CN105668969A - 城市粪便处理系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种城市粪便处理系统，包括能量供给系统，能量供给系统包括：控制器，光电传感器，输入电源、微生物电解池系统、燃料电池和储能系统，微生物电解池系统包括微生物电解池，微生物电解池包括：阴极室和设置在阴极室外侧的阳极室组，阳极室组具有入水口与出水口，出水口与阴极室连通，阴极室具有排液口和排气口；阳极室组包括串联设置的多个阳极室；阴极室内设置有阴极电极和光源，各阳极室内均设置有阳极电极；本发明提供一种城市粪便处理系统，实现了智能化控制，根据外界传感器的信号合理的协调不同电池系统之间的工作，优先利用外界的太阳光发电；将微生物电解池、燃料电池和太阳能发电联系起来，综合利用资源，更加环保和高效。

Description

城市粪便处理系统
技术领域
本公开一般涉及污水处理领域，尤其涉及城市粪便处理系统。
背景技术
随着城市化的进程，城市人口越来越密集，随着人口增长而出现的粪便增长的问题没有得到较好的解决。目前我国粪便处理设施的数量严重不足，总体技术水平较低，而直接将高COD(ChemicalOxygenDemand：化学需氧量)、BOD(BiochemicalOxygenDemand：生化需氧量)的粪便直接排入市政污水管网，将对现有的污水处理厂造成不小的冲击，并且污水处理厂直接处理这些污水时，随之而来的高能耗将增大处理成本。
目前一般采用微生物电解池(MEC)来为粪便处理系统提供能量。微生物电解池(MEC)是一种生物与电化学和的技术，通过在阳极表面附着的具有电化学活性的微生物(产电菌)的代谢，氧化降解水中的有机物，所产生的电子通过外电路传递到阴极，能够实现在较低的施加电压下产氢。但是只通过微生物电解池进行污水和废水的处理，产生的氢气等还需要进行收集用在别的地方，相对较麻烦。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种城市粪便处理系统。
第一方面提供一种城市粪便处理系统，包括能量供给系统，所述能量供给系统包括：控制器，光电传感器，输入电源、微生物电解池系统、燃料电池和储能系统，其中：
所述光电传感器与所述控制器相连接，用于在光照强度不小于100lux时发送高电平至所述控制器，在光照强度小于100lux时发送低电平至所述控制器；
所述控制器与所述输入电源、燃料电池和储能系统分别相连，用于在接收到高电平时，选择输入电源为主电源，在接收到低电平时，选择燃料电池和储能系统为主电源；
所述微生物电解池系统包括微生物电解池，所述微生物电解池包括：阴极室和设置在所述阴极室外侧的阳极室组，所述阳极室组具有入水口与出水口，所述出水口与所述阴极室连通，所述阴极室具有排液口和排气口；
所述阳极室组包括串联设置的多个阳极室；
所述阴极室内设置有阴极电极和光源，各所述阳极室内均设置有阳极电极；
各所述阳极室上设置有第一质子交换口，至少所述阴极室的侧壁上设置有与所述第一质子交换口相连接的第二质子交换口，所述第一质子交换口与所述第二质子交换口之间设置有质子交换膜。
本发明提供一种城市粪便处理系统，首先实现了智能化控制，根据外界传感器的信号合理的协调不同电池系统之间的工作，优先利用外界的太阳光发电；其次将微生物电解池、燃料电池和太阳能发电联系起来，在不同的天气下采用不同的模式，实现光电转换的同时，形成电-氢-电的循环，综合利用资源，更加环保和高效；最后其具有较大的体积，能够同时处理较大体积的废水，产生更多的氢气供燃料电池使用。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的实施例中能量供给系统结构示意图；
图2本发明的实施例中微生物电解池装置结构示意图；
图3为本发明的实施例中微生物电解池装置的阳极室组展开结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的实施例中提供一种城市粪便处理系统，包括能量供给系统，包括：控制器，光电传感器，输入电源15、微生物电解池系统17、燃料电池19和储能系统16，其中：
光电传感器与控制器相连接，用于在光照强度不小于100lux时发送高电平至控制器，在光照强度小于100lux时发送低电平至控制器；
控制器与输入电源15、燃料电池19和储能系统16分别相连，用于在接收到高电平时，选择输入电源为主电源，在接收到低电平时，选择燃料电池和储能系统为主电源；
微生物电解池系统包括微生物电解池，请参考图2，微生物电解池包括：阴极室1和设置在阴极室1外侧的阳极室组2，阳极室组2具有入水口8与出水口9，出水口9与阴极室1连通，阴极室1具有排液口11和排气口14；
阳极室组2包括串联设置的多个阳极室6；
阴极室1内设置有阴极电极5和光源4，各阳极室6内均设置有阳极电极7；
各阳极室6上设置有第一质子交换口，至少阴极室1的侧壁上设置有与第一质子交换口相连接的第二质子交换口，第一质子交换口与第二质子交换口之间设置有质子交换膜3。
本发明实施例中的城市粪便处理装置实现了智能化控制，根据外界传感器的信号合理的协调不同电池系统之间的工作，优先利用外界的太阳光发电；当光能充足的时候即光照强度不小于100lux，光电传感器发送信号至控制器，控制器将输入电源作为主电源进行光伏发电，供给微生物电解池和负载的同时还进行剩余电能的储存，微生物电解池工作的时候会产生氢气，将氢气储存起来供给燃料电池使用；当光能不充足或者没有光能的时候及光照强度小于100lux，光电传感器再发送信号至控制器，控制器将燃料电池和储能系统中的电池设置成主电源，一方面供给微生物电解池持续工作，进行污水处理的同时产生氢能持续供给燃料电池，形成电-氢-电的循环，另一方面继续供给负载使用；且使用的微生物电解池具有较大的体积，能够同时处理较大体积的废水，且分别经过阳极室和阴极室1进行处理，能够产生较多的氢气以供其他方面使用。
进一步的，输入电源15与微生物电解池系统17和储能系统相连16，输入电源15部分电能提供微生物电解池系统17，部分电能储存在储能系统16中；储能系统16、燃料电池19分别与微生物电解池系统17相连，用于将储存的电能提供给微生物电解池系统17。
请参考图1，本发明的实施例中的能量供给系统在光能源充足的时候是通过输入电源提供主要电能的，该输入电源为光伏发电系统，通过太阳能发电，将产生的部分电能供给微生物电解池系统，微生物电解池系统进行工作需要0.9V的直流电即可，微生物电解池系统进行污水处理的同时产生氢气，将产生的氢气储存在储氢罐中，以便于在接下来的过程中供给燃料电池使用；光伏发电系统产生电能还供给负载使用，并且将剩余的电能储存在储能系统中，以便于在没有光能的时候供微生物电解池和负载使用。
其中，光伏发电系统产生电能，控制器控制其产生220V/50Hz的交流电供应给处理站内的光源和水泵等负载设备，同时也供应出0.9V的直流电给微生物电解池制备氢气，并且将多余的电量储存在储能系统即铝电池中。
进一步的，所述微生物电解池系统17还包括储氢罐171，所述微生物电解池171产生的氢气储存在所述储氢罐172中；
所述储氢罐与所述燃料电池相连，向所述燃料电池提供电能。
本发明实施例中的微生物电解池系统安装有储氢罐，当光能充足的时候，微生物电解池工作产氢储存在储氢罐中，光能不足时，需要通过燃料电池工作进行供电，储氢罐中的氢气进入燃料电池的负极，空气进入燃料电池的正极，燃料电池正常工作产生的电能供微生物电解池使用持续进行污水处理和产氢的工作，还能供给外部负载进行使用；这样不仅外部负载能够正常工作，还实现了电-氢-电的循环，而且燃料电池发电的副产物水可以再次回收利用。
进一步的，输入电源15、所述燃料电池19和所述储能系统16还连接负载18，向负载18提供电能。
进一步的，控制器为ATmega16中央处理器，储能系统16为铝电池，输入电源为光伏发电系统。
为了实现智能化控制，能量供给系统以中央处理器ATmega16为核心，根据外界传感器信号合理地协调光伏系统和燃料电池系统等之间工作，并优先利用光伏系统为负载和微生物电解池供电；其中能量供给系统中采用光伏发电供负载使用的同时，进行一部分电能的储存和氢气的制备，电能的储存通过铝电池实现；光能不足时，使用产生的氢气供给燃料电池发电，产生电能依旧能够供给微生物电解池产氢和部分负载的使用，若产生的电能不够负载使用，储存在铝电池中的电能也可以供负载等设备使用；当出现连续阴雨天用电不足时，整个装置无法运转，需要通过市政电作为补充电源。
进一步的，阴极室1内密封设置有透明的光源安装室，光源4设置于光源安装室内，光源为LED光源。
本发明的实施例中提供的微生物电解池通过使用两种方式对污水进行处理，一是在阳极电极上接种产电菌，对污水进行初步的COD处理和脱氮，将污水中的有机物进行氧化分解，二是在阴极室1内设有小球藻，小球藻作为生物阴极对氢离子和电子进行接收，进行污水处理，可以进一步降低污水中的COD并进行脱氮脱磷。与此同时，给阳极电极和阴极电极施加一个电压，阴极室1中的氢离子接收电子产生氢气，产生的氢气向上浮动，气体上浮的过程可以充分搅动藻液，使得小球藻保持悬浮的状态，对污水的处理效果更好。
小球藻对污水进行处理需要进行光合作用，通过设置LED光源向小球藻提供光能，小球藻对污水进行处理并且是在阴极室1内进行生长和繁殖，当小球藻太多时可以移除部分小球藻，从而使产氢的速率达到较佳的状态。
并且，本发明的实施例中对小球藻进行定期采收，采用是超声-微波辅助萃取系统进行微藻油脂萃取。将开放式微波与超声波有机地结合起来，充分利用超声波的空化作用和微波的高能作用，将超声波振动能和通过波导管引出的微波能直接作用或定向聚焦于样品或物料，建立和发展在常压条件下进行的开放式微波－超声波协同萃取新技术和新方法。该方法具有快速、高效、安全等特点，可以作为微藻体内油脂的提取。
进一步的，阳极电极7为碳刷；阴极电极5为碳布。生活污水通过微生物电解池的进水口流进，并且进水口与阳极室组2的入水口和出水口相连接，污水通过进水口流经阳极室组2的入水口，在所述阳极室组2内进行初步的COD处理和脱氮；本发明的实施例中使用碳刷为阳极电极，由Bacteroides和Arcobacter两种混合菌群作为产电菌，并将其在MEC阳极接种至阳极电极，污水单向流过阳极室组2，附着在电极表面的产电微生物将污水内的有机物进行氧化分解，产生氢离子和电子，其中，氢离子通过设置在阳极室组2和阴极室1之间的质子交换膜进入阴极室1，电子通过外电路进入阴极。
如图3所示为阳极室组22展开结构示意图，本发明的实施例中阴极室1为圆柱形结构，包裹在阴极室1外部的阳极室组2也为圆柱形结构，阳极室组2是由多个大小相等的阳极室连接而成，且污水需要通过所述阳极室组2进行初步的处理，为了保证污水处理的效果，提高污水处理的反应程度，将相连通的阳极室设置成之字形结构，污水沿阳极室单向流动，增加了污水在阳极室中停留的时间，使得污水与阳极室中的阳极电极反应更加充分。
进一步的，微生物电解池还包括：进水口10，进水口10连接至阳极室组2底端的入水口8和出水口9。
进一步的，所述阴极室1底端设有阴极室入水口12，所述阴极室入水口12通过水泵13连接至所述阳极组室底端出水口9。污水经过进水口进入本发明提供的装置中，首先沿阳极室组2的通道进入阳极室组2进行反应，当污水充满阳极室组2时，进水口暂时停止进水，让污水在阳极室组2内进行一段时间的反应，随后，打开水泵，将反应后的污水抽进阴极室1中进行下一步的反应。
进一步的，所述阴极电极与多个所述阳极电极连接至电源两端，所述电源电压为0.9V。
本发明的实施例中的城市粪便处理系统能够在不同的天气环境下持续对城市粪便产生的污水进行处理，并且综合使用太阳能发电对微生物电解池供电，污水处理产生的氢能供给燃料电池使用发电，综合利用资源，高效且环保。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种城市粪便处理系统，其特征在于，包括能量供给系统，所述能量供给系统包括：控制器，光电传感器，输入电源、微生物电解池系统、燃料电池和储能系统，其中：
所述光电传感器与所述控制器相连接，用于在光照强度不小于100lux时发送高电平至所述控制器，在光照强度小于100lux时发送低电平至所述控制器；
所述控制器与所述输入电源、燃料电池和储能系统分别相连，用于在接收到高电平时，选择输入电源为主电源，在接收到低电平时，选择燃料电池和储能系统为主电源；
所述微生物电解池系统包括微生物电解池，所述微生物电解池包括：阴极室和设置在所述阴极室外侧的阳极室组，所述阳极室组具有入水口与出水口，所述出水口与所述阴极室连通，所述阴极室具有排液口和排气口；
所述阳极室组包括串联设置的多个阳极室；
所述阴极室内设置有阴极电极和光源，各所述阳极室内均设置有阳极电极；
各所述阳极室上设置有第一质子交换口，至少所述阴极室的侧壁上设置有与所述第一质子交换口相连接的第二质子交换口，所述第一质子交换口与所述第二质子交换口之间设置有质子交换膜。
2.根据权利要求1所述的城市粪便处理系统，其特征在于，所述输入电源与所述微生物电解池系统和储能系统相连，所述输入电源部分电能提供所述微生物电解池系统，部分电能储存在所述储能系统中；所述储能系统、所述燃料电池分别与所述微生物电解池系统相连，用于将储存的电能提供给所述微生物电解池系统。
3.根据权利要求1所述的城市粪便处理系统，其特征在于，所述微生物电解池系统还包括储氢罐，所述微生物电解池产生的氢气储存在所述储氢罐中；
所述储氢罐与所述燃料电池相连，向所述燃料电池提供电能。
4.根据权利要求1所述的城市粪便处理系统，其特征在于，所述输入电源、所述燃料电池和所述储能系统还连接负载，向所述负载提供电能。
5.根据权利要求1所述的城市粪便处理系统，其特征在于，所述控制器为ATmega16中央处理器，所述储能系统为铝电池，所述输入电源为光伏发电系统。
6.根据权利要求1所述的城市粪便处理系统，其特征在于，所述阴极室内密封设置有透明的光源安装室，所述光源设置于所述光源安装室内，所述光源为LED光源。
7.根据权利要求1所述的城市粪便处理系统，其特征在于，所述阳极电极为碳刷；所述阴极电极为碳布。
8.根据权利要求1所述的城市粪便处理系统，其特征在于，所述微生物电解池还包括：进水口，所述进水口连接至所述阳极室组底端的入水口和出水口。
9.根据权利要求1所述的城市粪便处理系统，其特征在于，所述阴极室底端设有阴极室入水口，所述阴极室入水口通过水泵连接至所述阳极组室底端出水口。
10.根据权利要求1所述的城市粪便处理系统，其特征在于，所述阴极电极与多个所述阳极电极连接至电源两端，所述电源电压为0.9V。
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