CN104386818A - 与a/o工艺相结合的双室mfc废水处理系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理系统及其方法。阳极室与阴极室之间通过质子交换膜分隔，阳极室内设有主阳极、辅助阳极，并通过导线连接，阴极室底部设有曝气装置，阴极室内设有阴极，阴极经变阻箱与主阳极相连，阳极室出水口经第二蠕动泵、第二沉淀池、第三蠕动泵与阴极室进水口相连，第一沉淀池经第一蠕动泵与阳极室进水口相连，阴极室出水口经第四蠕动泵、第三沉淀池、第五蠕动泵与阳极室进水口相连，阴极室出水口与第四沉淀池相连。本发明有效利用了双室微生物燃料电池的两个电极室，实现了同步脱氮除磷除碳，并产生持续稳定的电流，达到了污水处理和能源回收的统一，进一步改进了微生物燃料电池处理废水工艺。

Description

与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种与A/O工艺相结合的双室MFC（微生物燃料电池）废水处理系统及其方法。
背景技术
微生物燃料电池(MFC)是一种以微生物为催化剂, 将有机物中的化学能转化成电能的装置。微生物燃料电池以附着于阳极的微生物降解有机物产生电子和质子，产生的电子传递到阳极后经外电路到达阴极, 由此产生外电流。而产生的质子通过分隔材料到达阴极,从而完成电池内部电荷的传递。常见的微生物电池分为单室微生物燃料电池和双室微生物燃料电池，其差别主要体现在阴极设计的不同。单室微生物燃料电池采用空气阴极，而双室微生物燃料电池采用非生物阴极或生物电极，双室之间通过质子交换膜盐桥隔开。采用空气阴极或非生物阴极对催化剂要求高，成本较大，近些年对生物阴极的研究和报道逐渐增多，如何有效利用阴极室也成为当前的研究热点。
最早20世纪90年代有了利用微生物燃料电池处理污水的报道。目前，许多专家学者致力于将此技术应用于生活污水及工业废水处理的研究，取得了显著进展。但是，当前采用微生物燃料电池处理污水的技术还不成熟，尚处于实验研究阶段，对于电极室的构型、电极材料、处理工艺等还没有公认的标准。微生物燃料电池处理废水还存在处理效率低、电流密度低、应用成本高等问题。目前处理废水的工艺有AO、A/A/O、MBR等工艺。AO工艺是目前广泛应用的污水处理工艺，工艺方法比较成熟。将微生物燃料电池与AO工艺结合，在处理废水的同时能够回收能源，具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种实现采用微生物燃料电池高效稳定的处理废水，并降低废水处理成本的与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理系统及其方法。 
与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理系统包括阳极室、阴极室、阴极、主阳极、辅助阳极、质子交换膜、曝气装置、变阻箱、第一沉淀池、第一蠕动泵、第二蠕动泵、第二沉淀池、第三蠕动泵、第四蠕动泵、第三沉淀池、第五蠕动泵、第四沉淀池；阳极室与阴极室之间通过质子交换膜分隔，阳极室内设有主阳极、辅助阳极，并通过导线连接，阴极室底部设有曝气装置，阴极室内设有阴极，阴极经变阻箱与主阳极相连，阳极室出水口经第二蠕动泵、第二沉淀池、第三蠕动泵与阴极室进水口相连，第一沉淀池经第一蠕动泵与阳极室进水口相连，阴极室出水口经第四蠕动泵、第三沉淀池、第五蠕动泵与阳极室进水口相连，阴极室出水口与第四沉淀池相连。
所述的主阳极为方形片状的碳毡，辅助阳极为在阳极室填充的不规则的碳毡。
与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理方法是：原水在第一沉淀池沉淀、厌氧预处理后经第一蠕动泵进入阳极室，为阳极室进行反硝化反应提供碳源，阳极室溶解氧＜0.5mg/L；在阳极室处理后的水通过第二蠕动泵滴入第二沉淀池，第二沉淀池沉淀后的水经第三蠕动泵进入阴极室进行硝化反应及有机物降解，阴极室采用间歇式曝气方式，阴极室内溶解氧6-8 mg/L；阴极室处理后的水一部分通过第四蠕动泵滴入第三沉淀池，第三沉淀池沉淀后的水通过第五蠕动泵进入阳极室，阴极室处理后的水另一部分通过自然流的方式通过第四沉淀池沉淀后流出；阳极室与阴极室之间通过第二蠕动泵、第二沉淀池、第三蠕动泵、第四蠕动泵、第三沉淀池、第五蠕动泵实现内循环，提高了废水处理效率，实现了同步脱氮除磷除碳。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1.本发明有效利用了双室微生物燃料电池的特点，采用生物阴极，电池成本低，同时有效利用两个电极室的容积，减少了占地成本。
2.本发明结合了现在污水处理系统广泛应用的AO工艺的特点，反硝化在前硝化在后，有效利用原水提供碳源，避免了额外添加碳源，有效实现了脱氮除磷和有机物的去除。
3.本发明实现了连续进水，可以实现稳定的出水水质和输出电流，实现了污水处理和能源回收的统一。
4.本发明方便调节和控制，本方法可以通过控制蠕动泵的流量，调节水力停留时间和内循环比，同时还可以通过调节阳极室辅助电极的填充量来控制阳极室和阴极室的有效容积比，以控制反硝化与硝化的水力停留时间比，达到最佳的脱氮除磷效果。
5.本发明在阳极室通过辅助电极的填充，增大了阳极生物膜的表面积，无需搅拌，同时减少了生物量的流失。
附图说明
图1是与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理系统结构示意图；
图中，阳极室1、阴极室2、阴极3、主阳极4、辅助阳极5、质子交换膜6、曝气装置7、变阻箱8、第一沉淀池9、第一蠕动泵10、第二蠕动泵11、第二沉淀池12、第三蠕动泵13、第四蠕动泵14、第三沉淀池15、第五蠕动泵16、第四沉淀池17。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做出详细说明。
如图1所示，与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理系统包括阳极室1、阴极室2、阴极3、主阳极4、辅助阳极5、质子交换膜6、曝气装置7、变阻箱8、第一沉淀池9、第一蠕动泵10、第二蠕动泵11、第二沉淀池12、第三蠕动泵13、第四蠕动泵14、第三沉淀池15、第五蠕动泵16、第四沉淀池17；阳极室1与阴极室2之间通过质子交换膜6分隔，阳极室1内设有主阳极4、辅助阳极5，并通过导线连接，阴极室2底部设有曝气装置7，阴极室2内设有阴极3，阴极3经变阻箱8与主阳极4相连，阳极室1出水口经第二蠕动泵11、第二沉淀池12、第三蠕动泵13与阴极室2进水口相连，第一沉淀池9经第一蠕动泵10与阳极室1进水口相连，阴极室2出水口经第四蠕动泵14、第三沉淀池15、第五蠕动泵16与阳极室1进水口相连，阴极室2出水口与第四沉淀池17相连。
所述的阴极3方形片状的碳毡，大小根据阴极室大小确定，厚度为1cm，表面附着好氧微生物膜；阳极分为主阳极4和辅助阳极5，主阳极4设计同阴极3，辅助阳极5为在阳极室填充的不规则的碳毡，阳极表面附着厌氧生物膜。
与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理方法是：原水在第一沉淀池9沉淀、厌氧预处理后经第一蠕动泵10进入阳极室，为阳极室1进行反硝化反应提供碳源，阳极室1溶解氧＜0.5mg/L；在阳极室1处理后的水通过第二蠕动泵11滴入第二沉淀池12，第二沉淀池12沉淀后的水经第三蠕动泵13进入阴极室2进行硝化反应及有机物降解，阴极室2采用间歇式曝气方式，阴极室2内溶解氧6-8 mg/L；阴极室2处理后的水一部分通过第四蠕动泵14滴入第三沉淀池15，第三沉淀池15沉淀后的水通过第五蠕动泵16进入阳极室1，阴极室2处理后的水另一部分通过自然流的方式通过第四沉淀池17沉淀后流出；阳极室1与阴极室2之间通过第二蠕动泵11、第二沉淀池12、第三蠕动泵13、第四蠕动泵14、第三沉淀池15、第五蠕动泵16实现内循环，提高了废水处理效率，实现了同步脱氮除磷除碳。
实施例1：与A/O工艺相结合的双室微生物燃料电池（MFC）废水处理系统处理模拟废水
与A/O工艺相结合的双室微生物燃料电池（MFC）废水处理系统处理模拟废水处理模拟废水方法如下：微生物燃料电池如图1所示，阳极室1与阴极室2为边长为12cm的正方体，阴极3及主阳极4为长宽各位10cm,厚度为1cm的正方形碳毡薄片。阴极室2的有效容积为1.5升；辅助阳极5填充阳极室1容积的三分之二，阳极1的有效容积为0.5L。模拟废水用自来水配置，其中COD约为400mg/L，氨氮约为40mg/L，磷约为6mg/L，同时模拟废水中加入NaCl 0.4g/L。调节蠕动泵控制总水力停留时间为8小时，内循环比为3:1。通过实验，采集进水、出水进行检测：平均出水COD为32mg/L，去除率达92%；平均出水氨氮浓度为5.71mg/L，去除率达86%；平均出水磷浓度为0.82mg/L，去除率达86%。处理效果良好。微生物燃料电池开路电压稳定在0.80～0.84V，最大功率密度为88mW/m2,电流密度为105mA/ m2,产电效果良好。
实施例2：与A/O工艺相结合的双室微生物燃料电池（MFC）废水处理系统处理生活污水
与A/O工艺相结合的双室微生物燃料电池（MFC）废水处理系统处理生活污水方法如下：采用与实例1相同的微生物燃料电池装置，原水为从污水处理厂采集的未处理生活污水。原水COD为323mg/L, 氨氮为34.2mg/L,磷为3.7mg/L，调节蠕动泵控制总水力停留时间为8小时，内循环比为3:1。实验测得出水COD为38mg/L, 氨氮浓度为6.76mg/L,磷浓度为0.97mg/L，去除率分别为88%、80%、74%，达到国家城市生活污水处理排放标准。微生物燃料电池开路电压稳定在0.78～0.81V，最大功率密度为72mW/ m2,电流密度为89mA/ m2,产电效果良好。
本发明有效利用了双室微生物燃料电池的两个电极室，并实现了同步脱氮除磷除碳，在实验室模拟中该发明对污水处理具有良好的效果，同时产生持续稳定的电流，实现了污水处理和能源回收的统一，是对微生物燃料电池处理废水工艺的改进。

Claims (3)

1.一种与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理系统，其特征在于包括阳极室（1）、阴极室（2）、阴极（3）、主阳极（4）、辅助阳极（5）、质子交换膜（6）、曝气装置（7）、变阻箱（8）、第一沉淀池（9）、第一蠕动泵（10）、第二蠕动泵（11）、第二沉淀池（12）、第三蠕动泵（13）、第四蠕动泵（14）、第三沉淀池（15）、第五蠕动泵（16）、第四沉淀池（17）；阳极室（1）与阴极室（2）之间通过质子交换膜（6）分隔，阳极室（1）内设有主阳极（4）、辅助阳极（5），并通过导线连接，阴极室（2）底部设有曝气装置（7），阴极室（2）内设有阴极（3），阴极（3）经变阻箱（8）与主阳极（4）相连，阳极室（1）出水口经第二蠕动泵（11）、第二沉淀池（12）、第三蠕动泵（13）与阴极室（2）进水口相连，第一沉淀池（9）经第一蠕动泵（10）与阳极室(1)进水口相连，阴极室（2）出水口经第四蠕动泵（14）、第三沉淀池（15）、第五蠕动泵（16）与阳极室（1）进水口相连，阴极室（2）出水口与第四沉淀池(17)相连。
2.如权利要求1所述的与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理系统，其特征在于：所述的主阳极（4）为方形片状的碳毡，辅助阳极（5）为在阳极室填充的不规则的碳毡。
3.一种使用如权利要求1所述系统的与A/O工艺相结合的双室MFC废水处理方法，其特征在于：原水在第一沉淀池（9）沉淀、厌氧预处理后经第一蠕动泵（10）进入阳极室，为阳极室(1)进行反硝化反应提供碳源，阳极室(1)溶解氧＜0.5mg/L；在阳极室(1)处理后的水通过第二蠕动泵(11)滴入第二沉淀池(12)，第二沉淀池(12)沉淀后的水经第三蠕动泵(13)进入阴极室(2)进行硝化反应及有机物降解，阴极室(2)采用间歇式曝气方式，阴极室(2)内溶解氧6-8 mg/L；阴极室(2)处理后的水一部分通过第四蠕动泵(14)滴入第三沉淀池(15)，第三沉淀池(15)沉淀后的水通过第五蠕动泵(16)进入阳极室(1)，阴极室(2)处理后的水另一部分通过自然流的方式通过第四沉淀池(17)沉淀后流出；阳极室(1)与阴极室(2)之间通过第二蠕动泵(11)、第二沉淀池(12)、第三蠕动泵(13)、第四蠕动泵(14)、第三沉淀池(15)、第五蠕动泵(16)实现内循环，提高了废水处理效率，实现了同步脱氮除磷除碳。
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