CN107381811B - 微生物双源电化学污水反应器及对低c/n城市污水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微生物双源电化学污水反应器及对低C/N城市污水处理方法，属于污水处理领域。本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于包括：组合式多级生物反应池、三组MFC构成的双电源与三组MEC通过导线与二极管通过特定方法连接所构成的两组耦合生物处理系统、以及PLC自动化控制系统。

Description

微生物双源电化学污水反应器及对低C/N城市污水处理方法

技术领域

本发明涉及组合式微生物双源电化学污水反应器以及使用该组合式微生物双源电化学污水反应器对低C/N城市污水进行处理的方法。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)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。基本工作原理是：在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂在阴极得到电子被还原与质子结合成水。

微生物电解池(microbial electrolysis cell，MEC)是在微生物的作用下利用电化学技术将废水中的有机物化学能转化为氢能。由于其属于低能耗设备，微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)所产生的电能就可以为其运行提供电源，并可通过适当通入外加电源进行调控。

膜-生物反应器(Membrane Bio-Reactor)是一种膜分离技术与生物处理技术相结合的污水处理技术，MBR主要利用膜分离设备对于大固体颗物的截留功能，因此系统内的活性污泥浓度较高，污泥龄较长，处理效果良好且同时反应器体积较小。

传统污水处理系统污水占地面积大，建筑成本高，污水处理效率低，MBR是以膜组件替代传统处理工艺中的二沉池，保持较高的污泥活性，降低污泥负荷量，减少土建用地，但传统的MBR法曝气量大，脱氮除磷效率不高。

发明内容

本发明是为了解决上述传统污水处理系统污水占地面积大，建筑成本高，污水处理效率低的问题，目的在于提供一种组合式微生物双源电化学污水反应器及对低C/N城市污水的处理方法。

本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于包括：组合式多级生物反应池、三组微生物燃料电池构成的双电源与三组微生物电解池通过导线与二极管通过特定方法连接所构成的两组耦合生物处理系统，以及PLC半自动化控制装置。其中，组合式多级生物反应池包括第一厌氧池、第二缺氧池、第三好氧池、第四缺氧池、第五缺氧池以及第六池。耦合生物处理系统包括一号耦合生物处理系统和二号耦合生物处理系统。一号耦合生物处理系统包括第一厌氧池中的两组微生物燃料电池构成的一号电源、位于第三好氧池中的一号微生物电解池、位于第四缺氧池中的二号微生物电解池以及位于第六池中的碳材料膜反应器。二号耦合生物处理系统包括位于第二缺氧池中的二号微生物燃料电池组构成的二号电源、位于第三好氧池中的一号微生物电解池及位于第五缺氧池中的三号微生物电解池。一号电源中的第一组微生物燃料电池产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第四缺氧池中的微生物电解池且并联第六池的碳材料膜反应器。第二组微生物燃料电池产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第三好氧池中的微生物电解池。二号电源的微生物燃料电池产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第三好氧池的微生物电解池且并联第五缺氧池的微生物电解池。第一厌氧池至第五缺氧池下设置搅拌设备，第三好氧池和第六池下设置曝气设备。反应池间分别通过连通口连接。反应器系统通过PLC控制。

本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，组合式多级生物反应池还包括用于污泥回流的一级回流系统和二级回流系统。一级回流系统包括连接第一厌氧池与第二缺氧池、第一厌氧池与第四缺氧池的污泥管道和设置该污泥管道中的污泥泵，二级回流系统包括连接第二缺氧池与第六池的污泥管道和设置该污泥管道中的污泥泵。

本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，微生物燃料电池中的电极的宽度与第一厌氧池的宽度之比为1:3-1:2，微生物燃料电池中正负极间的间距为第一厌氧池的池体长度的十二分之一。微生物电解池中的电极的宽度与第一厌氧池的宽度之比为1:3-1:2，微生物电解池中阴阳极间的间距为第一厌氧池的池体长度的十分之一。

本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，第三好氧池中的微生物电解池可外接弱电，当进水COD、氨氮的质量浓度分别大于1000mg/L和150mg/L时，通过PLC控制器接入一定范围的电能对污水进行处理。

本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，膜生物反应器为孔径范围0.05-0.1微米的碳纤维膜制成的反应器。

本发明提供的组合式微生物双源电化学污水处理器，还可以具有这样的特征，其特征在于：其中，第一厌氧池还包括进水管及与其连接的进水泵，第六池还包括排泥管、出水管及与该出水管连接的出水泵。PLC半自动控制系统对反应器中所有的处理构件进行控制。

本发明提供的一种使用该组合式微生物双源电化学污水处理器的污水处理方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，在PLC半自动控制系统的控制下，开启进水泵，需要处理的污水从进水口流入第一厌氧池后，再依次流入第二缺氧池和第三好氧池，在第三好氧池中根据水质分配水量进入第四缺氧池和第五缺氧池，最后污水进入第六池，

步骤二，PLC半自动控制系统启动曝气系统控制器和搅拌器控制器，将第三好氧池和所第六池中的曝气设备打开，同时打开第一厌氧池、第二缺氧池、第三好氧池、第四缺氧池以及第五缺氧池中的搅拌器进行搅拌，

步骤三，组合式微生物双源电化学污水处理器中的微生物燃料电池-微生物电解池耦合生物处理系统以及碳材料膜反应器开始进行污水处理，

步骤四，根据处理后污水中的COD和氨氮指标，确定组合式微生物双源电化学污水处理器中的水力停留时间，PLC自动控制系统通过控制一级回流系统与二级回流系统的流量来控制组合式多级生物反应池中各池中的水位量，

步骤五，当出水口处的污水中的COD、氨氮的质量浓度分别大于1000mg/L和150mg/L时，PLC自动控制系统打开第三好氧池的微生物电解池外接电源控制器，根据水质状况在一定范围内自动调控电量，

步骤六，处理完的污水，经出水口排出，产生的污泥经排泥管排出。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的组合式微生物双源电化学污水反应器中污水处理池采用了厌氧池、缺氧池、好氧池交替设置，微生物燃料电池双电源供电、微生物燃料电池分别与碳材料膜反应器和微生物电解池连接，以及采用该组合式微生物双源电化学污水反应器的污水处理方法，与传统污水处理系统相比占地面积小，建筑成本低，处理效率高。所以具体的，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

1.双电源(MFC)与传统微生物燃料电池相比产电量高，增强了微生物对污染物的利用率，提高了污水反应器的产电量，增强微生物电解池的对水中污染物的处理能力。

2.厌氧池、缺氧池、好氧池的交替使用与传统MBR法相比，曝气耗损降低，将传统的曝气量与产水量的比值从常规的约15：1降低至约10：1，提高了污水脱氮除磷的处理效率。

3.生物弱电能良好地缓解碳材料膜反应器中的膜污染，具有一定自洁功能的膜生物反应器能够降低其运行以及维护成本，提高MBR的膜通量，实现清洁生产，减少更换成本。

4.组合式微生物双源电化学污水反应器的占地面积小，适用于处理各种土建成本高、土建难度高地区，例如村镇、工业园等，采用该组合式微生物双源电化学污水反应器进行污水处理是于传统污水处理系统向比较是一种免安装、免土建，造价低，污水处理效率高的污水处理方法。

附图说明

图1是本发明的组合式微生物双源电化学污水反应器结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明提供的组合式微生物双源电化学污水反应器及污水处理方法的组成、工作原理以及有益效果作具体阐述。

图1是本发明的组合式微生物双源电化学污水反应器结构示意图。

如图1所示，本实施例中的轮组合式微生物双源电化学污水反应器包括组合式多级生物反应池、微生物燃料电池-微生物电解池耦合生物处理系统以及PLC半自动化控制装置。

组合式多级生物反应池包括第一厌氧池①、第二缺氧池②、第三好氧池③、第四缺氧池④、第五缺氧池⑤以及第六池⑥。

第一厌氧池①包括进水管1、与进水管1连接的进水泵以及连通口2-1。

第二缺氧池②包括连通口2-2。

第三好氧池③包括连通口2-3。

第四缺氧池④包括及连通口2-4。

第五缺氧池⑤包括连通口2-5。

第六池⑥包括出水管9、与出水管9连接的出水泵、排泥管以及连通口2-6。

组合式反应池之间通过连接口相互连通

组合式多级生物反应池还包括于污泥回流的一级回流系统和二级回流系统。

一级回流系统包括连接第一厌氧池①与第二缺氧池②的污泥管道和设置该污泥管道中的污泥泵5-1以及第一厌氧池①与第四缺氧池④的污泥管道和设置该污泥管道中的污泥泵5-2。

二级回流系统包括连接第二缺氧池②与第六池⑥的污泥管道和设置该污泥管道中的污泥泵5-3。

耦合生物处理系统包括一号耦合生物处理系统和二号耦合生物处理系统。

一号耦合生物处理系统包括第一厌氧池①中的一号微生物燃料电池组3-1和3-2、位于第三好氧池③中的一号微生物电解池4-1、位于第四缺氧池④中的二号微生物电解池4-2以及位于第六池⑥中的碳材料膜反应器8。二号耦合生物处理系统包括位于第二缺氧池②中的二号微生物燃料电池组3-3、位于第三好氧池③中的一号微生物电解池4-1及位于第五缺氧池⑤中的三号微生物电解池4-3。

一、二号耦合生物处理系统电极间电路连通由铜导线和二极管按附图连接方式连接。

微生物燃料电池3-1、3-2以及3-3均为由碳材料制成的电极，且其中电极的宽度与第一厌氧池①的宽度之比为1:2，阴、阳电极间的间距为第一厌氧池①的池体长度的十二分之一。

微生物电解池4-1、4-2以及4-3均为由碳材料制成的电解池，且其中电极的宽度与第一厌氧池①的宽度之比为1:2，阴阳极间距为第一厌氧池①池体长度的十分之一。

膜生物反应器8为孔径为0.05微米的碳纤维膜制成的反应器。

PLC半自动控制系统包括与进水泵连接的进水泵控制器、与出水泵连接的出水泵控制器、与曝气装置连接的曝气系统控制器、与搅拌器连接的搅拌器控制器、池水水位控制器、与微生物电解池4-1、4-2和4-3以及微生物电解池4-1所连接的外接电源控制器7以及工作台。

一种使用该组合式微生物双源电化学污水处理器的污水处理方法，包括以下步骤：

步骤一、将该组合式微生物双源电化学污水处理器输运至现场，确保现场的通水通电等基本条件，接通该反应器的PLC自动化控制室电源。

步骤二、将本发明装置的进水管1与目标污水单位的出水管相连，同时出水口与目标污水单位的排江、排河或者回用管道相连，排泥管9与相应污水污泥排泥管相连通。

步骤三、对本发明的PLC控制系统进行调试，使其按照设定程序运行，在PLC半自动控制系统的控制下，开启进水泵，需要处理的污水从进水口流入第一厌氧池后，再依次流入第二缺氧池和第三好氧池，在第三好氧池中根据水质分配水量进入第四缺氧池和第五缺氧池，最后污水进入第六池。PLC半自动控制系统启动曝气系统控制器和搅拌器控制器，将第三好氧池和所第六池中的曝气设备打开，同时打开第一厌氧池、第二缺氧池、第三好氧池、第四缺氧池以及第五缺氧池中的搅拌器进行搅拌。组合式微生物双源电化学污水处理器中的微生物燃料电池-微生物电解池耦合生物处理系统以及碳材料膜反应器开始进行污水处理。根据处理后污水中的COD和氨氮指标，确定组合式微生物双源电化学污水处理器中的水力停留时间，PLC自动控制系统通过控制一级回流系统与二级回流系统的流量来控制组合式多级生物反应池中各池中的水位量。当出水口处的污水中的COD、氨氮的质量浓度分别大于1000mg/L和150mg/L时，PLC自动控制系统打开微生物电解池外接电源控制器根据水质状况在一定范围内自动调控电量。

步骤四，处理完的污水，经出水口排出，产生的污泥经排泥管排出。

以下结合应用例1-3来详细说明本实施例中的组合式微生物双源电化学污水反应器及污水处理方法的运行效果和运行原理。

应用例1：

本发明多级组合式污水处理反应器用于处理焦化废水，焦化废水经过格栅-隔油池-初沉池-气浮池工艺处理后，直接进入本发明的组合式微生物双源电化学污水处理器。进入装置的进水COD_cr浓度约为750mg/L，BOD₅浓度约为270mg/L，氨氮浓度约为300mg/L，处理后的出水相关出水COD_cr浓度约为60mg/L，BOD₅浓度约为15mg/L，氨氮浓度约为9mg/L，满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)焦化废水的一级排放标准。该反应装置的水力停留时间为12h，膜通量为25L/m²·h。

实施例2：

本发明多级组合式污水处理反应器用于处理乳制品废水，乳制品废水经过格栅-隔油池-初沉池-气浮池工艺处理后，直接进入本发明的组合式微生物双源电化学污水处理器。其进水COD_cr浓度约为1000mg/L，BOD₅浓度为300mg/L，氨氮浓度为75mg/L，处理后相关出水COD_cr浓度约为90mg/L，BOD₅浓度约为40mg/L，氨氮浓度约为10mg/L，满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的乳制品废水一级排放标准。该反应装置的水力停留时间为8h，膜通量为30L/m²·h。

实施例3：

本发明本发明多级组合式污水处理反应器用于处理旅游景区污水处理与回用，废水经过格栅-隔油池-初沉池-气浮池工艺处理后，直接进入本发明的组合式微生物双源电化学污水处理器，景区污水进水COD_cr浓度为150-350mg/L，BOD₅浓度为70-150mg/L,总磷浓度为2-5mg/L，总氮浓度为10-40mg/L，经过格栅处理后进入调节池调节水质水量，处理后相关出水COD_cr浓度为15mg/L，BOD₅浓度为10mg/L，总磷浓度为0.3mg/L，总氮浓度约为10mg/L，满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)的排放要求。该反应装置的水力停留时间为6h，膜通量为30L/m²·h。

本发明的组合式微生物双源电化学污水反应器的原理是在利用交替的厌氧/缺氧/好氧环境下的微生物菌群对污水进行脱氮除磷的基础上，结合微生物电化学对水中污染物的利用与转化来达到更好的处理效果。其中厌氧/缺氧/好氧环境下的微生物菌群主要由反硝化菌和硝化菌、聚磷菌组成。在厌氧段，聚磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物；在好氧段，硝化细菌将入流中的氨氮及有机氮氨化成的氨氮，通过生物硝化作用，转化成硝酸盐。在缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过生物反硝化作用，转化成氮气逸入到大气中，从而达到脱氮的目的。而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排放将磷去除。利用了多级反应理论，对污水中的COD、N、P指标形成多级去除效应，并且能够利用污水中的有限碳源，强化反硝化的处理效果，达到对污染物的高效去除。

本发明的组合式微生物双源电化学污水反应器中的一级污泥回流系统可以实现维持第一厌氧池中的生物量，将第二缺氧池、第四缺氧池的污泥回流至一厌氧池中，同时也减少回流污泥中的硝态氮对厌氧池的不利影响。而第四缺氧池、第五缺氧池能通过第三好氧池的自流补充硝态氮，在反硝化过程顺利进行的同时也大大节省能量。此外，污水自流入第四缺氧池和第五缺氧池之后，以生物降解性COD几乎全部被合成PHAs，此时聚磷菌以PHAs做电子供体进行吸磷的潜力较大，因此尽管厌氧时间短，但是依然可以有较好的释磷和合成PHAs的作用。并且来自污泥二级回流混合液中含有一定的硝态氮，可以作为生化反应的电子供体，因此第二反应池内会发生一定程度的反硝化除磷，使得除磷效果进一步提升。

微生物燃料电池-微生物电解池耦合处理系统是利用污水在进行生化反应中产生的伴随产物—内生弱电来作为处理系统所需的能源，其强度取决于微生物代谢过程和底物浓度。微生物内生弱电能够被收集储存用于微生物燃料电池(MFC)，也可以收集以利用于微生物电解池(MEC)电解污染物以及作为氧化还原反应的电子供体或受体。微生物内生弱电用于电化学-生物耦合脱氮时，可在电极生物膜阴极区提供脱氮所需电子供体，部分取代碳源投加。

本发明的组合式微生物双源电化学污水反应器中，电极生物膜阴极区提供脱氮所需电子供体，部分取代碳源投加。阴极区发生的反硝化反应，能通过一系列反应能将硝酸盐氮转化成氮气。与阳极区产生的H⁺也能够作为阴极区的电子供体，进一步促进反硝化反应的进行，提高污水生化处理效率。第一厌氧池和第二缺氧池中的双源产生的生物电能能够被第三好氧池、第四缺氧池及第五缺氧池中的微生物电解池以及第六池的碳材料膜反应器所利用。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的组合式微生物双源电化学污水反应器中污水处理池采用了厌氧池、缺氧池、好氧池交替设置，微生物燃料电池双电源供电、微生物燃料电池分别与碳材料膜反应器和微生物电解池连接，以及采用该组合式微生物双源电化学污水反应器的污水处理方法，与传统污水处理系统相比占地面积小，建筑成本低，处理效率高。所以具体的，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

1.双电源(MFC)与传统微生物燃料电池相比产电量高，如在COD_cr同为750mg/L时，双源燃料电池比的产电量约为400-500mV，比传统燃料电池的产电量高出30％-50％，增强了微生物对污染物的利用率，提高了污水反应器的产电量，增强微生物电解池MEC的对水中污染物的处理能力。

2.厌氧池、缺氧池、好氧池的交替使用与传统MBR法相比，曝气耗损降低，将传统的曝气量与产水量的比值从常规的约15：1降低至约10：1，提高了污水脱氮除磷的处理效率。

3.生物弱电能良好地缓解碳材料膜反应器中的膜污染，具有一定自洁功能的膜生物反应器能够降低其运行以及维护成本，提高MBR的膜通量，实现清洁生产，减少更换成本。

4.组合式微生物双源电化学污水反应器的占地面积小，适用于处理各种土建成本高、土建难度高地区，例如村镇、工业园等，采用该组合式微生物双源电化学污水反应器进行污水处理是于传统污水处理系统向比较是一种免安装、免土建，造价低，污水处理效率高的污水处理方法。

进一步的，本发明是一种一体化的多级组合式污水处理反应器，可以通过集装箱运送到污水处理现场，从而实现零土建、少安装，大大节省与缩短污水处理工程的建设周期，在一定条件下，还可以通过对原有构筑物的改造实现该反应器的处理方法。

通过PLC半自动控制系统还可实现无人值守，节约人工费用。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于，包括:

组合式多级生物反应池、三组微生物燃料电池构成的双电源与三组微生物电解池通过导线与二极管通过特定连接所构成的两组耦合生物处理系统以及PLC半自动化控制装置，

所述组合式多级生物反应池包括第一厌氧池、第二缺氧池、第三好氧池、第四缺氧池、第五缺氧池以及第六池，

所述耦合生物处理系统包括一号耦合生物处理系统和二号耦合生物处理系统，

所述一号耦合生物处理系统包括所述第一厌氧池中的两组微生物燃料电池构成的一号电源、位于所述第三好氧池中的一号微生物电解池、位于所述第四缺氧池中的二号微生物电解池以及位于第六池中的碳材料膜反应器，

所述二号耦合生物处理系统包括位于所述第二缺氧池中的二号微生物燃料电池组构成的二号电源、位于所述第三好氧池中的一号微生物电解池及位于所述第五缺氧池中的三号微生物电解池，

所述一号电源中的第一组微生物燃料电池产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第四缺氧池中的微生物电解池且并联第六池的所述碳材料膜反应器，第二组微生物燃料电池产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第三好氧池中的微生物电解池，

所述二号电源的微生物燃料电池产生的生物电能通过铜导线和二极管接入第三好氧池的微生物电解池且并联第五缺氧池的微生物电解池。

2.根据权利要求1所述的组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于：

其中，所述微生物燃料电池中的电极的宽度与所述第一厌氧池的宽度之比为1:3-1:2，所述微生物燃料电池中正负极间的间距为所述第一厌氧池的池体长度的十二分之一，

所述微生物电解池中的电极的宽度与所述第一厌氧池的宽度之比为1:3-1:2，所述微生物电解池中阴阳极间的间距为所述第一厌氧池的池体长度的十分之一。

3.根据权利要求1所述的组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于：

其中，第三好氧池中的微生物电解池可外接弱电，当进水COD、氨氮的质量浓度分别大于1000mg/L和150mg/L时，根据水质状况通过所述PLC控制器接入一定强度范围的电能对污水进行处理。

4.根据权利要求1所述的组合式微生物双源电化学污水处理器，其特征在于：

其中，该组合式微生物双源电化学污水处理器将传统的曝气量与产水量的比值从常规的15：1降低至10：1。

5.一种使用如权利要求1所述的组合式微生物双源电化学污水处理器的污水处理方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，在PLC半自动控制系统的控制下，开启进水泵，需要处理的污水从进水口流入第一厌氧池后，再依次流入第二缺氧池和第三好氧池，在第三好氧池中根据水质分配水量进入第四缺氧池和第五缺氧池，最后污水进入第六池，

步骤二，PLC半自动控制系统启动曝气系统控制器和搅拌器控制器，将第三好氧池和第六池中的曝气设备打开，同时打开第一厌氧池、第二缺氧池、第三好氧池、第四缺氧池以及第五缺氧池中的搅拌器进行搅拌，

步骤三，组合式微生物双源电化学污水处理器中的微生物燃料电池-微生物电解池耦合生物处理系统以及碳材料膜反应器开始进行污水处理，

步骤四，根据处理后污水中的COD和氨氮指标，确定组合式微生物双源电化学污水处理器中的水力停留时间，PLC自动控制系统通过控制一级回流系统与二级回流系统的流量来控制组合式多级生物反应池中各池中的水位量，

步骤五，当出水口处的污水中的COD、氨氮的质量浓度分别大于1000mg/L和150mg/L时，PLC自动控制系统打开微生物电解池外接电源控制器，根据水质状况在一定范围内自动调控电量，

步骤六，处理完的污水，经出水口排出，产生的污泥经排泥管排出。

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