污水培养浮萍，利用浮萍进一步去除污水中剩余的氮和磷，同时获得生物质，获得的生物质作为生物能源生产的原料。
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