CN113735262A - 同步脱氮产电微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及同步脱氮产电微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备。主体设备顶部设置有出水管，底部安装进水管和排空管；底部设置布水区，由底部圆锥型布水器和圆孔型布水板组成；布水区上部设置为填料层，填料层由下至上分为四层:支撑层、阳极层、中间层、阴极层；阴极石墨板水平置于阴极层中，阳极石墨毡水平置于阳极层中，阴阳电极均由钛导线连接电阻形成回路；通过数据采集器并联外接电阻采集设备电压值，将电化学信号传输至电脑。运用系统内部的氧化还原电位梯度，选择性增殖微生物，充分将电子供体和电子受体分开。升流式运行方式可避免阴极中的氧气扩散到阳极影响阳极产电菌的富集，实现反硝化脱氮菌和电化学活性菌的快速富集等优点。

Description

同步脱氮产电微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备
技术领域
本发明涉及一种同步脱氮产电微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备。属于水污染控制领域。
背景技术
随着社会的不断发展，工农业废水和城市生活污水中氮磷素的含量越来越高。大量未经适当处理的氮磷污水直接排入水体，严重导致大量水体环境富营养化，威胁着人类的健康，同时也严重制约着社会的可持续发展。各类污水不仅磷氮元素含量高，且多数情况下C/N/P比失调，对污水的无害化处理带来诸多困境。
传统的生物脱氮除磷方法在污水治理方面已起到一定效果，仍存在诸多瓶颈。如：聚磷菌和反硝化菌对碳源的竞争始终存在；硝化菌、反硝化菌、聚磷菌菌群龄不同，各种菌群混合在一起互相制约，难以使系统达到最佳运行条件；对C/N/P比失调的污水，需外加有机碳源；好氧生物除磷过程增加了动力消耗且会产生大量的剩余污泥；整个处理工艺流程较长，占地面积大、投资高等。
脱氮除磷的传统二级处理设备因其能耗高、运行费用以及投资建设费用较大等缺点，因此，对传统的工艺流程设施进行改进。传统硝化反硝化脱氮效果相对较低，高级氧化、紫外以及电解工艺处理投入成本高。人工湿地脱氮中硝化/反硝化作用可通过调控系统中溶解氧(DO)来实现，进而可影响系统的脱氮性能。研究表明，人工湿地系统中DO的浓度与分布主要可通过改进系统结构和运行方式等措施进行优化。鉴于湿地填料层中微生物的多样性，相比于高级氧化等需要投入的高成本，因其具备低能耗，减少外加有机碳源，剩余污泥产量少占地小等优点，尤其是微生物燃料电池型人工湿地工艺使脱氮和产电这两个过程在同一反应器中同步实现，而有显著优势。微生物燃料电池型人工湿地反应体系的构建可进一步强化人工湿地在处理污水时的脱氮效率，且电化学作用与反硝化作用耦合，有效缓解污水中溶解氧对反硝化菌活性的抑制，实现湿地系统的同步脱氮除碳产电。该工艺不仅减少了对碳源的需要，而且利用空气阴极可减少曝气所需要的能源，产生的剩余污泥量也大为降低。因此微生物燃料电池型人工湿地技术已成当前污水除磷脱氮研究领域的重点和热点之一。然而，如何保持电活性菌的优势，实现反硝化脱氮产电的长期高效运行，已成为此研究领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够为反硝化脱氮工艺快速富集脱氮菌和电活性菌的微生物燃料电池型小试人工湿地反应设备。
本发明利用系统内部的氧化还原电位梯度，选择性增殖微生物，实现电活性菌的快速富集。升流式的运行方式可避免阴极中的氧气扩散到阳极影响阳极产电菌的富集。另外提高进水的营养负荷，可加快细菌增殖的速度，最终使系统达到良好的反硝化脱氮效果。本发明具有可快速富集电活性菌，运行简单稳定容积利用率高，微生物丰度高，无需曝气，剩余污泥量少，无需调节碱度及运行费用较低等优点。
本发明的技术方案如下：
同步脱氮产电微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备；主体设备顶部设置有出水管，底部安装进水管和排空管；底部设置布水区，由底部圆锥型布水器和圆孔型布水板组成；布水区上部设置为填料层，填料层由下至上分为四层:支撑层、阳极层、中间层、阴极层；阴极石墨板水平置于阴极层中，阳极石墨毡水平置于阳极层中，阴阳电极均由钛导线连接电阻形成回路；通过数据采集器并联外接电阻采集设备电压值，将电化学信号传输至电脑。
所述的在主体设备外层增加有水浴保温层和温控层，温控仪与反应器外表面上加热装置相连接。
所述的水浴保温层的水浴装置进水管设置在下方、水浴装置出水管设置在上方，进出水管斜对角线设置。
利用本发明的设备同步脱氮产电微生物燃料的方法；反应设备与碳源进水泵相连；在厌氧段，碳源进水泵将碳源污水通过进水管泵入反应器；在好氧段：打开电动球阀经过排水管后将污水通过出水泵泵出排水；在两段式反应器(1)的侧壁上取样管；通过水浴加热的方式将微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备维持在30±1℃范围内。
反应器接种一定浓度的市政污水厂活性污泥，而后进水运行启动；设备启动和运行采用人工模拟污水以减少其他因素的影响，探明本发明启动时实现反硝化脱氮菌、电活性菌快速富集的关键参数控制条件以及稳定运行时保证脱氮功能菌种群优势、维持电活性菌活性的关键参数控制条件。
本发明设置有厌氧/好氧段的微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备，微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备按照序批式模式运行。每周期1次进水1次排水。具体运行方式为：设备采取从底部进水从顶部排出的进水模式。由碳源进水箱从装置底部进水后，在下端阳极区，充分降解有机物，此时电活性菌在阳极快速富集。装置侧壁上根据需要设置有取样管，整个反应器利用在其表面的水浴装置加热。
附图说明
图1是本发明的人工湿地设备平面图
图2是本发明的人工湿地设备截面图
其中：碳源进水泵1、进水管2、石墨毡阳极3、石墨板阴极4、外接电阻5、取样管6、出水管7、电动球阀8、出水泵9、水浴保温层10、水浴装置出水管10-1、水浴装置进水管10-2、电脑12、布水区13、排空管14、支撑架15、数据采集器16、支撑层A、阳极层B、中间层C、阴极层D。
具体实施方式
下面结合图1和图2和具体实施方式，对本发明做进一步的详细说明：
人工湿地设备顶部设置有“Ω”型穿孔管作为出水管(7)，在底部安装进水管(2)；其中，底部布水区(13)由底部圆锥型布水器和圆孔型布水板组成，二者均由有机玻璃制成。圆锥型布水器和圆孔型布水板表面均匀开孔，用于反应器均匀布水。
人工湿地设备填料层由下至上分为四层:支撑层A、阳极层B、中间层C、阴极层D；阴极石墨板(4)水平置于阴极层中；阳极石墨毡(3)水平置于阳极层中；闭合回路的阴阳电极均由钛导线向外接出，连接外接电阻(5)形成回路；外接电阻(5)并联数据采集器采集设备电压值，后串联电脑(17)将电化学信号传输至电脑端记录保存。
人工湿地设备与碳源进水泵(1)相连，在厌氧段：碳源进水泵(1)将碳源污水通过进水管(2)泵入反应器；在好氧段：打开电动球阀(8)经过排水管(7)后将污水通过出水泵(9)泵出排水；两段式反应器(1)的侧壁上设置有5个取样管(6)，底部设有穿孔支撑板(13)和排空管(14)；设备主体外层增加有水浴保温层(10)和温控仪(11)，温控仪(11)与反应器外表面上加热装置(12)相连接。
实施例中，微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备湿地填料层高度为55cm，由下至上分为四层:下层为15cm厚的支撑层，填充粒径为10～15mm的填料；阳极层置于底层上方，厚度为10cm，填充粒径为10～15mm的石墨颗粒，阳极石墨毡(3)水平置于阳极层中；中间层填充与底层相同的填料，高度为25cm。最上方为阴极层，厚度为5cm，填充粒径为10～15mm的石墨颗粒，阴极石墨板(4)水平置于阴极层中。闭合回路的阴阳电极均由钛导线(直径1mm)向外接出，连接1000Ω外接电阻(5)形成回路，并使用环氧树脂包裹密封暴露于溶液中的部分，防止发生阴阳极短路的现象。
微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地在厌氧段：碳源进水泵(1)将碳源污水泵入设备，在石墨毡阳极层(3)发生有机物的降解反应，完成后由于升流式运行模式，污水进入好氧段；在好氧段：污水进入石墨板阴极层(4)，由于与空气接触形成空气阴极，发生好氧反应。该装置可利用电化学原理充分做到将碳源(电子供体)和硝酸盐(电子受体)的分开，能避免其他菌群之间对电子供体和受体的竞争，使得反硝化脱氮菌和电活性菌在厌氧阶段获得竞争优势，从而使反硝化脱氮菌群和电化学活性菌群在系统中得到选择性增殖，此外也可提高进水浓度，加速微生物增殖速率。
实施方式增加有加热装置水浴保温层(10)和温控层(11)；水浴保温层(10)通过水浴加热的方式将微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备维持在一定的温度要求，反硝化脱氮菌、电活性菌在中温条件下微生物活性最佳，通过温控层控制水浴保温层(10)的温度使得反硝化脱氮菌、电活性菌达到最佳活性，保持微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备的温度在30±1℃范围内。
本发明与现有技术相比具有以下优点：1.实现了电活性菌的快速富集，强化人工湿地的脱氮性能，从而实现了处理高碳比污水和城市污水的新型微生物燃料电池型人工湿地脱氮工艺的快速启动和稳定运行。本发明利用系统内部的氧化还原电位梯度，可选择性增殖微生物，实现了反硝化脱氮菌、电活性菌的快速富集。它一方面可以充分做到碳源(电子供体)和硝酸盐(电子受体)的分开，能避免其他菌群之间对电子供体和受体的竞争，使得电活性菌在厌氧阳极段获得竞争优势，从而能使电活性菌群体在系统中得到选择性增值，另一方面也可提高进水的营养负荷，加快细菌增殖的速度，最终使系统达到良好的反硝化脱氮效果。2.减少外加有机碳源、曝气量和剩余污泥排放量，降低运行成本。本发明设备中的反硝化脱氮和产电这两个过程仅在缺氧环境下就可同时完成，减少微生物对碳源的需要，降低剩余污泥产量，且脱氮产电在缺氧条件下完成可减少曝气的消耗。
本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (4)

1.同步脱氮产电微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备；其特征是，主体设备顶部设置有出水管，底部安装进水管和排空管；底部设置布水区，由底部圆锥型布水器和圆孔型布水板组成；布水区上部设置为填料层，填料层由下至上分为四层:支撑层、阳极层、中间层、阴极层；阴极石墨板水平置于阴极层中，阳极石墨毡水平置于阳极层中，阴阳电极均由钛导线连接电阻形成回路；通过数据采集器并联外接电阻采集设备电压值，将电化学信号传输至电脑。
2.如权利要求1所述的设备，其特征是，在主体设备外层增加有水浴保温层和温控层，温控仪与反应器外表面上加热装置相连接。
3.如权利要求2所述的设备，其特征是，水浴保温层的水浴装置进水管设置在下方、水浴装置出水管设置在上方，进出水管斜对角线设置。
4.利用权利要求1、2或3设备同步脱氮产电微生物燃料的方法；其特征是，反应设备与碳源进水泵相连；在厌氧段，碳源进水泵将碳源污水通过进水管泵入反应器；在好氧段：打开电动球阀经过排水管后将污水通过出水泵泵出排水；在两段式反应器(1)的侧壁上取样管；通过水浴加热的方式将微生物燃料电池型升流垂直流人工湿地设备维持在30±1℃范围内。
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