CN112979058A - 基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置及方法，属于污水处理设备技术领域，包括多个废水预处理罐、废水处理池、电压采集卡以及控制器；废水预处理罐通过电磁阀连通废水处理池，电压采集卡用于采集微生物燃料电池的输出电压作为参考电压，并发送给所述控制器；控制器根据参考电压控制电磁阀的开合度，调节流入废水处理池的废水流量，从而控制废水处理池内微生物燃料电池的输出电压的稳定输出。本发明利用流化床结构提高了微生物燃料电池的阳极反应效率，提高了污水处理效果；通过调整两个进料罐的阀门改变进料浓度，进而实现微生物燃料电池的电压的稳定输出。

Description

基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及污水处理设备技术领域，具体涉及一种基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置及方法。
背景技术
微生物燃料电池本身作为一种新型能源。阳极室的厌氧微生物可以处理生活污水以及生产废水，同时不会再产生一些有害物质。处理过程中，阳极电子通过外部电路到达阴极，和阴极的氢离子及氧气结合生成水。在工业废水处理时，面对大量的废水，在阴极提供足够的氧气是非常重要的，一方面是为了提高COD去除率，另一方面保证了微生物的活性，这是系统能够持续运行的关键。为了提高产电效率，各种微生物燃料电池的构型不断提出，流化床微生物燃料电池模型就能有效提高产电效率。
微生物燃料电池广泛应用于废水处理，新能源和水质检测等领域，但是其产电水平较低，同时，其使用厌氧微生物作为催化剂，导致产电水平受温度、PH等多种外界因素的影响，难以保证电压的稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过有效的控制实现电压稳定输出的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置及方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，包括：多个废水预处理罐、废水处理池、电压采集卡以及控制器；
所述废水预处理罐通过电磁阀连通所述废水处理池，所述电压采集卡用于采集所述微生物燃料电池的输出电压作为参考电压，并发送给所述控制器；
所述控制器根据参考电压控制电磁阀的开合度，调节流入废水处理池的废水流量，从而控制废水处理池内微生物燃料电池的输出电压的稳定输出。
优选的，所述废水处理池的底部设有电池阳极，所述电池阳极的上方设有的电池阴极，所述电池阳极和所述电池阴极通过外部电路连接，所述外部电路连接外接电阻，所述电压采集卡的两端分别连接所述电池阳极和所述电池阴极。
优选的，所述电池阳极为流化床结构，所述流化床结构包含有带有厌氧微生物的碳颗粒。
优选的，所述预处理罐和所述电磁阀之间的管道上设有滤网。
优选的，所述废水处理池的顶部设有污水出口。
优选的，所述预处理罐的底部设有污泥排出口。
优选的，所述预处理罐的数量为两个，分别为第一预处理罐和第二预处理罐，第一预处理罐和废水处理池间的电磁阀为第一电磁阀，第二预处理罐和废水处理池间的电磁阀为第二电磁阀。
第二方面，本发明提供一种基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理方法，包括：
将啤酒酿造过程中产生的含有不同有机物含量的废水分别收集入不同的预处理罐中，对预处理罐中的废水进行酸化、沉降和过滤预处理；
预处理后的废水通过电磁阀进入废水处理池的底部，带有厌氧微生物的碳颗粒的电池阳极产生电子和氢离子，电子通过外部电路到达电池阴极产生电流；
电压采集卡采集微生物燃料电池的电压作为参考电压并输出给控制器，控制器根据参考电压，采用滑模控制调整不同预处理罐的电磁阀的开合度，控制不同预处理罐流入废水处理池的废水的流量，实现微生物燃料电池电压的稳定输出。
优选的，在滑模控制中，滑模面设计为：S＝ce+e′；
其中，S表示滑模面，c表示大于0的适应常数，e表示跟踪误差，e′表示跟踪误差导数。
定义李雅普诺夫函数：
Figure BDA0002932187180000031
其中，V表示Lyapunov(李雅普诺夫)函数；
则：V′＝S×S′；其中，V′表示李雅普诺夫函数的导数，S′表示滑模面的导数，即：
V′＝c2ee′+cee″+ce′2+e′e″；其中，e″表示跟踪误差的二阶导数。
为了保证V′≤0，则S＝-S′，得到控制输出U。
优选的，在得到控制输出U后，建立U和电磁阀的对应关系；
设置U的上界为Umax，U的下界为Umin，将在上界和下界之间的数值均分100等份，由低到高分别计为1～100；
设置第一电磁阀和第二电磁阀的开合度为1～100，100表示开度最大，当第一电磁阀的开合度为1，第二电磁阀的开合度为100时，控制输出指令计为1；当第一电磁阀的开合度为100，第二电磁阀的开合度为1时，控制输出指令计为100；
以此类推，在控制器的控制输出指令与第一电磁阀、第二电磁阀之间建立一一对应关系。
本发明有益效果：利用流化床结构提高了微生物燃料电池的阳极反应效率，提高了污水处理效果；通过调整两个进料罐的阀门改变进料浓度，进而实现微生物燃料电池的电压的稳定输出。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置结构图。
图2为本发明实施例所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理方法流程图。
图3为本发明实施例所述的滑模控制流程图。
图4为本发明实施例所述的输出控制指令和阀门开合度变化示意图。
其中：1-废水处理池；2-电压采集卡；3-控制器；4-电池阳极；5-电池阴极；6-外接电阻；7-滤网；8-污水出口；9-排出口；10-第一预处理罐；11-第二预处理罐；12-第一电磁阀；13-第二电磁阀；14-第一阀门；15-第二阀门。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供了一种基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，包括：多个废水预处理罐、废水处理池1、电压采集卡2以及控制器3；
所述废水预处理罐通过电磁阀连通所述废水处理池1，所述电压采集卡2用于采集所述微生物燃料电池的输出电压作为参考电压，并发送给所述控制器3；所述控制器3根据参考电压控制电磁阀的开合度，调节流入废水处理池1的废水流量，从而控制废水处理池内微生物燃料电池的输出电压的稳定输出。
在本实施例1中，所述废水处理池1的底部设有电池阳极4，所述电池阳极4的上方设有的电池阴极5，所述电池阳极4和所述电池阴极5通过外部电路连接，所述外部电路串联有外接电阻6，所述电压采集卡2的两端分别连接所述电池阳极4和所述电池阴极5。
在本实施例1中，所述电池阳极4为流化床结构，所述流化床结构包含有带有厌氧微生物的碳颗粒。所述预处理罐和所述电磁阀之间的管道上设有滤网7。所述废水处理池1的顶部设有污水出口8。所述预处理罐的底部设有污泥排出口9。
在本实施例1中，所述预处理罐的数量为两个，分别为第一预处理罐10和第二预处理罐11，第一预处理罐10和废水处理池间的电磁阀为第一电磁阀12，第二预处理罐11和废水处理池间的电磁阀为第二电磁阀13。
如图2所示，在本实施例1中，利用上述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置进行啤酒厂废水处理时，包括：
将啤酒酿造过程中产生的含有不同有机物含量的废水分别收集入不同的预处理罐中，对预处理罐中的废水进行酸化、沉降和过滤预处理；
预处理后的废水通过电磁阀进入废水处理池的底部，带有厌氧微生物的碳颗粒的电池阳极产生电子和氢离子，电子通过外部电路到达电池阴极产生电流；
电压采集卡采集微生物燃料电池的电压作为参考电压并输出给控制器，控制器根据参考电压，采用滑模控制调整不同预处理罐的电磁阀的开合度，控制不同预处理罐流入废水处理池的废水的流量，实现微生物燃料电池电压的稳定输出。
如图3所述，在本实施例1中，在滑模控制中，滑模面设计为：S＝ce+e′；
其中，S表示滑模面，c表示大于0的适应常数，e表示跟踪误差，e′表示跟踪误差导数。
定义李雅普诺夫函数：
Figure BDA0002932187180000071
其中，V表示Lyapunov(李雅普诺夫)函数；
则：V′＝S×S′；其中，V′表示李雅普诺夫函数的导数，S′表示滑模面的导数，即：
V′＝c2ee′+cee″+ce′2+e′e″；其中，e″表示跟踪误差的二阶导数。
为了保证V′≤0，则S＝-S′，得到控制输出U。
如图4所示，在本实施例1中，在得到控制输出U后，建立U和电磁阀的对应关系；
设置U的上界为Umax，U的下界为Umin，将在上界和下界之间的数值均分100等份，由低到高分别计为1～100；
设置第一电磁阀和第二电磁阀的开合度为1～100，100表示开度最大，当第一电磁阀的开合度为1，第二电磁阀的开合度为100时，控制输出指令计为1；当第一电磁阀的开合度为100，第二电磁阀的开合度为1时，控制输出指令计为100；
以此类推，在控制器的控制输出指令与第一电磁阀、第二电磁阀之间建立一一对应关系。
实施例2
本发明实施例2提供一种基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，包括污水预处理罐、滤网、控制阀门(第一电磁阀12和第二电磁阀13)、外部负载(外接电阻6)、电压采集卡2、PC端(控制器3)和微生物燃料电池本体。所述滤网位于预处理罐的出水口处；所述控制阀门位于滤网外侧；所述外部负载串在外接电路中；所述电压采集卡与微生物燃料电池阴阳极相连，用于检测外部电压，PC端根据电压变化调节两端阀门。采取滑模控制使微生物燃料电池实现电压的平稳输出。
具体的，本实施例2中，于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置具体包括：多个废水预处理罐、废水处理池1、电压采集卡2以及控制器3；所述废水预处理罐通过电磁阀连通所述废水处理池1，所述电压采集卡2用于采集所述微生物燃料电池的输出电压作为参考电压，并发送给所述控制器3；所述控制器3根据参考电压控制电磁阀的开合度，调节流入废水处理池1的废水流量，从而控制废水处理池内微生物燃料电池的输出电压的稳定输出。
在本实施例2中，所述废水处理池1的底部设有电池阳极4，所述电池阳极4的上方设有的电池阴极5，所述电池阳极4和所述电池阴极5通过外部电路连接，所述外部电路串联有外接电阻6，所述电压采集卡2的两端分别连接所述电池阳极4和所述电池阴极5。
在本实施例2中，所述电池阳极4为流化床结构，所述流化床结构包含有带有厌氧微生物的碳颗粒。所述预处理罐和所述电磁阀之间的管道上设有滤网7。所述废水处理池1的顶部设有污水出口8。所述预处理罐的底部设有污泥排出口9。
在本实施例2中，所述预处理罐的数量为两个，分别为第一预处理罐10和第二预处理罐11，第一预处理罐10和废水处理池间的电磁阀为第一电磁阀12，第二预处理罐11和废水处理池间的电磁阀为第二电磁阀13。通过调节阀门开合控制废水处理池内污水进料流量，进而调节电压输出。
在本实施例2中，所述污水预处理罐分类采用多个处理罐，不同处理罐内污水浓度不同，通过调节不同阀门开关大小实现电压的平稳输出。采用微生物燃料电池作为污水处理的核心，利用微生物燃料电池可以将污水中的有机物分解产生电能的特点，实现能量回收。采用电压采集卡采样微生物燃料电池的输出电压，并传输至电脑端(控制器)进行处理。采用滑模控制对微生物燃料电池电压进行控制，当电压改变时，会自动调节阀门开合大小，使电压始终保持在一定范围以内。保证电池电压输出的实用性。
在啤酒的酿造过程中会产生不同程度污染的水，例如清洁废水、清洗废水和装酒废水等。如图1所示，选取两种污水分别放在第一预处理罐10和第二预处理罐11中，其中，第一预处理罐10有机物含量较高，第二预处理罐11中有机物含量较低。对罐中污水进行酸化、沉降和过滤预处理。
预处理过的两种污水在废水处理池1中充分混合后注入微生物燃料电池。预处理后的残渣会沉积在容器底部，通过定时的开启污泥排出口上的第一阀门14和第二阀门15将残渣处理，防止淤泥堆积。
废水从废水处理池1的底部进入微生物燃料电池，将带有厌氧微生物的碳颗粒冲散，增加了微生物和废水的接触面积，提高了废水的处理效率。电池阳极微生物处理废水后会产生电子和氢离子，电子通过外部回路到达阴极产生电流，到达阴极的电子会和氢离子及氧气生成水。
微生物燃料电池产生的电压由电压采集卡采集并上传给PC端，为了稳定输出电压，PC端根据电压反馈，引入滑模控制调整至合适的进料浓度。当浓度需要增加时，增大阀门3同时减小阀门10的开合度；反之，减小阀门3并增大阀门10.通过反馈环节，有效保证了电压的稳定输出。
在本实施例2中，在滑模控制中，滑模面设计为：
S＝ce+e′；
其中，S表示滑模面，c表示大于0的适应常数，e表示跟踪误差，e′表示跟踪误差导数。
定义李雅普诺夫函数：
Figure BDA0002932187180000101
其中，V表示Lyapunov(李雅普诺夫)函数；
则：V′＝S×S′；其中，V′表示李雅普诺夫函数的导数，S′表示滑模面的导数，即：
V′＝c2ee′+cee″+ce′2+e′e″；其中，e″表示跟踪误差的二阶导数。
为了保证V′≤0，可以设计S＝-S′，得到控制输出U。
在得到控制输出U后，建立U和两个阀门的对应关系。
设置U的上界为Umax，U的下界为Umin，在上下界之间均分100等份。由低到高计为1到100。
设置阀门开合度为1-100，100表示开度最大，当阀门3开合度为1，阀门10开合度为100时，计为1；以此类推，当阀门3开合度为100，阀门10开合度为1时，计为100。
通过上面的设计，在控制输出和双阀门之间建立了一个固定精度的对应关系，保证了算法的有效应用。
综上所述，本发明实施例所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，利用流化床结构提高了微生物燃料电池的阳极反应效率，提高了污水处理效果；通过调整两个进料罐的阀门改变进料浓度，进而实现微生物燃料电池的电压的稳定输出。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，其特征在于，包括：多个废水预处理罐、废水处理池(1)、电压采集卡(2)以及控制器(3)；
所述废水预处理罐通过电磁阀连通所述废水处理池(1)，所述电压采集卡(2)用于采集所述微生物燃料电池的输出电压作为参考电压，并发送给所述控制器(3)；
所述控制器(3)根据参考电压控制电磁阀的开合度，调节流入废水处理池(1)的废水流量，从而控制废水处理池内微生物燃料电池的输出电压的稳定输出。
2.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，其特征在于，所述废水处理池(1)的底部设有电池阳极(4)，所述电池阳极(4)的上方设有的电池阴极(5)，所述电池阳极(4)和所述电池阴极(5)通过外部电路连接，所述外部电路串联有外接电阻(6)，所述电压采集卡(2)的两端分别连接所述电池阳极(4)和所述电池阴极(5)。
3.根据权利要求2所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，其特征在于，所述电池阳极(4)为流化床结构，所述流化床结构包含有带有厌氧微生物的碳颗粒。
4.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，其特征在于，所述预处理罐和所述电磁阀之间的管道上设有滤网(7)。
5.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，其特征在于，所述废水处理池(1)的顶部设有污水出口(8)。
6.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，其特征在于，所述预处理罐的底部设有污泥排出口(9)。
7.根据权利要求1所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理装置，其特征在于，所述预处理罐的数量为两个，分别为第一预处理罐(10)和第二预处理罐(11)，第一预处理罐(10)和废水处理池间的电磁阀为第一电磁阀(12)，第二预处理罐(11)和废水处理池间的电磁阀为第二电磁阀(13)。
8.一种基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理方法，其特征在于，包括：
将啤酒酿造过程中产生的含有不同有机物含量的废水分别收集入不同的预处理罐中，对预处理罐中的废水进行酸化、沉降和过滤预处理；
预处理后的废水通过电磁阀进入废水处理池的底部，带有厌氧微生物的碳颗粒的电池阳极产生电子和氢离子，电子通过外部电路到达电池阴极产生电流；
电压采集卡采集微生物燃料电池的电压作为参考电压并输出给控制器，控制器根据参考电压，采用滑模控制调整不同预处理罐的电磁阀的开合度，控制不同预处理罐流入废水处理池的废水的流量，实现微生物燃料电池电压的稳定输出。
9.根据权利要求8所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理方法，其特征在于，在滑模控制中，滑模面设计为：S＝ce+e′；
其中，S表示滑模面，c表示大于0的适应常数，e表示跟踪误差，e′表示跟踪误差导数。
定义李雅普诺夫函数：
Figure FDA0002932187170000021
其中，V表示Lyapunov(李雅普诺夫)函数；
则：V′＝S×S′；其中，V′表示李雅普诺夫函数的导数，S′表示滑模面的导数，即：
V′＝c2ee′+cee″+ce′2+e′e″；其中，e″表示跟踪误差的二阶导数；
为了保证V′≤0，则S＝-S′，得到控制输出U。
10.根据权利要求9所述的基于微生物燃料电池的啤酒厂废水处理方法，其特征在于，在得到控制输出U后，建立U和电磁阀的对应关系；
设置U的上界为Umax，U的下界为Umin，将在上界和下界之间的数值均分100等份，由低到高分别计为1～100；
设置第一电磁阀和第二电磁阀的开合度为1～100，100表示开度最大，当第一电磁阀的开合度为1，第二电磁阀的开合度为100时，控制输出指令计为1；当第一电磁阀的开合度为100，第二电磁阀的开合度为1时，控制输出指令计为100；
以此类推，在控制器的控制输出指令与第一电磁阀、第二电磁阀之间建立一一对应关系。
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