CN108275776B - 厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置及方法 - Google Patents

厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置及方法，包括：相串联的厌氧流化床及人工湿地型微生物燃料电池；所述厌氧流化床培养活性附着有生物膜的载体作为人工湿地型微生物燃料电池的阳极；本发明相对于传统的活性污泥法来说，本方案提出的厌氧流化床+人工湿地型微生物燃料电池的新型污水处理系统，两项装置串联可实现对污水的深度处理，提高水质处理效果；厌氧流化床能培养活性附着有生物膜的载体，用于人工湿地型微生物燃料阳极，可加快微生物燃料电池的启动。

Description

厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置及方法
技术领域
本发明涉及水处理利用技术领域，特别是涉及厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置及方法。
背景技术
(1)能源是人类赖以生存和社会持续发展的重要物质基础。化石燃料维持了工业以及经济的发展，但能源消耗随着人口的增长而加剧，化石燃料已无法满足人口和经济快速增长的需求，能源紧缺问题不仅限制了工业与经济的发展，还造成了水资源短缺问题。
(2)随着世界人口的增长，世界耗水量急速增加，水污染问题日益严重，全球约有10亿人无法享有充足的饮用水，我国也成为13个缺水国家之一。常规的给水及废水处理需要较高的能源投入，这在一定程度上导致了用水紧张。在美国，水资源的基础管理就会消耗电能的4％-5％；约有1.5％的耗电单独用于污水的处理，每年水处理约投入250亿元，20年后预计会达600亿美元。
(3)厌氧微生物在流化床内与被处理的介质充分接触在其表面形成了生物薄膜，促进了传质，加快了固液反应速率，克服了现有固定床的堵塞问题，因此处理高浓度的有机废水。运行一段时间后在装置内可以形成活性附着有生物膜的载体。由于其负荷高，高径比比较大，因此装置占地面积较小。但厌氧流化床在处理高浓度有机废水时，若要达到污水排放标准，需进一步进行处理。
(4)人工湿地是利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用处理污水一种技术。人工湿地因其表层好氧、底部厌氧，与微生物燃料电池阴极好氧、阳极厌氧的环境条件相吻合，因此可以将两者相结合，形成人工湿地型微生物燃料电池(Constructed Wetlands-Microbial Fuel Cell,CW-MFC)。CW-MFC系统在处理污水的同时能回收电能，并且加速污水中有机物的厌氧降解过程。
现有文献中，李先宁等人研究水力停留时间为2d以葡萄糖为底物采用连续进水的的CW-MFC系统处理污水及产电性能，得出系统对COD的去除率大于90％，获得电流密度为2A/m3。Asheesh等人研究了CW-MFC系统对于废水燃料系统对于染料废水中COD及燃料的降解情况，取得良好后CW-MFC的处理效果。Zhao等研究了CW-MFC和CW系统发现，CW-MFC系统较CW系统能获得更高的COD去除率和功率密度。Villasenor等采取水平表面流式人工湿地系统-微生物燃料电池系统对不同浓葡萄糖进水进行处理取得良好的效果。因此在处理污水方面，人工湿地型微生物燃料电池具有较强的能力。
现有技术中公开了CN200910013757-厌氧流化床空气阴极微生物燃料电池装置，该专利将微生物燃料电池阳极厌氧与厌氧流化床厌氧的环境相结合，厌氧流化床为其电子的来源，对于污水的处理是厌氧反应机理，高COD(以其文中提及的啤酒废水为例，其COD值一般在1000-5000mg/L)去除率为80％的话，处理后的水仍是不达标的(GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中规定污水排放COD最高为一级B 60mg/L)，排放的污水需进一步处理。
综上所述，现有技术存在的问题是设备在运行方面受水质水量影响较大，出水水质不稳定，生成的污泥不容易沉淀去除。高COD进水需要进一步处理。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置，厌氧流化床及人工湿地型微生物燃料电池这两项装置串联可实现对污水的深度处理，提高水质处理效果。
厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置，包括：相串联的厌氧流化床及人工湿地型微生物燃料电池；
所述厌氧流化床培养活性附着有生物膜的载体作为人工湿地型微生物燃料电池的阳极；污水进入厌氧流化床内与附着有生物膜的载体充分反应，反应后的污水进入人工湿地型微生物燃料电池，依次通过电池的布水层、砂砾陶粒混合层、阳极、砂砾陶粒混合层、阴极、植物底部，经过阳极微生物、砂砾陶粒混合层、根系的生物、化学、物理作用，对污染物进行进一步的去除，通过人工湿地型微生物燃料电池的上部排出。
进一步的，所述厌氧流化床的进口连接有污水进水泵，所述厌氧流化床内的中部和下部填充有活性炭载体，三相分离器设在活性炭载体的上方，集气系统收集端连接三相分离器的气体输出端，集气系统的排气端连通到厌氧流化床的上顶部外的储气罐。
进一步的，所述厌氧流化床还设置有排泥系统。
进一步的，所述厌氧流化床内的中部和下部填充有活性炭载体，活性炭载体粒径为0.5-1mm。
进一步的，所述厌氧流化床的出水口与调节池顶部的进水口相连，调节池下出口与人工湿地型微生物燃料电池下方进水口相连，其流速通过进水泵控制。
进一步的，所述污水通过污水泵泵入厌氧流化床内，活性炭载体成为附着有生物膜的载体与污水充分反应，水、污泥、气体通过三相分离器时，污泥沉淀到厌氧流化床底部，通过排泥系统排出，气体通过排气系统进而进入排气罐被收集，水排入到调节池，调节池中的水通过泵泵入到人工湿地型微生物燃料电池。
进一步的，所述人工湿地型微生物燃料电池内的附着有生物膜的载体产生的电子通过导线传输，电压表记录定值电阻两端电压，根据欧姆定律计算出整个电路的电流。
进一步的，所述人工湿地型微生物燃料电池内的附着有生物膜的载体产生的电子在阳极被收集经过导线传递到阴极被还原，在外电路串联定值电阻，通过万用表测定出定值电阻两端电压，根据欧姆定律I＝U/R，得出整个电路的电流。
进一步的，所述人工湿地型微生物燃料电池在电压稳定之后，利用电阻箱，调换不同阻值的电阻，根据电压和电流密度作图，得出电池内阻，完成对人工湿地型微生物燃料电池产电的评价。
进一步的，所述阴极、阳极的材质为碳棒、钢丝网或钛网，其孔径大小2-8mm，阴极的形状为片式，阳极形状为圆柱式。
本发明还公开了厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置的工作方法，包括：
首先启动厌氧流化床，启动方式为高负荷批式循环培养模式，出水水质稳定标志着厌氧碳污泥载体驯化成熟，根据人工湿地型微生物燃料电池阳极的体积取出驯化成功的厌氧碳污泥载体；
污水通过污水泵泵入厌氧流化床内，附着有生物膜的载体与污水充分反应，水、污泥、气体通过三相分离器时，污泥沉淀到厌氧流化床底部，通过排泥系统排出，气体通过排气系统排出进而进入排气罐被收集，水排入到调节池；
调节池中的水通过泵泵入到人工湿地型微生物燃料电池，依次通过布水层、砂砾陶粒混合层、阳极、砂砾陶粒混合层、阴极、植物底部，经过阳极微生物、砂砾陶粒混合层、根系的物理、化学、生物作用，对污染物进行进一步的去除，降低水体污染的程度。
本发明还公开了一种污水处理系统，利用上述厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置实现污水的处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、相对于传统的活性污泥法来说，本方案提出的厌氧流化床+人工湿地型微生物燃料电池的新型污水处理系统，两项装置串联可实现对污水的深度处理，提高水质处理效果；厌氧流化床能培养活性附着有生物膜的载体，用于人工湿地型微生物燃料阳极，可加快微生物燃料电池的启动。
2、本发明装置在厌氧流化床当中产生，微生物厌氧呼吸降解COD,同时产生CH4，当中新加储气罐，对CH4进行收集，能够回收能源沼气，活性附着有生物膜的载体具有一定的经济效益。
本发明无需曝气且能回收电能，污水进入人工湿地型微生物燃料电池，阳极的微生物进行厌氧反应，厌氧呼吸产生的电子在阳极被收集，通过导线传递到阴极，在阴极发生还原反应，形成一个闭合的回路，产生电能。
本发明不需要曝气消耗电能并且能够产生CH4、电，这实现了对污水中能源的回收降低了对电能的消耗。
3、在厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置，在运行前期厌氧流化床首先启动，启动方式为高负荷批式循环培养模式，初始COD浓度为5500mg/L，水力停留时间为1d,经过30d培养，监测COD，监测其出水水质，出水水质稳定标志着厌氧碳污泥载体驯化成熟，根据人工湿地型微生物燃料电池阳极的体积取出驯化成功的厌氧碳污泥载体。
可见，人工湿地型微生物燃料电池在运行前对活性污泥进行两周冷冻驯化，然后放入微生物燃料电池当中驯化，本装置缩短了人工湿地型微生物燃料电池的驯化时间。
4、相对于污水处理厂而言，污水处理厂的有相同作用的是厌氧池、缺氧池、好氧池、二沉池，而厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置只有厌氧流化床和人工湿地型微生物燃料电池两个装置，因此，本发明结构紧凑，可减小占地面积小；抗冲击负荷能力强，对水质水量变化的适应能力强。
5、本专利厌氧流化床回收CH4与人工湿地微生物燃料电池回收电能相结合，将两个污水处理装置串联，不是将原理的耦合，对污水中含有的生物质能源进行充分的回收，增强污水处理效果，节约资源。对水质水量适应能力较强，厌氧流化床老化污泥容易被去除，不容易发生堵塞问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的结构示意图；
图中，1、污水进水泵，2、厌氧流化床，3、活性炭载体，4、三相分离器，5、集气系统，6、储气罐，7、排泥系统，8、调节池，9、进水泵，10、湿地植物，11、砂砾，12、钛网、不锈钢或碳毡等，13、活性炭，14、人工湿地型微生物燃料电池，15、附着有生物膜的载体，16、钛网，17、砂砾陶粒混合物，18、布水层，19、导线，20、定值电阻，21、电压表，22、阴极，23阳极。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
具体实施方式一，如图1所示，提供了厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置，该厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置中包括污水进水泵(1)、厌氧流化床(2)、活性炭载体(3)、三相分离器(4)、集气系统(5)、储气罐(6)、排泥系统(7)、调节池(8)、进水泵(9)、湿地植物(10)、砂砾(11)、钛网、不锈钢或碳毡等(12)、活性炭(13)、人工湿地型微生物燃料电池(14)、附着有生物膜的载体(15)、钛网(16)、砂砾陶粒混合物(17)、布水层(18)、导线(19)、定值电阻(20)、电压表(21)，其中钛网、不锈钢或碳毡等(12)、活性炭(13)组成阴极(22)，附着有生物膜的载体(15)、钛网(16)组成阳极(23)，活性炭载体(3)填充在厌氧流化床(2)内的中部和下部，三相分离器(4)设在活性炭载体(3)的上方，集气系统(5)收集端连接三相分离器(4)的气体输出端，集气系统(5)的排气端连通到厌氧流化床(2)的上顶部外，污水进水泵(1)的出水口与厌氧流化床(2)底部的进口连通，厌氧流化床(2)的出水口与调节池(8)顶部的进水口相连，调节池(8)下出口与人工湿地型微生物燃料电池(14)下方进水口相连，其流速通过进水泵(9)控制。同时砂砾(11)、钛网、不锈钢或碳毡等(12)、活性炭(13)、附着有生物膜的载体(15)、钛网(16)、砂砾陶粒混合物(17)、布水层(18)设置在人工湿地型微生物燃料电池(14)的内部，处理后的水从上方流出。附着有生物膜的载体(15)产生的电子通过导线(19)传输，电压表(21)记录定值电阻(20)两端电压，根据欧姆定律I＝U/R,算出整个电路的电流。
上述厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置中个部分的功能具体为：污水进水泵：控制进水流速及流量，使厌氧流化床里载体处于流化状态，活性炭载体：厌氧流化床中的载体部分，为微生物的生长提供巨大表面积，有利于微生物的生长；三相分离器：起到使污泥、水、气体分离的作用；集气系统：起输送产生的CH4的作用；储气罐：收集CH4；排泥系统：排出厌氧流化床内老化的活性污泥；调节池：存储并调节厌氧流化床处理之后的水，砂砾：固定湿地植物；阴极：电子在此被氧化，活性炭：阴极；附着有生物膜的载体：厌氧微生物生长的场所；阳极：收集微生物厌氧呼吸产生的电子；导线：传输微生物厌氧呼吸的电子至阴极；砂砾陶粒混合物：人工湿地的基质部分；布水层：均匀布水‘定值电阻、万用表：用万用表测出定值电阻两端电压，从而得出整个电路的电流。
上述装置在实现污水处理时，污水通过污水泵泵入厌氧流化床内，附着有生物膜的载体与污水充分反应，水、污泥、气体通过三相分离器时，污泥沉淀到厌氧流化床底部，通过排泥系统排出装置；气体通过排气系统配出装置进而进入排气罐被收集；水排入到调节池。调节池中的水通过泵泵入到人工湿地型微生物燃料电池，依次通过布水层、砂砾陶粒混合层、阳极、砂砾陶粒混合层、阴极、植物底部，经过阳极微生物、砂砾陶粒混合层、根系的物理、化学、生物作用，对污染物进行进一步的去除，降低水体污染的程度。通过测定出水的COD、氨氮、总磷、总氮，可对装置水质处理能力进行评价。同时，阳极微生物产生的电子在阳极被收集经过导线传递到阴极被还原，在外电路串联定值电阻，通过万用表测定出电阻两端电压，根据欧姆定律I＝U/R，得出整个电路的电流。在电压稳定之后，利用电阻箱，调换不同阻值的电阻，根据电压和电流密度作图，得出电池内阻，可完成对人工湿地型微生物燃料电池产电的评价。
本申请水力停留时间短并且可以提高国家污水排放要求。其中，水力停留时间短是相对于活性污泥法处理污水而言的，由于厌氧流化床内的生物量高、污水与微生物充分接触，因此单位负荷较高，人工湿地型微生物燃料电池由于物理、化学、生物的共同作用，处理能力也较强。因此对于同样的水量而言，其处理速率快，所以水力停留时间短。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述厌氧流化床(2)内部的活性炭载体为0.5-1mm，微生物活性炭表面生长后会形成一层生物膜，其粒径会变大。其它结构和连接关系和具体实施方式一相同。
活性炭和活性污泥在最开始是分开的，活性炭颗粒的粒径为0.5-1mm，装置正式启动之后，活性炭颗粒表面会附着生物膜因此粒径会变大。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述阴极、阳极的材质多为碳棒、钢丝网、钛网等，其孔径大小2-8mm，阴极形状为片式，阳极形状为圆柱式。其它结构和连接关系和具体实施方式一相同。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置，包括：相串联的厌氧流化床及人工湿地型微生物燃料电池；
所述厌氧流化床培养活性附着有生物膜的载体作为人工湿地型微生物燃料电池的阳极；污水进入厌氧流化床内与附着有生物膜的载体充分反应，反应后的污水进入人工湿地型微生物燃料电池，依次通过电池的布水层、砂砾陶粒混合层、阳极、砂砾陶粒混合层、阴极、植物底部，经过阳极微生物、砂砾陶粒混合层、根系的生物、化学、物理作用，对污染物进行进一步的去除，通过人工湿地型微生物燃料电池的上部排出；
所述厌氧流化床的进口连接有污水进水泵，所述厌氧流化床内的中部和下部填充有活性炭载体，三相分离器设在活性炭载体的上方，集气系统收集端连接三相分离器的气体输出端，集气系统的排气端连通到厌氧流化床的上顶部外的储气罐；
所述人工湿地型微生物燃料电池内的附着有生物膜的载体产生的电子通过导线传输，电压表记录定值电阻两端电压，根据欧姆定律计算出整个电路的电流。
2.如权利要求1所述的厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置，其特征是，所述厌氧流化床还设置有排泥系统。
3.如权利要求2所述的厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置，其特征是，所述厌氧流化床内的中部和下部填充有活性炭载体，活性炭载体粒径为0.5-1mm。
4.如权利要求3所述的厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置，其特征是，所述厌氧流化床的出水口与调节池顶部的进水口相连，调节池下出口与人工湿地型微生物燃料电池下方进水口相连，人工湿地型微生物燃料电池的装置进水流速通过进水泵控制。
5.如权利要求4所述的厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置，其特征是，所
述污水通过污水泵泵入厌氧流化床内，活性炭载体成为附着有生物膜的载体与污水充分反应，水、污泥、气体通过三相分离器时，污泥沉淀到厌氧流化床底部，通过排泥系统排出，气体通过排气系统进而进入排气罐被收集，水排入到调节池，调节池中的水通过泵泵入到人工湿地型微生物燃料电池。
6.如权利要求1所述的厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置，其特征是，所述人工湿地型微生物燃料电池内的附着有生物膜的载体产生的电子在阳极被收集经过导线传递到阴极被还原，在外电路串联定值电阻，通过万用表测定出定值电阻两端电压，根据欧姆定律I=U/R，得出整个电路的电流；
所述人工湿地型微生物燃料电池在电压稳定之后，利用电阻箱，调换不同阻值的电阻，根据电压和电流密度作图，得出电池内阻，完成对人工湿地型微生物燃料电池产电的评价；
所述阴极、阳极的材质为碳棒、钢丝网或钛网，其孔径大小2-8mm，阴极的形状为片式，阳极形状为圆柱式。
7.基于权利要求1-6任一所述的厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置的工作方法，其特征是，包括：
首先启动厌氧流化床，启动方式为高负荷批式循环培养模式，出水水质稳定标志着厌氧碳污泥载体驯化成熟，根据人工湿地型微生物燃料电池阳极的体积取出驯化成功的厌氧碳污泥载体；
污水通过污水泵泵入厌氧流化床内，附着有生物膜的载体与污水充分反应，水、污泥、气体通过三相分离器时，污泥沉淀到厌氧流化床底部，通过排泥系统排出，气体通过排气系统排出进而进入排气罐被收集，水排入到调节池；
调节池中的水通过泵泵入到人工湿地型微生物燃料电池，依次通过布水层、砂砾陶粒混合层、阳极、砂砾陶粒混合层、阴极、植物底部，经过阳极微生物、砂砾陶粒混合层、根系的物理、化学、生物作用，对污染物进行进一步的去除，降低水体污染的程度。
8.一种污水处理系统，利用上述权利要求1-6任一所述的厌氧流化床串联人工湿地型微生物燃料电池装置实现污水的处理。
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