CN112573667A - 一种基于藻菌共生电化学体系的污水处理装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于藻菌共生电化学体系的污水处理装置及其方法，其采用H型微生物燃料电池构型，阴极室与阳极室通过质子交换膜连接，阳极电极为碳毡材质，表面附着有厌氧微生物膜；阴极电极为钛镀钌铱网状电极，表面附着有微藻生物膜，中部填料附着有好氧生物膜。阴阳极之间设置有电容器，夜间微藻光合作用停止时释放白天储存的电能驱动装置运行，实现污染物的持续、高效去除以及微藻的有效回收。本发明通过耦合藻菌共生体系与微生物燃料电池，同步去除污水中的氮、磷、有机物，具有处理成本低、运行流程简单、能源利用率高的特点，克服了传统污水处理技术耗时、耗电的缺陷以及普通微生物燃料电池产电效率低、处理效能差的问题。

Description

一种基于藻菌共生电化学体系的污水处理装置及其方法

技术领域

本发明属于水污染控制领域，具体涉及一种基于藻菌共生电化学体系的污水处理装置及其方法。

背景技术

针对市政和工业废水处理，目前广泛采用的仍是好氧和厌氧生物处理两种方法。好氧生物处理工艺能量消耗大、运行费用高；传统的厌氧生物处理工艺运行费用低，但处理周期长、能源回收难。微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物体作为催化剂将有机物质及无机物质氧化并产生电能的装置，近年来在废水处理领域展现出较大的应用潜力，主要表现为：可利用有机废物发电、污泥产量少、能量转换效率高、节省曝气等。然而，MFC的工业化应用还面临着产电功率低、缓冲能力弱、处理效能差、阴极易极化、质子交换膜与电极易污染等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，结合厌氧、好氧反应机制，提供一种基于藻菌共生电化学体系的污水处理装置及其方法，能够高效稳定地处理污水中的氮、磷和有机物。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于藻菌共生电化学体系的污水处理装置，其包括阳极室、阴极室和微藻回收装置；

所述阳极室为密闭结构，其上部通过进水管与外部的给水装置相连通，顶部开设有能与外界连通的排气口；阳极室中固定有表面用于附着厌氧微生物膜的阳极电极，内底部设有若干搅拌桨；阳极室通过质子交换膜与透明的阴极室连通；所述阴极室中固定有表面用于附着微藻生物膜的阴极电极，内底部均匀设有曝气装置；所述阴极电极为内部填充若干填料的筒型网状电极，填料用于附着好氧生物膜；所述阳极电极与阴极电极之间通过导线串联有可变电阻与电容器；

所述阴极室的底部通过出水管与微藻回收装置连通；微藻回收装置的底部铺设有滤网，滤网的上方设有离心搅拌器；位于滤网上方的微藻回收装置侧壁上开设有排水口，通过排水管与外部相连通。

作为优选，所述进水管上还设有水泵和进水阀门；阳极室与阴极室之间设有连接阀门，出水管上设有出水阀门。

作为优选，所述阳极电极为碳毡材质。

作为优选，所述厌氧微生物膜为地杆菌或希瓦氏菌。

作为优选，所述阴极室分别与多个阳极室并联连通，以适应不同的水质。

作为优选，所述阴极电极为钛镀钌铱电极。

作为优选，所述阴极室内设有用于监测氧含量的溶氧仪。

作为优选，所述阳极电极与阴极电极之间通过导线连接有数据采集器。

作为优选，所述阴极室的材质为有机玻璃。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述任一污水处理装置处理污水中氮、磷和有机物的方法，具体如下：

1)在所述污水处理装置使用前，将阳极室内的阳极电极上接种经有机废水厌氧处理反应器驯化后的厌氧污泥；将阴极室内的阴极电极表面上接种微藻生物膜，填料上接种好氧微生物膜；通过进水管向阳极室和阴极室内注入待处理的污水，并将阳极室作密封处理；当阳极电极和阴极电极之间的电压及污染物去除率持续稳定后，排空污水处理装置中的污水，完成生物膜的驯化过程；

2)将待处理的污水通过进水管通入阳极室，利用重力作用和搅拌桨的搅拌作用实现污水的充分混匀以及污水与厌氧微生物膜的充分接触；厌氧微生物膜通过厌氧消化作用氧化污水中的有机物，产生的甲烷气体通过排气口排出收集；厌氧微生物膜氧化有机物的同时产生电子和质子，电子通过导线流至阴极电极从而产生电流，质子通过质子交换膜到达阴极室；

3)经阳极室处理后的污水通过质子交换膜进入阴极室，阴极电极表面附着的微藻生物膜利用二氧化碳和污水中的氮和磷进行光合作用产生氧气，合成自身生命体的同时与好氧微生物膜共同构成藻菌共生体系以去除污水中的氮和磷；微藻生物膜产生的氧气为阴极室内的还原反应提供电子，与从阳极室进入的质子结合生成水，驱动阳极电极对有机物的降解过程，产生的电能储存在电容器中；

4)夜间，微藻生物膜的光合作用停止，电容器将白天储存的电能释放，强化夜间藻菌共生体系对污水的处理作用，实现白天-夜间的不间断废水处理；阴极室中硝化作用产生的硝酸盐可代替氧气作为电子受体驱动阳极电极对有机物的降解；当微藻生物膜生命力不足或夜间产能低于目标值时，启动阴极室底部的曝气装置进行曝气充氧作用；

5)经过阴极室处理后的污水进入微藻回收装置，通过离心搅拌器对污水进行离心作用，随后静置使污水中含有的包括微藻在内的杂质分离沉降，杂质被截留在滤网上；

经微藻回收装置处理后的污水从排水管排出，实现污水中氮、磷和有机物的去除过程。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)本发明结合了传统好氧、厌氧生物处理技术的高效去除能力以及藻菌共生净化污水的协同机制，进一步优化了微生物燃料电池的效能，实现同步去除水中的氮、磷、有机物；

2)本发明针对不同有机物浓度的进水，可以通过调整阳极室内的水力停留时间或并联阳极室来实现不同水质有机物的高效去除；

3)本发明通过在阴极、阳极间接有电容器，将白天储存的电能用于强化夜间的藻菌共生电化学体系，实现白天、夜间的不间断高效废水处理；

4)本发明能够通过驯化、接种不同种类的微生物(如可降解抗生素、吸附重金属的细菌等)来实现多种类型污水的处理；

5)本发明能够对生长过量的微藻进行回收，用作生物质能源产品的制造；

6)本发明具有去污效率高、处理流程简单、运行成本低的特点。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的俯视图；

图3为阴极电极的剖面结构示意图；

图中附图标记为：1-进水管，2-水泵，3-进水阀门，4-阳极室，5-阳极电极， 6-厌氧微生物膜，7-搅拌桨，8-质子交换膜，9-连接阀门，10-导线，11-电容器， 12-可变电阻，13-阴极电极，14-微藻生物膜，15-阴极室，16-曝气装置，17-溶氧仪，18-出水管，19-出水阀门，20-排气口，21-数据采集器，22-填料，23-好氧微生物膜，25-微藻回收装置，26-滤网，27-离心搅拌器，28-排水管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1和2所示，为本发明提供的一种基于藻菌共生电化学体系的污水处理装置，该污水处理装置采用H型微生物燃料电池构型，包括厌氧的阳极室4、好氧的阴极室15和用于回收微藻的微藻回收装置25，各组件的具体结构如下：

阳极室4为内部具有腔室的密闭结构，阳极室4的上部开设有进水口，进水口外接进水管1并与外部的给水装置相连通，进水管1上还设有水泵2和进水阀门3，水泵2用于为阳极室4的进水提供动力，进水阀门3用于控制污水进入阳极室4的进水流量。阳极室4的顶部开设有排气口20，通过排气口20的设置能使阳极室4的内部腔室与外界相连通，排气口20上设置有开关阀门，能够控制排气口20的开闭。阳极室4的内部腔室中还固定有阳极电极5，阳极电极5的表面用于附着厌氧微生物膜6，即富集充足的厌氧电活性细菌，如地杆菌、希瓦氏菌等。为了使阳极电极5更好的为微生物提供附着位点，阳极电极5可以采用多孔的碳毡材质，碳毡经过酸处理、热处理后使用，能够增大输出功率。阳极室 4的内底部设有均匀布设有多个搅拌桨7，多个搅拌桨7通过搅拌作用实现污水之间的充分混匀以及污水与微生物之间的有效接触。阳极室4通过质子交换膜8 与阴极室15相连通，阳极室4与阴极室15之间还设有连接阀门9，该连接阀门 9用于控制污水流速来调整污水在阴极室内的水力停留时间。

阴极室15为透明的具有中空腔室的结构，如可以将阴极室15采用有机玻璃制作，从而保证透光、不易腐蚀和绝缘的效果。中空腔室的底部均匀设有曝气装置16，用于为阴极室15内曝气提供氧气。中空腔室内还固定有筒型网状的阴极电极13，阴极电极13的表面用于附着微藻生物膜14。如图3所示，阴极电极 13由钛镀钌铱材质的网状电极构成，其内部中空，中空的内部填充有多个附着有好氧生物膜23的填料22。填料22为多孔的结构，能够增大与好氧微生物的接触面积，形成好氧微生物膜23。本发明采用钛镀钌铱网状电极代替铂做催化剂，能够在保证效果的同时显著降低工业成本。阳极电极5与阴极电极13之间通过导线10串联有可变电阻12与电容器11，为了测定阳极电极5与阴极电极 13之间的电压，以表征本发明的处理装置产能是否稳定，可以在阳极电极5与阴极电极13之间通过导线10连接数据采集器21，通过采集阴、阳极间的电位变化来表征反应产能是否稳定，以实时监控阳极电极5与阴极电极13之间的电压。阴极室15内还可以设有用于监测氧含量的溶氧仪17，若通过溶氧仪17检测到微藻生命力不足或夜间产能过低时，能够启动阴极室15底部的曝气装置16，对阴极室15进行充氧作用。

在实际应用时，阴极室可并联多个厌氧阳极室，以适应多种不同水质，不同的阳极室设置不同水力停留时间，以驯化适应相应水质的厌氧生物膜，为了减小并联有多个阳极室的阴极室的作用负荷，可以根据实际情况改变阴极室和阳极室的大小。

在阴极室15的底部通过出水管18与微藻回收装置25连通，出水管18上设有出水阀门19。微藻回收装置25的底部铺设有滤网26，滤网26的上方设有离心搅拌器27。离心搅拌器27用于对阴极室15的出水进行离心，实现藻、水分离。滤网26用于截留被分离的微藻，通过定期收集滤网26上的微藻实现回收利用。位于滤网26上方的微藻回收装置25侧壁上开设有排水口，通过排水管28 与外部相连通，用于排出经微藻回收装置25处理后的污水。

利用上述污水处理装置处理污水中氮、磷和有机物的方法，具体如下：

1)首先，在污水处理装置使用前，即在反应器启动阶段，将阳极室4内的阳极电极5上接种一定量经有机废水厌氧处理反应器驯化后效能稳定的厌氧污泥，以使其形成厌氧微生物膜6。将阴极室15内的阴极电极13表面上接种处于生长对数期的微藻，以使其在阴极电极13表面上形成微藻生物膜14。在填料22 上接种一定量的好氧微生物，如氧化还原菌、硝化菌、反硝化菌等，以使其在填料22上形成好氧微生物膜23。通过进水管1向阳极室4和阴极室15内注入一定量待处理的污水，并将阳极室4作密封处理。将阳极电极5和阴极电极13连接外电阻12、电容器11后启动反应器，采用数据采集器21监控阳极电极5和阴极电极13之间的电压，当电压稳定在较低水平不变时更换废水，待电压输出、污染物去除率持续稳定后，生物膜驯化完成。随后排空污水处理装置中的污水。

2)将待处理的污水通过水泵2经进水管1通入阳极室4，利用重力作用和搅拌桨7的搅拌作用实现污水之间的充分混匀以及污水与厌氧微生物膜6之间的充分接触。厌氧微生物膜6中富集的厌氧电活性细菌具有氧化有机物的作用，基质被微生物代谢氧化产生电子和质子，电子从阳极通过外部电路流回阴极从而产生电流，质子通过质子交换膜到达阴极，在阴极室中与电子结合生成水。厌氧消化的过程包括水解发酵、产小分子酸、产甲烷，产生的甲烷通过排气口20排出、收集。

3)经阳极室4处理后的污水通过质子交换膜8进入阴极室15，阴极电极13 表面附着的微藻生物膜14利用二氧化碳和污水中的氮和磷进行光合作用产生氧气，合成自身生命体的同时与好氧微生物膜23共同构成藻菌共生体系以去除污水中的氮和磷。

磷在微藻和细菌的代谢中起关键作用，其无机形式如磷酸二氢根和磷酸氢二根可以通过磷酸化合成有机化合物。一些种类的微藻和细菌可以吸收大量磷并将其储存为多磷酸盐。与无机形式类似，有机磷可以与胞外聚合物的官能团结合，吸附到微藻与细菌的表面进一步转化。系统通过氨氮硝化、生物电化学还原硝酸盐、硝酸盐反硝化和微藻同化氨氮等多途径实现了脱氮。微藻产生的氧气为阴极还原反应提供电子，与阳极电极5产生的质子结合成水，驱动阳极电极5的有机物降解过程，产生的电能储存在电容器11中。

4)夜间，微藻生物膜14的光合作用停止，由时间继电器控制的电容器11 将白天储存的电能释放，强化夜间藻菌共生体系对污水的处理作用，实现白天- 夜间的不间断高效废水处理。阴极室15中硝化作用产生的硝酸盐可代替氧气作为电子受体驱动阳极电极5对有机物的降解，也可接受来自阴极的电子进行反硝化脱氮。当微藻生物膜14生命力不足或夜间产能低于目标值时，启动阴极室15 底部的曝气装置16进行曝气充氧作用。

5)经过阴极室15处理后的污水进入微藻回收装置25，当微藻生长过剩时，阴极室15的出水中会含有一定量从电极表面剥落的微藻，通过离心搅拌器27 对污水进行离心作用，随后静置使污水中含有的包括微藻在内的杂质分离沉降，杂质被截留在滤网上26。微藻中含有丰富的蛋白质、碳水化合物、叶绿素、类胡萝卜素、维生素和油脂等，通过定期将过剩生物质(如微藻)回收用作生物饲料、动物饲料以及其他生物质能源产品制造。

经微藻回收装置25处理后的污水从排水管28排出，实现污水中氮、磷和有机物的去除过程。

若进水有机物含量较高，可调节连接阀门9适当延长阳极室4中污水的水力停留时间以提高有机污染物的去除率。必要时，阴极室15可并联多个阳极室以适应多种水质，不同的阳极室4设置不同的水力停留时间、驯化相应水质下的厌氧生物膜6，根据实际情况改变两个电极室的大小。溶氧仪17实时监测阴极室中的氧含量，当反应器启动阶段微藻生命力不足或夜间产能过低时，启动阴极室 15底部的曝气装置16。

本发明通过耦合藻菌共生体系与微生物燃料电池，同步去除污水中的氮、磷和有机物，具有处理成本低、运行流程简单、能源利用率高的特点，克服了传统污水处理技术耗时、耗电的缺陷以及普通微生物燃料电池产电效率低、处理效能差的问题。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于藻菌共生电化学体系的污水处理装置，其特征在于，包括阳极室(4)、阴极室(15)和微藻回收装置(25)；

所述阳极室(4)为密闭结构，其上部通过进水管(1)与外部的给水装置相连通，顶部开设有能与外界连通的排气口(20)；阳极室(4)中固定有表面用于附着厌氧微生物膜(6)的阳极电极(5)，内底部设有若干搅拌桨(7)；阳极室(4)通过质子交换膜(8)与透明的阴极室(15)连通；所述阴极室(15)中固定有表面用于附着微藻生物膜(14)的阴极电极(13)，内底部均匀设有曝气装置(16)；所述阴极电极(13)为内部填充若干填料(22)的筒型网状电极，填料(22)用于附着好氧生物膜(23)；所述阳极电极(5)与阴极电极(13)之间通过导线(10)串联有可变电阻(12)与电容器(11)；

所述阴极室(15)的底部通过出水管(18)与微藻回收装置(25)连通；微藻回收装置(25)的底部铺设有滤网(26)，滤网(26)的上方设有离心搅拌器(27)；位于滤网(26)上方的微藻回收装置(25)侧壁上开设有排水口，通过排水管(28)与外部相连通。

2.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述进水管(1)上还设有水泵(2)和进水阀门(3)；阳极室(4)与阴极室(15)之间设有连接阀门(9)，出水管(18)上设有出水阀门(19)。

3.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述阳极电极(5)为碳毡材质。

4.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述厌氧微生物膜(6)为地杆菌或希瓦氏菌。

5.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述阴极室(15)分别与多个阳极室(4)并联连通，以适应不同的水质。

6.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述阴极电极(13)为钛镀钌铱电极。

7.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述阴极室(15)内设有用于监测氧含量的溶氧仪(17)。

8.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述阳极电极(5)与阴极电极(13)之间通过导线(10)连接有数据采集器(21)。

9.根据权利要求1所述的污水处理装置，其特征在于，所述阴极室(15)的材质为有机玻璃。

10.一种基于权利要求1～9任一所述污水处理装置处理污水中氮、磷和有机物的方法，其特征在于，具体如下：

1)在所述污水处理装置使用前，将阳极室(4)内的阳极电极(5)上接种经有机废水厌氧处理反应器驯化后的厌氧污泥；将阴极室(15)内的阴极电极(13)表面上接种微藻生物膜(14)，填料(22)上接种好氧微生物膜(23)；通过进水管(1)向阳极室(4)和阴极室(15)内注入待处理的污水，并将阳极室(4)作密封处理；当阳极电极(5)和阴极电极(13)之间的电压及污染物去除率持续稳定后，排空污水处理装置中的污水，完成生物膜的驯化过程；

2)将待处理的污水通过进水管(1)通入阳极室(4)，利用重力作用和搅拌桨(7)的搅拌作用实现污水的充分混匀以及污水与厌氧微生物膜(6)的充分接触；厌氧微生物膜(6)通过厌氧消化作用氧化污水中的有机物，产生的甲烷气体通过排气口(20)排出收集；厌氧微生物膜(6)氧化有机物的同时产生电子和质子，电子通过导线(10)流至阴极电极(13)从而产生电流，质子通过质子交换膜(8)到达阴极室(15)；

3)经阳极室(4)处理后的污水通过质子交换膜(8)进入阴极室(15)，阴极电极(13)表面附着的微藻生物膜(14)利用二氧化碳和污水中的氮和磷进行光合作用产生氧气，合成自身生命体的同时与好氧微生物膜(23)共同构成藻菌共生体系以去除污水中的氮和磷；微藻生物膜(14)产生的氧气为阴极室(15)内的还原反应提供电子，与从阳极室(4)进入的质子结合生成水，驱动阳极电极(5)对有机物的降解过程，产生的电能储存在电容器(11)中；

4)夜间，微藻生物膜(14)的光合作用停止，电容器(11)将白天储存的电能释放，强化夜间藻菌共生体系对污水的处理作用，实现白天-夜间的不间断废水处理；阴极室(15)中硝化作用产生的硝酸盐可代替氧气作为电子受体驱动阳极电极(5)对有机物的降解；当微藻生物膜(14)生命力不足或夜间产能低于目标值时，启动阴极室(15)底部的曝气装置(16)进行曝气充氧作用；

5)经过阴极室(15)处理后的污水进入微藻回收装置(25)，通过离心搅拌器(27)对污水进行离心作用，随后静置使污水中含有的包括微藻在内的杂质分离沉降，杂质被截留在滤网上(26)；

经微藻回收装置(25)处理后的污水从排水管(28)排出，实现污水中氮、磷和有机物的去除过程。

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