CN104176823A - 集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统及方法 - Google Patents

集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统及方法。系统包括外加电源，与电源相连的阴极和阳极分别在左右两个电极室内，两电极室用阳离子交换膜相隔，底部配有磁力搅拌器进行搅拌，阴极另设有甲烷收集口。本实验在阴阳两极均加入废水与污泥，其中阳极室的微生物通过分解废水中的有机物获取能量，同时将反应过程中产生的电子与氢离子传递至阴极室；阴极室的微生物通过分解有机物产生甲烷，同时由于有电流的流动使得废水的降解效率与甲烷的产率都有了极大的提高。

Description

集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统及方法
技术领域
本发明属于微生物电解池与微生物产甲烷过程的交叉领域，具体涉及一种集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统及方法。
背景技术
从19世纪开始，化石燃料（煤炭、石油、天然气）一直是人类的主要能源，促进了经济繁荣与社会发展。然而进入20世纪中后期以来，过度依赖化石燃料的弊端开始越来越明显地表现出来。一方面使用化石能源产生了大量二氧化碳、硫化氢和氮氧化物，造成了严重的温室效应以及酸雨、光化学烟雾等环境灾难；另一方面由于化石能源储量有限，目前已濒于枯竭。根据2013年中国统计年鉴，中国的能源总产量与总消耗量与日俱增，其中尤以化石燃料（煤、石油、天然气）为主。其三者占到能源总量的90%以上。与此同时根据中华人民共和国环境保护部每年公布的环境统计年报，无论是工业废水还是生活废水中的化学需氧量的浓度始终保持在150mg/L以上，远远超过国家规定的水质标准。
针对目前存在的能源与环境问题，发明一种能同时解决这两种问题的技术显得尤为重要。微生物电解池(MEC)系统作为一种新兴的电化学系统在能源回收方面具有自己独特的优势。然而传统的MEC所使用的阴极都为价格较为昂贵的金属电极，使得成本有了很大的提高。同时现在的MEC大多用来进行氢气的产生，而氢气制造成本较高，不便于收集与运输，这些都制约了MEC在现实中的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统及方法。
集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统的电源连接阳极与阴极，阳极与阴极分别处在由壳体组成的阳极室和阴极室之中，阳极室和阴极室之前通过阳离子交换膜进行分隔，阳极室和阴极室底部均设有磁力搅拌器进行搅拌，阴极所产生的气体通过气体收集口进行收集。
所述的电源电压控制在0.8V。
所述的壳体所用的材料全部为有机玻璃。
所述的阳极与阴极所用材料均为碳毡，二者通过钛丝与电源相连，阳极室和阴极室均装有废水与污泥。
所述系统的集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的方法包括如下步骤：
1）驯化阶段
阳极室和阴极室中间所夹的阳离子交换膜用15%H2O2进行预处理，阳极室和阴极室中的接种污泥均采用城市污水处理厂二沉池污泥进行驯化，阴极室与阳极室同时加入污水与污泥，阳极室与阴极室的废水与污泥体积比为3:1，驯化阶段电源(1)提供电压为0.8V，阳极室和阴极室自配水配方为：Na2HPO4·12H2O 11.47g/L、NaH2PO4·2H2O 2.75g/L、NH4Cl 0.31g/L、KCl 0.13g/L，阳极室通过CH3COOH控制COD浓度为2000mg/L，阴极室通过蔗糖控制COD浓度为3000mg/L；
2）运行阶段
更换阳离子交换膜(4)，用15%H2O2对阳离子交换膜(4)进行预处理，电源(1)提供的电压保持不变，阳极室(6)和阴极室(7)内自配水配方和驯化过程相同，控制阳极室(6)和阴极室(7)下方的磁力搅拌器(8)转速为100r/min，一个批次运行时间设置为3天，阴极室(7)上方的气体收集口(9)处通过橡皮管导出气体。
本发明重点在于阴极室与阳极室同时加入了污水与污泥，在阴极室本身可以进行降解污水产生甲烷的基础上，对这个过程进行了进一步的强化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是同步实现了废水的生物处理与产甲烷功能的加强。
在阴阳两极同时加入废水，通过微生物的降解作用可以进行废水的处理，同时由于外加电压的存在，提高了废水降解的效果。
在阴极的产甲烷过程中，由于外电路电子的供给可以极大的提高甲烷的产率。
通过该项技术可以使MEC大规模运用到废水处理当中而不用担心成本问题，同时也可以作为城市废水或者工业废水的前处理步骤减轻后面处理过程的压力。
附图说明
图1为系统示意图。
电源1、阳极碳毡2、阴极碳毡3、阳离子交换膜4、壳体5、阳极室6、阴极室7、磁力搅拌器8、气体收集口9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
参见图1，反应器主体由有机玻璃制成的壳体5组成，分成阳极室6与阴极室7，两极室之间通过阳离子交换膜4进行相隔，由电源1所连接的阳极碳毡2与阴极碳毡3分别处于阳极室6与阴极室7之中，两电极室内装有废水与污泥，通过磁力搅拌器8进行搅拌混匀，阴极所产生的气体通过气体收集口9进行收集。
所述的电源1电压控制在0.8V。
所述的壳体5所用的材料全部为有机玻璃。
所述的阳极2与阴极3所用材料均为碳毡，二者通过钛丝与电源1相连，阳极室6和阴极室7均装有废水与污泥。
所述系统的集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的方法包括如下步骤：
1）驯化阶段
阳极室6和阴极室7中间所夹的阳离子交换膜4用15%H2O2进行预处理，阳极室6和阴极室7中的接种污泥均采用城市污水处理厂二沉池污泥进行驯化，阴极室与阳极室同时加入污水与污泥，阳极室与阴极室的废水与污泥体积比为3:1，驯化阶段电源1提供电压为0.8V，阳极室6和阴极室7自配水配方为：Na2HPO4·12H2O 11.47g/L、NaH2PO4·2H2O 2.75g/L、NH4Cl 0.31g/L、KCl 0.13g/L，阳极室6通过CH3COOH控制COD浓度为2000mg/L，阴极室7 通过蔗糖控制COD浓度为3000mg/L；
2）运行阶段
更换阳离子交换膜4，用15%H2O2对阳离子交换膜4进行预处理，电源1提供的电压保持不变，阳极室6和阴极室7内自配水配方和驯化过程相同，控制阳极室6和阴极室7下方的磁力搅拌器8转速为100r/min，一个批次运行时间设置为3天，阴极室7上方的气体收集口9处通过橡皮管导出气体。
阳极室与阴极室的废水与污泥比例为3:1，每轮实验结束后只将剩余的废水到处，污泥继续保留。
阳极室原理为微生物降解废水中的有机物，由产电菌产生的电子通过外电路流向阴极，同时产生的氢离子通过阳离子交换膜流向阴极，保持着电荷的平衡。
阴极室的原理为微生物接收到了由阳极室传来的电子与氢离子后活性被增强，在水解菌，产酸菌，产甲烷菌等厌氧菌的作用下进行产甲烷，由于电子的流动使得甲烷的产率相对于没有通电的情况下来说有了极大的提高，同时提高的还有阴阳两极废水的降解率。
本发明的特点是在普通厌氧反应的基础上极大的提高了废水的降解率与甲烷的产率，使得在废水处理过程中使用MEC成为了可能，同时由于该发明的MEC结构简单，可以很轻易的对普通厌氧反应器进行改造，为大规模的工业应用提供了可能。

Claims (5)

1.一种集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统，其特征在于：电源(1)连接阳极(2)与阴极(3)，阳极(2)与阴极(3)分别处在由壳体(5)组成的阳极室(6)和阴极室(7)之中，阳极室(6)和阴极室(7)之前通过阳离子交换膜(4)进行分隔，阳极室(6)和阴极室(7)底部均设有磁力搅拌器(8)进行搅拌，阴极所产生的气体通过气体收集口(9)进行收集。
2.根据权利要求书1所述的集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统，其特征在于：所述的电源(1)电压控制在0.8V。
3.根据权利要求书1所述的集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统，其特征在于：所述的壳体(5)所用的材料全部为有机玻璃。
4.根据权利要求书1所述的集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的微生物电解系统，其特征在于：所述的阳极(2)与阴极(3)所用材料均为碳毡，二者通过钛丝与电源(1)相连，阳极室(6)和阴极室(7)均装有废水与污泥。
5.一种实施如权利要求书1所述系统的集废水生物处理与促进甲烷回收于一体的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）驯化阶段
阳极室(6)和阴极室(7)中间所夹的阳离子交换膜(4)用15%H2O2进行预处理，阳极室(6)和阴极室(7)中的接种污泥均采用城市污水处理厂二沉池污泥进行驯化，阴极室与阳极室同时加入污水与污泥，阳极室与阴极室的废水与污泥体积比为3:1，驯化阶段电源(1)提供电压为0.8V，阳极室(6)和阴极室(7)自配水配方为：Na2HPO4·12H2O 11.47g/L、NaH2PO4·2H2O 2.75g/L、NH4Cl 0.31g/L、KCl 0.13g/L，阳极室(6)通过CH3COOH控制COD浓度为2000mg/L，阴极室(7) 通过蔗糖控制COD浓度为3000mg/L；
2）运行阶段
更换阳离子交换膜(4)，用15%H2O2对阳离子交换膜(4)进行预处理，电源(1)提供的电压保持不变，阳极室(6)和阴极室(7)内自配水配方和驯化过程相同，控制阳极室(6)和阴极室(7)下方的磁力搅拌器(8)转速为100r/min，一个批次运行时间设置为3天，阴极室(7)上方的气体收集口(9)处通过橡皮管导出气体。
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