CN108946941B - 一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低能耗的微生物‑电化学污水处理系统，主要包括缺氧单元和好氧单元，还包含填料、筛网、MEC电路、MFC电路、定值电阻、隔板、混合液回流泵、曝气机、太阳能电池板、交流电源、搅拌机。其运行方法为：1、二级生化污水由缺氧单元底部进入，与来自好氧单元的含硝态氮的上清液混合后，在厌氧、兼性微生物和MFC电路的共同作用下，进行反硝化脱氮、降解部分有机污染物；2、缺氧单元的废水溢流通过隔板进入好氧单元，在好氧微生物和MFC电路的共同作用下，进行硝化、BOD的去除，上清液通过混合液回流泵回流至缺氧单元；3、两个MFC电路作为MEC电路的电源，驱动MEC电极工作，加强缺氧单元的废水处理能力，实现了低能耗处理废水的目的。

Description

一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体是涉及一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统。
背景技术
废水经二级生化处理后，易生物降解的有机污染物已经消耗殆尽，造成出水C/N严重失衡，虽然可以通过外加易降解碳源来提高废水可生化性，但是必定会增加废水处理成本，并且投加量不易控制，容易造成二次污染。传统的污水生物处理技术通常需要补充碳源，操作较复杂，生物启动缓慢，容易受温度影响，生物电化学系统(BES)是采用微生物作催化剂，在阳极发生催化氧化或在阴极进行催化还原反应的电化学体系，用于废水处理具有污泥产量少、低能耗、在废水处理的同时能够产能具有良好的发展前景。现有很多工艺将微生物和电化学技术联合起来处理废水，如，中国专利号：201510269292.3，公开日：2018年04月13日，公开了一份名称为太阳能驱动微生物电解池强化处理农村生活污水，该发明将太阳能电池作为系统的能源来源，驱动电解池处理废水，绿色环保，但是太阳能电解池的功率不稳定，系统的电流不稳定，且系统在阴天情况下不能运行，且仅对生活污水有较好的处理效果，可能不适用于其他废水，存在局限性。
微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物的催化效应，将有机物的化学能直接转换为电能的系统。利用微生物在阳极做催化剂，在降解各种有机废物的过程中，产生电子和质子，电子通过外电路导入到生物阴极，质子迁移通过离子交换膜到达阴极室，在阴极室电子受体与电子结合发生还原反应，同时产生电能。微生物电解池(MEC)是在MFC的基础上，在阳极和阴极之间外加小电压的生物电化学系统。MEC可以对有机物进行有效降解及产氢，在外加电流条件下，MEC中关键的微生物降解酶系统被激活，微生物电催化氧化对一些难降解有机物也能实现有效去除。MEC在污染物降解和能量回收方面前景广泛。宏观层面上强化基材的电导性和比表面积，微观层面上深入了解产氢菌群结构和代谢途径，是进一步提高MEC生物阴极催化性能的关键。因此，设计低能耗的微生物-电化学污水处理系统显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中微生物、电化学污水处理系统能耗大、对难降解有机污染物的处理效率低、技术造价高等问题，进而提供了一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统，包括缺氧单元、好氧单元、第一填料、第二填料、第一筛网、第二筛网、MEC电路、MFC电路、隔板、定值电阻、导线、混合液回流泵、曝气机、太阳能电池板、交流电源、搅拌机；所述第一填料填充于缺氧单元内，所述第二填料填充于好氧单元内，在第一填料接近水面处设置所述第一筛网，在第二填料接近水面处设置所述第二筛网；所述MEC电路包括MEC阳极和MEC阴极，MEC电路嵌入缺氧单元，所述MFC电路包括MFC电路1和MFC电路2，所述MFC电路1包括MFC1阴极和MFC1阳极，所述MFC2包括阴极和MFC2阳极，MFC电路嵌入好氧单元，缺氧单元和好氧单元之间用隔板隔开，隔板与反应池上部的间距为10～20cm；MEC阳极经导线与好氧单元内的MFC2阳极相连，MEC阴极经导线与好氧单元内的MFC1阴极相连，MFC1阳极与MFC2阴极经导线相连，MFC1阴极与MFC1阳极之间、MFC2阴极与MFC2阳极之间均连接有所述定值电阻；二级生化污水由缺氧单元的下部进入，经隔板溢流进入好氧单元，好氧单元的上清液经混合液回流泵回流至缺氧单元，好氧单元内设有曝气管，曝气管与外部的曝气机相接，曝气机由太阳能电池板和交流电源供电，搅拌机位于缺氧单元内，搅拌机由交流电源供电。
进一步地，在上述方案中，在MEC电路和MFC电路之间还设有功率管理器，所述功率管理器包括一个低压电子开关和一个PWM控制器。使用功率管理器能够维持输出电压的稳定性，从而提高效率。
进一步地，所述缺氧单元中，第一填料为聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯轻质悬浮生物填料，所述聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯轻质悬浮生物填料为圆柱体，密度为0.95～0.97mg/L，孔隙度为90～95％，填料填充率为25～40％，第一筛网的孔径为10～20mm，用于防止第一填料流失。
进一步地，所述好氧单元中，第二填料为MBBR聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯轻质悬浮生物填料，所述MBBR聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯轻质悬浮生物填料为球状，密度为0.95～1.05mg/L，直径为80mm，第二筛网的孔径为20～40mm，用于防止第二填料流失。
进一步地，晴天时用太阳能电池板驱动一部分曝气机工作，天气状况差时曝气机全部由交流电源提供动力。
进一步地，所述缺氧单元中，MEC阳极材料为碳毡，MEC阴极为泡沫镍材料，好氧单元中，MFC电路的各电极材料为碳毡，定值电阻阻值为100～1500Ω。
更进一步地，所述泡沫镍材料表面负载有颗粒状催化剂层，所述颗粒催化剂层由纳米石墨烯、乙炔黑、纳米磁铁组成，纳米石墨烯、乙炔黑、纳米磁铁的质量比为3:1:2～5:1:2，颗粒状催化剂层的颗粒直径为35～100nm，颗粒状催化剂层的负载厚度为0.5～4.5μm，颗粒状催化剂层的相邻颗粒之间存在1～10nm的缝隙。表面负载有颗粒状催化剂层的泡沫镍材料相较于现有的泡沫镍材料，电极反应活性更高，从而使得放电效率高，稳定性好。
一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统，包括以下处理步骤：
S1：二级生化污水由缺氧单元的下部进入，与来自好氧单元的含硝态氮的上清液混合后，第一填料中的厌氧、兼性微生物进行反硝化脱氮、降解部分有机污染物，提高废水的可生化性，水力停留时间为15～35min；
S2：废水经隔板溢流进入好氧单元，水力停留时间为15～30min，好氧微生物进行硝化、去除有机污染物，两个MFC电路的电极板上不断聚集产电微生物，传递电子，使电路中产生电流，利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能；
S3：两个MFC电路作为缺氧单元中的MEC电路的电源，驱动MEC的两个电极进行工作，MEC阳极上形成一层由产电微生物组成的生物膜，代谢废水中的有机污染物，电子从细胞内转移到MEC阳极，然后通过外电路在两个MFC提供的电势差作用下到达MEC阴极，在MEC阴极上，电子和质子结合形成氢气，提高缺氧单元的废水处理效率；
S4：好氧单元的上清液经混合液回流泵回流至缺氧单元；
S5：当TN的去除率低于50％或缺氧单元的硝态氮低于10mg/L时，应在缺氧单元的MEC阳极上接种脱硫弧菌类(Desulfovibrio)、假单胞菌属(Pseudomonas)和西瓦菌属(Shewanella)三种功能菌的混合菌群，三种菌的比例为1:2:2～1:3:3，作为主要优势电子传递菌群，启动MEC电路，启动方式为先以MFC产电运行的方式驯化获得相应的功能菌群，然后转变MFC阴极室操作条件将反应器转变为MEC反应器运行，经过5～7天，若系统处理效率未出现明显变化，则选择继续投加功能菌，使得在新电极生物膜构成类群上比较集中、简单，使得阳极微生物群落在功能上更集中、定向，提高系统的处理能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明的一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统，宏观层面上能够强化基材的电导性和比表面积，微观层面上深入接种产氢菌群结构和代谢途径，是进一步提高MEC生物阴极催化性能的关键，通过选用泡沫镍材料作为阴极，优化阴极，提高处理效率，高比表面积有助于降低产氢过电势、增大表面电流密度、减少活化过电势和浓度过电势；通过接种功能菌等操作加强废水处理效率。
(2)本发明将MBBR工艺与MEC、MFC进行有机结合，用于处理二级生化污水，将好氧单元的两个MFC串联起来作为MEC电路的电源，能够驱动MEC电路的正常运行，不需要外加电源；同时，好氧单元的曝气设备采用多个鼓风机，其动力来源为太阳能电池板和交流电路，晴天时可用太阳能电池板驱动一部分鼓风机工作，天气状况差时鼓风机全部由交流电路提供动力，能够减少一部分电耗。本发明能够实现低能耗处理废水的目的，且绿色环保、节能减排，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图。
其中，1、缺氧单元；2、好氧单元；31、第一填料；32、第二填料；41、第一筛网；42、第二筛网；5、MEC阳极；6、MEC阴极；7、隔板；8、MFC1阴极；9、MFC1阳极；10、MFC2阴极；11、MFC2阳极；12、定值电阻；13、导线；14、混合液回流泵；15、曝气机；16、太阳能电池板；17、交流电源；18、搅拌机；19、低压电子开关；20、PWM控制器。
具体实施方式
为进一步理解本发明的技术方案，下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1：
如图1所示的一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统，包括缺氧单元1、好氧单元2、第一填料31、第二填料32、第一筛网41、第二筛网42、MEC电路、MFC电路、隔板7、定值电阻12、导线13、混合液回流泵14、曝气机15、太阳能电池板16、交流电源17、搅拌机18；第一填料31填充于缺氧单元1内，第二填料32填充于好氧单元2内，在第一填料31接近水面处设置第一筛网41，在第二填料32接近水面处设置第二筛网42；MEC电路包括MEC阳极5和MEC阴极6，MEC电路嵌入缺氧单元1，MFC电路包括MFC电路1和MFC电路2，MFC电路1包括MFC1阴极8和MFC1阳极9，MFC2包括阴极10和MFC2阳极11，MFC电路嵌入好氧单元2，缺氧单元1和好氧单元2之间用隔板7隔开，隔板7与反应池上部的间距为10cm；MEC阳极5经导线13与好氧单元2内的MFC2阳极11相连，MEC阴极6经导线13与好氧单元2内的MFC1阴极8相连，MFC1阳极9与MFC2阴极10经导线13相连，MFC1阴极8与MFC1阳极9之间、MFC2阴极10与MFC2阳极11之间均连接有定值电阻12；二级生化污水由缺氧单元1的下部进入，经隔板7溢流进入好氧单元2，好氧单元2的上清液经混合液回流泵14回流至缺氧单元1，好氧单元2内设有曝气管，曝气管与外部的曝气机15相接，曝气机15由太阳能电池板16和交流电源17供电，搅拌机18位于缺氧单元1内，搅拌机18由交流电源17供电。
缺氧单元1中，第一填料31为聚乙烯轻质悬浮生物填料，聚乙烯轻质悬浮生物填料为圆柱体，密度为0.95mg/L，孔隙度为90％，填料填充率为25％，第一筛网41的孔径为10mm，用于防止第一填料31流失。
好氧单元2中，第二填料32为MBBR聚乙烯轻质悬浮生物填料，MBBR聚乙烯轻质悬浮生物填料为球状，密度为0.95mg/L，直径为80mm，第二筛网42的孔径为20mm，用于防止第二填料32流失。
晴天时用太阳能电池板16驱动一部分曝气机15工作，天气状况差时曝气机15全部由交流电源17提供动力。
缺氧单元1中，MEC阳极5材料为碳毡，MEC阴极6为泡沫镍材料，好氧单元2中，MFC电路的各电极8、9、10、11材料为碳毡，定值电阻12阻值为100Ω。
本实施例进行对工业废水的二级生化废水进行处理，包括以下步骤：
S1：二级生化污水由缺氧单元1的下部进入，与来自好氧单元2的含硝态氮的上清液混合后，第一填料31中的厌氧、兼性微生物进行反硝化脱氮、降解部分有机污染物，提高废水的可生化性，水力停留时间为15min；
S2：废水经隔板7溢流进入好氧单元2，水力停留时间为15min，好氧微生物进行硝化、去除有机污染物，两个MFC电路的电极板上不断聚集产电微生物，传递电子，使电路中产生电流，利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能；
S3：两个MFC电路作为缺氧单元1中的MEC电路的电源，驱动MEC的两个电极进行工作，MEC阳极5上形成一层由产电微生物组成的生物膜，代谢废水中的有机污染物，电子从细胞内转移到MEC阳极5，然后通过外电路在两个MFC提供的电势差作用下到达MEC阴极6，在MEC阴极6上，电子和质子结合形成氢气，提高缺氧单元1的废水处理效率；
S4：好氧单元2的上清液经混合液回流泵14回流至缺氧单元1；
S5：当TN的去除率低于50％或缺氧单元1的硝态氮低于10mg/L时，应在缺氧单元1的MEC阳极5上接种脱硫弧菌类(Desulfovibrio)、假单胞菌属(Pseudomonas)和西瓦菌属(Shewanella)三种功能菌的混合菌群，三种菌的比例为1:2:2，作为主要优势电子传递菌群，启动MEC电路，启动方式为先以MFC产电运行的方式驯化获得相应的功能菌群，然后转变MFC阴极室操作条件将反应器转变为MEC反应器运行，经过5天，若系统处理效率未出现明显变化，则选择继续投加功能菌，使得在新电极生物膜构成类群上比较集中、简单，使得阳极微生物群落在功能上更集中、定向，提高系统的处理能力。
使用该系统处理污水的水质常规指标：进水COD为100-130mg/L，TN为45-60mg/L，NO3-N为18-22mg/L；出水COD为20-28mg/L，TN为2.5-4.5mg/L，NO3-N为1.5-2.5mg/L。
使用未设MEC、MFC的MBBR系统处理废水，出水COD为35-45mg/L，TN为5.5-7.5mg/L，NO3-N为4.5-5.0mg/L。
使用两个MFC电路为MEC电路供电，省去MEC所需的电耗，使用太阳能电池板作为曝气装置的动力来源，节省电耗30％，节省总电费约10％。
实施例2：
如图2所示的一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统，包括缺氧单元1、好氧单元2、第一填料31、第二填料32、第一筛网41、第二筛网42、MEC电路、MFC电路、隔板7、定值电阻12、导线13、混合液回流泵14、曝气机15、太阳能电池板16、交流电源17、搅拌机18；第一填料31填充于缺氧单元1内，第二填料32填充于好氧单元2内，在第一填料31接近水面处设置第一筛网41，在第二填料32接近水面处设置第二筛网42；MEC电路包括MEC阳极5和MEC阴极6，MEC电路嵌入缺氧单元1，MFC电路包括MFC电路1和MFC电路2，MFC电路1包括MFC1阴极8和MFC1阳极9，MFC2包括阴极10和MFC2阳极11，MFC电路嵌入好氧单元2，缺氧单元1和好氧单元2之间用隔板7隔开，隔板7与反应池上部的间距为15cm；MEC阳极5经导线13与好氧单元2内的MFC2阳极11相连，MEC阴极6经导线13与好氧单元2内的MFC1阴极8相连，MFC1阳极9与MFC2阴极10经导线13相连，MFC1阴极8与MFC1阳极9之间、MFC2阴极10与MFC2阳极11之间均连接有定值电阻12；二级生化污水由缺氧单元1的下部进入，经隔板7溢流进入好氧单元2，好氧单元2的上清液经混合液回流泵14回流至缺氧单元1，好氧单元2内设有曝气管，曝气管与外部的曝气机15相接，曝气机15由太阳能电池板16和交流电源17供电，搅拌机18位于缺氧单元1内，搅拌机18由交流电源17供电；在MEC电路和MFC电路之间还设有功率管理器，功率管理器包括一个低压电子开关19和一个PWM控制器20，使用功率管理器能够维持输出电压的稳定性，从而提高效率。
缺氧单元1中，第一填料31为聚丙烯轻质悬浮生物填料，聚丙烯轻质悬浮生物填料为圆柱体，密度为0.96mg/L，孔隙度为93％，填料填充率为27％，第一筛网41的孔径为15mm，用于防止第一填料31流失。
好氧单元2中，第二填料32为MBBR聚丙烯轻质悬浮生物填料，MBBR聚丙烯轻质悬浮生物填料为球状，密度为1.0mg/L，直径为80mm，第二筛网42的孔径为30mm，用于防止第二填料32流失。
晴天时用太阳能电池板16驱动一部分曝气机15工作，天气状况差时曝气机15全部由交流电源17提供动力。
缺氧单元1中，MEC阳极5材料为碳毡，MEC阴极6为泡沫镍材料，好氧单元2中，MFC电路的各电极8、9、10、11材料为碳毡，定值电阻12阻值为1000Ω。
泡沫镍材料表面负载有颗粒状催化剂层，颗粒催化剂层由纳米石墨烯、乙炔黑、纳米磁铁组成，纳米石墨烯、乙炔黑、纳米磁铁的质量比为3:1:2，颗粒状催化剂层的颗粒直径为35nm，颗粒状催化剂层的负载厚度为0.5μm，颗粒状催化剂层的相邻颗粒之间存在1nm的缝隙。
本实施例进行对工业废水的二级生化废水进行处理，包括以下步骤：
S1：二级生化污水由缺氧单元1的下部进入，与来自好氧单元2的含硝态氮的上清液混合后，第一填料31中的厌氧、兼性微生物进行反硝化脱氮、降解部分有机污染物，提高废水的可生化性，水力停留时间为25min；
S2：废水经隔板7溢流进入好氧单元2，水力停留时间为20min，好氧微生物进行硝化、去除有机污染物，两个MFC电路的电极板上不断聚集产电微生物，传递电子，使电路中产生电流，利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能；
S3：两个MFC电路作为缺氧单元1中的MEC电路的电源，驱动MEC的两个电极进行工作，MEC阳极5上形成一层由产电微生物组成的生物膜，代谢废水中的有机污染物，电子从细胞内转移到MEC阳极5，然后通过外电路在两个MFC提供的电势差作用下到达MEC阴极6，在MEC阴极6上，电子和质子结合形成氢气，提高缺氧单元1的废水处理效率；
S4：好氧单元2的上清液经混合液回流泵14回流至缺氧单元1；
S5：当TN的去除率低于50％或缺氧单元1的硝态氮低于10mg/L时，应在缺氧单元1的MEC阳极5上接种脱硫弧菌类(Desulfovibrio)、假单胞菌属(Pseudomonas)和西瓦菌属(Shewanella)三种功能菌的混合菌群，三种菌的比例为1:2:2，作为主要优势电子传递菌群，启动MEC电路，启动方式为先以MFC产电运行的方式驯化获得相应的功能菌群，然后转变MFC阴极室操作条件将反应器转变为MEC反应器运行，经过6天，若系统处理效率未出现明显变化，则选择继续投加功能菌，使得在新电极生物膜构成类群上比较集中、简单，使得阳极微生物群落在功能上更集中、定向，提高系统的处理能力。
使用该装置和方法处理污水的水质常规指标：进水COD为100-150mg/L，TN为45-60mg/L，NO3-N为15-20mg/L；出水COD为18-25mg/L，TN为2.0-4.0mg/L，NO3-N为1.2-2.0mg/L。使用未设MEC、MFC的MBBR系统处理废水，出水COD为45-55mg/L，TN为5.5-7.5mg/L，NO3-N为4.5-5.0mg/L。
使用两个MFC电路为MEC电路供电，省去MEC所需的电耗，使用太阳能电池板作为曝气装置的动力来源，节省电耗36％，节省总电费约14％。
实施例3：
如图2所示的一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统，包括缺氧单元1、好氧单元2、第一填料31、第二填料32、第一筛网41、第二筛网42、MEC电路、MFC电路、隔板7、定值电阻12、导线13、混合液回流泵14、曝气机15、太阳能电池板16、交流电源17、搅拌机18；第一填料31填充于缺氧单元1内，第二填料32填充于好氧单元2内，在第一填料31接近水面处设置第一筛网41，在第二填料32接近水面处设置第二筛网42；MEC电路包括MEC阳极5和MEC阴极6，MEC电路嵌入缺氧单元1，MFC电路包括MFC电路1和MFC电路2，MFC电路1包括MFC1阴极8和MFC1阳极9，MFC2包括阴极10和MFC2阳极11，MFC电路嵌入好氧单元2，缺氧单元1和好氧单元2之间用隔板7隔开，隔板7与反应池上部的间距为20cm；MEC阳极5经导线13与好氧单元2内的MFC2阳极11相连，MEC阴极6经导线13与好氧单元2内的MFC1阴极8相连，MFC1阳极9与MFC2阴极10经导线13相连，MFC1阴极8与MFC1阳极9之间、MFC2阴极10与MFC2阳极11之间均连接有定值电阻12；二级生化污水由缺氧单元1的下部进入，经隔板7溢流进入好氧单元2，好氧单元2的上清液经混合液回流泵14回流至缺氧单元1，好氧单元2内设有曝气管，曝气管与外部的曝气机15相接，曝气机15由太阳能电池板16和交流电源17供电，搅拌机18位于缺氧单元1内，搅拌机18由交流电源17供电；在MEC电路和MFC电路之间还设有功率管理器，功率管理器包括一个低压电子开关19和一个PWM控制器20，使用功率管理器能够维持输出电压的稳定性，从而提高效率。
缺氧单元1中，第一填料31为聚氯乙烯轻质悬浮生物填料，聚氯乙烯轻质悬浮生物填料为圆柱体，密度为0.97mg/L，孔隙度为95％，填料填充率为40％，第一筛网41的孔径为20mm，用于防止第一填料31流失。
好氧单元2中，第二填料32为MBBR聚氯乙烯轻质悬浮生物填料，MBBR聚氯乙烯轻质悬浮生物填料为球状，密度为1.05mg/L，直径为80mm，第二筛网42的孔径为40mm，用于防止第二填料32流失。
晴天时用太阳能电池板16驱动一部分曝气机15工作，天气状况差时曝气机15全部由交流电源17提供动力。
缺氧单元1中，MEC阳极5材料为碳毡，MEC阴极6为泡沫镍材料，好氧单元2中，MFC电路的各电极8、9、10、11材料为碳毡，定值电阻12阻值为1500Ω。
泡沫镍材料表面负载有颗粒状催化剂层，颗粒催化剂层由纳米石墨烯、乙炔黑、纳米磁铁组成，纳米石墨烯、乙炔黑、纳米磁铁的质量比为5:1:2，颗粒状催化剂层的颗粒直径为100nm，颗粒状催化剂层的负载厚度为4.5μm，颗粒状催化剂层的相邻颗粒之间存在10nm的缝隙。
本实施例进行对工业废水的二级生化废水进行处理，包括以下步骤：
S1：二级生化污水由缺氧单元1的下部进入，与来自好氧单元2的含硝态氮的上清液混合后，第一填料31中的厌氧、兼性微生物进行反硝化脱氮、降解部分有机污染物，提高废水的可生化性，水力停留时间为35min；
S2：废水经隔板7溢流进入好氧单元2，水力停留时间为30min，好氧微生物进行硝化、去除有机污染物，两个MFC电路的电极板上不断聚集产电微生物，传递电子，使电路中产生电流，利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能；
S3：两个MFC电路作为缺氧单元1中的MEC电路的电源，驱动MEC的两个电极进行工作，MEC阳极5上形成一层由产电微生物组成的生物膜，代谢废水中的有机污染物，电子从细胞内转移到MEC阳极5，然后通过外电路在两个MFC提供的电势差作用下到达MEC阴极6，在MEC阴极6上，电子和质子结合形成氢气，提高缺氧单元1的废水处理效率；
S4：好氧单元2的上清液经混合液回流泵14回流至缺氧单元1；
S5：当TN的去除率低于50％或缺氧单元1的硝态氮低于10mg/L时，应在缺氧单元1的MEC阳极5上接种脱硫弧菌类(Desulfovibrio)、假单胞菌属(Pseudomonas)和西瓦菌属(Shewanella)三种功能菌的混合菌群，三种菌的比例为1:3:3，作为主要优势电子传递菌群，启动MEC电路，启动方式为先以MFC产电运行的方式驯化获得相应的功能菌群，然后转变MFC阴极室操作条件将反应器转变为MEC反应器运行，经过7天，若系统处理效率未出现明显变化，则选择继续投加功能菌，使得在新电极生物膜构成类群上比较集中、简单，使得阳极微生物群落在功能上更集中、定向，提高系统的处理能力。
使用该装置和方法处理污水的水质常规指标：进水COD为100-150mg/L，TN为45-60mg/L，NO3-N为15-20mg/L；出水COD为19-24mg/L，TN为2.0-3.8mg/L，NO3-N为1.5-2.2mg/L。使用未设MEC、MFC的MBBR系统处理废水，出水COD为45-55mg/L，TN为5.5-7.5mg/L，NO3-N为4.5-5.0mg/L。
使用两个MFC电路为MEC电路供电，省去MEC所需的电耗，使用太阳能电池板作为曝气装置的动力来源，节省电耗40％，节省总电费约15％。
最后应该说明的是，对于本领域技术人员来说，在本发明构思及具体实施例启示下，能够从本发明公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合等等的非实质性改动，同样可以被应用，都能实现本发明描述的功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本发明保护范围。

Claims (2)

1.一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统，其特征在于：包括缺氧单元(1)、好氧单元(2)、第一填料(31)、第二填料(32)、第一筛网(41)、第二筛网(42)、MEC电路、MFC电路、隔板(7)、定值电阻(12)、导线(13)、混合液回流泵(14)、曝气机(15)、太阳能电池板(16)、交流电源(17)、搅拌机(18)；所述第一填料(31)填充于缺氧单元(1)内，所述第二填料(32)填充于好氧单元(2)内，在第一填料(31)接近水面处设置所述第一筛网(41)，在第二填料(32)接近水面处设置所述第二筛网(42)；所述MEC电路包括MEC阳极(5)和MEC阴极(6)，MEC电路嵌入缺氧单元(1)，所述MFC电路包括MFC电路1和MFC电路2，所述MFC电路1包括MFC1阴极(8)和MFC1阳极(9)，所述MFC电路2包括MFC2阴极(10)和MFC2阳极(11)，MFC电路嵌入好氧单元(2)，缺氧单元(1)和好氧单元(2)之间用隔板(7)隔开，隔板(7)与反应器上部的间距为10～20cm；MEC阳极(5)经导线(13)与好氧单元(2)内的MFC2阳极(11)相连，MEC阴极(6)经导线(13)与好氧单元(2)内的MFC1阴极(8)相连，MFC1阳极(9)与MFC2阴极(10)经导线(13)相连，MFC1阴极(8)与MFC1阳极(9)之间、MFC2阴极(10)与MFC2阳极(11)之间均连接有所述定值电阻(12)；二级生化污水由缺氧单元(1)的下部进入，经隔板(7)溢流进入好氧单元(2)，好氧单元(2)的上清液经混合液回流泵(14)回流至缺氧单元(1)，好氧单元(2)内设有曝气管，曝气管与外部的曝气机(15)相接，曝气机(15)由太阳能电池板(16)和交流电源(17)供电，搅拌机(18)位于缺氧单元(1)内，搅拌机(18)由交流电源(17)供电；
在MEC电路和MFC电路之间还设有功率管理器，所述功率管理器包括一个低压电子开关(19)和一个PWM控制器(20)；
所述缺氧单元(1)中，第一填料(31)为聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯轻质悬浮生物填料，所述聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯轻质悬浮生物填料为圆柱体，密度为0.95～0.97mg/L，孔隙度为90～95％，填料填充率为25～40％，第一筛网(41)的孔径为10～20mm，用于防止第一填料(31)流失；
所述好氧单元(2)中，第二填料(32)为MBBR聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯轻质悬浮生物填料，所述MBBR聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯轻质悬浮生物填料为球状，密度为0.95～1.05mg/L，直径为80mm，第二筛网(42)的孔径为20～40mm，用于防止第二填料(32)流失；
晴天时用太阳能电池板(16)驱动一部分曝气机(15)工作，天气状况差时曝气机(15)全部由交流电源(17)提供动力；
所述缺氧单元(1)中，MEC阳极(5)材料为碳毡，MEC阴极(6)为泡沫镍材料，好氧单元(2)中，MFC电路的各电极(8、9、10、11)材料为碳毡，定值电阻(12)阻值为100～1500Ω；
所述泡沫镍材料表面负载有颗粒状催化剂层，所述颗粒状催化剂层由纳米石墨烯、乙炔黑、纳米磁铁组成，纳米石墨烯、乙炔黑、纳米磁铁的质量比为3:1:2～5:1:2，颗粒状催化剂层的颗粒直径为35～100nm，颗粒状催化剂层的负载厚度为0.5～4.5μm，颗粒状催化剂层的相邻颗粒之间存在1～10nm的缝隙。
2.应用权利要求1所述的一种低能耗的微生物-电化学污水处理系统的污水处理方法，其特征在于，该方法包括以下处理步骤：
S1：二级生化污水由缺氧单元(1)的下部进入，与来自好氧单元(2)的含硝态氮的上清液混合后，第一填料(31)中的厌氧、兼性微生物进行反硝化脱氮、降解部分有机污染物，提高废水的可生化性，水力停留时间为15～35min；
S2：废水经隔板(7)溢流进入好氧单元(2)，水力停留时间为15～30min，好氧微生物进行硝化、去除有机污染物，两个MFC电路的电极板上不断聚集产电微生物，传递电子，使电路中产生电流，利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能；
S3：两个MFC电路作为缺氧单元(1)中的MEC电路的电源，驱动MEC的两个电极进行工作，MEC阳极(5)上形成一层由产电微生物组成的生物膜，代谢废水中的有机污染物，电子从细胞内转移到MEC阳极(5)，然后通过外电路在两个MFC提供的电势差作用下到达MEC阴极(6)，在MEC阴极(6)上，电子和质子结合形成氢气，提高缺氧单元(1)的废水处理效率；
S4：好氧单元(2)的上清液经混合液回流泵(14)回流至缺氧单元(1)；
S5：当TN的去除率低于50％或缺氧单元(1)的硝态氮低于10mg/L时，应在缺氧单元(1)的MEC阳极(5)上接种脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、假单胞菌属(Pseudomonas)和希瓦菌属(Shewanella)三种功能菌的混合菌群，三种菌的比例为1:2:2～1:3:3，作为主要优势电子传递菌群，启动MEC电路，启动方式为先以MFC产电运行的方式驯化获得相应的功能菌群，然后转变MFC阴极室操作条件将反应器转变为MEC 反应器运行，经过5~7天，若系统处理效率未出现明显变化，则选择继续投加功能菌，使得在新电极生物膜构成类群上比较集中、简单，使得阳极微生物群落在功能上更集中、定向，提高系统的处理能力。
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