CN112419862B - 微生物燃料电池和藻类光合生物耦合物质转化试验装置 - Google Patents

微生物燃料电池和藻类光合生物耦合物质转化试验装置 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耦合物质转化试验装置，包括反应器内循环模块、与反应器内循环模块连通的污水供给模块、二氧化碳供给模块、气体控压取样模块、藻类/水质取样检测模块，以及用于控制反应器内循环模块作业的电控模块。本发明研制的先进微生态物质转化再生试验装置，开展人体排泄物生物处理/物质转化、藻类污水处理、二氧化碳‑氧气转化/生物质再生等核心功能的试验验证，为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，且采用模块化设计思想，将同类型和同功能的元器件设置在一起，便于组装和检修。

Description

微生物燃料电池和藻类光合生物耦合物质转化试验装置
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耦合物质转化试验装置。
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耦合物质转化试验装置，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耦合物质转化试验装置，其包括反应器内循环模块、与反应器内循环模块连通的污水供给模块、二氧化碳供给模块、气体控压取样模块、藻类/水质取样检测模块，以及用于控制反应器内循环模块作业的电控模块。
优选地，反应器内循环模块包括反应器液池，反应器液池内布设若干个微生物燃料电池，且在反应器液池内放置若干藻类微生物，位于反应器液池上方设置电池组电极接线盒，反应器液池侧面安装光照系统，另一侧面安装相机；反应器液池内安装压力传感器。
优选地，微生物燃料电池呈S型排列、布设于反应器液池内。
优选地，反应器液池采用U型通道，容积约2升，并与内部循环管路连通。
优选地，光照系统包括若干阵列的LED。
优选地，电控模块包括依次连接的电源模块、控制模块和数据采集模块；数据采集模块分别与相机、压力传感器、电池测量系统、pH值传感器、溶解氧传感器和光照系统连接。
优选地，污水供给模块包括污水储袋，污水储袋与反应器液池之间的连通管路上依次安装电磁阀和水泵；二氧化碳供给模块包括二氧化碳气罐，二氧化碳气罐与反应器液池之间的连通管路上依次安装流量计、电磁阀和膜接触器。
优选地，气体控压取样模块包括气体取样袋；所述气体取样袋通过膜接触器与反应器液池连通；反应器液池通过膜接触器、电磁阀、真空泵、气体处理器、真空泵、电磁阀和膜接触器实现二氧化碳的循环流动。
优选地，藻类/水质取样检测模块包括藻类取样器，藻类取样器依次与电磁阀、水质传感器和水泵连通。
一种微生物燃料电池和藻类光合生物耦合物质转化试验装置的控制方法，包括：
开启污水管路上的电磁阀，将污水储袋的污水泵入反应器液池；
开启二氧化碳管路上的电磁阀，将二氧化碳气罐中部分二氧化碳导入反应器液池；
控制开启LED光源，反应器液池内微生物反应，并控制LED光源开启16小时，关闭8小时的照射周期；
待反应器液池反应，启动内循环光路，系统循环运行，同时实时间隔采样、检测反应器内溶解氧、pH值、温度和产电量；
若水质传感器检测到水里的溶解氧大于11mg/L时，启动气体处理器，将反应器中的气体抽入到气体处理袋中；
若水质传感器检测到水里的溶解氧小于4mg/L时，则开启LED光源，直至溶解氧大于4mg/L时关闭LED光源，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
若水质传感器检测到PH值大于8，持续充入二氧化碳；
若水质传感器检测到PH值小于6，则关闭LED光源，当PH值大于6时，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
当二氧化碳气罐中的二氧化碳使用完毕时，则控制回流管道中的电磁阀开启，将二氧化碳再利用管路导入反应器液池内，调节pH值；
当二氧化碳使用完毕，即pH值不能调节时，关闭LED光源，并将所有管路中的电磁阀关闭。
本发明提供的微生物燃料电池和藻类光合生物耦合物质转化试验装置，具有以下有益效果：
本发明拟研制先进微生态物质转化再生试验装置，开展人体排泄物生物处理/物质转化、藻类污水处理、二氧化碳-氧气转化/生物质再生等核心功能的试验验证，为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。
本发明采用模块化设计思想，将同类型和同功能的元器件设置在一起，便于组装和检修。
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为试验装置三维模型图。
图4为反应器液池图。
图5为生物燃料电池排列图。
图6为电控模块控制框图。
其中，1、污水储袋；2、6、13、15、17、20、21、23——电磁阀；3、11、25、水泵；4、二氧化碳气罐；5、流量计；7、反应器液池；8、pH值传感器；9、溶解氧传感器；10、12、膜接触器；14、19、真空泵；16、气体取样袋；18、气体处理器；22、藻类取样器；24、水质传感器；26、压力传感器；27、电控模块。
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，本方案的微生物燃料电池和藻类光合生物耦合物质转化试验装置，包括反应器内循环模块、与反应器内循环模块连通的污水供给模块、二氧化碳供给模块、气体控压取样模块、藻类/水质取样检测模块，以及用于控制反应器内循环模块作业的电控模块27。
以下将对上述各个模块进行详细说明
反应器内循环模块包括反应器液池7，反应器液池7内布设若干个微生物燃料电池，且在反应器液池7内放置若干藻类微生物，位于反应器液池7上方设置电池组电极接线盒，反应器液池7侧面安装光照系统，用于提供光源，另一侧面安装相机，用于实现对反应器液池7内的监督，反应器液池7安装压力传感器26。
其中，反应器液池7采用U型通道，容积约2升，并与内循环管路连通，实现反应器内物质循环流动。
设计微生物燃料电池组，电池组由若干微生物燃料电池S型排列构成，可充分发挥微生物燃料电池的污水处理能力和产电效能。
电池组电极接线盒位于反应器液池7上方，便于电化学性能检测。反应器液池7的光照系统由阵列的LED等构成，该光照系统可通过改变光照强度和时长，为反应器液池7中的微生物提供所需的光能。
电控模块27包括依次连接的电源模块、控制模块和数据采集模块；数据采集模块分别与相机、压力传感器26、电池测量系统、pH值传感器8、溶解氧传感器9和光照系统连接。
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5流量，通过串口RS485采集溶解氧、PH值和气体压力，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19和各个电磁阀门。通过上位机实现在线控制各个电磁阀门的单独启停、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19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。
污水供给模块包括污水储袋1，污水储袋1与反应器液池7之间的连通管路上依次安装电磁阀2和水泵3，用于将污水储袋1内的污水泵入反应器液池7内。
二氧化碳供给模块包括二氧化碳气罐4，二氧化碳气罐4与反应器液池7之间的连通管路上依次安装流量计5、电磁阀6和膜接触器12；用于将二氧化碳导入反应器液池7内。
流量计5用于实时监控导入的二氧化碳的量。
气体控压取样模块包括气体取样袋16，反应器液池7通过膜接触器12、电磁阀、真空泵19、电磁阀和气体取样袋16，实现气体的控压取样。
当反应器液池7内二氧化碳不足时，可通过气体处理器18、真空泵19、电磁阀、膜接触器再利用二氧化碳，将其导入反应器液池7内再次使用。
即反应器液池7通过膜接触器、电磁阀、真空泵19、气体处理器18、真空泵19、电磁阀和膜接触器实现二氧化碳的循环流动。
藻类/水质取样检测模块包括藻类取样器22，藻类取样器22依次与电磁阀、水质传感器24和水泵连通。
藻类取样器22用于实现藻类微生物的取样，水质传感器24用于检测当前水质。
本实施例涉及的参数为：
反应器液池7容积2L；
CO2质量10～20克，最大压力控制为0.2Mpa；
隔膜泵流速20-200mL/min；
真空泵190～1L/min；
产电能力：电压3～5V，电流20～200mA；
PH值0～14检测；
溶解氧0～20mg/L；
光照强度1500-3500流明；
整个装置工作温度20～30℃，优选25℃；
系统功率50～100W；
流量计50～100mL/min；
COD去除率≥55％，氨氮、总氮等去除率≥60％；
产氧性能：0.6-1.2g/g(DWmass)；
产电性能：功率密度≥300mW/m3；
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耦合物质转化试验装置的控制方法，包括：
开启污水管路上的电磁阀，将污水储袋1的污水泵入反应器液池7；
开启二氧化碳管路上的电磁阀，将二氧化碳气罐4中部分二氧化碳导入反应器液池7；
控制开启LED光源，反应器液池7内微生物反应，并控制LED光源开启16小时，关闭8小时的照射周期；
待反应器液池7反应，启动内循环光路，系统循环运行，同时实时间隔采样、检测反应器内溶解氧、pH值、温度和产电量，间隔采样，时间可设定，初始间隔时间定为2分钟采集1次；
若水质传感器24检测到水里的溶解氧大于11mg/L时，启动气体处理器18，将反应器中的气体抽入到气体处理袋中；
若水质传感器24检测到水里的溶解氧小于4mg/L时，则开启LED光源，直至溶解氧大于4mg/L时关闭LED光源，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
若水质传感器24检测到PH值大于8，持续充入二氧化碳；
若水质传感器24检测到PH值小于6，则关闭LED光源，当PH值大于6时，继续开启16小时，8小时关闭的周期照射；
当需要取藻类样品时，手动按钮开启取藻按钮，启动藻类取样管路，实施取藻；
当需要取气体样品时，手动按钮开启取气体取样按钮，启动气体取样管路，实施取样；
由于污水为一次性的，当泵入污水后，即不予理会，但是二氧化碳是通过流量计5记录的，当二氧化碳气罐4中的二氧化碳使用完毕时，则控制回流管道中的电磁阀开启，将二氧化碳再利用管路导入反应器液池7内，调节pH值；
当二氧化碳使用完毕，即pH值不能调节时，关闭LED光源，并将所有管路中的电磁阀关闭。
本发明可开展人体排泄物生物处理/物质转化、藻类污水处理、二氧化碳-氧气转化/生物质再生等核心功能的试验验证，为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。且采用模块化设计思想，将同类型和同功能的元器件设置在一起，便于组装和检修。
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耦合物质转化试验装置的控制方法，其特征在于，试验装置包括：
反应器内循环模块、与反应器内循环模块连通的污水供给模块、二氧化碳供给模块、气体控压取样模块、藻类/水质取样检测模块，以及用于控制反应器内循环模块作业的电控模块；
所述反应器内循环模块包括反应器液池，反应器液池内布设若干个微生物燃料电池，且在反应器液池内放置若干藻类微生物，位于反应器液池上方设置电池组电极接线盒，反应器液池侧面安装光照系统，另一侧面安装相机，反应器液池内安装压力传感器；
所述微生物燃料电池呈S型排列、布设于反应器液池内；
所述反应器液池采用U型通道，并与内部循环管路连通；
所述光照系统包括若干阵列的LED；
所述电控模块包括依次连接的电源模块、控制模块和数据采集模块；所述数据采集模块分别与相机、压力传感器、电池测量系统、pH值传感器、溶解氧传感器和光照系统连接；
所述污水供给模块包括污水储袋，污水储袋与反应器液池之间的连通管路上依次安装电磁阀和水泵；所述二氧化碳供给模块包括二氧化碳气罐，二氧化碳气罐与反应器液池之间的连通管路上依次安装流量计、电磁阀和膜接触器；
所述气体控压取样模块包括气体取样袋；所述气体取样袋通过膜接触器与反应器液池连通；所述反应器液池通过膜接触器、电磁阀、真空泵、气体处理器、真空泵、电磁阀和膜接触器实现二氧化碳的循环流动；
藻类/水质取样检测模块包括藻类取样器，所述藻类取样器依次与电磁阀、水质传感器和水泵连通；
采用模块化设计思想，将同类型和同功能的元器件设置在一起，便于组装和检修；
反应器液池容积2L；
CO2质量10～20克，最大压力控制为0.2Mpa；
隔膜泵流速20-200mL/min；
真空泵190～1L/min；
产电能力：电压3～5V，电流20～200mA；
PH值0～14检测；
溶解氧0～20mg/L；
光照强度1500-3500流明；
整个装置工作温度20～30℃；
系统功率50～100W；
流量计50～100mL/min；
总氮去除率≥60％；
产氧性能：0.6-1.2g/g(DWmass)；
产电性能：功率密度≥300mW/m3；
方法包括：
开启污水管路上的电磁阀，将污水储袋的污水泵入反应器液池；
开启二氧化碳管路上的电磁阀，将二氧化碳气罐中部分二氧化碳导入反应器液池；
控制开启LED光源，反应器液池内微生物反应，并控制LED光源开启16小时，关闭8小时的照射周期；
待反应器液池反应，启动内循环光路，系统循环运行，同时实时间隔采样、检测反应器内溶解氧、pH值、温度和产电量；
若水质传感器检测到水里的溶解氧大于11mg/L时，启动气体处理器，将反应器中的气体抽入到气体处理袋中；
若水质传感器检测到水里的溶解氧小于4mg/L时，则开启LED光源，直至溶解氧大于4mg/L时关闭LED光源，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
若水质传感器检测到PH值大于8，持续充入二氧化碳；
若水质传感器检测到PH值小于6，则关闭LED光源，当PH值大于6时，继续开启16小时，关闭8小时的周期照射；
当二氧化碳气罐中的二氧化碳使用完毕时，则控制回流管道中的电磁阀开启，将二氧化碳再利用管路导入反应器液池内，调节pH值；
当二氧化碳使用完毕，即pH值不能调节时，关闭LED光源，并将所有管路中的电磁阀关闭。
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