CN110282723A - 一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，包括阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室的底部设置有污泥收集装置，所述阳极室、阴极室和污泥收集装置互相连通，污水从阳极室折流进入阴极室。通过对剩余污泥进行整体收集，能避免在多模块生物阴极微生物电化学系统中设立分别针对阴阳极阵列污泥的大量收集单元，同时也便于后续污泥的集中处理。
Description
技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，具体涉及一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统。
背景技术
微生物电化学系统以微生物为载体或催化剂，以此来促进电池阳极的氧化反应或阴极的还原反应，在能源与资源回收利用及环境污染修复等方面展现出独有的特色。生物阴极型微生物电化学系统主要是依据附着在阴极表面的自养或异养微生物，以电极作为电子供体和能量来源，利用无机碳源和氮源通过自身的新陈代谢还原氧气或其他具有较强氧化性的物质，并同时利用从阳极迁移过来的质子供给自身生长。典型的生物阴极微生物电化学系统为双室构型，在阴阳极室间插入分隔材料，使两极室间形成一定的COD(化学需氧量)梯度和DO(溶解氧)梯度。典型的生物阴极微生物电化学系统如图1所示。
传统的分隔材料多采用离子或质子交换膜，但离子/质子交换膜价格昂贵，不适于应用。以大孔径多孔材料作为基体，在水处理设备中自生微生物层形成微生物隔膜，这层膜兼具阻隔氧气与COD在极室间直接扩散的特点，并允许阴阳离子直接透过，可以达到与离子交换膜相同的功能。在具有微生物隔膜的生物阴极微生物电化学系统(图2)中，污水进入厌氧的阳极室，阳极降解大部分COD，阳极出水横向穿过微生物隔膜渗流进入阴极室，阴极室一般通过曝气的方式维持好氧的环境并进一步降低阳极室出水中的少量COD。该系统解决了阴阳极室间的传质与扩散问题，且降低了系统的成本，对于实际应用表现出优势，但仍存在一些不足。
微生物隔膜中的生物膜处于脱落与再生的动态平衡中，脱落的生物膜会进入阴阳极室，形成污泥，特别是在好氧型生物阴极系统中，虽然阴极微生物只降解来自阳极室的少量COD，但在溶解氧充足的条件下，好氧微生物代谢旺盛会产生较多的生物质，最终形成大量剩余污泥，产生的污泥可能影响出水水质，甚至引起系统内部或系统管道的堵塞，因此，在实际应用中，系统剩余污泥的排放不容忽视。
然而，在目前生物阴极微生物电化学系统中，鲜有对系统污泥进行收集和排放的装置，对电极或极室中多余生物膜(剩余污泥)的方式，大多是采取将电极取出去除生物膜，或者将污泥留存在各自相对隔离的电极室中。人工干预对反应器和电极进行冲刷或刮膜的方式，这样的方式对系统是破坏性的，不利于系统连续稳定操作，对大型化的系统来说不便于操作。而将污泥留在彼此独立的电极室中则对污泥的进一步收集和处理带来挑战。收集污泥需要对各个狭窄电极室设置污泥收集管，结构复杂同时容易堵塞失效。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对目前生物阴极微生物电化学系统两极室完全分隔导致的阴阳极污泥收集不便问题，通过改变污水在系统中的流动模式，以及在阴阳极室底部增设整体的污泥收集装置，实现同时收集阴、阳极室及微生物分隔材料上产生的污泥。本发明提供一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统。该系统中通过直接在阴阳极室底部设置跨越阴阳极室的污泥收集装置，避免了设置多余的污泥收集系统，结构简单，便于实际应用。由于增设的污泥收集装置，系统形成了折流的污水流动模式，减小系统的水头损失。同时污泥的良好收集也可以防止污泥在系统中的淤积导致内部堵塞。
本发明的技术方案是：一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，包括阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室的底部设置有污泥收集装置，所述阳极室、阴极室和污泥收集装置互相连通。
优选的，污水从阳极室折流进入阴极室。
优选的，所述污泥收集装置的形状与所述阳极室和阴极室的底部形状相契合。
优选的，所述污泥收集装置的形状为正方体、长方体、圆锥体或棱锥体中的任一种。
优选的，所述污泥收集装置并联设置若干个集泥斗。
优选的，所述集泥斗设置有排泥口。
优选的，所述污泥收集装置的边壁设置为倾斜。
优选的，所述污泥收集装置的深度至少为5cm。
优选的，所述阳极室的进水口设置有布水堰。
优选的，所述阳极室和阴极室包括平板式阴/阳极室或管式阴/阳极室。
有益效果：本发明对于现有技术的优势在于以下几点，
1.微生物电化学耦合水处理系统，底部增设污泥收集装置，混合收集阴阳极室中的剩余污泥：
①系统污泥整体收集，避免了每个极室单设集泥斗，便于后续的污泥处理；
②使用大孔径多孔材料及其在运行过程中形成的自生微生物隔膜层代替离子/质子交换膜作为生物阴极微生物电化学系统的分隔材料，避免了离子/质子交换膜高额成本，延长了分隔材料的寿命；
③系统内水流连通，污水从阳极直接折流到阴极，结构简单，适合大型系统连续运行，减少了管路等冗余结构，避免了系统内部堵塞。
2.本发明在双室微生物电化学系统阴、阳极室底部直接增设污泥收集装置，混合收集阴、阳极室中的污泥，这使得阳极室、阴极室和污泥收集装置水流连通，能够良好的维持微生物电化学系统阳极产电微生物所需的厌氧环境以及阴极微生物所需的好氧和低COD环境，因此，该系统在混合收集系统整体污泥的同时，能够稳定的产生电能。
3.本发明通过采用集中的底部污泥收集结构，实现生物阴极型微生物电化学系统中阴阳极室剩余污泥的同时收集。阴阳极污水通过底部增设的集泥斗，也使得阴阳极室在底部连通，污水从阳极室折流进入阴极室，降低系统水头损失。阳极液可直接折流进入阴极，同时采用大孔径多孔材料作为阴阳极分隔介质，利用其在污水浸没和渗透过程中自发产生的微生物及截留物层形成微生物膜分隔介质，截留阳极室的高COD阳极液，以及截留阴极室中的氧气，并能够保持阴阳极室间离子导通。该系统能够对系统污泥进行收集，未增加结构的复杂性，适于构建应用型的生物阴极微生物电化学处理工艺。
附图说明
图1为典型的生物阴极微生物电化学系统。
图2为具有微生物隔膜的生物阴极微生物电化学系统。
图3为系统的水力流向示意图。
图4为带整体污泥收集装置的微生物电化学系统结构图:
a-系统结构图；
b-集泥斗结构图；
c-进水布水堰及出水口结构图；
d-多孔材料及多孔板层结构图。
图5为系统涉及的多模块结构形式：
a-单阴极室单阳极室构型示意图；
b-单阴极室双阳极室构型示意图；
c-双阴极室单阳极室构型示意图；
d-堆栈系统多个集泥斗并联示意图；
e-管式结构俯视图。
图6为系统极化曲线与功率密度曲线图。
图7为出水COD随时间的变化图。
附图标记：1-布水堰，2-阳极室，3-阴极室，4-集泥斗，5-多孔材料，6-多孔板，7-出水口，8-排泥口,9-卡槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所涉及的具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，主要包括使系统均匀布水的布水堰1，阳极室2，阴极室3，集泥斗4，多孔材料5，多孔板6，出水口7，排泥口8。阴阳极室及集泥斗三个区域直接连通，无多余的挡板或导流板，阴阳极室间的分隔材料，直接插入两极室接界处，两侧由多孔板6压合，使用卡槽9固定多孔板6位置，进水通过阳极室上部的布水堰1均匀进入阳极室2，部分通过分隔材料渗流进入阴极，其余部分经过分隔材料底端从阳极折流进入阴极，而后通过阴极上部出水口7流出，阴阳极室中的污泥可直接沉降进入集泥斗4中进行收集，最终通过排泥口8排出系统。
本发明的系统涉及的结构形式：如图5a-e所示
(1)平板式阴/阳极室：①阴阳极室整体状态为平层状结构，但其截面积形态多样，可建为正方形、长方形、梯形等形状以契合污水构筑物结构。②底部污泥收集装置形态多样，契合顶部构筑物可建为正方体、长方体、圆锥体、棱锥体等形状。③系统连续流运行时，污水从阳极室可通过分隔材料渗流进入阴极，也可不通过分隔材料而向下折流后到阴极室，处理后排出系统。④阴极室和阳极室相互平行排列。阳极室对应阴极室的比例可以为1:1，也可以一层阴极匹配多层阳极或者相反。⑤多组阴阳极室共享一个集中污泥收集单元，一个整体的堆栈系统中，可以设置一个或多个污泥收集单元。⑥集中污泥收集单元应至少收集一对阴阳极室所产生的污泥。因此污泥收集单元的个数应小于该堆栈系统中阴阳极室的腔室数。
(2)管式阴/阳极室：①阴/阳极室分别位于多孔材料间隔介质围成的管状结构的内外侧。②污泥收集装置位于阴阳极室的底部，对系统整体的污泥进行收集。
③连续流运行，污水从阳极向阴极一侧渗流或折流。④位于内侧的电极以分隔材料为界呈圆柱状。位于外侧的电极室可以不具有明显的边界。⑤多个分隔介质围成的管状结构可以安装在一个水处理构筑物中。⑥同上集中污泥收集单元，应至少收集一对管状阴阳极室所产生的污泥。
(3)阴阳电极：①二维平面电极、三维多孔电极或碳纤维刷组。②二维平面电极包括碳基平面电极，如碳纤维布、碳纸等；耐腐蚀的金属基电极如不锈钢网、钛网、镍网等。③三维多孔电极包括碳基多孔电极，如碳毡、石墨毡、多孔活性炭、颗粒碳填料、石墨柱等；耐腐蚀金属基电极比如泡沫铜、泡沫铁、泡沫镍等。
④碳纤维刷组由一个或多个碳纤维丝和金属丝共同编制的纤维刷型电极组成。
(4)污泥收集单元：①污泥收集单元一般位于整个系统的底部，阴阳极室的污泥可在重力及水流扰动下沉降进入污泥收集装置。②污泥收集装置形态多样，可建为正方体、长方体、圆锥体、棱锥体等形状以契合污水构筑物结构。③可在污泥收集装置中边壁设置一定的倾斜度，以助于污泥向排泥口收集。④每个集中式污泥收集单元应具有至少一个排泥口。排泥口的设置可位于污泥收集装置的侧面或底端，以便于清空污泥收集单元。
(5)折流点的设置，如图3所示：①污泥收集单元位于整个系统的底部，即从分隔介质的最下方起到污泥收集单元底部即为污水折流与污泥汇集区间。分隔介质的最下方即为折流点。②折流点应距离阳极的最下端以及阴极的曝气位点有一定高度差，从而使阴极曝气点的氧气不会逆折流方向回溯影响阳极的厌氧环境。该高度差范围应不低于5cm。③折流点距离聚集在收集单元中的污泥应当保持一定的高度差，防止阳极流入阴极的污水将污泥携带进入阴极室，导致出水悬浮物(SS)升高以及堵塞。折流点距离最高的污泥收集面间的高度差范围应不低于5cm。④折流点下方污泥最高收集面至污泥收集单元底部的体积为污泥最大收集容量，达到或超过该容量污泥收集单元需要进行污泥排空。
(6)微生物隔膜层基体材料：①大孔径多孔材料基体层包括多孔碳基材料(石墨毡、活性炭毡等)、泡沫金属(如镍铁等)材料、多孔陶瓷、天然丝/人造丝/化纤丝/金属丝纺织品(比如不锈钢网，筛绢，工业滤布，酯无纺布、聚丙烯无纺布、聚酯筛网、聚酰胺筛网)等。②大孔径多孔材料的孔隙范围较大可是0.1μm到5mm；厚度范围可以根据孔径的大小和反应体系的截面积调整，可以是1μm到10cm。③多孔材料层可以是一种或多种多孔材料的复合层。例如两层二氧化锰粉末预涂的工业滤布或不锈钢网或尼龙筛布等中间夹一层碳毡或聚氨酯海绵或三聚氰胺海绵或滕棉或生化棉等共同使用。
(7)基体层的使用方式：①多孔材料层能够(但不必须)经过一定压缩从而减小厚度同时降低空隙率。减小厚度能够减小阴阳极之间的间距降低内阻，一定范围内降低孔隙率则有利于维持溶解氧和有机物梯度，过度降低孔隙率降低分隔材料过流通量(m3m-2h-1)。②基于多孔材料的分隔介质具有一定的过流通量，使得阳极进水仅依靠和阴极室的水头差，可在重力作用下渗流到阴极。③多孔材料层表面修饰：多孔材料层可喷涂浸渍或者沉积高岭土、粘土、陶土、硅藻土等天然物质，以及氧化锆、二氧化锰、铁氧化物等金属氧化物的纳米颗粒或者粉末颗粒，碳纤维、活性炭粉末、碳黑、碳纳米管等碳基纳米颗粒或者粉末颗粒。涂覆物可以使多孔材料层表面更容易附着微生物并截留颗粒污染物形成稳定的微生物隔膜滤层，从而实现其水处理功能(渗流过水，阴阳极离子导通、维持阴阳极室溶解氧和COD梯度)。④多孔材料层两侧需要具有一定机械强度的多孔盖板，保持多孔材料层保持的形态。
(8)微生物隔膜层的驯化：①微生物隔膜层的菌源来源于污水本身，也可以由厌氧或好氧污泥预先在基体层表面形成一层污泥层加速微生物隔膜层的驯化富集。②微生物隔膜层在体系中起到分隔阴阳极的作用，防止阴极的污水渗入阳极，防止阳极的有机物直接渗入阴极。③微生物隔膜层上附有的生物膜脱落后也会进入污泥收集单元中。
实施例：
本实例中所处理的污水水质状况如下：进水为以人工湖积水(COD为35-60mg/L，来源于附近雨水集水和附近楼宇的少量处理后生活污水)作为基底配制的人工配水，添加蔗糖、氯化铵、磷酸二氢钠、酵母膏配置人工生活污水，其COD值约为350mg/L，总氮45-50mg/L，电导率1300-1600μS/cm。所采用的系统结构为：阴阳极各采用两根平行排列的直径为4cm，有效长度为65cm的碳纤维刷作为阴阳电极。
作为阴阳极室分隔材料的大孔径多孔介质复合了两种材料，分为三层，依次为工业滤布-碳毡-工业滤布，分隔材料被压合在中部镂空的有机玻璃板框中，两侧通过多孔有机玻璃板夹紧，有机玻璃板直接插入装置中部，位置由侧面及底部的卡槽固定。该装置阴极室和阳极室内部尺寸均为高788cm长10cm宽5cm，系统总液体容积约10L，其中包括阴阳极室底部污泥收集装置体积约为2L。污水从阳极上部的布水堰均匀进入，部分经过多孔分隔材料层渗流进入阴极室，其余部分从阳极室底部即分隔材料的下端折流进入阴极室，随后从阴极室顶部出水口流出。阴阳极室产生的污泥通过沉降进入污泥收集装置中，待一段时间后，通过集泥斗底部的排泥口排出。
本实施例监测了系统污泥收集量、系统的产电性能以及水处理效能。其中系统污泥收集装置中的污泥通过排泥管排出后，于103±2℃的烘箱中烘干至恒重，称其质量作为系统产泥量。系统的产电性能通过梯度降低电阻的方式测得，先将系统开路2h使其稳定，记录开路电压，接着梯度降低若干外阻阻值(外阻选取510Ω、200Ω、100Ω、50Ω、30Ω、20Ω、10Ω、5Ω)，每个外阻条件下稳定时间大于30min，以获得稳定的输出电压，依据相应电流或输出功率基于分隔材料有效面积计算相应的电流密度或输出功率密度。系统的水处理效能以化学需氧量(COD)的减小来表征，COD的测试采用消解比色法，消解试剂为美国哈希公司生产的COD消解试剂。消解时，用移液枪准确量取2ml样品于消解管中，盖紧盖子并且轻摇混合，放入150℃的消解仪(DRB200，美国)中进行消解，消解完毕后取出冷却至室温于分光光度计(DR3900，美国)中测定。
效果数据：
1.污泥收集
系统污泥收集装置对阴阳极室的污泥进行整体混合收集，其中主要是来自好氧生物阴极脱落的生物膜。在水力停留时间为12h的运行模式下，每隔一段时间，排空污泥收集装置中的污泥，烘干称重得到如下污泥产量：
表1集泥时间与污泥产量关系
2.电能产出效果
图6能够说明在生物阴极型微生物电化学系统底部增设混合收集阴阳极污泥的污泥收集装置，以多孔材料作为分隔介质，系统中存在折流的污水流动模式的条件下，仍能够维持生物阴极微生物电化学系统阳极室和阴极室两侧的COD梯度、溶解氧梯度，并保持两极室的离子导通，从而保证了体系电极间稳定的电流和电压输出。
3.水处理效果
以湖水(COD为35-60mg/L)作为基底配制的进水(COD值约为350mg/L)，在12h的水力停留时间下出水COD基本稳定在50mg/L，实现了良好的污水处理效能，如图7所示。
应当理解的是，这里所讨论的实施方法只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，包括阳极室(2)和阴极室(3)，其特征在于，所述阳极室(2)和阴极室(3)的底部设置有污泥收集装置，所述阳极室(2)、阴极室(3)和污泥收集装置互相连通。
2.根据权利要求1所述的一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，其特征在于，污水从阳极室折流进入阴极室。
3.根据权利要求1所述的一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，其特征在于，所述污泥收集装置的形状与所述阳极室(2)和阴极室(3)的底部形状相契合。
4.根据权利要求3所述的一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，其特征在于，所述污泥收集装置的形状为正方体、长方体、圆锥体或棱锥体中的任一种。
5.根据权利要求1所述的一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，其特征在于，所述污泥收集装置并联设置若干个集泥斗(4)。
6.根据权利要求5所述的一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，其特征在于，所述集泥斗(4)设置有排泥口(8)。
7.根据权利要求1所述的一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，其特征在于，所述污泥收集装置的边壁设置为倾斜。
8.根据权利要求1所述的一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，其特征在于，所述污泥收集装置的深度至少为5cm。
9.根据权利要求1所述的一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，其特征在于，所述阳极室(2)的进水口设置有布水堰(1)。
10.根据权利要求1所述的一种具有整体污泥收集装置的微生物电化学系统，其特征在于，所述阳极室(2)和阴极室(3)包括平板式阴/阳极室或管式阴/阳极室。
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