CN106048647B - 一种变性生物电极微生物电解池及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种设计、运行及维护简单，灵活易放大、可长久运行的变性生物电极微生物电解池及其运行方法。电解池的一大一小两个独立功能腔室中均设置有至少一对功能强化的变性生物电极对，电极对在直流组合电源的调控下处于电极极性反转周期可调的加电运行状态来产CH₄矿化有机质。独立的小腔室为大腔室的稳定运行提供了保障，灵巧便捷的电极对为大腔室的放大提供了便利；变性生物电极生物膜中嵌入的导电粉体材料，增强了生物电极的活性；直流组合电源调控下的电极极性周期反转不但可驯化出既能氧化有机质作阳极又能催化产CH₄作阴极的变性生物电极，而且还避免了电极单向极化引起的离子浓缩甚至盐沉积导致的生物电极活性下降，确保了生物电极的长久运行，进一步降低了电解池的固定成本和运行成本。

Description

一种变性生物电极微生物电解池及其运行方法

技术领域

本发明涉及微生物电化学领域，尤其涉及一种变性生物电极微生物电解池及其运行方法。

背景技术

在传统的厌氧消化过程中，以H⁺和CO₂为电子受体的有机质产CH₄厌氧矿化在生物能生产、废水处理、地下水和土壤（及沉积物）的生物修复等方面虽然有很好的发展前景，但由于该过程的复杂性，以及该过程表现出来的时间长、不彻底、易波动失效等缺陷，使得有机质产CH₄厌氧矿化过程的工程应用受到了限制。多功能的微生物电解池技术出现之后，微生物电解池参与的有机质产CH₄厌氧矿化过程在速度、彻底性、稳定性、产气质量等方面都表现出巨大的改进，使得拓宽有机质产CH₄厌氧矿化过程在生物能生产、废水处理、地下水修复、土壤（及沉积物）修复等能源环境领域的工程应用成为可能。

多功能微生物电解池的前景虽然很好，但是高昂的固定成本和运行成本却成为其应用的巨大障碍。低成本的生物电极及其自我繁殖特性使其被寄予可长久运行，进而降低固定成本和运行成本的厚望。然而现有的电产CH₄技术中，微生物电解池普遍采用的是直流稳压电源或恒电位仪长期单向加电的运行模式，这种加电模式下生物电极的极性长期恒定不变，而电极的长期单向极化不可避免地会导致离子浓缩，甚至出现盐沉积，高浓度的离子及盐沉积容易使生物电极（特别是生物阴极）的活性下降，从而影响了生物电极以及微生物电解池的长期运行。

电产CH₄专利（WO 2011/011829 A1）为解决阴阳极的pH差采用计算机控制的步进马达驱动系统并耦合计算机控制下的切换装置来实现转盘电极极性的周期反转，其结构、运行控制和维护复杂成本高，并且灵活性差，特别是其生物电化学转盘的不可放大性，限制了其应用。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的许多不足，本发明的目的在于提供一种变性生物电极微生物电解池及其运行方法，旨在解决现有微生物电解池的成本高、放大难、运行及维护过程复杂，灵活性差，特别是所述微生物电解池在运行过程中因长期单向极化导致的离子浓缩甚至盐沉积使生物电极的活性下降而不能长期稳定运行的问题。

本发明的技术方案如下：

一种变性生物电极微生物电解池，其中，包括第一腔室、第二腔室，所述第一腔室的容积小于所述第二腔室的容积；所述第一腔室与第二腔室通过一隔板隔开，所述隔板上端设置有一开口，所述第一腔室底部设置有第一进水口和第一排泥口，所述第一腔室侧边设置有一循环泵；所述第二腔室侧边设置有一出水口，所述第二腔室底部设置有第二进水口和第二排泥口，所述第二腔室顶部还设置有一出气口；所述第一腔室和第二腔室内分别设置有至少一变性生物电极对，所述变性生物电极对分别与直流组合电源的两个输出端子连接来产CH₄矿化有机质；所述变性生物电极微生物电解池在2℃-30℃范围内正常运行。

较佳地，所述变性生物电极微生物电解池，其中，所述变性生物电极对材料为导电的、易于生物膜附着生长的碳毡、石墨毡、碳纤维、碳棒、石墨板、石墨颗粒、活性炭颗粒及导电高分子材料中的一种或其改性组合。

较佳地，所述变性生物电极微生物电解池，其中，所述变性生物电极生物膜中嵌入了用于提高生物膜活性的导电粉体材料。

较佳地，所述变性生物电极微生物电解池，其中，所述直流组合电源包括直流电源和电源调控系统，直流电源的电压输出通过电源调控系统的调制成为极性反转周期可调的输出电压，使所述变性生物电极对处于电极极性反转周期可调的加电运行状态；所述直流电源的加电控制所述变性生物电极对的阴极电势不低于-0.74V（vs SHE）。

较佳地，一种变性生物电极微生物电解池的运行方法，其中，包括：

步骤A、将接种污泥与待处理有机质溶液按体积比1:1~1:9混合均匀得到混合液；

步骤B、将所述混合液分别从第一进水口和第二进水口注入第一腔室和第二腔室中；

步骤C、对直流组合电源进行设置使变性生物电极在电极极性周期反转的运行状态下启动；随着启动过程的进行，所述变性电极对上逐渐形成并附着电活性生物膜成为变性生物电极，所述变性生物电极既能氧化有机质作阳极又能催化产CH₄作阴极；定期更换所述待处理有机质溶液，使所述变性生物电极微生物电解池至持续稳定的最大电流值即进入产CH₄矿化有机质的稳定工作状态；所述变性生物电极在18℃-30℃内启动；所述直流电源的加电控制所述变性电极对的阴极电势不低于-0.74V（vs SHE）。

较佳地，所述变性生物电极微生物电解池的运行方法，其中，所述步骤C还包括：

C1、在启动所述变性生物电极的过程中，择机在所述第一腔室和第二腔室中填加导电粉体材料；所述第一腔室侧边还设置有一循环泵，用于加快导电粉体材料嵌入所述变性生物电极的生物膜中。

较佳地，所述变性生物电极微生物电解池的运行方法，其中，所述导电粉体材料为活性炭粉、石墨粉、碳黑、电气石粉、生物焦粉及磁性铁氧化物粉中的一种或多种。

有益效果：本发明提供的变性生物电极微生物电解池，与现有技术相比，其结构简单、易放大，固定成本低；并且其运行自动化程度高、维护简单、可长久运行，运行成本低。本变性生物电极微生物电解池采用的电极极性反转周期可调的加电运行方式，避免了生物电极因长期单向极化产生的离子浓缩和盐沉积对生物电极上微生物催化剂的伤害，从而确保生物电极微生物电解池可长久运行；进一步，本变性生物电极生物膜中嵌入的导电粉体材料可有效增强生物电极的处理能力。

附图说明

图1为本发明变性生物电极微生物电解池较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明变性生物电极微生物电解池的运行方法较佳实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种变性生物电极微生物电解池及其运行方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所述，本发明变性生物电极微生物电解池，包括第一腔室100、第二腔室200，所述第一腔室100的容积小于第二腔室200的容积，所述第一腔室100和第二腔室200底部分别设置有第一进水口110和第二进水口220，本发明将接种污泥与含待处理有机质（包含葡萄糖成分）的溶液按一定比例混合得到的混合液通过所述第一进水口110和第二进水口220分别进入第一腔室100和第二腔室200，所述第一腔室100和第二腔室200均可用于电产CH₄矿化有机质；所述第一腔室100和第二腔室200之间设置有一隔板300，用于将第一腔室100中的混合液和第二腔室200中的混合液隔开，所述隔板上端设置有一开口310，用于将第一腔室100中的混合液以及产生的含CH₄气体排入第二腔室200中；所述第一腔室100和第二腔室的底部分别设置有第一排泥口120和第二排泥口230用于排泥；所述第二腔室200侧边设置有一出水口210，用于将处理完的溶液排出；所述第二腔室200顶部还设置有一出气口240，用于收集第一腔室100和第二腔室200所产的含CH₄气体。

所述第一腔室100和第二腔室200内分别设置有至少一电极对，所述电极对材料为任意导电的、易于生物膜附着生长的碳毡、石墨毡、碳纤维、碳棒、石墨板、石墨颗粒、活性炭颗粒及导电高分子材料中的一种或其改性组合。较佳地，所述第二腔室200可根据实际需要进行扩容，增加电极对数量，以提高电解池的处理能力。

所述第一腔室100除了具有与所述第二腔室200同样的功能外，还可以单独启动新的电极对以替换所述第二腔室200中处理效能下降的电极对或修复第二腔室200中处理效能下降电极对的活性；所述第一腔室100还可以为第二腔室200驯化一些功能强化的电极对，强化废物流中需强化降解物种的降解处理，增强电解池的处理能力。

所述电极对分别与直流组合电源400的两个输出端子连接，所述直流组合电源400包括直流电源和电源调控系统，电源调控系统进一步控制直流电源的电压输出。较佳地，所述直流电源的加电控制所述变性电极对的阴极电势不低于-0.74V（vs SHE）。

进一步，本发明电解池采用电极极性周期反转的加电模式电产CH₄矿化有机质。具体地，在生物电极启动时就实施的所述电极极性周期反转的加电模式可使所述电极对上逐渐生成生物膜成为变性生物电极，待所述变性生物电极微生物电解池启动达到稳定的电流值后即可进入产CH₄矿化有机质的稳定工作状态。进一步，在本发明变性生物电极微生物电解池中，生物电极的启动温度为18℃-30℃。待所述生物电极启动完成后，所述变性生物电极微生物电解池在2℃-30℃范围内正常运行。

进一步，本发明在启动生物电极过程中，择机在所述第一腔室100和第二腔室200中填加导电的粉体材料。如图1所示，所述第一腔室100侧边还设置有一循环泵500，用于第一腔室100内导电粉体浆液的循环，来加快所述导电的粉体材料嵌入生物膜中，从而形成活性增强的生物电极。进一步，所述导电的粉体材料可以为活性炭粉、石墨粉、碳黑、电气石粉、生物焦粉或者磁性铁氧化物粉等。

基于上述电解池结构，本发明还提供一种变性生物电极微生物电解池的运行方法，如图2所示，包括以下步骤：

S100、将接种污泥与待处理有机质溶液按体积比1:1~1:9混合均匀得到混合液；

S110、将所述混合液分别从第一进水口和第二进水口注入第一腔室和第二腔室中；

S120、对直流组合电源进行设置使变性生物电极在电极极性周期反转的运行状态下启动；随着启动过程的进行，所述变性电极对上逐渐形成并附着电活性生物膜成为变性生物电极，所述变性生物电极既能降解有机质作阳极又能催化产CH₄作阴极；定期更换所述待处理有机质溶液，使所述变性生物电极微生物电解池至持续稳定的最大电流值即进入产CH₄矿化有机质的稳定工作状态；所述变性生物电极微生物电解池的变性生物电极在18℃-30℃内启动；所述直流电源的加电控制所述变性电极对的阴极电势不低于-0.74V（vsSHE）。

较佳地，所述变性生物电极微生物电解池的运行方法，其中，所述步骤C还包括：

C1、在启动所述生物电极过程中，择机在所述第一腔室和第二腔室中填加导电粉体材料；所述第一腔室侧边还设置有一循环泵，用于加快导电粉体材料嵌入所述变性生物电极的生物膜中。

较佳地，所述变性生物电极微生物电解池的运行方法，其中，所述导电粉体材料为活性炭粉、石墨粉、碳黑、电气石粉、生物焦粉及磁性铁氧化物粉中的一种或多种。

有益效果：本发明通过将外压施加方式由持续的单向外压方式换成电极极性周期反转的变向外压方式，避免了生物电极因长期的单向极化产生的离子浓缩和盐沉积对生物电极上微生物催化剂的伤害，保证了生物电极的长久运行。0.4V的单向极化加电作用下，不到9个月生物阴极的活性就出现明显下降和盐沉积，而定期换向后运行10个月的生物电极的活性仍没有下降的迹象，也无盐沉积出现。相对于没有嵌入导电粉体材料的电极来说，生物膜中嵌入导电粉体材料，达到同样的电流密度，所需驯化时间可缩短近1/2；且由于电极活性提高处理能力增强，使得最大稳定电流持续时间可缩短1/3。

下面通过具体实施例对本发明所述变性生物电极微生物电解池的运行方法进行说明：

实施例1

以污水处理厂的回流污泥为接种源，以含待处理有机质（以250 mg/L葡萄糖和乙酸钠为待处理的有机质为例）的人工合成废水为进料（含有6 mM磷酸盐缓冲溶液、310 mg/LNH₄Cl），按1：4体积比将接种污泥与人工合成废水混匀，外加0.4V定期换向的直流电压，以碳棒为电极，以批式运行方式在24℃启动变性生物电极微生物电解池。启动过程中，当待处理有机质降解到一定程度后，定期更换人工合成废水，并适时分批次加入适量的粉末活性炭，至持续稳定的最大电流值。相对于电极极性恒定不变的、不添加粉末活性炭的微生物电解池而言，生物膜中加入适量粉末活性炭的变性生物电极微生物电解池在0.4V定期换向直流电压的作用下最大稳定电流密度持续的时间可分别比参照系统缩短32%和27%，明显优于现有的技术方法。

实施例2

以污水处理厂的回流污泥为接种源，以含待处理有机质（以250 mg/L葡萄糖和乙酸钠为待处理的有机质为例）的人工合成废水为进料（含6 mM磷酸盐缓冲溶液、310 mg/LNH₄Cl），按1：5体积比将接种污泥与人工合成废水混匀，外加0.4V定期换向的直流电压，以碳棒为电极，以批式运行方式在24℃启动变性生物电极微生物电解池。启动过程中，当待处理有机质降解到一定程度后，定期更换人工合成废水，并适时分批次加入适量的石墨粉，至持续稳定的最大电流值。相对于电极极性恒定不变的、不添加石墨粉的微生物电解池而言，生物膜中加入适量石墨粉的变性生物电极微生物电解池在0.4V定期换向直流电压的作用下最大稳定电流密度持续的时间可分别比参照系统缩短8%和10%，明显优于现有的技术方法。

综上所述，本发明提供的变性生物电极微生物电解池，与现有技术相比，其结构简单、易放大，固定成本低；并且其运行自动化程度高、维护简单、可长久运行，运行成本低。本发明变性生物电极微生物电解池采用电极极性反转周期可调的加电运行方式，避免了生物电极因长期的单向极化产生的离子浓缩和盐沉积对生物电极上微生物催化剂的伤害，从而确保生物电极微生物电解池可长久运行；进一步，本发明生物电极生物膜中嵌入的导电粉体材料可有效增强生物电极的处理能力。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种变性生物电极微生物电解池，其特征在于，包括第一腔室、第二腔室，所述第一腔室的容积小于所述第二腔室的容积；所述第一腔室与第二腔室通过一隔板隔开，所述隔板上端设置有一开口，所述第一腔室底部设置有第一进水口和第一排泥口，所述第一腔室侧边设置有一循环泵；所述第二腔室侧边设置有一出水口，所述第二腔室底部设置有第二进水口和第二排泥口，所述第二腔室顶部还设置有一出气口；所述第一腔室和第二腔室内分别设置有至少一变性生物电极对，所述变性生物电极对分别与直流组合电源的两个输出端子连接；所述直流组合电源包括直流电源和电源调控系统，直流电源的电压输出通过电源调控系统的调制成为极性反转周期可调的输出电压，使所述变性生物电极对处于电极极性反转周期可调的加电运行状态来产CH₄矿化有机质；相对于标准氢电极，所述直流电源的加电控制所述变性生物电极对的阴极电势不低于-0.74V；所述变性生物电极微生物电解池在2℃-30℃范围内正常运行；

所述变性生物电极对在电极极性周期反转的运行状态下启动，随着启动过程的进行，所述变性生物电极对上逐渐形成并附着电活性生物膜；

所述电活性生物膜中嵌入了用于提高生物膜活性的生物活性导电粉体材料。

2.根据权利要求1所述的变性生物电极微生物电解池，其特征在于，所述变性生物电极对材料为导电的、易于生物膜附着生长的碳毡、石墨毡、碳纤维、碳棒、石墨板、石墨颗粒及活性炭颗粒的一种或其改性组合。

3.一种如权利要求1所述变性生物电极微生物电解池的运行方法，其特征在于，包括：

步骤A、将接种污泥与待处理有机质溶液按体积比1:1~1:9混合均匀得到混合液；

步骤B、将所述混合液分别从第一进水口和第二进水口注入第一腔室和第二腔室中；

步骤C、对组合电源进行设置使变性生物电极在电极极性周期反转的运行状态下启动;随着启动过程的进行，所述变性电极对上逐渐形成并附着电活性生物膜成为变性生物电极，所述变性生物电极既能降解有机质作阳极又能催化产CH₄作阴极；定期更换所述待处理有机质溶液，使所述变性生物电极微生物电解池至持续稳定的最大电流值即进入产CH₄矿化有机质的稳定工作状态；所述变性生物电极微生物电解池的变性生物电极在18℃-30℃内启动；相对于标准氢电极，所述直流电源的加电控制所述变性生物电极对的阴极电势不低于-0.74V；

所述步骤C还包括：

C1、在启动所述变性生物电极过程中，择机在所述第一腔室和第二腔室中填加导电粉体材料；所述第一腔室侧边还设置有一循环泵，用于加快导电粉体材料嵌入所述变性生物电极的生物膜中。

4.根据权利要求3所述的变性生物电极微生物电解池的运行方法，其特征在于，所述生物活性导电粉体材料为活性炭粉、石墨粉、碳黑、电气石粉、生物焦粉及磁性铁氧化物粉中的一种或多种。