CN112374605B - 一种微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置 - Google Patents

一种微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置，包括电控模块、污水注入模块、二氧化碳供给模块、微生物燃料电池模块、藻类光合生物反应器、氧气反馈模块和取样模块。本发明研制的微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置，可以对人体排泄物或污水进行净化处理，产生电能，藻类光合生物反应器利用二氧化碳产生人类或动植物需要的氧气；同时氧气可供微生物燃料电池微生物作为补给，而微生物燃料电池产生电能，利用LED光源发光供藻类光合生物系统使用，两个分系统串联循环利用，相得益彰。

Description

一种微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置
技术领域
本发明属于燃料电池的技术领域，具体涉及一种微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置。
背景技术
随着我国城市经济的快速发展，城市规模日益膨胀，城市环境基础设施不足，大量污染物入河，水体中COD氮、磷等污染物浓度超标，河流水体污染严重，出现季节性或终年黑臭水体，生态系统结构严重失衡，影响景观及人类生产和健康，成为目前极为突出的城市水环境问题。
污水中较高的氮元素极易造成水体的富营养化，对环境造成污染，因此对污水进行深度脱氮具有重要的意义。在污水脱氮反硝化过程中需要充足的碳源，碳源的不足会使脱氮的效果受到影响，因此通常需要额外投加碳源来改善污水的碳氮比、优化脱氮条件，从而提高污水的脱氮效果。
微生物燃料电池(MFC)是以酶或阳极微生物作为催化剂，通过其代谢作用降解有机物，实现生物质能转化为电能的装置。MFC以阳极微生物为催化剂催化氧化底物，产生电子、质子和CO2，电子传递到阳极表面并通过外接导线到达阴极，质子由质子交换膜传递到阴极，电子、质子和最终电子受体在阴极相结合被消耗，实现了高效去除污染物的同时产生电能。
而现有的微生物燃料电池转换效率低，且不能实时监测当前微生物燃料电池的作业参数，不能给予微生态物质转化再生技术在轨试验验证提供前期研究基础。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置，其包括包括电控模块、污水注入模块、二氧化碳供给模块、微生物燃料电池模块、藻类光合生物反应器、氧气反馈模块和取样模块；
污水注入模块与微生物燃料电池模块连通，二氧化碳供给模块与藻类光合生物反应器连通；微生物燃料电池模块与藻类光合生物反应器连通，且在微生物燃料电池模块与藻类光合生物反应器之间设置光照系统；藻类光合生物反应器通过氧气反馈模块与微生物燃料电池模块的进气端连通。
优选地，微生物燃料电池模块包括若干从上至下依次排列的微生物燃料电池；燃料电池上安装压力传感器和电池测量系统；燃料电池外部安装相机和光照系统。
优选地，光照系统包括若干阵列的LED。
优选地，污水注入模块包括污水储袋，污水储袋与微生物燃料电池模块之间连接的管路上安装电磁阀和水泵。
优选地，二氧化碳供给模块包括二氧化碳气罐；二氧化碳气罐与藻类光合生物反应器之间连通的管路上依次安装调压阀、流量计、电磁阀和脱气膜。
优选地，氧气反馈模块包括氧气反馈管路，氧气反馈管路上安装与脱气膜连通的电磁阀、真空泵、电磁阀和空气过滤器。
优选地，取样模块包括水质传感器、藻类水质取样器和污水处理水质取样器；水质传感器安装于微生物燃料电池连通的管路上，藻类水质取样器通过电池阀、隔膜泵和固液过滤器与藻类光合生物反应器连通。
优选地，污水处理水质取样器安装于微生物燃料电池和藻类光合生物反应器之间连通的管路上；藻类光合生物反应器内安装溶解氧传感器和pH传感器。
优选地，电控模块包括电源模块、控制模块和数据采集模块。
一种微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置的控制方法，包括：
开启污水储袋管路上的电磁阀，启动水泵，将污水泵入生物燃料电池，同时开启光照系统；
开启微生物燃料电池内循环管路水泵，使微生物燃料电池系统的污水循环流动，同时通过水质取传感器实时监测水质处理情况；
待微生物燃料电池处理完后，开启微生物燃料电池和藻类光合生物反应器之间的水泵以及水质取样管路中的电磁阀，将净化后的污水收集到污水处理水质取样器中；
开启微生物燃料电池和藻类光合生物反应器之间的水泵和电磁阀，将污水泵入藻类光合生物反应器；同时，开启污水管路，泵入新的污水到微生物燃料电池容器内；
开启二氧化碳管路上的电磁阀，将二氧化碳气罐中的二氧化碳通过脱气膜导入藻类光合生物反应器；
控制光照系统，一天内开启16小时，关闭8小时；
藻类光合生物反应器中的溶解氧传感器和pH传感器实时监测反应器中液体的溶解氧和pH值；
若溶解氧大于12mg/L时，启动氧气反馈管路，利用真空泵将反应器中的气体通过脱气膜抽入到微生物燃料电池；
若溶解氧小于3mg/L时，则开启光照系统，直至溶解氧大于6mg/L时关闭LED光源，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
若pH值大于8.5，持续充入二氧化碳；
若pH值小于6，则强制关闭光照系统，当pH值大于6时，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
当二氧化碳使用完毕，即pH值不能调节时，开启藻类取样管路，利用隔膜泵将藻类反应器中的液体泵入到藻类水质取样器，同时通过固液过滤器滤网获得藻类，完成藻类和水质的取样；
当完成藻类取样后，关闭整个系统。
本发明提供的微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置，具有以下有益效果：
本发明研制的微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置，可以对人体排泄物或污水进行净化处理，产生电能，藻类光合生物反应器利用二氧化碳产生人类或动植物需要的氧气；同时氧气可供微生物燃料电池微生物作为补给，而微生物燃料电池产生电能，利用LED光源发光供藻类光合生物系统使用，两个分系统串联循环利用，相得益彰。
附图说明
图1为本装置流体原理图。
图2为试验装置系统工作原理图。
图3为电控模块控制框图。
其中，1、污水储袋；2、生物燃料电池；3、隔膜泵；4、水质传感器；5、固液过滤器；6、隔膜泵；7、电磁阀；8、燃料电池出水样品收集器；9、电磁阀；10、藻类光合生物反应器；11、溶解氧传感器；12、脱气膜；13、电磁阀；14、压力阀；15、二氧化碳气罐；16、电磁阀；17、真空泵；18、电磁阀；19、空气过滤器；20、固液过滤器；21、隔膜泵；22、电磁阀；23、出水样品收集器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1-图3，本方案的微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置，包括电控模块、污水注入模块、二氧化碳供给模块、微生物燃料电池模块、藻类光合生物反应器、氧气反馈模块和取样模块。
其中，污水注入模块与微生物燃料电池模块连通，二氧化碳供给模块与藻类光合生物反应器连通；微生物燃料电池模块与藻类光合生物反应器连通，且在微生物燃料电池模块与藻类光合生物反应器之间设置光照系统；藻类光合生物反应器通过氧气反馈模块与微生物燃料电池模块进气端连通。
微生物燃料电池模块包括若干从上至下依次排列的微生物燃料电池2，微生物燃料电池2上安装压力传感器和电池测量系统，微生物燃料电池2外部安装相机和光照系统。
光照系统包括若干阵列的LED，用于为微生物燃料电池2和藻类光合生物反应器10提供光源。
污水注入模块包括污水储袋1，污水储袋1与微生物燃料电池模块之间连接的管路上安装电磁阀和水泵，通过电磁阀和水泵的配合，将污水泵入微生物燃料电池2内。
其中，微生物燃料电池2可以对人体排泄物或污水进行净化处理，并在处理过程中产生电能，而产生的电能可以为LED提供电能。
微生物燃料电池2与污水循环管路连通，用于将污水泵入微生物燃料电池2内，循环使用。
二氧化碳供给模块包括二氧化碳气罐15，二氧化碳气罐15与藻类光合生物反应器10之间连通的管路上依次安装调压阀14、流量计、电磁阀13和脱气膜12。
通过调压阀14、电磁阀13和脱气膜12的配合，将二氧化碳导入藻类光合生物反应器10，为藻类光合生物光合作用提供必要的二氧化碳。
流量计和调压阀14的配合可实时控制导入二氧化塘的量。
氧气反馈模块包括氧气反馈管路，氧气反馈管路上安装与脱气膜连通的电磁阀16、真空泵17、电磁阀18和空气过滤器19。用于将藻类光合生物反应器10产生的氧气导入微生物燃料电池模块内。
取样模块包括水质传感器、藻类水质取样器23和污水处理水质取样器8。
微生物燃料电池2上安装水质传感器4，可间隔一定时间对污水水质取样检测。
藻类光合生物反应器10内安装溶解氧传感器11和pH传感器，用于检测溶解氧的浓度和当前反应器内的pH值。
藻类光合生物反应器10利用二氧化碳和光能产生人类或动植物需要的氧气；同时氧气可供微生物燃料电池2呢微生物作为补给，而微生物燃料电池产生电能2产生的电能供LED发光，LED光源发光供藻类光合生物系统使用，两个分系统串联循环利用，相得益彰。
藻类水质取样器23通过电池阀22、隔膜泵21和固液过滤器20与藻类光合生物反应器10连通，用于对藻类光合生物反应器10内的水质进行检测。
污水处理水质取样器8安装于微生物燃料电池2和藻类光合生物反应器10之间连通的管路上，通过电磁阀7控制管路的启闭，检测微生物燃料电池2内排出的污水的水质。
电控模块包括电源模块、控制模块和数据采集模块。
控制模块采用PLC(西门子S7-200SMART ST20CPU)做中央处理器，通过模拟量输入模块(EM-AE04)采集当前0-5V电池电压和流量计流量，通过串口RS485采集水质和气体压力，实现实时检测当前系统的各种数据。
并且通过PLC输出控制继电器通断，进而实现控制真空泵、水泵和各个电磁阀门。通过上位机实现在线控制各个电磁阀的单独启停、LED照明亮度调节、电池发电点灯、实时数据在线保存，通过相机在线观看当前设备状态。
数据采集模式：数据分别通过PLC模拟量模块和串口RS485采集各个模拟量数据。
照明控制：通过上位机实现对照明调度的调节，通过继电器控制4种挡位。
点灯控制：当电池产生电压在3.3V-5V时，通过上位机按钮控制LOGO灯亮，实现确认设备正在产电，如果上位机点亮按钮点了后LOGO灯没亮，说明没有产电。
电源模块，采用适配器提供24V电压，用于提供给电磁阀、PLC、模拟量变送器电源，通过24V降压器降压到12V，提供给隔膜泵、真空泵和LED灯电源，如供电时28V，则采用24V-32V稳压模块输出24V直流电。
根据本申请的一个实施例，一种微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置的控制方法，包括：
开启污水储袋管路上的电磁阀，启动水泵，将污水泵入生物燃料电池，同时开启光照系统；
开启微生物燃料电池内循环管路水泵，使微生物燃料电池系统的污水循环流动，同时通过水质取传感器实时监测水质处理情况；
待微生物燃料电池处理完后，开启微生物燃料电池和藻类光合生物反应器之间的水泵以及水质取样管路中的电磁阀，将净化后的污水收集到污水处理水质取样器中；
开启微生物燃料电池和藻类光合生物反应器之间的水泵和电磁阀，将污水泵入藻类光合生物反应器；同时，开启污水管路，泵入新的污水到微生物燃料电池容器内；
开启二氧化碳管路上的电磁阀，将二氧化碳气罐中的二氧化碳通过脱气膜导入藻类光合生物反应器；
控制光照系统，一天内开启16小时，关闭8小时；
藻类光合生物反应器中的溶解氧传感器和pH传感器实时监测反应器中液体的溶解氧和pH值；
若溶解氧大于12mg/L时，启动氧气反馈管路，利用真空泵将反应器中的气体通过脱气膜抽入到微生物燃料电池；
若溶解氧小于3mg/L时，则开启光照系统，直至溶解氧大于6mg/L时关闭LED光源，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
若pH值大于8.5，持续充入二氧化碳；
若pH值小于6，则强制关闭光照系统，当pH值大于6时，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
当二氧化碳使用完毕，即pH值不能调节时，开启藻类取样管路，利用隔膜泵将藻类反应器中的液体泵入到藻类水质取样器，同时通过固液过滤器滤网获得藻类，完成藻类和水质的取样；
当完成藻类取样后，关闭整个系统。
本发明研制的微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置，可以对人体排泄物或污水进行净化处理，产生电能，藻类光合生物反应器利用二氧化碳产生人类或动植物需要的氧气；同时氧气可供微生物燃料电池微生物作为补给，而微生物燃料电池产生电能，利用LED光源发光供藻类光合生物系统使用，两个分系统串联循环利用，相得益彰。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (1)

1.一种微生物燃料电池和藻类光合生物系统串联试验装置的控制方法，其特征在于，试验装置包括电控模块、污水注入模块、二氧化碳供给模块、微生物燃料电池模块、藻类光合生物反应器、氧气反馈模块和取样模块；
所述污水注入模块与微生物燃料电池模块连通，二氧化碳供给模块与藻类光合生物反应器连通；所述微生物燃料电池模块与藻类光合生物反应器连通，且在微生物燃料电池模块与藻类光合生物反应器之间设置光照系统；所述藻类光合生物反应器通过氧气反馈模块与微生物燃料电池模块的进气端连通；
所述微生物燃料电池模块包括若干从上至下依次排列的微生物燃料电池；所述微生物燃料电池上安装压力传感器和电池测量系统；所述微生物燃料电池外部安装相机和光照系统；
所述光照系统包括若干阵列的LED；
所述污水注入模块包括污水储袋，污水储袋与微生物燃料电池模块之间连接的管路上安装电磁阀和水泵；
所述二氧化碳供给模块包括二氧化碳气罐；所述二氧化碳气罐与藻类光合生物反应器之间连通的管路上依次安装调压阀、流量计、电磁阀和脱气膜；
所述氧气反馈模块包括氧气反馈管路，氧气反馈管路上安装与脱气膜连通的电磁阀、真空泵、电磁阀和空气过滤器；
所述取样模块包括水质传感器、藻类水质取样器和污水处理水质取样器；所述水质传感器安装于微生物燃料电池的内循环管路上，所述藻类水质取样器通过电磁阀、隔膜泵和固液过滤器与藻类光合生物反应器连通；
所述污水处理水质取样器安装于微生物燃料电池和藻类光合生物反应器之间连通的管路上；所述藻类光合生物反应器内安装溶解氧传感器和pH传感器；
所述电控模块包括电源模块、控制模块和数据采集模块；
试验控制方法，包括以下步骤：
开启污水储袋管路上的电磁阀，启动水泵，将污水泵入微生物燃料电池，同时开启光照系统；
开启微生物燃料电池内循环管路水泵，使微生物燃料电池系统的污水循环流动，同时通过水质传感器实时监测水质处理情况；
待微生物燃料电池处理完后，开启微生物燃料电池和藻类光合生物反应器之间的水泵以及水质取样管路中的电磁阀，将净化后的污水收集到污水处理水质取样器中；
开启微生物燃料电池和藻类光合生物反应器之间的水泵和电磁阀，将污水泵入藻类光合生物反应器；同时，开启污水管路，泵入新的污水到微生物燃料电池容器内；
开启二氧化碳管路上的电磁阀，将二氧化碳气罐中的二氧化碳通过脱气膜导入藻类光合生物反应器；
控制光照系统，一天内开启16小时，关闭8小时；
藻类光合生物反应器中的溶解氧传感器和pH传感器实时监测反应器中液体的溶解氧和pH值；
若溶解氧大于12mg/L时，启动氧气反馈管路，利用真空泵将反应器中的气体通过脱气膜抽入到微生物燃料电池；
若溶解氧小于3mg/L时，则开启光照系统，直至溶解氧大于6mg/L时关闭LED光源，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
若pH值大于8.5，持续充入二氧化碳；
若pH值小于6，则强制关闭光照系统，当pH值大于6时，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
当二氧化碳使用完毕，即pH值不能调节时，开启藻类取样管路，利用隔膜泵将藻类反应器中的液体泵入到藻类水质取样器，同时通过固液过滤器滤网获得藻类，完成藻类和水质的取样；
当完成藻类取样后，关闭整个系统。
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