CN106711485B - 一种用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池及其工艺方法 - Google Patents

一种用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池及其工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种用于短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池及其工艺方法，本发明采用内外套筒型的微生物燃料电池，可以短程硝化生物脱氮，结合膜曝气生物膜技术与生物阴极工艺，在硝化阶段通过控制膜内氧分压、进水pH、溶解氧浓度、进水氨氮浓度、反应温度等工艺条件，将氨氮氧化控制在亚硝化阶段然后直接进行反硝化脱氮。可在利用污水中的生物资源产生电能的同时，不仅高效去除污水中含碳有机化合物，同时实现硝化反应和反硝化反应的同步进行，达到提高总氮和氨氮的去除率的效果。通过本工艺方法，废水的总氮去除率和COD的去除率都非常显著。

Description

一种用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池及 其工艺方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种用于短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池及其工艺方法。
背景技术
微生物燃料电池MFC(Microbial Fuel Cell)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置，该技术颠覆了传统污水处理技术仅仅将污水视为废物来处理并耗费大量能源的窘迫局面。城市生活污水和工业有机废水中含有大量的生物质能，逐步被作为一种资源来看待。MFC除了从废水中激发能量，重要的优势在于使用较低的能耗和产生污泥量较少，同时还可以去除污水中的污染物质。
一般来说污水中的主要污染物包括COD、氮和磷。COD主要以含碳有机物的形式存在，而污水中的氮污染物主要以氨氮(NH4+-N)和硝酸氮(NO3 --N)形式存在。传统的生物脱氮包括硝化和反硝化两段过程来实现，存在工艺流程较长、需要混合液回流、运行能耗较大、产生的污泥量较大、占地面积大、基建投资高，若反硝化阶段碳源不足，还需要投加额外的碳源有机物等缺点；这些问题都限制着水处理技术的发展。
现有技术中的微生物燃料电池，对污水脱氮的效果也很有限，导致出水水质不佳、阴阳极pH酸化或碱化等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池，该套筒型微生物燃料电池将膜曝气生物膜技术运用到微生物燃料电池中，以提高硝化阶段氧利用效率，并结合生物阴极工艺进行生物反硝化脱氮，从废水中提取生物质能的同时，达到更好的去除污染物的效果。
本发明的另一个目的是提供一种用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池的工艺方法。
本发明的目的由如下技术方案实现。
一种用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池，包括由进水池、进水泵组成的进水系统；由空压机、进气调节阀、出气调节阀组成的进氧系统，其特征在于：
该套筒型微生物燃料电池还包括反应器内筒，套在反应器内筒外的反应器外筒，反应器内筒和反应器外筒构成一体式反应器件。所述反应器外筒底部联通；
所述反应器内筒中设置膜曝气生物膜反应器，该膜曝气生物膜反应器的中间设有膜腔，该模腔内填充中空纤维膜；所述进气调节阀的出气口与膜腔底部连接；膜腔顶部与出气调节阀连接；
所述反应器内筒的底部与进水泵的出水口连接，所述反应器内筒的侧壁上端部设有出水口，该出水口的高度低于反应器内筒和反应器外筒的筒壁的高度；所述反应器内筒的外壁上包裹有阳极碳纤维布，该碳纤维布上接种厌氧菌作为生物阳极；所述膜曝气生物膜反应器的内壁为PVC材质；
所述反应器外筒的内壁上设有阴极碳纤维布，该碳纤维布上接种缺氧反硝化菌作为生物阴极；所述反应器内、外筒之间设置有循序下降的阶梯状折板，该折板长度与反应器内、外筒的轴向距离相同，该折板的高度为0.5-1.5cm，该折板的宽度为0.5-1.5cm。优选的，折板的高度和宽度均为1cm；可很好地保持反应器外筒内的较好的水力混合条件。
所述反应器外筒的筒壁和反应器内筒外侧壁电极之间连接有电阻形成电路回路；所述反应器外筒的底部设有出水管，该出水管与出水调节阀连接。
其中，所述阳极碳纤维布的厚度为1mm，所述阴极碳纤维布的厚度为1mm，合适的阳极碳纤维布和阴极碳纤维布的厚度，有利于降低微生物燃料电池阴极阳极间的传质内阻,保证良好的产电性能。
其中，所述厌氧菌为Geobacter sulfurreducens，其接种量为3×107cfu/g；所述阴极碳纤维布(3)上接种缺氧反硝化菌为Pseudomonas aeruginosa，其接种量为2×107cfu/g。厌氧菌、缺氧反硝化菌类型及接种量影响到产电菌在阳极和阴极上的负载,和对连续流污泥或生活污水进水中有机物的利用效率,最终关系到产电菌对有机物的利用效率,影响其脱氮效率。
上述用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池的工艺方法，其步骤包括：
废水通过进水泵从进水池中抽出，由反应器内筒底部进入到膜曝气生物膜反应器中；反应器内筒中的废水的碳氮比小于5、悬浮固体小于20mg/L；
空压机的氧气经过进气调节阀从膜腔底部进入中空纤维膜中并扩散至整个反应器内筒中，氧气的进气量为10L/m2·h，多余的氧气从膜腔顶部中排出。本发明采用无泡膜曝气方式进行供氧，氧气直接透过曝气膜供给微生物，氧传质效率高，由于曝气过程中没有气泡形成，所以，运行过程中废水中的易挥发性物质不会被吹脱进入空气，不会造成空气污染，而且操作过程中能量消耗低，可以减少运行成本。
膜曝气生物膜反应器中的废水的pH值为6.5-9，废水中的溶解氧7-8mg/L，废水经过连续流硝化反应后，从反应器内筒的侧壁上端部的出水口中流入反应器外筒中，所述反应器内筒的外壁上包裹有阳极碳纤维布，该碳纤维布上接种厌氧菌作为生物阳极；所述反应器外筒的内壁上设有阴极碳纤维布，该碳纤维布上接种缺氧反硝化菌作为生物阴极；所述反应器外筒的筒壁和反应器内筒外侧电极之间连接有电阻形成电路回路，电阻的阻值为80-120Ω，反应器外筒中的废水中的亚硝酸盐作为电子受体在阴极微生物的催化作用下发生反硝化反应，加大微生物对有机物的需求进而强化生物反硝化过程和有机污染物去除能力；
经过脱氮处理的水由阶梯状折板引流至外筒底部出水管，并从出水管中排出。
优选的，所述反应器内筒中的废水的pH值为7.4-8.3。
优选的，所述反应器内筒的硝化反应温度为22-27℃，反应器外筒中的反硝化反应温度为22-27℃。
优选的，所述阳极碳纤维布上接种的厌氧菌为Geobacter sulfurreducens，其接种量为3×107cfu/g；所述阴极碳纤维布上接种缺氧反硝化菌为Pseudomonas aeruginosa，其接种量为2×107cfu/g。
上述硝化和反硝化溶过程中的废水pH、溶解氧浓度、进水碳氮比、反应温度等工艺条件的优选，使得整个反应装置发生短程硝化反硝化反应，节约曝气量，减少污泥的生成量，大大缩短了反应时间。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用单室结构，可大大提高电池的电能输出，且去除质子交换膜，减少电池构建成本；
2、本发明采用膜曝气生物膜反应器进行无泡曝气，可大大提高充氧利用率，操作过程中能量消耗低，可以减少运行成本；
3、本发明采用短程硝化反硝化工艺，节约曝气量，减少污泥的生成量，缩短反应时间，而且本发明采用生物阴极，生物阴极接种缺氧反硝化菌对硝化产生的亚硝化盐进行反硝化，实现同步硝化反硝化脱氮。
4、本发明工艺的对TN的去除率达80％以上，对COD的去除率可达90％以上，废水处理效果非常显著。
5、所述用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池在外加电阻1000Ω时获得输出电压达到0.3-0.6V，功率密度可达6.5-12.3mWm-2，库伦效率介于80％-94％，能很好地利用微生物将废水有机物中的化学能直接转化成电能。
附图说明
图1为本发明用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池的结构示意图。
1是进水池，2是进水泵，3是阴极碳纤维布，4是阳极碳纤维布，5是膜曝气生物膜反应器，6是折板，7是出水口，8是进气调节阀，9是空压机，10是出水管，11是出气调节阀，12是出水调节阀，13是膜腔，14是电阻。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池，包括由进水池1、进水泵2组成的进水系统；由空压机9、进气调节阀8、出气调节阀11组成的进氧系统，其特征在于：
该套筒型微生物燃料电池还包括反应器内筒，套在反应器内筒外的反应器外筒，反应器内筒和反应器外筒构成一体式反应器件，而且反应器外筒底部联通；
所述反应器内筒中设置膜曝气生物膜反应器5，该膜曝气生物膜反应器5的中间设有膜腔13，该模腔内填充中空纤维膜；所述进气调节阀8的出气口与膜腔13底部连接；膜腔13顶部与出气调节阀11连接；
所述反应器内筒的底部与进水泵2的出水口连接，所述反应器内筒的侧壁上端部设有出水口7，该出水口7的高度低于反应器内外筒的筒壁的高度；所述反应器内筒的外壁上包裹有阳极碳纤维布4，所述阳极碳纤维布4的厚度为1mm,该碳纤维布上接种厌氧菌为Geobacter sulfurreducens，其接种量为3×107cfu/g，作为生物阳极；
所述反应器外筒的内壁上设有阴极碳纤维布3，该阴极碳纤维布3的厚度为1cm，该碳纤维布上接种缺氧反硝化菌为Pseudomonas aeruginosa，其接种量为2×107cfu/g，作为生物阴极；所述反应器内、外筒之间设置有循序下降的阶梯状折板6，该折板6长度与反应器内、外筒的轴向距离相同，折板6的高度和宽度均为1cm；
所述反应器外筒的筒壁和反应器内筒外侧壁电极之间连接有电阻14形成电路回路；所述反应器外筒的底部设有出水管10，该出水管10与出水调节阀12连接。
上述用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池的工艺方法，其步骤包括：
废水通过进水泵2从进水池1中抽出，由反应器内筒底部进入到膜曝气生物膜反应器中；内筒5中的废水的碳氮比小于5、悬浮固体小于20mg/L；
空压机的氧气经过进气调节阀8从膜腔13底部进入中空纤维膜中并扩散至整个反应器内筒中，氧气的进气量为10L/m2·h，多余的氧气从膜腔13顶部中排出；
膜曝气生物膜反应器中的废水的pH值为7.4-8.3，废水中的溶解氧7-8mg/L，废水经过连续流硝化反应后，从反应器内筒的侧壁上端部的出水口7中流入反应器外筒中，所述反应器外筒的筒壁和反应器内筒外侧之间连接有阻值为1000Ω的外阻14形成电路回路，反应器外筒中的废水中的亚硝酸盐作为电子受体在阴极微生物的催化作用下发生反硝化反应生；
经过脱氮处理的水从反应器外筒的底部的出水管10中排出。
所述反应器内筒的硝化反应温度为22-27℃，反应器外筒中的反硝化反应温度为22-27℃。
实验运行结果：本发明的生物燃料电池在外加电阻1000Ω时获得输出电压达到0.3-0.6V，功率密度可达6.5-12.3mWm-2，库伦效率介于80％-94％。所述生物燃料电池有利于反硝化反应的进行，反硝化速率平均达到52.4mgL-1d-1，对TN的去除率达80％以上，对COD的去除率可达90％以上。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池，包括由进水池(1)、进水泵(2)组成的进水系统；由空压机(9)、进气调节阀(8)、出气调节阀(11)组成的进氧系统，其特征在于：
该套筒型微生物燃料电池还包括反应器内筒，套在反应器内筒外的反应器外筒，反应器内筒和反应器外筒构成一体式反应器件；
所述反应器内筒中设置膜曝气生物膜反应器(5)，该膜曝气生物膜反应器(5)的中间设有膜腔(13)，该膜腔内填充中空纤维膜；所述进气调节阀(8)的出气口与膜腔(13)底部连接；膜腔(13)顶部与出气调节阀(11)连接；
所述反应器内筒的底部与进水泵(2)的出水口连接，所述反应器内筒的侧壁上端部设有出水口(7)，该出水口(7)的高度低于反应器内筒和反应器外筒的筒壁的高度；所述反应器内筒的外壁上包裹有阳极碳纤维布(4)，该碳纤维布上接种厌氧菌作为生物阳极；
所述反应器外筒的内壁上设有阴极碳纤维布(3)，该碳纤维布上接种缺氧反硝化菌作为生物阴极；所述反应器内外筒之间设置有循序下降的阶梯状折板(6)，该折板(6)的长度与反应器内、外筒的轴向距离相同，该折板(6)的高度为0.5-1.5cm，该折板(6)的宽度为0.5-1.5cm；
所述反应器外筒的筒壁和反应器内筒外侧壁电极之间连接有电阻(14)形成电路回路；所述反应器外筒的底部设有出水管(10)，该出水管(10)与出水调节阀(12)连接。
2.根据权利要求1所述的用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池，其特征在于：所述阳极碳纤维布(4)的厚度为1mm，所述阴极碳纤维布(3)的厚度为1mm。
3.根据权利要求1所述的用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池，其特征在于：所述厌氧菌为Geobacter sulfurreducens，其接种量为3×107cfu/g。
4.根据权利要求1所述的用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池，其特征在于：所述缺氧反硝化菌为Pseudomonas aeruginosa，其接种量为2×107cfu/g。
5.如权利要求1所述的用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池的脱氮方法，其步骤包括：
废水通过进水泵(2)从进水池(1)中抽出，由反应器内筒底部经过膜曝气生物膜反应器(5)作用；反应器内筒中的废水的碳氮比小于5、悬浮固体小于20mg/L；
空压机的氧气经过进气调节阀(8)从膜腔(13)底部进入中空纤维膜中并扩散至整个反应器内筒中，氧气的进气量为10L/m2·h，多余的氧气从膜腔(13)顶部中排出；
膜曝气生物膜反应器中的废水的pH值为6.5-9，废水中的溶解氧7-8mg/L，废水经过连续流硝化反应后，从反应器内筒侧壁上端部的出水口(7)中流入反应器外筒中，所述反应器内筒的外壁上包裹有阳极碳纤维布(4)，该碳纤维布上接种厌氧菌作为生物阳极；所述反应器外筒的内壁上设有阴极碳纤维布(3)，该碳纤维布上接种缺氧反硝化菌作为生物阴极；所述反应器外筒的筒壁和反应器内筒外侧电极之间连接有电阻(14)形成电路回路，反应器外筒中的废水中的亚硝酸盐作为电子受体在阴极微生物的催化作用下发生反硝化反应生；
经过脱氮处理的水由阶梯状折板引流至外筒底部出水管(10)，并从出水管(10)中排出。
6.根据权利要求5所述的用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池的脱氮方法，其特征在于：所述反应器内筒中的废水的pH值为7.4-8.3。
7.根据权利要求5所述的用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池的脱氮方法，其特征在于：所述反应器内筒的硝化反应温度为22-27℃，反应器外筒中的反硝化反应温度为22-27℃。
8.根据权利要求5所述的用于同步短程硝化生物脱氮的套筒型微生物燃料电池的脱氮方法，其特征在于：所述阳极碳纤维布(4)上接种的厌氧菌为Geobacter sulfurreducens，其接种量为3×107cfu/g；所述阴极碳纤维布(3)上接种缺氧反硝化菌为Pseudomonasaeruginosa，其接种量为2×107cfu/g。
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