CN110127840A - 基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器 - Google Patents

基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，该污水处理器包括阳极室和阴极室，以及将它们连接构成的微生物燃料电池的电极组件，其中阳极室内填充有颗粒活性炭(7)，阴极室为好氧颗粒污泥床反应器，好氧颗粒污泥床反应器内填充有好氧颗粒污泥(14)，待处理污水从底部进入阳极室，反应后从顶部流出后进入好氧颗粒污泥床反应器，净化污水的同时产电。与现有技术相比，本发明具有加工工艺简单，使用方法简单，适合各类污水处理使用等优点。

Description

基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处 理器
技术领域
本发明涉及环境工程及水处理工程领域，尤其是涉及一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器。
背景技术
一种将有机物中的化学能转化为电能的新型污水处理装置，微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)技术在处理污水的同时，它能够利用污水中的有机物，在产电菌的作用下分解利用的同时产生电能，完成污水处理的同时实现电能的回收。典型的MFC由阳极、阴极和质子交换膜组成。
1999年，韩国Kim教授等在MFC阳极室中发现了无介体产电菌，首次提出了MFC中阳极微生物的直接传递电子现象并由此构建了无介体MFC，减少了添加介体化学物质的用量和由此带来的污染，同时对外输出电压也有所增加，给MFC的研究注入了新的活力。2004年，美国宾夕法尼亚州立大学的Bruce E.Logan教授等开发出单室型MFC构型，并第一次对MFC进行了系统的论述，使人们了解了构建MFC的材料、方法及分析其性能的技术。比利时根特大学的Willy Verstraete教授等则利用MFC阳极室特有的环境成功富集到了能自身分泌电子介体的产电菌。作为MFC研究的先驱，这三个课题组的研究成果奠定了MFC研究领域的基本理论框架与方法。近年来，世界范围内掀起了MFC研究的热潮，众多国家先后加入到该领域的研究中。本发明采用颗粒活性炭为阳极室的填料，产电微生物可附着在其上生长，以提高阳极反应效率。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，同时释放电子和质子。电子通过外电路传递到阴极，质子传递到阴极，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，通常需要催化剂或者电子传递中间介质。生物阴极型MFC是指用微生物代替非生物催化剂，实现电子从阴极向最终电子受体传递的微生物燃料电池。
好氧颗粒污泥(Aerobic Granular Sludge,AGS)是大量细菌和原后生动物等在好氧条件下，通过自凝聚作用而相互粘结、缠绕形成的高活性致密体、沉降性良好、生物量高且多菌群的生物聚集体。本发明采用好氧颗粒污泥床反应器为阴极室，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。
质子交换膜等分隔物主要用于双室MFC，它不仅可以分隔阴阳两极中的溶液，还能阻止其他的物质在两室间传递。这些分隔材料的理化性质各不相同，对微生物燃料电池产电和长期稳定运行的影响也各异。近年来报道的MFC虽大多数还是采用有膜结构，但无膜MFC已逐渐成为新的趋势。Liu等研究表明，在MFC中没有质子膜比阴极有膜时产能高，且能够显著提升电池的最高输出功率，但是库伦效率一般较低，这是因为可阻隔两极的质子交换膜被取消了，导致氧气不断向阳极扩散，影响了厌氧型菌的正常生长，降低了库伦效率。徐娜等采用三级串联液固厌氧流化床单室无膜空气阴极MFC，处理啤酒废水产电的最大功率密度为0.34mW/m2，化学需氧量(COD)去除率达94.69％。本发明为连续流升流式无膜MFC反应器。
本项目是在对好氧颗粒污泥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，采用好氧颗粒污泥床反应器生物阴极的材料选择和优化设计，结合MFC技术提出的将好氧颗粒污泥床水质净化与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可用于各类污水生物法处理，可实现连续运行，便于与其它系统的配套使用的基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，其特征在于，该污水处理器包括阳极室和阴极室，以及将它们连接构成的微生物燃料电池的电极组件，其中阳极室内填充有颗粒活性炭，阴极室为好氧颗粒污泥床反应器，好氧颗粒污泥床反应器内填充有好氧颗粒污泥，待处理污水从底部进入阳极室，反应后从顶部流出后进入好氧颗粒污泥床反应器，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，水力停留时间为4-8h。
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阳极室填料承托层，上部设有阳极室三相分离器，颗粒活性炭置于阳极室填料承托层上，所述的阳极室三相分离器连接阳极室水封罐，阳极室水封罐控制阳极室三相分离器气室内的压力，使其处理效率最高，水封水压为25-50cm，阳极室的混合液经阳极室三相分离器进行气液固分离后，颗粒活性炭落回阳极室，水流继续升流进入阴极室，颗粒活性炭的比表面积大，利于细菌附着，利于电子转移。
进一步地，所述的阳极室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3-8mm。
进一步地，所述的好氧颗粒污泥床反应器包括，上部设有的阴极室三相分离器和出水口，好氧颗粒污泥置于阴极室填料承托层上，下部设有曝气装置，所述的曝气装置包括依次相连的微孔曝气盘或微孔曝气管、气体流量计和曝气机，将曝气机中产生的气体在微孔曝气盘或微孔曝气管与升流的水流混合，共同进入阴极室，期间采用气体流量计控制气水体积比为5-25：1；所述的阴极室三相分离器连接阴极室水封罐，阴极室水封罐控制阴极室三相分离器气室内的压力，使其处理效率最高，水封水压为25-50cm，阴极室的混合液经三相分离器进行气液固分离后，好氧颗粒污泥落回阴极室，处理后的污水从出水口排出；阴极室内的好氧颗粒污泥，是自我繁殖维持稳定的多菌群的生物聚集体，能够通过催化能力提高MFC的稳定性，且其中的微生物可去除污染物净化水质。
进一步地，所述的好氧颗粒污泥粒径为3-8mm。
进一步地，所述的电极组件包括阳极电极、阴极电极和负载，负载分别连接阳极电极、阴极电极，构成闭合环路，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。
进一步地，所述的阳极电极穿插在阳极室内颗粒活性炭之间，阳极微生物促进阳极反应的发生，去除污水中的污染物；阳极电极主要由炭毡组成；
所述的阴极电极穿插在阴极室内填充的好氧颗粒污泥之间，阴极微生物促进阴极反应的发生，去除剩余污染物；阴极电极主要由炭毡组成；
所述的负载的电阻为500-2000Ω。
进一步地，所述处理器的容积负荷率可达0.5-2.0kgCOD/m3.d，产电功率100-600mW/m2；
待处理污水进水COD浓度不高于2000mg/L，如果进水COD浓度高于2000mg/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，可避免由于浓度过高时厌氧产气量过大及阳极室曝气量不足。
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双室型微生物燃料电池反应器，本案为无质子交换膜的，连续流好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池反应器污水处理装置。
(2)本发明可处理各类污水。进入微生物燃料电池前，由于颗粒活性炭和好氧颗粒污泥的引入，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4-8h，小于常规污水处理厌氧反应池8-12h，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)阴极室为采用好氧颗粒污泥的曝气池，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。
(5)阳极室和阴极室分别设置了三相分离器进行固液气的分离，颗粒活性炭和好氧颗粒污泥回流各自的反应室，也避免了其它MFC“跑泥”和不稳定的不足。
附图说明
图1为实施例1中连续流基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器的示意图，图中标号所示：
进水泵1，布水器2，阳极室填料承托层3，阳极室排泥口4，阳极室取样口5，阳极电极6，颗粒活性炭7，阳极室三相分离器8，阳极室水封罐9，曝气机10，气体流量计11，微孔曝气盘12，气泡13，好氧颗粒污泥14，阴极室取样口15，阴极电极16，阴极室三相分离器17，阴极室水封罐18，出水口19，负载20。
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
如图1所示，一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，该污水处理器包括阳极室和阴极室，以及将它们连接构成的微生物燃料电池的电极组件，还有进水系统；
该处理器的进水系统包括进水泵1和布水器2；布水器2由进水管和穿孔板组成，穿孔板上均匀分布有直径为10mm的孔；
阳极室内填充有颗粒活性炭(7)，下部有阳极室填料承托层3，上部设有阳极室三相分离器8，颗粒活性炭7置于阳极室填料承托层3上，所述的阳极室三相分离器8连接阳极室水封罐9，阳极室水封罐9控制阳极室三相分离器8气室内的压力，水封水压为35cm；阳极室填料承托层3为孔径小于2mm的穿孔不锈钢板，颗粒活性炭7的粒径为5-8mm；
阴极室为好氧颗粒污泥床反应器，上部设有的阴极室三相分离器17和出水口19，好氧颗粒污泥14置于阴极室填料承托层上，下部设有曝气装置；曝气装置包括依次相连的微孔曝气盘12、气体流量计11和曝气机10，将曝气机10中产生的气体在微孔曝气盘12与升流的水流混合；阴极室三相分离器17连接阴极室水封罐18，阴极室水封罐18控制阴极室三相分离器17气室内的压力，水封水压为45cm；阴极室填料承托层为孔径小于2mm的穿孔不锈钢板，好氧颗粒污泥14粒径为5-8mm；
该处理器的电极组件包括阳极电极6、阴极电极16和负载20，负载20分别连接阳极电极6、阴极电极16，构成闭合环路；阳极电极6主要由炭毡组成，穿插在阳极室内颗粒活性炭7之间，阳极微生物促进阳极反应的发生，去除污水中的污染物；阳极电极6；阴极电极16主要由炭毡组成，穿插在阴极室内填充的好氧颗粒污泥14之间，阴极微生物促进阴极反应的发生，去除剩余污染物；负载20的电阻为2000Ω。
采用上述连续流好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池反应器污水处理装置，处理COD为1800mg/L的印染厂污水，包括以下工艺步骤：
1、所处理的污水进水COD浓度低于2000mg/L，可直接由进水泵1泵入该装置，通过进水管和布水器2进行均匀布水。水温为室温，不需要调控。然后进入阳极室进行阳极反应，该室水力停留时间8h；
2、经阳极反应后经阳极室三相分离器8进行气液固分离后，水流升流进入好氧颗粒污泥床反应器阴极室，采用曝气机10经微孔曝气盘12曝气，气水比为15:1，在曝气、水流及颗粒活性炭间互相搅拌等产生的水力剪切作用下，阴极反应充分；
3、由于阳极室和阴极室内微生物含量较高，稳定运行后容积负荷率可达1.6kgCOD/m3.d，比常规活性污泥法负荷高；产电功率300-450mW/m2，出水口19出水的COD可降至200mg/L以下。
实施例2
一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，
该处理器的布水器2上均匀分布的孔直径为12mm；
阳极室水封罐9控制阳极室三相分离器8气室内的压力，水封水压为25cm；阳极室填充的颗粒活性炭7的粒径为3-6mm；
阴极室的阴极室水封罐18控制阴极室三相分离器17气室内的压力，水封水压为25cm；阴极室内填充的好氧颗粒污泥14粒径为3-6mm；
该处理器的负载20的电阻为500Ω；
其余结构与实施例1相同。
采用上述连续流好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池反应器污水处理装置，处理COD为480mg/L的城镇生活污水，包括以下工艺步骤：
1、所处理的污水进水COD浓度低于2000mg/L，可直接由进水泵1泵入该装置，通过进水管和布水器2进行均匀布水。水温为室温，不需要调控。然后进入阳极室进行阳极反应，该室水力停留时间6h；
2、经阳极反应后经阳极室三相分离器8进行气液固分离后，水流升流进入好氧颗粒污泥床反应器阴极室，采用曝气机10经微孔曝气盘12曝气，气水比为8:1，在曝气、水流及颗粒活性炭间互相搅拌等产生的水力剪切作用下，阴极反应充分；
3、由于阳极室和阴极室内微生物含量较高，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；产电功率100-250mW/m2，出水口19出水的COD可降至50mg/L以下。
实施例3
一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，
该处理器的布水器2上均匀分布的孔直径为15mm；
阳极室水封罐9控制阳极室三相分离器8气室内的压力，水封水压为35cm；阳极室填充的颗粒活性炭7的粒径为4-7mm；
阴极室的阴极室水封罐18控制阴极室三相分离器17气室内的压力，水封水压为50cm；阴极室内填充的好氧颗粒污泥14粒径为4-7mm；
该处理器的负载20的电阻为1500Ω；
其余结构与实施例1相同。
采用上述连续流好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池反应器污水处理装置，处理COD为3200mg/L的食品厂污水，包括以下工艺步骤：
1、所处理的污水进水COD浓度高于2000mg/L，不可直接由进水泵1泵入该装置，采取出水循环，与原水按1:1混合稀释后用进水泵1泵入该装置进行处理。通过进水管和布水器2进行均匀布水。水温为室温，不需要调控。然后进入阳极室进行阳极反应，该室水力停留时间6h；
2、经阳极反应后经阳极室三相分离器8进行气液固分离后，水流升流进入好氧颗粒污泥床反应器阴极室，采用曝气机10经微孔曝气盘12曝气，气水比为25:1，在曝气、水流及颗粒活性炭间互相搅拌等产生的水力剪切作用下，阴极反应充分；
3、由于阳极室和阴极室内微生物含量较高，稳定运行后容积负荷率可达1.2kgCOD/m3.d，比常规活性污泥法负荷高；产电功率300-450mW/m2，出水口19出水的COD可降至500mg/L以下。
实施例4
一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，
该处理器的布水器2上均匀分布的孔直径为12mm；
阳极室水封罐9控制阳极室三相分离器8气室内的压力，水封水压为50cm；阳极室填料承托层3为孔径小于2mm的穿孔HDPE板；阳极室填充的颗粒活性炭7的粒径为3-6mm；
阴极室的阴极室水封罐18控制阴极室三相分离器17气室内的压力，水封水压为50cm；曝气装置包括微孔曝气管，阴极室填料承托层为孔径小于2mm的穿孔HDPE板，阴极室内填充的好氧颗粒污泥14粒径为3-6mm。
该处理器的负载20的电阻为1000Ω；
其余结构与实施例1相同。
采用上述连续流好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池反应器污水处理装置，处理COD为480mg/L的污水，包括以下工艺步骤：
1、所处理的污水进水COD浓度低于2000mg/L，可直接由进水泵1泵入该装置，通过进水管和布水器2进行均匀布水。水温为室温，不需要调控。然后进入阳极室进行阳极反应，该室水力停留时间4h；
2、经阳极反应后经阳极室三相分离器8进行气液固分离后，水流升流进入好氧颗粒污泥床反应器阴极室，采用曝气机10经微孔曝气管曝气，气水比为5:1，在曝气、水流及颗粒活性炭间互相搅拌等产生的水力剪切作用下，阴极反应充分；
3、由于阳极室和阴极室内微生物含量较高，稳定运行后容积负荷率可达2.0kgCOD/m3.d，比常规活性污泥法负荷高；产电功率400-600mW/m2，出水口19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)

1.一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，其特征在于，该污水处理器包括阳极室和阴极室，以及将它们连接构成的微生物燃料电池的电极组件，其中阳极室内填充有颗粒活性炭(7)，阴极室为好氧颗粒污泥床反应器，好氧颗粒污泥床反应器内填充有好氧颗粒污泥(14)，待处理污水从底部进入阳极室，反应后从顶部流出后进入好氧颗粒污泥床反应器，净化污水的同时产电。
2.根据权利要求1所述的一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，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)，穿孔板设置在阳极室底部，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，水力停留时间为4-8h。
3.根据权利要求2所述的一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，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所述的一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，其特征在于，所述的阳极室内下部有阳极室填料承托层(3)，上部设有阳极室三相分离器(8)，颗粒活性炭(7)置于阳极室填料承托层(3)上，所述的阳极室三相分离器(8)连接阳极室水封罐(9)，阳极室水封罐(9)控制阳极室三相分离器(8)气室内的压力，水封水压为25-50cm，阳极室的混合液经阳极室三相分离器(8)进行气液固分离后，颗粒活性炭(7)落回阳极室，水流继续升流进入阴极室。
5.根据权利要求4所述的一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，其特征在于，所述的阳极室填料承托层(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(7)的粒径为3-8mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，其特征在于，所述的好氧颗粒污泥床反应器包括，上部设有阴极室三相分离器(17)和出水口(19)，好氧颗粒污泥(14)置于阴极室填料承托层上，下部设有曝气装置，所述的曝气装置包括依次相连的微孔曝气盘(12)或微孔曝气管、气体流量计(11)和曝气机(10)，将曝气机(10)中产生的气体在微孔曝气盘(12)或微孔曝气管与升流的水流混合，共同进入阴极室，期间采用气体流量计(11)控制气水体积比为5-25：1；所述的阴极室三相分离器(17)连接阴极室水封罐(18)，阴极室水封罐(18)控制阴极室三相分离器(17)气室内的压力，水封水压为25-50cm，阴极室的混合液经三相分离器(17)进行气液固分离后，好氧颗粒污泥(14)落回阴极室，处理后的污水从出水口(19)排出。
7.根据权利要求6所述的一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，其特征在于，所述的好氧颗粒污泥(14)粒径为3-8mm。
8.根据权利要求1-7中任一所述的一种基于好氧颗粒污泥床及微生物燃料电池的污水处理器，其特征在于，所述的电极组件包括阳极电极(6)、阴极电极(16)和负载(20)，负载(20)分别连接阳极电极(6)、阴极电极(16)，构成闭合环路。
9.根据权利要求8所述的一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，其特征在于，所述的阳极电极(6)穿插在阳极室内颗粒活性炭(7)之间，阳极微生物促进阳极反应的发生，去除污水中的污染物；
所述的阴极电极(16)穿插在阴极室内填充的好氧颗粒污泥(14)之间，阴极微生物促进阴极反应的发生，去除剩余污染物；
所述的负载(20)的电阻为500-2000Ω。
10.根据权利要求1所述的一种基于好氧颗粒污泥床反应器阴极微生物燃料电池的污水处理器，其特征在于，所述处理器的容积负荷率可达0.5-2.0kgCOD/m3.d，产电功率100-600mW/m2；
待处理污水进水COD浓度不高于2000mg/L，如果进水COD浓度高于2000mg/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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