CN110272114A - 耦合式混凝生物电化学电池系统及污水处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现零能耗处理城市污染水体的耦合式混凝生物电化学电池系统及污水处理方法，所述电池系统包括MECC混凝生物电化学电池、MDECC混凝生物电化学电池、水样瓶、抽水泵、高位水槽、曝气泵和外电路。抽水泵将水样瓶的水样泵入高位水槽，高位水槽中的水样在重力作用下进入电池系统，通过电池系统阳极室中产生的混凝剂对水样中的SS及COD进行去除，通过电池系统阴极室中的微生物对水样进行硝化和反硝化处理，实现对水样中氨氮的去除，通过曝气泵向MECC混凝生物电化学电池的阴极室内通气，以满足硝化反应的需要。外电路能够对电池产生的电能进行间歇性储存和输出，并根据高位水槽内水位选择性对抽水泵或曝气泵供电。

Description

耦合式混凝生物电化学电池系统及污水处理方法
技术领域
本发明涉及一种生物电化学电池系统及污水处理方法，尤其涉及一种用于实现零能耗处理城市污染水体的耦合式混凝生物电化学电池系统及污水处理方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
随着污水生物处理技术的不断发展，生物电化学电池得到了广泛的应用，其中微生物燃料电池是应用最广泛、最高效的处理技术，其可利用微生物的催化作用，将有机物中的化学能转化为电能，它具有高效降解有机污染物、产生清洁能源电能、污泥产量低等诸多优点。
现有的生物电化学电池几乎都是通过与电阻的连接来回收电能，因此产生的能量大都通过热能的形式散发掉了，并未得到有效的回收利用，并且基于厌氧过程和好氧工艺的处理技术虽然在出水水质上优于厌氧工艺，但是与好氧工艺的处理效率相比仍然存在着差距。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于实现零能耗处理城市污染水体的耦合式混凝生物电化学电池系统及处理方法，以解决上述现有技术中提出的问题。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
一种处理城市污染水体的方法，其采用硝化阴极混凝生物电化学电池（Microbialelectrocoagulation cell, MECC）和反硝化阴极混凝生物电化学电池（Microbialdenitrification electrocoagulation cell, MDECC）处理，所述MECC混凝生物电化学电池和MDECC混凝生物电化学电池均包括阳极室和阴极室，且所述MECC混凝生物电化学电池和MDECC混凝生物电化学电池均与外电路连接，所述方法包括以下步骤：
将城市污染水体泵入高位置处，高位置处的水体在重力作用下流入MECC混凝生物电化学电池和MDECC混凝生物电化学电池；
使MECC混凝生物电化学电池的阳极室和MDECC混凝生物电化学电池的阳极室产生混凝剂对水体进行混凝处理得到混凝物和上清液；
MECC混凝生物电化学电池的阴极室在被动曝气供氧的条件下对所述上清液进行硝化处理；
MDECC混凝生物电化学电池的阴极室对硝化处理后的上清液进行反硝化处理；
将MECC混凝生物电化学电池和MDECC混凝生物电化学电池产生的电能存储在外电路中；
外电路根据高位置处水体的水位情况选择性提供电力以将水体泵入高位置处或者提供电力以使MECC混凝生物电化学电池的阴极室曝气。
进一步地，所述方法还包括将MECC混凝生物电化学电池的阳极室和MDECC混凝生物电化学电池的阳极室的混凝物去除的步骤。
进一步地，所述方法还包括向所述MECC混凝生物电化学电池的阴极室中事先注入100 mg/L NH4Cl溶液，并向所述MDECC混凝生物电化学电池的阴极室中事先注入150 mg/L硝酸盐溶液的步骤。
进一步地，所述方法还包括对高位置处的水体流入MECC混凝生物电化学电池和MDECC混凝生物电化学电池的流量大小进行控制的步骤。
另外，本发明还提供了一种耦合式混凝生物电化学电池系统，包括MECC混凝生物电化学电池、MDECC混凝生物电化学电池、水样瓶、抽水泵、高位水槽、曝气泵以及外电路，水样瓶通过抽水泵与高位水槽连通；
MECC混凝生物电化学电池和MDECC混凝生物电化学电池内部各自安装有质子交换膜，将电池分隔成中央的阳极室与两侧的阴极室，MECC混凝生物电化学电池的阴极室和MDECC混凝生物电化学电池的阴极室内分别对应放置有硝化细菌和反硝化细菌，高位水槽与MECC混凝生物电化学电池的阳极室连通，曝气泵分别与MECC混凝生物电化学电池的两个阴极室连通，MECC混凝生物电化学电池的阳极室、两个阴极室分别与MDECC混凝生物电化学电池的阳极室、两个阴极室一一对应连通，MDECC混凝生物电化学电池的两个阴极室与Y型出水管连通、阳极室通过Y型连接管分别与MECC混凝生物电化学电池的两个阴极室连通；MECC混凝生物电化学电池和MDECC混凝生物电化学电池的阳极室内均设有铁网、阴极室内均设有碳纤维刷，铁网与碳纤维刷分别通过导线与外电路相连；
外电路能够对MECC混凝生物电化学电池和MDECC混凝生物电化学电池产生的电能进行间歇性储存和输出，输出时根据高位水槽内水位选择性对抽水泵或曝气泵进行供电。
进一步地，所述外电路包括n个电容器组、2n个电磁开关和浮动开关，n为偶数，每个电容器组两端分别与一个电磁开关连接，电磁开关控制电容器组串并联状态：充电时使其中n/2个电容器组与MECC混凝生物电化学电池并联连接，另外n/2个电容器组与MDECC混凝生物电化学电池并联连接，放电时n个电容器组串联连接对抽水泵或曝气泵进行供电；浮动开关下端插入高位水槽，上端根据高位水槽内水位选择性连接抽水泵或曝气泵。
进一步地，MECC混凝生物电化学电池的阳极室和MDECC混凝生物电化学电池的阳极室内均设有混凝沟槽和吸泥管，吸泥管一端插入混凝沟槽内，另一端伸出阳极室外。
进一步地，所述MECC混凝生物电化学电池的阴极室中事先注入有100 mg/L NH4Cl溶液，所述MDECC混凝生物电化学电池的阴极室中事先注入有150 mg/L的硝酸盐溶液。
进一步地，所述质子交换膜的边缘处均设置有硅胶。
进一步地，所述耦合式混凝生物电化学电池系统还包括流量计，所述流量计设置在高位水槽与MECC混凝生物电化学电池之间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设计科学合理，通过电池系统阳极室中产生的混凝剂对污染水样进行混凝，通过电池系统阴极室中的微生物对污染水样进行硝化和反硝化处理，通过外电路对电池产生的电能进行间歇性储存和输出，并通过浮动开关实现在不同水位情况下对不同用电器进行供电，在水位高于一定值时，供电通路对曝气泵进行供电，在水位低于一定值时，供电通路对抽水泵进行供电，来实现系统能量的自给自足，从而实现零能耗处理城市污染水体。
附图说明
图1是本发明实施例的耦合式混凝生物电化学电池系统示意图；
图2是本发明实施例的耦合式混凝生物电化学电池系统的外电路线路示意图。
图中，1、水样瓶；2、抽水泵；3、高位水槽；4、流量计；5、曝气泵；6、MECC混凝生物电化学电池；7、MDECC混凝生物电化学电池；8、碳纤维刷；9、铁网；10、质子交换膜；11、混凝沟槽；12、吸泥管；13、一号进水管；14、二号进水管；15、一号连接管；16、Y型连接管；17、二号连接管；18、Y型出水管；19、Y型导气管；20、电磁开关；21、电容器组；23、浮动开关；24、阴极室；25、阳极室。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1至2所示，一种耦合式混凝生物电化学电池系统，包括水样瓶1、抽水泵2、高位水槽3、流量计4、曝气泵5、MECC混凝生物电化学电池6、MDECC混凝生物电化学电池7以及外电路，其中，水样瓶1用于收集城市污染水体水样，水样瓶1通过抽水泵2与高位水槽3连通，流量计4用以控制水样从高位水槽3流入MECC混凝生物电化学电池6内的流量。
MECC混凝生物电化学电池6和MDECC混凝生物电化学电池7内部各自安装有质子交换膜10，将电池分隔成中央的阳极室25与两侧的阴极室24。所述质子交换膜优选为聚三氟苯乙烯磺酸质子交换膜或聚四氟乙烯-六氟丙烯质子交换膜。
高位水槽3通过二号进水管14与MECC混凝生物电化学电池6的阳极室25连通，曝气泵5通过Y型导气管19分别与MECC混凝生物电化学电池6的两个阴极室24连通。MECC混凝生物电化学电池6的阳极室25通过一号连接管15与MDECC混凝生物电化学电池7的阳极室25连通、两个阴极室24分别通过两个二号连接管17与MDECC混凝生物电化学电池7的两个阴极室24对应连通，MDECC混凝生物电化学电池7的两个阴极室24与Y型出水管18连通、阳极室25通过Y型连接管16分别与MECC混凝生物电化学电池6的两个阴极室24连通。
MECC混凝生物电化学电池6的阳极室25和MDECC混凝生物电化学电池7的阳极室25内均设有铁网9、阴极室24内均设有碳纤维刷8，铁网9与碳纤维刷8分别通过导线与外电路相连。其中，所述铁网规格为4 cm×10 cm，网数为30，丝径为0.3 mm，所述碳纤维刷规格为直径4 cm×长度10 cm。
此外，MECC混凝生物电化学电池6的阳极室25和MDECC混凝生物电化学电池7的阳极室25内均设有混凝沟槽11和吸泥管12，吸泥管12一端插入混凝沟槽11内，另一端伸出阳极室25外，以对阳极室25内产生的混凝物进行清除。
外电路包括16个电容器组21、电磁开关20和浮动开关23，每个电容器组21由两个相同型号的电容器并联连接而成。每个电容器组21两端分别与一个电磁开关20连接，电磁开关20控制电容器组21的串并联状态：充电时使其中8个电容器组21与MECC混凝生物电化学电池6并联连接，另外8个电容器组21与MDECC混凝生物电化学电池7并联连接，放电时16个电容器组21串联连接对抽水泵2或曝气泵5进行供电；浮动开关23下端插入高位水槽3，上端根据高位水槽3内水位选择性连接抽水泵2或曝气泵5。
其中，MECC混凝生物电化学电池6的阴极室24和MDECC混凝生物电化学电池7的阴极室24内分别对应放置有含有硝化细菌的活性污泥和含有反硝化细菌的活性污泥。
进一步的，所述MECC混凝生物电化学电池6的阴极室24中事先注入有100 mg/LNH4Cl溶液，所述MDECC混凝生物电化学电池7的阴极室24中事先注入有150 mg/L的硝酸盐溶液。
所述MECC混凝生物电化学电池6或MDECC混凝生物电化学电池7的阳极室25的总容积为100 mL，工作容积为80 mL，所述MECC混凝生物电化学电池6的阴极室24或MDECC混凝生物电化学电池7的阴极室24的总容积为200 mL，工作容积为160 mL。
所述阴极室24和阳极室25外部使用不锈钢紧固件紧固。所述质子交换膜10的边缘处均设置有硅胶，以防止阳极室25中的水不经过质子交换膜10而从其边缘流入阴极室24内。
所述MECC混凝生物电化学电池6和MDECC混凝生物电化学电池7顶部盖设有盖板。
上述耦合式混凝生物电化学电池系统的工作原理如下：
通过抽水泵2将水样瓶1中收集到的城市污染水体水样从一号进水管13中泵入高位水槽3，高位水槽3内的水样在重力作用下通过二号进水管14进入耦合式混凝生物电化学电池，并且通过流量计4来控制水的流量，阳极室25中的铁网9作为阳极失去电子形成Fe2+、Fe3 +，Fe2+、Fe3+与水中的OH-结合生成Fe(OH)2、Fe(OH)3，通过将Fe2+、Fe3+ 、Fe(OH)2、Fe(OH)3一起充当混凝剂对城市污染水体水样中的SS（悬浮物，Suspended Solids）及COD（化学需氧量，Chemical Oxygen Demand）进行去除，通过质子交换膜10使混凝剂离子保持在阳极室25内，并降低电池内阻，通过MECC混凝生物电化学电池6的阴极室24对城市污染水体水样中氨氮进行硝化，以及通过MDECC混凝生物电化学电池7的阴极室24对MECC混凝生物电化学电池6的阴极室24中出水进行反硝化，实现对城市污染水体水样中氨氮的去除，通过曝气泵5和Y型导气管19向MECC混凝生物电化学电池6的阴极室24内通气，以满足硝化反应的需要，通过碳纤维刷8作为阴极来增大微生物附着面积，并提高电子传导效率，通过混凝沟槽11和吸泥管12对阳极室25内产生的混凝物进行清除，通过一号连接管15、两个二号连接管17和Y型连接管16实现两电池的水样串联耦合，通过Y型出水管18将处理后的水样导出，通过向MECC混凝生物电化学电池6的阴极室24中事先注入100 mg/L NH4Cl溶液和向MDECC混凝生物电化学电池7的阴极室24中事先注入150 mg/L的硝酸盐溶液实现初期对水样的处理，并且使阴极室24内微生物得到生长，以便更好的对后续污水进行处理，通过电磁开关20和电容器组21实现电池产生电能的储存和输出，通过向高位水槽3中插入浮动开关23实现对用电器抽水泵2和曝气泵5的间歇式供电，当高位水槽3中的水位低于一定值时，浮动开关23连接抽水泵2向高位水槽3中充水，当水位高于一定值时，浮动开关23连接曝气泵5向MECC混凝生物电化学电池6的阴极室24间歇式充气，进行对城市污染水体水样的处理，通过外电路来实现整个系统运行的零能耗。
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种处理城市污染水体的方法，其特征在于，采用MECC混凝生物电化学电池（6）和MDECC混凝生物电化学电池（7）处理，所述MECC混凝生物电化学电池（6）和MDECC混凝生物电化学电池（7）均包括阳极室（25）和阴极室（24），且所述MECC混凝生物电化学电池和MDECC混凝生物电化学电池均与外电路连接，所述方法包括以下步骤：
将城市污染水体泵入高位置处，高位置处的水体在重力作用下流入MECC混凝生物电化学电池（6）和MDECC混凝生物电化学电池（7）；
使MECC混凝生物电化学电池（6）的阳极室（25）和MDECC混凝生物电化学电池（7）的阳极室（25）产生混凝剂对水体进行混凝处理得到混凝物和上清液；
MECC混凝生物电化学电池（6）的阴极室（24）在被动曝气供氧的条件下对所述上清液进行硝化处理；
MDECC混凝生物电化学电池（7）的阴极室（24）对硝化处理后的上清液进行反硝化处理；
使MECC混凝生物电化学电池（6）和MDECC混凝生物电化学电池（7）产生的电能存储在外电路中；
外电路根据高位置处水体的水位情况选择性提供电力以将水体泵入高位置处或者提供电力以使MECC混凝生物电化学电池（6）的阴极室（24）曝气。
2.根据权利要求1所述的处理城市污染水体的方法，其特征在于，还包括将MECC混凝生物电化学电池（6）的阳极室（25）和MDECC混凝生物电化学电池（7）的阳极室（25）的混凝物去除的步骤。
3.根据权利要求1所述的处理城市污染水体的方法，其特征在于，还包括向所述MECC混凝生物电化学电池（6）的阴极室（24）中事先注入100 mg/L NH4Cl溶液，并向所述MDECC混凝生物电化学电池（7）的阴极室（24）中事先注入150 mg/L硝酸盐溶液的步骤。
4.根据权利要求1所述的处理城市污染水体的方法，其特征在于，还包括对高位置处的水体流入MECC混凝生物电化学电池（6）和MDECC混凝生物电化学电池（7）的流量大小进行控制的步骤。
5.一种耦合式混凝生物电化学电池系统，其特征在于，包括MECC混凝生物电化学电池（6）、MDECC混凝生物电化学电池（7）、水样瓶（1）、抽水泵（2）、高位水槽（3）、曝气泵（5）以及外电路，水样瓶（1）通过抽水泵（2）与高位水槽（3）连通；
MECC混凝生物电化学电池（6）和MDECC混凝生物电化学电池（7）内部各自安装有质子交换膜（10），将电池分隔成中央的阳极室（25）与两侧的阴极室（24），MECC混凝生物电化学电池（6）的阴极室（24）和MDECC混凝生物电化学电池（7）的阴极室（24）内分别对应放置有硝化细菌和反硝化细菌，高位水槽（3）与MECC混凝生物电化学电池（6）的阳极室（25）连通，曝气泵（5）分别与MECC混凝生物电化学电池（6）的两个阴极室（24）连通，MECC混凝生物电化学电池（6）的阳极室（25）、两个阴极室（24）分别与MDECC混凝生物电化学电池（7）的阳极室（25）、两个阴极室（24）一一对应连通，MDECC混凝生物电化学电池（7）的两个阴极室（24）与Y型出水管（18）连通、阳极室（25）通过Y型连接管（16）分别与MECC混凝生物电化学电池（6）的两个阴极室（24）连通；MECC混凝生物电化学电池（6）和MDECC混凝生物电化学电池（7）的阳极室（25）内均设有铁网（9）、阴极室（24）内均设有碳纤维刷（8），铁网（9）与碳纤维刷（8）分别通过导线与外电路相连接；
外电路能够对MECC混凝生物电化学电池（6）和MDECC混凝生物电化学电池（7）产生的电能进行间歇性储存和输出，并在输出时根据高位水槽（3）内水位选择性对抽水泵（2）或曝气泵（5）进行供电。
6.根据权利要求5所述的耦合式混凝生物电化学电池系统，其特征在于，所述外电路包括n个电容器组（21）、2n个电磁开关（20）和浮动开关（23），n为偶数，每个电容器组（21）两端分别与一个电磁开关（20）连接，电磁开关（20）控制电容器组（21）串并联状态：充电时使其中n/2个电容器组（21）与MECC混凝生物电化学电池（6）并联连接，另外n/2个电容器组（21）与MDECC混凝生物电化学电池（7）并联连接，放电时n个电容器组（21）串联连接对抽水泵（2）或曝气泵（5）进行供电；浮动开关（23）下端插入高位水槽（3），上端根据高位水槽（3）内水位选择性连接抽水泵（2）或曝气泵（5）。
7.根据权利要求5所述的耦合式混凝生物电化学电池系统，其特征在于，所述MECC混凝生物电化学电池（6）的阳极室（25）和MDECC混凝生物电化学电池（7）的阳极室（25）内均设有混凝沟槽（11）和吸泥管（12），吸泥管（12）一端插入混凝沟槽（11）内，另一端伸出阳极室（25）外。
8.根据权利要求5所述的耦合式混凝生物电化学电池系统，其特征在于：所述MECC混凝生物电化学电池（6）的阴极室（24）中事先注入有100 mg/L NH4Cl溶液，所述MDECC混凝生物电化学电池（7）的阴极室（24）中事先注入有150 mg/L的硝酸盐溶液。
9.根据权利要求5所述的耦合式混凝生物电化学电池系统，其特征在于，所述质子交换膜（10）的边缘处均设置有硅胶。
10.根据权利要求5所述的耦合式混凝生物电化学电池系统，其特征在于，还包括流量计（4），所述流量计（4）设置在高位水槽（3）与MECC混凝生物电化学电池（6）之间。
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