CN110117068A - 一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，该装置包括阳极室，进水系统，水封罐(9)，生物滤池，滤池布水器(11)和负载(10)；所述的水封系统与进水系统分别置于阳极室的上方和下方，滤池布水器(11)设置在生物滤池顶部，阳极室与生物滤池之间通过负载(10)连通。与现有技术相比，本发明具有提高基质利用效率和缩短MFC启动周期，减少生物滤池堵塞，节约成本等优点。
Description
技术领域
本发明涉及环境工程及水处理工程领域，尤其是涉及一种基质利用效率高，MFC启动周期短，生物滤池堵塞少的基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置。
背景技术
微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)技术是近几年来发展起来的一种新型污水处理装置，在处理污水的同时，它能够利用污水中的有机物，将有机物中的化学能转化为电能。污水中的有机物在产电菌的作用下被分解利用同时产生电能，完成污水处理的同时实现电能的回收。在阳极室中，有机底物在微生物的催化作用下分解为碳氧化物(如CO2)等小分子，同时释放电子和质子。电子通过外电路传递到阴极，质子通过质子交换膜传递到阴极，二者在阴极电极上与电子受体(如O2)结合，发生还原反应(如生成水)。
MFC阴极分为非生物阴极型MFC和生物阴极型MFC两大类。非生物阴极型一般以氧气或者过氧化氢作为最终电子受体，但是在碳/石墨表面其氧化还原效率很低，通常需要催化剂或者电子传递中间介质。铂(Pt)是使用最广泛的催化剂，随着反应的进行，MFC的阴极溶液的pH值会逐渐升高，从而抑制Pt的催化能力。相比阳极，微生物燃料电池阴极性能的提升已成为瓶颈，高效经济的过渡金属催化剂研制、碳纳米管修饰、氮-化学修饰是近来阴极研究中的重要方向。阴极成本极高,一个典型的空气阴极MFC,使用Pt/C阴极时其费用占到总成本的47％，因此研制高效低成本的阴极是MFC走向应用的关键。Morris等曾首次报道选用PbO2阴极催化剂来取代铂，系统的最高输出功率密度可明显提升2-4倍，成本降低2-17倍，但PbO2对环境具有毒化作用，且阴极会产生铅渗漏，这限制了其广泛应用。生物阴极型MFC是指用微生物代替Pt等非生物催化剂，实现电子从阴极向最终电子受体传递的微生物燃料电池。本发明采用生物滤池为阴极室，微生物通过自我繁殖维持稳定的催化能力以提高MFC的稳定性。
常规的生物滤池的缺点是处理效率较低，容易产生淤积、堵塞等现象。本发明是在对生物滤池技术多年研究的基础上，针对现有微生物燃料电池反应器和工艺的不足，采用生物滤池型生物阴极的材料选择和优化设计，结合MFC技术提出的将生物滤池水质净化与MFC产电合二为一的新探索，旨在污水治理的同时实现能源化利用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种加工工艺简单，使用方法简单，适合生活污水处理使用的连续流生物滤池阴极微生物燃料电池反应器生活污水处理装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，该装置包括阳极室，阴极室和电极组件，该电极组件连接阳极室和阴极室，构成微生物燃料电池，其中阳极室内填充有厌氧颗粒污泥和颗粒活性炭组成的填料，所述的阴极室为生物滤池，待处理污水从底部进入阳极室，反应后从顶部流出，进入阴极室，待处理污水中的有机底物在阳极室内被微生物分解为小分子，发生氧化反应释放电子，通过电极组件进入阴极室，在阴极室发生还原反应，净化污水的同时产电。
进一步地，待处理污水通过进水系统输入阳极室，进水系统包括进水泵和布水器；所述的布水器由进水管和穿孔板组成，其中进水管连接进水泵，穿孔板设置在阳极室底部，污水通过进水泵和进水管输入穿孔板下方，升流通过穿孔板分布后，进入阳极室的反应区，水力停留时间为5-8h。
进一步地，所述的穿孔板上均匀分布有直径为10-15mm的孔。
进一步地，所述的阳极室内下部有填料承托层，上部设有三相分离器，厌氧颗粒污泥和颗粒活性炭置于填料承托层上，所述的三相分离器连接水封罐，水封罐控制三相分离器气室内的压力，水封水压为25-50cm，阳极室的混合液经三相分离器进行气液固分离后，厌氧颗粒污泥和颗粒活性炭落回阳极室，水流继续升流进入滤池布水器，然后均匀分布落入生物滤池。
进一步地，所述的填料承托层为孔径小于2mm的穿孔不锈钢板或HDPE板，所述的颗粒活性炭的粒径为3-6mm，厌氧颗粒污泥粒径为3-6mm，两者体积比为1:0.5-2。
进一步地，所述的阴极室设有2-4组生物滤池，每组生物滤池内包括生物滤池颗粒活性炭和其下方设置的滤池填料承托层，生物滤池下方设有出水口，处理后的污水从出水口排出。
进一步地，所述的生物滤池颗粒活性炭为圆柱形，直径4-8mm，长8-12mm。
进一步地，所述的电极组件包括阳极电极、阴极电极和负载，所述阳极电极置于阳极室内，发生阳极反应，阴极电极置于阴极室内。阳极电极和阴极电极的材料可以为炭毡等。
进一步地，所述的阳极电极设有2-4组，穿插在阳极室内填料之间，阳极微生物在阳极发生阳极反应，去除污水中的污染物；污水中的有机底物被微生物的分解为碳氧化物(CO2)如等小分子，同时释放电子和质子。
所述的阴极电极穿插在阴极室各组生物滤池内填充的填料之间，阴极微生物在阴极发生阴极反应，去除剩余污染物；去除剩余污染物，提高出水水质。为了维持阴极电极上生物膜的稳定性，生物滤池不设置反冲洗。
所述的负载的电阻为500-2000Ω，容积负荷率可达0.5-1.0kgCOD/m3.d，产电功率50-200mW/m2。
进一步地，待处理污水进水COD浓度不高于500mg/L，如果进水COD浓度高于500mg/L，该装置前宜进行预处理或采取出水循环，与原水混合稀释后再进入装置；如果进水COD浓度低于500mg/L，可直接由进水泵泵入该装置进行处理。可避免由于浓度过高时厌氧产气量过大及生物滤池溶解氧不足。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明区别于其它现有的微生物燃料电池污水处理装置，尤其是明显异于有质子交换膜的两室型微生物燃料电池反应器，本案为无质子交换膜的，连续流生物滤池阴极微生物燃料电池反应器生活污水处理装置；
(2)本发明主要针对生活污水进行处理。进入微生物燃料电池前，不需特殊的预处理，设置有布水器的升流式厌氧阳极室设计，污水在反应器下部可先进行充分水解酸化，由于厌氧颗粒污泥及颗粒活性炭的引入，微生物浓度比常规的微生物燃料电池更高，可提高基质利用效率和缩短MFC启动周期；
(3)阳极反应室水力停留时间为5-8小时，小于常规污水处理厌氧反应池8-12小时，采用微生物燃料电池技术提高污水处理系统效率和降低投资成本的效果较明显；
(4)阴极室为采用圆柱形颗粒活性炭等为填料的生物滤池，可提高产电微生物含量和提高阴极反应效率，明显区别于其它微生物燃料电池反应器的阴极室。选用较长的圆柱形颗粒活性炭，可减少生物滤池堵塞；
(5)分组排布的阴极室，方便阴极电极的设置和安装，也避免了一般生物滤池易堵塞的不足。
附图说明
图1为实施例1中连续流生物滤池型生物阴极微生物燃料电池反应器生活污水处理装置的示意图，图中标号所示：
进水泵1，布水器2，填料承托层3，取样口4，厌氧颗粒污泥5，颗粒活性炭6，阳极电极7，三相分离器8，水封罐9，负载10，生物滤池布水器11，阴极电极12，生物滤池颗粒活性炭13，滤池填料承托层14，出水口15。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
连续流生物滤池阴极微生物燃料电池反应器生活污水处理装置，处理COD为450mg/L的模拟生活污水，该装置，如图1所示，包括：
进水系统：进水泵1，布水器2，进水管连接进水泵1，穿孔板设置在阴极室底部，污水通过进水泵1和进水管输入穿孔板下方，升流通过穿孔板分布后，进入阳极室的反应区。
阳极室：由填料承托层3，取样口4，厌氧颗粒污泥5，颗粒活性炭6，三相分离器8，水封罐9组成，其中阳极室的反应区包括填料承托层3，及其上方填充的由厌氧颗粒污泥5和颗粒活性炭6组成的填料，填料上方设置三相分离器8，三相分离器8连接水封罐9。
阴极室：包括生物滤池布水器11，生物滤池颗粒活性炭13，滤池填料承托层14，出水口15，生物滤池布水器11位于阴极室上方，阴极室内设有多组生物滤池(本实施例中为3组)，各组生物滤池内包括生物滤池颗粒活性炭13和其下方设置的滤池填料承托层14，生物滤池下方设有出水口15，处理后的污水从出水口15排出。
电极组件：包括阳极电极7，阴极电极12和负载10。其中所述的阳极电极7设有2-4组，穿插在阳极室内填料之间，阳极微生物在阳极发生阳极反应，去除污水中的污染物；
所述的阴极电极12穿插在阴极室各组生物滤池内填充的填料之间，阴极微生物在阴极发生阴极反应，去除剩余污染物；
所述的负载10的电阻为500-2000Ω，容积负荷率可达0.5-1.0kgCOD/m3.d，产电功率50-200mW/m2。
各阳极电极7分别连接一负载10和一阴极电极12。
采用上述装置处理污水的工艺步骤如下：
(1)所处理的污水进水COD浓度低于500mg/L，可直接由进水泵1泵入该装置，通过进水管和孔径15mm的穿孔板，组成的布水器2进行均匀布水，进入阳极室，阳极室内含粒径5-6mm的厌氧颗粒污泥5和粒径5-6mm的颗粒活性炭6，二者体积比为1:1。在阳极室内进行阳极反应，该室水力停留时间约8h。阳极室一旁设有5个取样口4。
(2)经阳极反应后经三相分离器8进行气液固分离后，水流升流进入生物滤池，阴极电极10为炭毡，以圆柱形颗粒活性炭为滤料，颗粒直径6-8mm，长10-12mm。水流经过生物滤池颗粒活性炭滤料时，污水与空气可充分接触，利用空气里的氧气，滤料上的微生物在阴极发生阴极反应，去除剩余污染物，提高出水水质。
(3)由于反应器内生物膜量较高，稳定运行后容积负荷率可达0.8kgCOD/m3.d，比常规活性污泥法负荷高；负载10的电阻为1000Ω，平均产电功率100-200mW/m2，出水口15出水的COD可降至50mg/L以下。
实施例2
连续流生物滤池阴极微生物燃料电池反应器生活污水处理装置，处理COD为250mg/L的模拟生活污水，该装置结构同实施例1，采用该装置处理污水的工艺步骤如下：
(1)所处理的污水进水COD浓度低于500mg/L，可直接由进水泵1泵入该装置，通过进水管和孔径12mm的穿孔板，组成的布水器2进行均匀布水。进入阳极室，阳极室内含粒径3-4mm的厌氧颗粒污泥5和粒径3-4mm的颗粒活性炭6，二者体积比为1:2。填料内设有三组阳极电极7，在阳极室内进行阳极反应，该室水力停留时间约7h。阳极室一旁设有6个取样口4。
(2)经阳极反应后经三相分离器8进行气液固分离后，水流升流进入生物滤池，生物滤池分为三组，每组均设有有一阴极电极10，与上述阳极电极7对应，中间连接负载10，阴极电极10为炭毡。以圆柱形颗粒活性炭为滤料，颗粒直径5-7mm，长8-10mm。水流经过生物滤池颗粒活性炭滤料时，污水与空气可充分接触，利用空气里的氧气，滤料上的微生物在阴极发生阴极反应，去除剩余污染物，提高出水水质。
(3)由于反应器内生物膜量较高，稳定运行后容积负荷率可达0.5kgCOD/m3.d，比常规活性污泥法负荷高；负载10的电阻为500Ω，平均产电功率80-120mW/m2，出水口15出水的COD可降至50mg/L以下。
实施例3
连续流生物滤池阴极微生物燃料电池反应器生活污水处理装置，处理COD为750mg/L的模拟生活污水，该装置结构同实施例1，采用该装置处理污水的工艺步骤如下：
所处理的污水进水COD浓度高于500mg/L，采取出水循环，与原水混合1:1稀释后浓度约为400mg/L，用进水泵1泵入该装置进行处理，通过进水管和孔径10mm的穿孔板，组成的布水器2进行均匀布水。进入阳极室，阳极室分为三组，内含粒径4-5mm的厌氧颗粒污泥5和粒径4-5mm的颗粒活性炭6，二者体积比为2:1。在阳极室内进行阳极反应，该室水力停留时间约8h。阳极室一旁设有8个取样口4。
经阳极反应后经三相分离器8进行气液固分离后，水流升流进入生物滤池，生物滤池分为三组，阴极电极10为炭毡。以圆柱形颗粒活性炭为滤料，颗粒直径4-6mm，长9-12mm。水流经过生物滤池颗粒活性炭滤料时，污水与空气可充分接触，利用空气里的氧气，滤料上的微生物在阴极发生阴极反应，去除剩余污染物，提高出水水质。
由于反应器内生物膜量较高，稳定运行后容积负荷率可达1.0kgCOD/m3.d，比常规活性污泥法负荷高；负载10的电阻为2000Ω，平均产电功率120-200mW/m2，出水口15出水的COD可降至60mg/L以下。
实施例4
连续流生物滤池阴极微生物燃料电池反应器生活污水处理装置，处理COD为480mg/L的模拟生活污水，该装置结构同实施例1，采用该装置处理污水的工艺步骤如下：
所处理的污水进水COD浓度低于500mg/L，可直接由进水泵1泵入该装置，通过进水管和孔径14mm的穿孔板，组成的布水器2进行均匀布水。进入阳极室，阳极室分为两组，内含粒径5-6mm的厌氧颗粒污泥5和粒径5-6mm的颗粒活性炭6，二者体积比为1:1。在阳极室内进行阳极反应，该室水力停留时间约7.5h。阳极室一旁设有6个取样口4。
经阳极反应后经三相分离器8进行气液固分离后，水流升流进入生物滤池，生物滤池分为两组，阴极电极10为炭毡。以圆柱形颗粒活性炭为滤料，颗粒直径6-7mm，长10-11mm。水流经过生物滤池颗粒活性炭滤料时，污水与空气可充分接触，利用空气里的氧气，滤料上的微生物在阴极发生阴极反应，去除剩余污染物，提高出水水质。
由于反应器内生物膜量较高，稳定运行后容积负荷率可达0.7kgCOD/m3.d，比常规活性污泥法负荷高；负载10的电阻为800Ω，平均产电功率110-180mW/m2，出水口15出水的COD可降至60mg/L以下。
实施例5
连续流生物滤池阴极微生物燃料电池反应器生活污水处理装置，处理COD为300mg/L的模拟生活污水，该装置结构同实施例1，采用该装置处理污水的工艺步骤如下：
所处理的污水进水COD浓度低于500mg/L，可直接由进水泵1泵入该装置，通过进水管和孔径13mm的穿孔板，组成的布水器2进行均匀布水。进入阳极室，阳极室分为四组，内含粒径5-5.5mm的厌氧颗粒污泥5和粒径5-6mm的颗粒活性炭6，二者体积比为1:1。在阳极室内进行阳极反应，该室水力停留时间约6.5h。阳极室一旁设有8个取样口4。
经阳极反应后经三相分离器8进行气液固分离后，水流升流进入生物滤池，生物滤池分为四组，阴极电极10为炭毡。以圆柱形颗粒活性炭为滤料，颗粒直径6-7mm，长10-11mm。水流经过生物滤池颗粒活性炭滤料时，污水与空气可充分接触，利用空气里的氧气，滤料上的微生物在阴极发生阴极反应，去除剩余污染物，提高出水水质。
由于反应器内生物膜量较高，稳定运行后容积负荷率可达0.6kgCOD/m3.d，比常规活性污泥法负荷高；负载10的电阻为900Ω，平均产电功率140-190mW/m2，出水口15出水的COD可降至50mg/L以下。
以上实施例仅用于说明本发明技术方案，并非是对本发明的限制，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做的改变、替代、修饰、简化均为等效的变换，都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，其特征在于，该装置包括阳极室，阴极室和电极组件，该电极组件连接阳极室和阴极室，构成微生物燃料电池，其中阳极室内填充有厌氧颗粒污泥(5)和颗粒活性炭(6)组成的填料，所述的阴极室为生物滤池，待处理污水从底部进入阳极室，反应后从顶部流出，进入阴极室，待处理污水中的有机底物在阳极室内被微生物分解为小分子，发生阳极反应释放电子，通过电极组件进入阴极室，在阴极室发生阴极反应，净化污水的同时产电。
2.根据权利要求1所述的一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，其特征在于，待处理污水通过进水系统输入阳极室，进水系统包括进水泵(1)和布水器(2)；所述的布水器(2)由进水管和穿孔板组成，其中进水管连接进水泵(1)，穿孔板设置在阴极室底部，污水通过进水泵(1)和进水管输入穿孔板下方，升流通过穿孔板分布后，进入阳极室的反应区，水力停留时间为5-8h。
3.根据权利要求2所述的一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，其特征在于，所述的穿孔板上均匀分布有直径为10-15mm的孔。
4.根据权利要求1所述的一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，其特征在于，所述的阳极室内下部有填料承托层(3)，上部设有三相分离器(8)，厌氧颗粒污泥(5)和颗粒活性炭(6)置于填料承托层(3)上，所述的三相分离器(8)连接水封罐(9)，水封罐(9)控制三相分离器(8)气室内的压力，水封水压为25-50cm，阳极室的混合液经三相分离器(8)进行气液固分离后，厌氧颗粒污泥(5)和颗粒活性炭(6)落回阳极室，水流继续升流进入滤池布水器(11)，然后均匀分布落入生物滤池。
5.根据权利要求4所述的一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，其特征在于，所述的填料承托层(3)为孔径小于2mm的穿孔不锈钢板或HDPE板，所述的颗粒活性炭(6)的粒径为3-6mm，厌氧颗粒污泥(5)粒径为3-6mm，两者体积比为1:0.5-2。
6.根据权利要求1所述的一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，其特征在于，所述的阴极室设有2-4组生物滤池，每组生物滤池内包括生物滤池颗粒活性炭(13)和其下方设置的滤池填料承托层(14)，生物滤池下方设有出水口(15)，处理后的污水从出水口(15)排出。
7.根据权利要求6所述的一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，其特征在于，所述的生物滤池颗粒活性炭(13)为圆柱形，直径4-8mm，长8-12mm。
8.根据权利要求1～7中任一所述的基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，其特征在于，所述的电极组件包括阳极电极(7)、阴极电极(12)和负载(10)，所述阳极电极(7)置于阳极室内，发生阳极反应，阴极电极(12)置于阴极室内。
9.根据权利要求8所述的基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，其特征在于，所述的阳极电极(7)设有2-4组，穿插在阳极室内填料之间，阳极微生物在阳极发生阳极反应，去除污水中的污染物；
所述的阴极电极(12)穿插在阴极室各组生物滤池内填充的填料之间，阴极微生物在阴极发生阴极反应，去除剩余污染物；
所述的负载(10)的电阻为500-2000Ω，容积负荷率可达0.5-1.0kgCOD/m3.d，产电功率50-200mW/m2。
10.根据权利要求1所述的一种基于生物滤池阴极微生物燃料电池的生活污水处理装置，其特征在于，待处理污水进水COD浓度不高于500mg/L，如果进水COD浓度高于500mg/L，该装置前宜进行预处理或采取出水循环，与原水混合稀释后再进入装置。
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| CN113860631A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-12-31 | 江苏龙腾工程设计股份有限公司 | 一种节能减碳型一体化生活污水处理装置 |
| CN113860631B (zh) * | 2021-09-07 | 2023-04-14 | 江苏龙腾工程设计股份有限公司 | 一种节能减碳型一体化生活污水处理装置 |
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