CN104556561A - 微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统及其处理污水的方法 - Google Patents
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Abstract
微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统及其处理污水的方法，本发明属于污水处理领域，它为了解决现有污水处理系统中产能的有效回收效能低以及出水不达标的问题。该复合系统包括微生物燃料电池反应器、间歇曝气生物滤池、储水箱和高位水槽，微生物燃料电池通过水管与间歇曝气生物滤池相连，其中微生物燃料电池中的U形隔板与固定框之间夹有辊压阴极，碳纤维刷阳极穿过阳极孔插入微生物燃料电池内部，在间歇曝气生物滤池的底部设置有曝气装置。本发明实现了微生物燃料电池产能的原位利用，废水中有机物氧化释放的化学能通过微生物燃料电池以电能的形式得到释放，并经过曝气生物滤池的好氧处理，提高污水的处理效果。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统及其处理污水的方法。
背景技术
污水处理作为一项公众事业，由于先期我国污水处理发展较慢，能耗方面的问题未被人们重视，对其的研究有限，远滞后于对水质特性相关的机理和应用方面的研究。随着污水处理厂的大规模兴建和对出水水质要求的不断提高，能源的消耗量急剧增加，巨额的能源开支让政府部门感受到了压力，污水处理厂的能耗问题才逐渐被重视起来。在我国，每年用于水和污水处理设施的能耗也已经达到全国总用电量的1％。根据清华大学对全国的559座污水处理厂的调查，我国污水处理厂的平均能耗为0.29kWh/m3,与发达国家相比，相当于20世纪末或更早时期的能耗水平。以美国为例：美国的污水处理发展迅速，具备相当规模的污水处理厂有20000多座，年能耗费用达数十亿美元。每年用于污水处理的耗电量占到全国发电量的3％～4％，其城市污水处理厂比能耗平均为0.2kWh/m3，远低于中国的污水处理的平均能耗。此外，还需要考虑的因素包括：美国、日本等发达国家对出水都进行消毒处理，约耗电0.002kWh/m3，这些国家还对污泥进行消化、脱水处理，污泥焚烧、热调节等，美国在污水处理时还进行气浮处理，约耗电0.05～0.1kWh/m3。日本应用的污水处理工艺中，沉砂池都有洗砂、通风、脱臭等工序，耗电约为0.01kWh/m3，另外，美国、日本、欧洲各国经济比较发达，水处理技术比较先进，在实际污水处理过程中应用自控、仪表等耗电设备比我国多，照明、空调等电耗也较多。按综合因素及能效考虑，我国城市污水处理厂工艺落后，设备陈旧的老厂居多，能耗过大，节能问题十分突出。开展基于节能理念的污水处理的研究迫在眉睫。
除了能耗的问题之外，随着对出水水质越来越严格的要求和公众环境意识的逐步增强，迫使我国政府制定严格的污水处理和排放标准，涉及的水质控制指标、内容和数值越来越严。国家实施的《城镇污水处理厂污染物排放标准》对城镇污水处理厂的排放水质不仅有更加明确和详细的规定，而且对其中几项指标的要求更加严格，排放标准的适用范围扩大到所有排污单位。对COD、BOD、SS去除效率的要求也随之提高。这意味着现有污水处理厂将面临着处理工艺的改造和出水水质的改善问题。因此，迫切需要通过综合性的研究开发，推广应用一批能满足新的排放要求、处理效果好的污水处理新技术、新工艺来解决城镇污水处理厂出水COD、BOD、SS指标的未达标排放问题。
微生物燃料电池是一种可利用微生物的催化作用，将有机物中的化学能转化为电能的装置，它具有高效降解有机污染物、产生清洁能源电能、污泥产量低等诸多优点，在环境、能源及废水处理领域受到了广泛的关注。为解决现有污水处理中存在的能耗严重，主要污染去除不达标的问题提供了新的思路。但从目前的微生物燃料电池反应器设计与实际应用的角度来看，还存在以下几个问题：a.为了提高系统的功率输出，阴极多采用铂碳阴极，这不仅提高了反应器的构建成本，更限制了其实用化的可能性；b.几乎所有的微生物燃料电池都是通过与电阻的连接来回收电能，因此产生的能量都通过热能的形式散发掉，并未有效地回收利用；c.微生物燃料电池是一种基于厌氧过程和好氧工艺的处理技术，在出水水质上优于厌氧工艺但是与好氧工艺的处理效率仍然存在着差距。这些原因制约了微生物燃料电池的实际应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有污水处理系统中存在微生物燃料电池产能的有效回收效能低以及出水不达标的问题，而提供微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统及其处理污水实现零能耗的方法。
本发明微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统包括微生物燃料电池反应器、间歇曝气生物滤池、储水箱和高位水槽，储水箱通过一号水管与高位水槽的进水口相通，在一号水管中设置有进水泵，高位水槽的出水口通过二号水管与微生物燃料电池反应器的入水口相连，微生物燃料电池反应器的出水口通过三号水管连接到间歇曝气生物滤池的进水口上，曝气泵通过气管与位于间歇曝气生物滤池底部的曝气头相连，其中微生物燃料电池反应器包括反应器箱体、两片辊压阴极、多个碳纤维刷阳极、U形隔板和两件固定框，在反应器箱体的相对侧壁上分别开有进水口和出水口，在反应器箱体的顶壁上开有矩形孔，U形隔板置于两件固定框之间，在U形隔板与固定框之间均夹固有辊压阴极，在固定框的框体上边沿设置有支撑板，支撑板上开有多个阳极孔，每个碳纤维刷阳极的尾部穿过阳极孔插入到微生物燃料电池反应器内部，支撑板搭放在反应器箱体的顶壁上，每个支撑板上的多个碳纤维刷阳极形成一组，每组碳纤维刷阳极通过钛丝串联，碳纤维刷阳极与辊压阴极之间形成供电回路；
在间歇曝气生物滤池的顶部设置有多孔配水板，在位于间歇曝气生物滤池底部的曝气头上方安装有不锈钢网，间歇曝气生物滤池的出水口还与净水管相连。
本发明应用微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统处理污水的方法按下列步骤实现：
有机废水通过进水泵的抽提由储水箱进入高位水槽，高位水槽中的有机废水在重力作用下流入微生物燃料电池反应器中，有机废水中的有机物以微生物燃料电池反应器左右两侧阳极碳纤维刷上负载的微生物为催化剂被氧化为二氧化碳，同时生成电子和质子，得到初步降解的废水，初步降解的废水流进间歇曝气生物滤池的顶部，初步降解的废水经过多孔配水板分散自上而下流经滤料的表面，由不锈钢网上承载的滤料表面的微生物进一步降解，曝气泵将空气通过曝气头导入曝气生物滤池，空气在曝气生物滤池内部扩散进行好氧降解，得到的净化后的出水经过净水管排出。
本发明将微生物燃料电池系统和曝气生物滤池系统耦合，利用曝气生物滤池好氧处理的优势，提高污水处理的效率；利用电容电路来收集微生物燃料电池产生的电能，用于驱动复合系统的进水系统和生物滤池的曝气装置；采用碳纤维刷作为生物阴极，即降低了系统构建成本又可以增大微生物附着量，同时在阴极上使用价格低廉的不锈钢网辊压阴极以提高系统的能量输出，增加实用性。
本发明微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统及其处理污水实现零能耗的方法的优点在于：
a.现有的微生物燃料电池研究中，通常使用用电阻来测定电池的产电的性能，电能是通过电阻放热的形式得到散发的，这造成了电池产电的浪费，而本发明实现了微生物燃料电池产能的原位利用，废水中有机物氧化释放的化学能通过微生物燃料电池以电能的形式得到释放，经过电容电路得到回收，经过电能的分配系统按照需要给进水泵和曝气泵供电；
b.将微生物燃料电池和间歇曝气生物滤池相结合，综合两种技术的优势，电能在微生物燃料电池阶段得到回收，同时得到初步处理的合成废水，此出水经过曝气生物滤池的好氧处理，快速地氧化其含有的有机物，实现高效的污水处理过程，使废水中SCOD和TCOD的去除率达到90％以上，使出水水质达标；
c.在多孔配水板布水的过程中，将空气中的氧气带入到曝气生物滤池中，增加了溶液中的溶解氧，促进了好氧菌的好氧作用；
d.微生物燃料电池采用价格低廉的不锈钢网辊压阴极以提高系统的能量输出，增大其大型化应用的可能性。
附图说明
图1为微生物燃料电池反应器中的辊压阴极、U形隔板和固定框的装配结构示意图；
图2为微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统的结构示意图；
图3为实施例一充放电过程中微生物燃料电池的输出电压图；
图4为实施例一中微生物燃料电池反应器和间歇曝气生物滤池的SCOD和TCOD的去除量柱状图，其中A—出水的SCOD，B—出水的TCOD。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统包括微生物燃料电池反应器4、间歇曝气生物滤池5、储水箱1和高位水槽3，储水箱1通过一号水管11与高位水槽3的进水口相通，在一号水管11中设置有进水泵2，高位水槽3的出水口通过二号水管12与微生物燃料电池反应器4的入水口4-1相连，微生物燃料电池反应器4的出水口4-2通过三号水管13连接到间歇曝气生物滤池5的进水口上，曝气泵6通过气管与位于间歇曝气生物滤池5底部的曝气头7相连，其中微生物燃料电池反应器4包括反应器箱体4-3、两片辊压阴极4-7、多个碳纤维刷阳极4-4、U形隔板4-5和两件固定框4-6，在反应器箱体4-3的相对侧壁上分别开有进水口4-1和出水口4-2，在反应器箱体4-3的顶壁上开有矩形孔，U形隔板4-5置于两件固定框4-6之间，在U形隔板4-5与固定框4-6之间均夹固有辊压阴极4-7，在固定框4-6的框体上边沿设置有支撑板4-8，支撑板4-8上开有多个阳极孔，每个碳纤维刷阳极4-4的尾部穿过阳极孔插入到微生物燃料电池反应器4内部，支撑板4-8搭放在反应器箱体4-3的顶壁上，每个支撑板4-8上的多个碳纤维刷阳极4-4形成一组，每组碳纤维刷阳极4-4通过钛丝串联，碳纤维刷阳极4-4与辊压阴极4-7之间形成供电回路；
在间歇曝气生物滤池5的顶部设置有多孔配水板5-1，在位于间歇曝气生物滤池5底部的曝气头7上方安装有不锈钢网5-2，间歇曝气生物滤池5的出水口还与净水管14相连。
本实施方式两件固定框之间夹有U形隔板从而形成空气腔，将两片阴极的扩散层相对放置，增加了反应器的堆栈密度和阳极微生物的富集量，在产电和污水处理上均具有显著提高。同时为了最大限度的减小微生物燃料电池的体积，厚度可调的U形隔板置于两个电池的中间形成不同体积的空气腔，使氧气浓度不会对阴极反应构成限制。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是在辊压阴极4-7的表面贴附有玻璃纤维膜。
本实施方式玻璃纤维膜置于阳极碳纤维刷和辊压阴极之间，减少了阴阳极的间距，降低了电池的内阻。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在二号水管12中还设置有液体流量计。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是在间歇曝气生物滤池5中的不锈钢网5-2上方还设置有多孔布气板5-3。
空气通过本实施方式的多孔布气板进行扩散。
具体实施方式五：本实施方式应用微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统处理污水的方法按下列步骤实施：
有机废水通过进水泵2的抽提由储水箱1进入高位水槽3，高位水槽3中的有机废水在重力作用下流入微生物燃料电池反应器4中，有机废水中的有机物以微生物燃料电池反应器4左右两侧阳极碳纤维刷4-4上负载的微生物为催化剂被氧化为二氧化碳，同时生成电子和质子，得到初步降解的废水，初步降解的废水流进间歇曝气生物滤池5的顶部，初步降解的废水经过多孔配水板5-1分散自上而下流经滤料的表面，由不锈钢网5-2上承载的滤料表面的微生物进一步降解，曝气泵6将空气通过曝气头7导入曝气生物滤池5，空气在曝气生物滤池5内部扩散进行好氧降解，得到的净化后的出水经过净水管14排出。
本实施方式微生物燃料电池反应器中的碳纤维刷阳极与辊压阴极之间形成曝气泵和进水泵的供电回路，同时在高位水槽中安装有水位开关，当高位水槽中的水位高于设定值1mm的时候，电容电路接通曝气泵，曝气器工作；当高位水槽中的水位低于设定值1mm的时候，电容电路接通进水泵，进水泵工作。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是控制微生物燃料电池反应器4中有机废水的水力停留时间为2～3天，控制曝气生物滤池5中有机废水的水力停留时间为6～12小时。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是间歇曝气生物滤池5内填充的滤料为碳纤维刷滤料、聚丙烯滤料、聚氯乙烯滤料、活性炭滤料、沸石滤料、石英砂滤料、无烟煤滤料或陶粒滤料。其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。
本实施方式中所述的碳纤维刷滤料是使用与微生物燃料电池反应器内阳极碳纤维刷相同的材料制成的滤料，这样能使微生物在微生物燃料电池反应器内部和曝气生物滤池内部获得相似的附着条件，增加两种系统协调性，降低了两种工艺的差异所带来的微生物附着和增殖的突变，此外，与活性炭等滤料相比能够有效的降低曝气生物滤池堵塞的风险，减少反冲洗的频率，节约能耗。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是微生物燃料电池反应器4与进水泵2和曝气泵6形成供电回路。其它步骤及参数与具体实施方式五至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是有机废水为生活污水、制糖废水、啤酒废水、印染废水、食品废水、制药废水或造纸废水。其它步骤及参数与具体实施方式五至八之一相同。
实施例一：本实施例应用具体实施方式一所述的微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统处理污水的方法按下列步骤实现：
有机废水通过进水泵2的抽提由储水箱1进入高位水槽3，高位水槽3中的有机废水在重力作用下流入微生物燃料电池反应器4中，控制有机废水在微生物燃料电池反应器4中的水力停留时间为3天，有机废水中的有机物以微生物燃料电池反应器4左右两侧阳极碳纤维刷4-4上负载的微生物为催化剂被氧化为二氧化碳，同时生成电子和质子，得到初步降解的废水，初步降解的废水流进间歇曝气生物滤池5的顶部，控制废水在间歇曝气生物滤池5中的水力停留时间为7.2个小时，初步降解的废水经过多孔配水板5-1分散自上而下流经滤料的表面，由不锈钢网5-2上承载的滤料表面的微生物进一步降解，曝气泵6将空气通过曝气头7导入曝气生物滤池5，空气在曝气生物滤池5内部扩散进行好氧降解，得到的净化后的出水经过净水管14排出。
本实施例在曝气生物滤池下方还设置有回流口，将部分出水通过多孔配水板回流到曝气生物滤池内再利用，进行彻底的残余有机物去除。U形隔板4-5的厚度为1cm。
本实施例在碳纤维刷阳极4-4与辊压阴极4-7之间形成曝气泵和进水泵的供电回路，使用电容电路对微生物燃料电池产能进行回收，两个电池并联向电容电路充电。电容电路分为16组，每组2个电容并联连接，充电时16组电容并联，放电时16组电容串联连接，充电时间5分钟，放电时间1分钟。
本实施例的有机废水为人工合成废水，1L合成废水中含有0.13g KCl、3.32gNaH2PO4·2H2O、10.32g Na2HPO4·12H2O、1g葡萄糖、1mL微量金属溶液和1mL维他命溶液。充放电过程中电池的输出电压见图3。电压变化的周期性和重复性显著：充电过程中微生物燃料电池连接上电容电路时，电压快速降到100±5mV左右，随着充电过程的继续，电压逐渐升高至400m±10V左右；放电过程中微生物燃料电池处于开路状态，电压由400mV左右升高至450±5mV左右。该复合系统中的微生物燃料电池出水的SCOD去除率为83.8％，出水TCOD的去除率为78.2％，最终间歇曝气生物滤池出水的SCOD去除率为93.9％，出水TCOD的去除率为91.7％。其中微生物燃料电池阶段的COD去除速率为10.9mg/L/h，间歇曝气生物滤池的COD去除速率为18.7mg/L/h，该复合系统的总COD去除速率为11.6mg/L/h。
Claims (9)
1.微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统，其特征在于该微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统包括微生物燃料电池反应器(4)、间歇曝气生物滤池(5)、储水箱(1)和高位水槽(3)，储水箱(1)通过一号水管(11)与高位水槽(3)的进水口相通，在一号水管(11)中设置有进水泵(2)，高位水槽(3)的出水口通过二号水管(12)与微生物燃料电池反应器(4)的入水口(4-1)相连，微生物燃料电池反应器(4)的出水口(4-2)通过三号水管(13)连接到间歇曝气生物滤池(5)的进水口上，曝气泵(6)通过气管与位于间歇曝气生物滤池(5)底部的曝气头(7)相连，其中微生物燃料电池反应器(4)包括反应器箱体(4-3)、两片辊压阴极(4-7)、多个碳纤维刷阳极(4-4)、U形隔板(4-5)和两件固定框(4-6)，在反应器箱体(4-3)的相对侧壁上分别开有进水口(4-1)和出水口(4-2)，在反应器箱体(4-3)的顶壁上开有矩形孔，U形隔板(4-5)置于两件固定框(4-6)之间，在U形隔板(4-5)与固定框(4-6)之间均夹固有辊压阴极(4-7)，在固定框(4-6)的框体上边沿设置有支撑板(4-8)，支撑板(4-8)上开有多个阳极孔，每个碳纤维刷阳极(4-4)的尾部穿过阳极孔插入到微生物燃料电池反应器(4)内部，支撑板(4-8)搭放在反应器箱体(4-3)的顶壁上，每个支撑板(4-8)上的多个碳纤维刷阳极(4-4)形成一组，每组碳纤维刷阳极(4-4)通过钛丝串联，碳纤维刷阳极(4-4)与辊压阴极(4-7)之间形成供电回路；
在间歇曝气生物滤池(5)的顶部设置有多孔配水板(5-1)，在位于间歇曝气生物滤池(5)底部的曝气头(7)上方安装有不锈钢网(5-2)，间歇曝气生物滤池(5)的出水口还与净水管(14)相连。
2.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统，其特征在于在辊压阴极(4-7)的表面贴附有玻璃纤维膜。
3.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统，其特征在于在二号水管(12)中还设置有液体流量计。
4.根据权利要求1所述的微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统，其特征在于在间歇曝气生物滤池(5)中的不锈钢网(5-2)上方还设置有多孔布气板(5-3)。
5.微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统处理污水的方法，其特征在于是按照以下步骤实现：
有机废水通过进水泵(2)的抽提由储水箱(1)进入高位水槽(3)，高位水槽(3)中的有机废水在重力作用下流入微生物燃料电池反应器(4)中，有机废水中的有机物以微生物燃料电池反应器(4)左右两侧阳极碳纤维刷(4-4)上负载的微生物为催化剂被氧化为二氧化碳，同时生成电子和质子，得到初步降解的废水，初步降解的废水流进间歇曝气生物滤池(5)的顶部，初步降解的废水经过多孔配水板(5-1)分散自上而下流经滤料的表面，由不锈钢网(5-2)上承载的滤料表面的微生物进一步降解，曝气泵(6)将空气通过曝气头(7)导入曝气生物滤池(5)，空气在曝气生物滤池(5)内部扩散进行好氧降解，得到的净化后的出水经过净水管(14)排出。
6.根据权利要求5所述的微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统处理污水的方法，其特征在于控制微生物燃料电池反应器(4)中有机废水的水力停留时间为2～3天，控制曝气生物滤池(5)中有机废水的水力停留时间为6～12小时。
7.根据权利要求5所述的微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统处理污水的方法，其特征在于间歇曝气生物滤池(5)内填充的滤料为碳纤维刷滤料、聚丙烯滤料、聚氯乙烯滤料、活性炭滤料、沸石滤料、石英砂滤料、无烟煤滤料或陶粒滤料。
8.根据权利要求5所述的微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统处理污水的方法，其特征在于微生物燃料电池反应器(4)与进水泵(2)和曝气泵(6)形成供电回路。
9.根据权利要求5所述的微生物燃料电池耦合间歇曝气生物滤池复合系统处理污水的方法，其特征在于有机废水为生活污水、制糖废水、啤酒废水、印染废水、食品废水、制药废水或造纸废水。
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